Electrolyse de l'eau

Cuve

Pour une cuve à électrolyse, les deux facteurs principaux de la performance sont la surface des électrodes et la distance qui les séparent. Il faut maximiser la conductance (en Siemens) G = σ * S / L avec σ la conductivité de la solution, S la surface des électrodes et L la distance entre elles. Il faut donc minimiser L, pour cela j'ai choisi d'utiliser deux tubes métalliques de diamètres légèrement différents imbriqués pour servir d'électrodes. Enfin, pour augmenter la surface S, il suffit de prendre des tubes plus longs. L'éléctrolyseur n'a donc qu'une sortie combinée pour l'hydrogène et l'oxygène. Ce qui peut représenter un danger si l'on produit le mélange gazeux en grande quantité car il est détonnant.

Electrolyte

Ensuite se pose la question du choix d'un électrolyte. En effet l'eau n'étant pas conductrice il faut y ajouter des ions pour permettre son éléctrolyse. Je n'ai pas choisi le sel de table pour éviter la production de Dichlore. Je suis donc tourné vers un autre produit commun, les cristaux de soude. Autrement appelé carbonate de sodium et qui libère dans la solution deux ions soduim Na+ et un ion carbonate CO3²- ayant pour conductivité molaire ionique respectivement 5.01 et 13.86 mS.m2.mol-1.

Rendement

La vitesse de production dépend de l'intensité qui circule dans la solution. Or on sait que G = I / U , soit l'inverse de la résistance, mais aussi G = σ * S / L avec σ = (2 * 5.01*10p-3 + 13.86*10p-3) * c d'après la loi de kolrausch. On peut donc reformuler par I = U * G = U * σ * S / L. Le tube servant d'électrode a un diamètre de 3cm et un longueur de 35cm, donc une surface S = pi * D * H = pi * 3*10p-2 * 35*10p-2 = 3.3*10p-2. Les deux tubes sont écartés de 3mm. La concentration c en éléctrolyte est de l'ordre de d'un millième de mole par litre soit une mole par mètre cube. la conductivitté est donc σ = (2 * 5.01*10p-3 + 13.86*10p-3) * 1 = 2.39*10p-2 S.m-1. Enfin, le courant est fourni par une alimentation d'ordinateur en 12 volts. On peut donc estimer l'intensité à I = 12 * 2.39*10p-2 * 3.3*10p-2 / 3*10p-3 = 3.2 A. L'estimation est plutôt bonne car j'ai pu observé une intensité de 2.8 ampères.

Maintenant que l'on connait l'intentsité, on peut estimer le production grâce à l'équation de réaction de l'électrolyse de l'eau 2 H2O -> O2 + 2 H2 qui s'effectue une fois pour 4 électrons échangés. Un électron possède une charge, dite élémentaire, valant 1.6*10p-19 coulomb. Ainsi avec un courant de 2.8 ampères ou coulomb par seconde, le débit d'électron s'élève à 2.8 / (1.6*10p-19) = 1.8*10p-19 s-1 = 1.8*10p19 / 6.02*10p23 = 2.9*10p-5 mol.s-1. Il ne reste qu'à divisé par 4 pour avoir la vitesse de réaction, v = 2.9*10p-5 / 4 = 7.3*10p-6 mol.s-1. Ensuite pour chaque mole de réaction, il se produit une mole de dioxygène et le double de dihydrogène, soit 3 moles de gaz, or le volume molaire dans les conditions atmosphériques est de 24 litres par mole. Le débit volumique est donc 7.3*10p-6 * 3 * 24 = 5.3*10p-4 L.s-1 ou 1.9 L.h-1.