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Une pile à combustible à hydrogène peut fonctionner dans certaines conditions. Mais la réaction globale de l’hydrogène associé à l’oxygène pour former de l’eau est la même. Considérons les équations suivantes. (A) Un demi O2 gazeux plus H2O gazeux plus deux e- forment deux OH- aqueux. (B) H2 gazeux forme deux H+ aqueux plus deux e-. (C) Un demi O2 gazeux plus deux H+ aqueux plus deux e- forment H2O gazeux. (D) H2 gazeux plus deux OH- aqueux forment deux H2O gazeux plus deux e-. Lesquelles de ces équations peut être appariées de sorte que, lorsqu'elles sont combinées, elles donnent la réaction globale d'une pile à combustible à hydrogène ? (A) AD et BC, (B) AB et CD, (C) AC et BD.
Une pile à combustible à hydrogène est un type de cellule galvanique primaire. Elle utilise des réactifs rechargeables pour effectuer des réactions d'oxydoréduction, qui génèrent un flux d’électrons qui peut être utilisé pour alimenter des appareils électroniques. Pour mieux comprendre les réactions qui se produisent dans une pile à hydrogène, il est utile de comprendre la structure de la pile et le flux d’électrons à l’intérieur du circuit.
Une pile à combustible à hydrogène est constituée d’une anode et d’une cathode. Celles-ci sont souvent faites de récipients creux recouverts de carbone poreux. Le carbone poreux permet la connexion entre la pièce interne et la solution électrolytique à l’intérieur. En règle générale, la solution électrolytique est soit une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium, soit une solution d’acide sulfurique.
Comme on peut le voir sur le schéma, l'hydrogène et l'oxygène entrants sont tous deux capables de passer à travers les couches poreuses de la cellule pour réagir spontanément avec l'électrolyte. Cela forme des électrons qui peuvent fournir du courant électrique. Ces réactions d'oxydoréduction spontanées sont ce qui permet aux cellules galvaniques de générer leur énergie.
Les réactions d'oxydoréduction sont des réactions chimiques dans lesquelles des électrons sont transférés d'une espèce à une autre. Dans une réaction d'oxydoréduction typique, une espèce perd des électrons et est oxydée et une autre espèce gagne des électrons et est réduite. Dans le cas de notre pile à combustible à hydrogène, l'hydrogène est oxydé, tandis que l'oxygène est réduit. L'anode et la cathode vont chacune faciliter un type différent de réaction d'oxydoréduction. Comme pour toutes les cellules électrochimiques, une demi-réaction d'oxydation aura lieu à l'anode, tandis qu'une demi-réaction de réduction aura lieu à la cathode.
Libérons un peu d'espace et voyons comment le flux d'électrons peut être relié à deux demi-équations distinctes se produisant dans la cellule, qui se combinent pour donner la réaction d'oxydoréduction globale. À l'anode, l'hydrogène gazeux alimente le système et perd des électrons. Cela forme des ions hydrogène qui réagissent avec les ions hydroxyde dans l'électrolyte pour former des molécules d'eau, qui est en fait le produit résiduel de cette pile à combustible. À la cathode, l'oxygène gazeux est réduit par l'eau qui venait d’être formée et des électrons pour former des ions hydroxyde. Ces deux réactions sont des formes de demi-équations, ce qui signifie que si elles sont combinées ensemble, elles forment une réaction d'oxydoréduction complète. Nous pouvons donc combiner les équations.
Nous pouvons alors supprimer les termes présents des deux côtés de l’équation. L'équation globale montre qu'une pile à combustible à hydrogène absorbe de l'hydrogène et de l'oxygène et produit de l'eau. Et au cours de ce processus, un courant électrique est produit.
Si nous comparons les deux demi-équations avec les équations nommées A à D, nous pouvons voir qu’elles correspondent aux équations D et A. Si nous reprenons la deuxième partie de la question, nous constatons que la combinaison d'équations que nous avons trouvée et qui donnerait la réaction globale d'une pile à hydrogène lorsque A et D sont combinés, est donnée dans l'option (A). Nous pouvons donc déjà dire que l’option (A) est la bonne réponse à cette question. Mais pour être complet, examinons la combinaison BC.
Pour que les équations se combinent, il faut qu'il y ait une réaction d'oxydation, côté anode, et une réaction de réduction, côté cathode. Elles doivent s’équilibrer et former une équation globale de la pile à combustible à hydrogène. Il est clair que les équations B et C correspondent à ce critère. Ainsi, les équations qui peuvent être appariées de sorte que, lorsqu’elles sont combinées, elles donnent la réaction globale pour une pile à combustible à hydrogène sont AD et BC, c’est le choix de réponse (A).