Rendement de Faraday

Le rendement de Faraday (r_f) (ou Efficacité de Coulomb) est le rapport entre la quantité de gaz produite et la quantité de gaz théoriquement produite lors d'une électrolyse.

Principe de l'électrolyse

Schéma d'une électrolyse de H2O, produisant de l'hydrogène et de l'oxygène.

Électrolyse de H₂O, produisant de l'hydrogène et de l'oxygène.

L'électrolyse permet de décomposer une molécule de dihydrogène en deux ions H⁺ et deux électrons e⁻ au contact d'une anode. Les électrons vont circuler de l'anode vers la cathode créant un courant électrique. L'anode permet l'oxydation (perte d’électrons), borne + ; la cathode permet la réduction (gain d’électrons), borne −. Puis les ions H⁺ traversent un électrolyte (matériau bloquant le passage des électrons) et se ré-associent deux par deux avec deux électrons et un atome d'oxygène provenant de l'air. Cette réaction s'effectue au niveau de la cathode.

Réaction à l'anode (oxydation) :

H₂ → 2H⁺ + 2e⁻

Réaction à la cathode (réduction) :

4H⁺ + O₂ + 4e⁻ → 2H₂O

La réaction existe aussi pour décomposer l'eau :

Réaction à l'anode :

2(H₂O)_l → O₂_g + 4H⁺_aq + 4e⁻

Réaction à la cathode :

4(H₂O)_l + 4e⁻ → 2(H₂)_g + 4(OH⁻)_aq

Calcul du volume théorique

Pour déterminer ce rendement, on doit mesurer le volume d'hydrogène produit et l'énergie électrique utilisée pour produire cette quantité.

On utilise la formule suivante : PV = n·R·T

avec :

V : volume de gaz théoriquement produit en m³ ;
n : nombre de moles de H₂ créées ;
P : pression ambiante : 1,013×10⁵ Pa ;
R : constante universelle des gaz parfaits : 8,314 J·mol^-1·K^-1 ;
T : température ambiante en K.

Cette formule permet de calculer le volume d'H₂, on utilise pour cela la constante de Faraday (F) : n = I·t/F, où n est le nombre de moles d'électrons produites pendant la durée de la réaction, égal aux charges totales produites (intensité du courant I multipliée par la durée t) divisées par la charge globale d'une mole de charges élémentaires, F.

Pour générer une molécule d'H₂, deux électrons sont mis en jeu car deux ions H⁺ interviennent ; le nombre de moles d'H₂ vaut alors : n = I·t/(2F).

Donc le volume de gaz produit vaut : V = R·T·I·t/(2P·F).