Protection du fer Par électrozingage et par étamage Mots-clefs : Protection Contexte du sujet : On appelle «acier» tout alliage métallique ayant pour métal de base le fer. Sans traitement particulier, un acier sera oxydé peu à peu par les oxydants atmosphériques (corrosion). Pour protéger l acier du dioxygènede l air, une technique consiste à le recouvrir d une fine pellicule protectrice : peinture, film plastique, déposition d un autre métal. Le zinc est un métal pouvant protéger le fer contre la corrosion. De nombreux bâtiments sont recouverts de tôles d acier zinguées. Le zinc protège l acier contre la corrosion. Deux techniques sont utilisées : - la galvanisation, réalisée par immersion de la pièce en acier dans un bain de zinc fondu ; - l électro-zingage, opération au cours de laquelle du zinc est déposé par électrolyse. PRATIQUE EXPERIMENTALE (durée conseillée : 1 h 15 min) : Electro-zingage d une plaque de fer Vous allez réaliser cette seconde technique. L électro-zingage consiste à provoquer, par électrolyse, le dépôt d une fine couche de zinc sur un objet en acier afin de le protéger. Le zinc n est pas un métal inoxydable, mais son oxyde (ZnO) a la propriété d être imperméable à l air. Une fois oxydé en surface, il protègera donc les couches internes de zinc et bien entendu l acier recouvert. Protocole expérimental : préparation du montage On cherche à réaliser une électrolyse dans laquelle la cathode est une plaque de fer fraichement décapée et l'anode est une plaque de zinc décapée. Décaper soigneusement une plaque de fer et une plaque de zinc avec du papier de verre. Peser soigneusement ces deux plaques avec une balance électronique au centième de gramme et noter les masses initiales. Lors de l électrolyse, la cathode est la plaque de fer et l anode est la plaque de zinc. La solution d électrolyte est une solution acidifiée de sulfate de zinc (Zn 2+ + SO 2-4 ), déjà préparée ; on en utilisera un volume égal à 70 ml. Un générateur de tension permet de fixer une intensité de 1,00 A pendant toute la durée de l électrolyse, soit 15 minutes. Une agitation modérée de la solution électrolytique permettra d avoir une solution homogène. TS Spé TP : Electro-zingage d une plaque de fer 1 C. Grange-Reynas
Questions : 1. À quelle borne du générateur faut-il relier la plaque de fer et la plaque de zinc? Justifier. 2. Faire un schéma légendé du montage de cette électrolyse en précisant le matériel utilisé. 3. Préciser les bornes du générateur, le sens de déplacement des électrons et le sens conventionnel du courant électrique, la nature et le sens des porteurs de charge dans l électrolyte, l anode et la cathode. 4. Le faire valider par le professeur avant de le réaliser. Réalisation de l électrolyse Mettre en marche le générateur et déclencher le chronomètre. Régler rapidement l intensité à I = 1,00 A ; l ajuster éventuellement pendant la durée de l expérience afin de maintenir cette intensité. Observer avec soin les phénomènes qui se produisent aux électrodes, en particulier à la cathode. Noter les observations. Au bout de 15 min, arrêter le générateur et retirer les électrodes du montage. Les sécher délicatement avec un papier absorbant ou le sèche-cheveux et attendre Les laisser encore 15 min à l air libre avant de les peser de nouveau. Questions : 5. Le seul couple mis en jeu lors de cette électrolyse est le couple Zn 2+ (aq) / Zn(s). Écrire la demiéquation électronique associée à chaque électrode en utilisant ce seul couple rédox. 6. Que peut-on dire de la concentration en ion Zn 2+ (aq) au cours de l électrolyse? Expliquer. 7. Justifier l appellation d électrolyse à «anode soluble» donnée à cette électrolyse. 8. Déterminer les variations de masses Δm(fer) et Δm(zinc) de l électrode de fer et de l électrode de zinc. Que constate-t-on en première approximation? 9. Déterminer la masse réelle de zinc m réelle (Zn) formée sur l électrode en fer. 10. En détaillant la méthode utilisée, exprimer la masse théorique de zinc m théo (Zn) formée sur l électrode en fer en fonction de I, Δt, Qm et M(Zn). Calculer m théo (Zn) sachant que M(Zn) = 65,4 g.mol -1. 11. Proposer une ou des explication(s) à une éventuelle différence de masse entre m réelle (Zn) et m théo (Zn). 12. Evaluez l incertitude absolue. Comment pourrait on améliorer la précision des mesures, un rendement peut être déterminé 13. En supposant que le dépôt de zinc sur la cathode est uniforme sur une seule face de surface S, déterminer l épaisseur de la couche de zinc déposée notée e(zn), sachant que la masse volumique du zinc est ρ(zn) = 7,1 g.cm -3. TS Spé TP : Electro-zingage d une plaque de fer 2 C. Grange-Reynas
Document 1 : Principe de l électrolyse Le principe de l électrolyse est une pile d oxydo-réduction en fonctionnement inversé c est dire forcé : les électrons sont forcés de circuler en sens inverse du sens naturel dans une pile grâce à un générateur relié entre 2 électrodes (anode et cathode) où l on trouve 2 couples redox. L électrolyse permet, sous l effet d un courant électrique imposé, de produire un métal à partir d une solution aqueuse contenant le cation métallique correspondant. Il est essentiel que la solution ne contienne qu un seul type de cation métallique pour que le métal produit soit pur (en général à plus de 99%). Plus la concentration en ions est élevée, plus le dépôt sera efficace. Une agitation en continue sera nécessaire pour assurer l homogénéité. Par ailleurs, l électrolyse permet de déposer une fine couche d un métal sur un autre (électrodéposition ou placage) dans un but de protection ou d ordre esthétique. Ainsi, un métal peu esthétique mais bon marché peut servir à faire des objets qui sont ensuite recouverts d une fine couche d or, d argent, de chrome. Un métal oxydable peut, de la même manière, être recouvert d un métal non oxydable protecteur : par exemple, recouvrir une plaque en acier d une fine couche de zinc. La pièce à protéger constitue la cathode ; l anode est dite soluble : elle est constituée de zinc pur à 99,9%. L électrolyse est une solution aqueuse à base de chlorure de zinc ou de sulfate de zinc en présence de divers additifs qui améliorent la qualité du dépôt (chlorure d ammonium ou chlorure de potassium par exemple). Le zinc déposé à la cathode lors du dépôt (par réduction des ions zinc) est régénéré à l anode par oxydation du zinc. Une électrolyse est une réaction endo-énergétique (elle consomme de l énergie) au cours de laquelle l'énergie électrique reçue provoque des réactions d'oxydoréductions inverses aux réactions spontanées. Par définition, l'électrode où il y a oxydation est «l anode» et l'électrode où il y a «réduction» est la cathode. TS Spé TP : Electro-zingage d une plaque de fer 3 C. Grange-Reynas
Document 2 : Matériel mis à votre disposition Solution acidifiée de sulfate de zinc (Zn 2+ + SO 2-4 ) à 1,0 mol.l -1 Solution acidifiée de sulfate de zinc (Zn 2+ + SO 2-4 ) à 1,0.10-2 mol.l -1 Solution acidifiée de sulfate de fer (Fe 2+ + SO 2-4 ) à 1,0 mol.l -1 Un générateur de tension continue réglable (12 V 1 A) Un interrupteur Un multimètre Un chronomètre Une plaque de fer Une plaque de zinc Un bécher de 100 ml Un agitateur magnétique ou turbulent Une éprouvette graduée de 250 ml Une éprouvette graduée de 100 ml Une balance Un sèche-cheveux 6 fils électriques Un aimant Papier verre Pour éviter la précipitation des ions Zn 2+, la solution d électrolyte est acidifiée. Le ph doit être compris entre 4,5 et 6 Document 3 : Informations TS Spé TP : Electro-zingage d une plaque de fer 4 C. Grange-Reynas
CORRECTION PRATIQUE EXPERIMENTALE (durée conseillée : 1 h 15 min) : Electro-zingage d une plaque de fer Protocole expérimental : préparation du montage Masse initiales des plaques : mi(fer) = g Questions : mi(zinc) = g 1. À quelle borne du générateur faut-il relier la plaque de fer et la plaque de zinc? Justifier. Un dépôt de Zinc doit se produire sur l électrode en fer. Ce dépôt résulte de la réduction des ions Zinc en solution. L électrode en acier doit donc être effectivement la cathode. A la cathode, il se produit une réduction donc une capture d électrons ; les électrons doivent donc arriver sur la plaque d acier, celle-ci doit donc être reliée à la borne du générateur qui fournit des électrons au circuit. Par conséquent, des électrons doivent partir de l électrode de Zinc ; des électrons doivent y être produits. L électrode de Zinc est donc le siège d une oxydation et fournit des électrons au circuit. L anode en Zinc doit donc être reliée à la borne + du générateur. 2. Faire un schéma légendé du montage de cette électrolyse. 3. Préciser les bornes du générateur, le sens de déplacement des électrons et le sens conventionnel du courant électrique, la nature et le sens des porteurs de charge dans l électrolyte, l anode et la cathode. TS Spé TP : Electro-zingage d une plaque de fer 5 C. Grange-Reynas
Réalisation de l électrolyse Remarque : Une agitation modérée de la solution électrolytique permettrait d avoir une solution homogène ; la mise en œuvre est difficile, il ne faut détériorer le dépôt de métal. Observations des phénomènes qui se produisent aux électrodes, en particulier à la cathode. Un dépôt gris se forme sur la plaque d acier (cathode). La surface immergée de la plaque de zinc apparait plus claire. Un dégagement gazeux à la cathode. mf(fer) =.. g mf(zinc) =.. g 5. Le seul couple mis en jeu lors de cette électrolyse est le couple Zn 2+ (aq) / Zn(s). Écrire la demiéquation électronique associée à chaque électrode en utilisant ce seul couple rédox. A l anode, oxydation de l électrode de Zinc : Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e- : la lame de zinc est rongée et donc sa masse diminue. A la cathode en acier, réduction des ions zinc présents en solution : Zn 2+ (aq) + 2 e- Zn (s) : du zinc métallique se dépose sur l électrode d acier et donc sa masse augmente. 6. Que peut-on dire de la concentration en ion Zn 2+ (aq) au cours de l électrolyse? Expliquer. Le bilan global de la réaction d électrolyse est Zn (s) Zn (s) ; Lorsqu une mole de Zn 2+ est produite à l anode, une mole de Zn 2+ est consommée à la cathode donc la quantité d ions zinc en solution n est pas modifiée ; tout se passe comme si des atomes de zinc étaient transportés de l anode à la cathode. 7. Justifier l appellation d électrolyse à «anode soluble» donnée à cette électrolyse. Au cours de l électrolyse des atomes de zinc de l anode s oxydent en ions zinc, lesquels passent en solution (comme si l anode de zinc se dissolvait) d où le nom d électrolyse à anode soluble. Macroscopiquement, on voit donc la taille de l anode diminuer, «comme si» elle se dissolvait dans la solution. Attention!!! Visuellement, le phénomène ressemble à une dissolution et l expression «à anode soluble» prête à confusion mais une oxydation ne correspond en rien à une dissolution. 8. Déterminer les variations de masses Δm(fer) et Δm(zinc) de l électrode d acier et de l électrode de zinc. Que constate-t-on en première approximation? Δm(fer) = mf (fer) mi (fer) =. (environ 0,35 g) Δm(zinc) = mf (zinc) mi (zinc) =.. (environ 0,30 g) On constate que la masse de la plaque de zinc a diminuée et que celle de l acier a augmentée. On peut considérer que Δm(Zn) = Δm(Fe) Δm Zn Δm (Fe ) x 100 = (0,30 0,35) / 0,35 = 0,14 soit 14% ce qui paraît beaucoup Δm (Fe ) 9. Déterminer la masse réelle de zinc m réelle (Zn) formée sur l électrode en acier. m réelle (Zn) = mf (fer) mi (fer) = Δm(fer) = (environ 0,30 g) TS Spé TP : Electro-zingage d une plaque de fer 6 C. Grange-Reynas
10. En détaillant la méthode utilisée, exprimer la masse théorique de zinc m théo (Zn) formée sur l électrode en acier en fonction de I, Δt, Qm et M(Zn). Calculer m théo (Zn) sachant que M(Zn) = 65,4 g.mol -1. Pour connaître la masse théorique de zinc qui aurait dû se déposer sur la plaque de fer, il faut connaître le nombre de moles de zinc qui se sont formées donc le nombre d électrons qui sont arrivés. Plaque d acier = cathode donc Zn 2+ (aq) + 2 e- Zn (s) ; il faut 2 moles d électrons pour former une mole de zinc donc n (Zn) = n (e-) / 2 On sait que Q = F x n (e-) et que Q = I x Δt avec Q en C, I en A et Δt en s. M théo (Zn) = n (Zn) x M (Zn) = ( n (e-) / 2 ) x M(Zn) = ( Q / 2 F ) x M(Zn) = ((I x Δt) / 2 F) x M(Zn) M théo (Zn) = ( ( 1,00 x (15 x 60) / ( 2 x 9,65.10 4 ) ) x 65,4 = 0, 305 g Soit M théo (Zn) = 3,05.10-1 g (3 chiffres significatifs) 11. Proposer une ou des explication(s) à une éventuelle différence de masse entre m réelle (Zn) et m théo (Zn). Plaques insuffisamment séchées Perte lors du séchage à cause d une mauvaise adhérence Incertitude des pesées (précision de la balance) Réactions parasite (à l origine notamment du dégagement gazeux observé) L intensité du courant n a pas été rigoureusement maintenue à une valeur constante. 12. Evaluez l incertitude absolue. Comment pourrait on améliorer la précision des mesures, un rendement peut être déterminé? m théo Zn m réelle (Zn ) x 100 = (0,305-0,30)/0,305 = 0,016 soit 2% m théo (Zn ) = 15% près ce qui est beaucoup Rendement : ρ = m réelle (Zn ) x 100 = 0,30 /0,305 = 0,98 m théo (Zn ) 13. En supposant que le dépôt de zinc sur la cathode est uniforme sur une seule face de surface S, déterminer l épaisseur de la couche de zinc déposée notée e(zn), sachant que la masse volumique du zinc est ρ(zn) = 7,1 g.cm -3. V(Zn) = S x e(zn) faces de la lame en négligeant son épaisseur) avec S = 2 x L x l = 10 x 3 = 60 cm 2 (on considère les deux plus grandes Or ρ = m V = 7,1 donc V (Zn) = m ρ = 0,30 / 7,1 = 0,042 cm-3 Donc e(zn) = V(Zn) / S = 0,042 / 60 = 7,0 x 10-4 cm soit 7,0.10-6 m soit 7 μm TS Spé TP : Electro-zingage d une plaque de fer 7 C. Grange-Reynas