Exercice 4 - Oxydo-réduction et pile à combustible · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole 2026

EXERCICE 4 (6 points)

(Physique-chimie)

Rouler avec une pile à combustible

Une voiture équipée d'une pile à combustible et d'une batterie combine ces deux sources d'énergie de la façon suivante:

la pile à combustible convertit l'énergie chimique du dihydrogène en électricité grâce à une transformation chimique impliquant le dioxygène de l'air. Cette transformation produit de l'eau. Cette pile alimente le moteur électrique qui fait rouler la voiture.

la batterie stocke de l'énergie électrique récupérée lors du freinage. Elle offre un surplus de puissance lors des accélérations ou quand la pile ne suffit pas.

Dans une pile à combustible, les demi-équations des réactions qui modélisent les transformations chimiques ayant lieu aux électrodes s'écrivent respectivement à l'anode ① et à la cathode ②:

à l'anode ①: $H_2(g) = 2\,H^+(aq) + 2\,e^-$

à la cathode ②: $O_2(g) + 4\,H^+(aq) + 4\,e^- = 2\,H_2O(l)$

2.

En analysant les demi-équations, indiquer en justifiant:

- si le dihydrogène est un oxydant ou un réducteur;

- si le dioxygène est un oxydant ou un réducteur.

3.

Indiquer quelle demi-équation correspond à une oxydation et quelle demi-équation correspond à une réduction.

4.

Établir l'équation globale de la réaction modélisant la transformation chimique qui a lieu dans la pile à combustible lorsqu'elle est en fonctionnement.

8.

Déterminer la quantité d'électricité $Q$ en coulomb (C) fournie par la pile à combustible pendant la durée $\Delta t = 17{,}7\text{ s}$. On considère que l'intensité débitée $I$ est constante et vaut $2{,}70\text{ A}$.

On rappelle que la quantité d'électricité $Q$ et la quantité de matière d'électrons échangés $n(e^-)$ pendant le fonctionnement d'une pile sont liées par la relation:

$$Q = n(e^-) \times F$$

où la constante de Faraday $F$ vaut $96\,485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$, $Q$ est exprimée en coulomb (C) et $n(e^-)$ est exprimée en mole (mol).

9.

En déduire $n(e^-)$ la quantité de matière d'électrons échangés pendant la durée de fonctionnement de la pile.

10.

En utilisant les demi-équations électroniques, montrer que la quantité de matière de dihydrogène utilisé $n(H_2)$ est environ égale à $2{,}5 \times 10^{-4}\text{ mol}$.

L'élève pèse la cartouche de dihydrogène avant et après son test.

Donnée:

masse molaire atomique de l'hydrogène: $M(H) = 1{,}0\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

11.

Expliquer, en justifiant par un calcul, pourquoi la masse affichée sur la balance est toujours la même quand on pèse la cartouche de dihydrogène avant et après l'expérience.