L'exercice de spécialité, sur 5 points

« Du soleil en bouteille » est l'exercice réservé aux candidats de spécialité physique-chimie au bac S 2020 de Nouvelle-Calédonie ; il remplace pour eux l'exercice 3. Prévu pour environ 55 minutes, il décrit une installation qui convertit l'énergie solaire en électricité, puis utilise une partie de cette électricité pour produire du dihydrogène par électrolyse de l'eau. Deux questions guidées préparent une résolution de problème, qui concentre l'essentiel de la difficulté.

Question 1 : l'énergie reçue par l'électrolyseur

On part de l'énergie solaire reçue en un jour : 15 MJ par mètre carré sur 3 700 m², soit 5,55 × 10¹⁰ J. Deux pourcentages s'enchaînent ensuite : les panneaux convertissent 12 % de cette énergie en électricité, et l'électrolyseur reçoit 30 % de l'énergie électrique produite. On obtient 2,0 × 10⁹ J, soit 2,0 GJ par jour. Le piège est d'appliquer la part envoyée au réseau, 70 %, au lieu de celle de l'électrolyseur. Attention aussi aux préfixes : 1 MJ vaut 10⁶ J et 1 GJ vaut 10⁹ J.

Question 2 : le sens du courant

Il faut lire les demi-équations. À l'électrode 1, l'eau est oxydée et des électrons sont libérés : ils quittent cette électrode. À l'électrode 2, les ions H⁺ sont réduits et consomment des électrons. Dans les fils, les électrons vont donc de l'électrode 1 vers l'électrode 2 en passant par le panneau, et le courant circule en sens inverse. Comme le courant sort d'un générateur par sa borne positive, celle-ci est reliée à l'électrode 1. Le corrigé met en garde contre le raisonnement de la pile : dans un électrolyseur, la transformation est forcée, et l'anode est reliée à la borne positive. Dans la solution, ce sont les ions qui assurent le passage du courant, pas les électrons.

Le problème : combien de jours pour remplir la citerne ?

La démarche

On calcule l'énergie électrique nécessaire pour produire tout le dihydrogène de la citerne, puis on la compare à l'énergie reçue chaque jour. Le volume de 1 400 m³ doit d'abord être converti en litres pour utiliser le volume molaire de 24,0 L/mol : on trouve 5,83 × 10⁴ mol de H₂.

Les étapes clés

La demi-équation de réduction indique deux moles d'électrons par mole de dihydrogène. La charge correspondante vaut environ 1,13 × 10¹⁰ C, et l'énergie, sous une tension de 2,0 V, environ 2,25 × 10¹⁰ J. En divisant par les 2,0 GJ reçus chaque jour, on obtient une durée d'environ 11 jours. Oublier le facteur 2 entre électrons et dihydrogène conduit à 5,6 jours.

Le regard critique

Le résultat est cohérent avec le texte, qui parle d'un remplissage en quelques jours. Il repose sur deux hypothèses à énoncer : un ensoleillement moyen chaque jour et une électrolyse sans perte. La durée réelle est donc un peu plus longue.

Conseils

Dans une résolution de problème, la démarche est notée même si le calcul n'aboutit pas : annoncez votre stratégie, numérotez les étapes, écrivez les relations littérales et terminez par une critique. Le corrigé détaillé propose aussi une vérification par un autre chemin, à partir de la quantité de dihydrogène produite en une journée.