16/09/2015 C07_electrolyse_zinc_pb01.doc 1/2
Problème : Comment protéger la coque d’un bateau de la corrosion ?
La corrosion est un phénomène bien connu des marins. Les bateaux dont la coque est en acier en sont victimes et doivent en être protégés. Une méthode de protection consiste à poser à la surface de la coque des blocs de métal que l’on appelle « anodes sacrificielles ».
Image provenant du site www.hisse-et-oh.com
L’objectif de l’exercice est d’évaluer, à l’aide des documents ci-après, la masse de l’anode sacrificielle nécessaire à la protection d’un bateau.
Document 1 : Le phénomène de corrosion
La corrosion d’un métal M est sa transformation à l’état de cation métallique Mk+ par réaction avec le dioxygène dissous dans l’eau.
Le métal perd un ou plusieurs électrons, il est oxydé selon la demi-équation oxydant/réducteur : M Mk+ + k e-.
Une mole de métal oxydé produit k moles d’électrons.
Document 2 : Potentiels standard de différents métaux
Pour prévoir les réactions d’oxydoréduction, on peut s’appuyer en première approche sur l’échelle suivante, appelée échelle des potentiels standard. Tous les couples oxydant/réducteur peuvent être classés par leur potentiel standard.
Échelle des potentiels standard de quelques couples à 20°C :
Élément Couple Potentiel standard (V)
Plomb Pb2+ / Pb -0,126
Étain Sn2+ / Sn -0,138
Nickel Ni2+ / Ni -0,257
Fer Fe2+ / Fe -0,447
Zinc Zn2+ / Zn -0,760
Aluminium Al3+ / Al -1,67 Magnésium Mg2+ / Mg -2,37
Lorsque deux métaux sont en contact et peuvent être oxydés par le dioxygène, c’est celui dont le couple a le potentiel standard le plus faible qui s’oxyde : il constitue l’anode et protège l’autre métal qui ne réagira pas.
Document 3 : Protection d’un bateau avec coque en acier
Lors de l’oxydation de l’anode sacrificielle, il s’établit un courant de protection au niveau de la surface S de la coque immergée. Sa densité de courant moyenne, intensité de courant par unité de surface, vaut : j = 0,1 A.m-2. La densité de courant a pour expression j = I
S où I est l’intensité du courant et S la surface.
Ce courant a son origine dans la charge électrique échangée lors de la réaction d’oxydoréduction.
L’intensité I d’un courant électrique peut s’exprimer en fonction de la charge électrique Q échangée au cours de la réaction pendant une durée t : I = Q
t
où, dans le système international, I s’exprime en ampère (A), Q en coulomb (C) et t en seconde (s).
Anode sacrificielle
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Questions préalables
1) Un bateau possède une coque en acier donc composée essentiellement de fer. Écrire la demi-équation de l’oxydation du fer métallique en considérant uniquement les couples du document 2.
2) Citer en justifiant votre réponse, les métaux du tableau du document 2 susceptibles de protéger la coque en acier d’un bateau. Pourquoi l’anode utilisée est-elle qualifiée de « sacrificielle » ?
Problème
On désire protéger pendant une année la coque en acier d’un bateau par une anode sacrificielle en zinc. La surface de coque immergée dans l’eau de mer vaut S = 40 m². Une anode sacrificielle sur une coque de bateau doit être remplacée quand elle a perdu 50 % de sa masse.
3) Quelle est la masse totale d’anode sacrificielle en zinc qu’on doit répartir sur la coque pour la protéger pendant une année ? Exercer un regard critique sur la valeur trouvée.
Données
Masse molaire du zinc : M = 65,4 g.mol-1
Une mole d’électrons possède une charge électrique q = 9,65×104 C
Remarque
L’analyse des données, la démarche suivie et l’analyse critique du résultat sont évaluées et nécessitent d’être correctement présentées.
Barème officiel pour s’auto-évaluer
Compétences évaluées Critère de réussite correspondant au niveau A A B C D S’approprier
Extraire des informations
La demi équation d’oxydation du fer, la liste des métaux capable de protéger le fer et la notion de sacrificielle est cohérente avec les indications du document.
Analyser
Organiser et exploiter ses connaissances ou les informations extraites Construire les étapes d’une
résolution d’un problème (série S)
Exploitation de la densité de courant pour exprimer la charge électrique échangé sur une année.
Exploitation de l’oxydation pour exprimer la charge électrique échangée par mole et le nombre de mole de zinc consommer par an
Introduction de la masse cherchée en lien avec la masse molaire.
Réaliser
Effectuer des calculs littéraux ou numériques
Les calculs menés sont techniquement justes indépendamment d’erreur résultent d’une mauvaise analyse. Les unités sont correctement maîtrisées
Valider
Faire preuve d’esprit critique
L’élève pose un regard critique sur la valeur de la masse trouvée par exemple en
comparant la masse trouvée et celle estimée du bateau. Ce n’est pas la justesse du résultat qui est évalué. Il émet une hypothèse sur une source d’erreur possible quand son résultat lui parait aberrant
Note en point entier : ... /5
Majorité de A et B : 5 points
Majorité de C et D : 1 point
