Aurélie 24/06/09
 

 

Electrozingage d'une pièce en acier ( bac S Reunion 2009)

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Afin de protéger les aciers contre la corrosion, il existe plusieurs procédés industriels de recouvrement de l'acier, notament l'électrozingage très largement utilisé dans l'industrie automobile. L'électrozingage est un dépôt de zinc par électrolyse sur une pièce : c'est une méthode extrèmement fiable et précise, elle permet le dépôt de zinc d'une épaisseur d'une dizaine de micromètres sur une pièce d'acier.

Etude du montage de l'électrolyse.

Le schéma du montage est donné.. La pièce en acier est plongée dans une solution aqueuse de sulfate de zinc acidifiée ( Zn2+aq + SO42-aq). Elle est reliée au pôle négatif du générateur. La pièce en zinc est reliée à la borne positive du générateur.

Indiquer le sens du courant ainsi que le sens de circulation des électrons.

On observe que la pièce de zinc se désagrège. Préciser la réaction ayant lieu au niveau de la pièce de zinc. Utiliser l'un des couples ci-dessous :

Zn2+aq / Zn(s) ; O2(g) / H2O(l) ; H+aq / H2(g)

A quelle électrode de zinc ou d'acier, l'oxydation a t-elle lieu ?


Oxydation du zinc à l'anode positive : Zn(s) = Zn2+aq + 2e-.

La concentration en ion Zn2+aq dans la solution varie t-elle au cours de l'électrolyse ? Justifier.

Réduction des ions Zn2+aq en zinc à la cathode en acier négative. Zn2+aq + 2e- = Zn(s)

Bilan : Zn(s) anode = Zn(s) cathode.

La concentration des ions zinc Zn2+aq ne varie pas en solution : pendant la même durée, il en apparaît autant à l'anode qu'il n'en disparaît à la cathode.

Nécessité d'un milieu acide.

En milieu basique, les ions Zn2+aq peuvent réagir avec l'ion hydroxyde HO-, selon l'équation ci-dessous pour laquelle on associe la constante d'équilibre K à 25 °C.

Zn2+aq + 2HO-aq = Zn(OH)2 (s).

Donner l'expression de la constante d'équilibre K.

K = 1 / ( [Zn2+aq] [HO-aq]2).

On constate que le précipité se forme si la concentration en ion hydroxyde est supérieure à 3,16 10-9 mol/L à 25 °C.

Montrer que la valeur du pH correspondant à cette concentration est égale à 5,5.

Produit ionique de l'eau : Ke = [H3O+aq][HO-aq] ; [H3O+aq] = Ke / [HO-aq] = 1,0 10-14 / 3,16 10-9 = 3,16 10-6 mol/L

pH = - log [H3O+aq] = = -log 3,16 10-6 =5,5.

Le pH de la solution doit être inférieur à 5,5 pour réaliser cette électrolyse. Justifier.

A pH >5,5 les ions zinc se trouvent sous forme d'un précipité Zn(OH)2 (s) : les ions zinc n'étant pas disponible en solution, le dépôt de zinc sur l'acier ne peut pas se réaliser.





Détermination de la masse de zinc déposée.

Au cours de l'électrolyse, l'intensité I du courant est maintenue constante. La durée de passage du courant est notée Dt.

On étudie la réaction qui a lieu à la cathode négative : Zn2+aq + 2e- = Zn(s)

On donne : I = 2,00 A ; Dt = 40,0 min ; M(Zn) = 65,37 g/mol

1 F = 96500 C mol-1 ; NA = 6,02 1023 mol-1 ; e = 1,6 10-19 C.

Quelle relation existe t-il entre la quantité de matière de zinc formé, notée nZn et la quantité de matière d'électron échangé ne- ?

Zn2+aq + 2e- = Zn(s)

 D'après les nombres stoechiométriques de la demi-équation ci-dessus : nZn = ½ne-

Montrer que la masse de zinc formé mZn peut se mettre sous la forme :

mZn = IDt M(Zn) / (2F)

Masse de zinc (g) = quantité de matière de zinc (mol ) fois masse molaire du zinc ( g/mol)

mZn = nZn MZn = ½ne- MZn.

Quantité d'électricité Q = I Dt = ne- F soit : ne- = I Dt / F.

Par suite : mZn = IDt M(Zn) / (2F)





Calculer la valeur de la masse de zinc.

mZn = IDt M(Zn) / (2F)

mZn = 2,00 * 40,0*60 *65,37 / (2*96500) =1,626 ~ 1,63 g.

On considère que le zinc se dépose équitablement sur les deux faces de la plaque d'acier. Celle-ci est carrée, de côté d = 10,0 cm et d'épaisseur négligeable.

Calculer la valeur de l'épaisseur e de zinc déposé ( masse volumique du zinc rZn = 7,14 g cm-3).

Surface totale sur laquelle le zinc se dépose :

S =2 d2 = 2*102= 2,00 102 cm2.

Volume du zinc ( cm3) = épaisseur (cm) * surface (cm2) = e S = 2ed2.

Volume du zinc(cm3) = masse (g) / masse volumique ( g cm-3) =mZn /rZn

Par suite : 2ed2 = mZn /rZn ; e = mZn /( 2rZnd2).

e =1,626 / (2*7,14 *100) =1,14 10-3 cm.

Convertir en micromètre le résultat précédent. Ce résultat est-il conforme à la valeur indiquée dans le texte introductif ?

1,14 10-5 m = 11,4 µm

"d'une épaisseur d'une dizaine de micromètres sur une pièce d'acier."

En accord avec le texte.





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