Batteries à flux redox organiques, bac Amérique du nord 2024

Les batteries à flux redox sont constituées de :
- deux réservoirs de stockage équipés de pompes pour faire circuler les solutions aqueuses de substances organiques ou électrolytes à travers la cellule électrochimique ;
une cellule électrochimique qui se comporte comme une pile électrochimique (lors de la décharge) ou comme un électrolyseur (lors de la charge). Elle permet des conversions d'énergie via des réactions d'oxydoréduction ;
- une membrane spécialement conçue pour empêcher le mélange des deux solutions, tout
en permettant l'échange d'ions H⁺ (c'est-à-dire le déplacement de la charge électrique) à travers celle-ci.
On étudie une batterie à flux redox organique utilisant comme électrolytes l'acide 1,2-benzoquinone- 3,5-disulfonique (BQDS) et l'acide antraquinone-2-sulfonique (AQS) représentés ci-dessous.

Les réactions au sein de la cellule électrochimique mettent en jeu les couples oxydant-réducteur
BQDS /H₂BQDS et AQS / H₂AQS, espèces présentes en solution aqueuse dans les réservoirs de stockage.
Q.1. Écrire les deux réactions électrochimiques qui modélisent les transformations se produisant aux électrodes.
Réduction de l'oxydant BQDS +2H⁺+2e^---> H₂BQDS.
Oxydation du réducteur H₂AQS --> 2H⁺+2e^-+AQS.
L'équation de la réaction modélisant la transformation qui a lieu lors de la décharge de la batterie (fonctionnement en mode pile) est:
BQDS + H₂AQS -->» H₂BQDS + AQS
Q.2. Définir un oxydant.
Un oxydant est une espèce susceptible de gagner un ou plusieurs électrons.
Identifier l'oxydant et le réducteur lors de cette transformation chimique.
BQDS est l'oxydant et H₂AQS est le réducteur.
Q.3. Déterminer si la solution de BQDS est l'électrolyte 1 ( borne positive) ou l'électrolyte 2 ( borne négative) et des équations des réactions électrochimiques. Justifier.
H₂AQS s'oxyde et libère des électrons ( borne négative), électrolyte 2.
BDQS se réduit en gagnant des électrons ( borne positive), électrolyte 1.
Q.4. Déterminer le sens de circulation des ions H⁺ à travers la membrane. Justifier.
L'oxydation du réducteur H₂AQS , électrolyte 2, libère des ions 2H⁺.
La réduction de l'oxydant BQDS, électrolyte 1, consomme des ions 2H⁺.
A travers la membrane, les ions H⁺ se déplacent de l'électrolyte 2 vers l'électrolyte 1.

On considère une cellule électrochimique produisant un courant électrique de 250 A pendant 6,0 h. La cellule est alimentée par des solutions électrolytiques de concentration en quantité de matière apportée en BQDS et HAQS égale à 1,0 mol / L.
Q.5. Montrer que la capacité électrique de la cellule a une valeur proche de Q = 5,4 x 10⁶ C.
Q = I t = 250 x6 x3600 = 5,4 x 10⁶ C.
Q.6. Déterminer le volume de chaque électrolyte nécessaire pour assurer le fonctionnement de cette cellule.
Quantité de matière d'électrons : n(e^-) =Q / F =5,4 10⁶ / 96500 =55,95 mol.
Quantité de matière des électrolytes : 55,95 / 2=27,97 mol.
Volume des électrolytes : ~28 L.
En déduire le volume réel sachant que seulement 70 % des électrons susceptibles d'être produits par les réactions d'oxydoréduction contribuent réellement au courant électrique.
28 / 0,70 ~ 40 L.