Aurélie 05/06/12
 

 

   Anodisation de l'aluminium, bac S Amérique du Nord 2012.

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Un amateur d'aréomodélisme souhaite protéger des rayures les pièces en aluminium présentes dans son modèle réduit d'avion. Pour cela, il utilise un traitement de surface qui consiste à anodiser l'aluminium afin de le durcir. En effet une couche d'alumine Al2O3 de très faible épaisseur recouvre naturellement l'aluminium mais cette couche fine est sujette à la détérioration. L'anodisation consiste à oxyder en surface la pièce en aluminium ; la couche d'alumine ainsi formée est plus épaisse et garantit une plus grande dureté.


Couples oxydant / réducteur : Al2O3(s) /Al(s) ; O2(g) / H2O(l) ; H+aq / H2(g).
NA = 6,02 1023 mol-1 ; e = 1,6 10-19 C ; M(
Al2O3) = 102 g/mol ; r(Al2O3) = 4,0 g cm-3.
Principe de l'anodisation.
La pièce d'aluminium propre est utilisée comme anode de l'électrolyse d'une solution aqueuse d'acide sulfurique ( 2H+aq + SO42-aq) de concentration molaire en soluté apporté c =2,0 mol/L. La cathode est constituée d'une barre de graphite. On utilise un générateur de tension et un ampèremètre.

Indiquer le sens conventionnel du courant et le sens de circulation des électrons
.



Un dégagement gazeux se produit à la cathode.
Ecrire la demi-équation (1) d'oxydo-réduction expliquant cette observation en utilisant l'un des couples cités. Justifier le choix de ce couple.
Une réduction se produit à la cathode négative. L'oxydant de l'un des couple conduit  à un gaz, le réducteur de ce même couple. Seul le couple
H+aq / H2(g) convient.
2H+aq + 2e- = H2(g). (1).
L'aluminium doit être oxydé. Indiquer l'emplacement du graphite et celui de la pièce.
Une oxydation se produit à l'anode positive ( pièce en aluminium ) ; une réduction a lieu à la cathode négative ( graphite).
Ecrire la demi équation (2) relative au couple
Al2O3(s) /Al(s).
2Al(s)  + 3H2O= Al2O3(s) + 6H+aq + 6e- (2).
En déduire que l'équation d'oxydo-réduction de la réaction d'électrolyse est .
2Al(s)  + 3H2O= Al2O3(s) + 3H2(g).
Multiplier (1) par 3 et ajouter à (2) :
6H+aq + 6e- = 3H2(g). 
2Al(s)  + 3H2O + 6H+aq + 6e- = 3H2(g) + Al2O3(s) + 6H+aq + 6e-
Simplifier l'écriture :
2Al(s)  + 3H2O= Al2O3(s) + 3H2(g).
S'agit-il d'une transformation spontanée ou forcée ? Justifier.
L'électrolyse est une transformation forcée, nécessitant un apport d'énergie sous forme électrique.

.


Etude quantitative de l'électrolyse.
La surface de la pièce à anodiser est S = 9,0 cm2. L'intensité du courant est maintenue à I = 120 mA pendant la durée Dt = 18 min.
Exprimer la quantité de matière d'électrons échangés en fonction de I, Dt, NA et e.
Quantité d'électricité Q = I Dt = n(e-) NA e ;
n(e-) = I Dt / (NA e).
Quelle relation existe-t-il entre la quantité de matière d'alumine formée et n(e-) ?
2Al(s)  + 3H2O= Al2O3(s) + 6H+aq + 6e- (2).
n(
Al2O3) =  n(e-)/ (6NA e) M(Al2O3).
Montrer que la masse maximale d'alumine formée  est : m = IDt / (6NA e) M(Al2O3). Calculer sa valeur.
m = n(alumine) M(Al2O3) = n(e-) M(Al2O3) / 6 ;
m =
I Dt / (6NA e) M(Al2O3).
m = 0,120 * 18*60 / (6*6,02 1023*1,60 10-19) *102 =2,2873 10-2 ~2,3 10-2 g.
Le rendement r de l'électrolyse est de 90 %.
En déduire la masse d'alumine réellement formée.
2,2873 10-2 *0,90 = 2,059 10-2 ~2,1 10-2 g.


..
..



L'amateur souhaite obtenir une couche d'alumine d'une épaisseur minimale d = 7,0 µm sur toute la surface.
Calculer le volume V' d'alumine à déposer.
V' = S d = 9,0 * 7,0 10-4 = 6,3 10-3 cm3.
Déterminer la masse m' correspondante.
m' = V'
r(Al2O3) = 5,147 10-3 *4,0 =2,52 10-2 ~2,5 10-2 g.
L'épaisseur minimale d'alumine souhaitée n'est pas obtenue.
Quels paramètres de l'électrolyse peut-il modifier pour augmenter la quantité d'alumine déposée ?
L'intensité du courant et la durée de l'électrolyse peuvent être augmentées.










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