Protection d`une plaque en acier par électrozingage
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Spécialité Thème : Matériaux TP Chimie Electrolyse du zinc Chap.7 Protection d’une plaque en acier par électrozingage La dernière étape de production industrielle du zinc métallique est une réduction des ions Zn2+(aq) en atomes Zn par électrolyse. En généralisant, l’électrolyse est une réaction forcée qui 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%). 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 : nous allons découvrir, dans cette séance, comment recouvrir une plaque en acier d’une fine couche de zinc. L’électrodéposition d’une couche de zinc porte le nom de galvanisation ou de zingage. Une électrolyse est une réaction endoénergétique (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. 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 dioxygène de l’air, une technique consiste à le recouvrir d’une fine pellicule protectrice : peinture, film plastique, déposition d’un autre métal. 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 protégera donc les couches internes de zinc et bien entendu l’acier recouvert. I. Réalisation expérimentale Nous disposons d’une plaque de zinc et d’une plaque en acier (ou fer) que l’on va devoir galvaniser. Un générateur de tension continue fournira l’énergie nécessaire, un rhéostat permettra de régler l’intensité du courant à la valeur constante I mesurée par un ampèremètre, et une solution de sulfate de zinc de concentration 0,50 mol.L-1 servira de solution électrolytique. L’ensemble sera lentement agité durant toute la durée de l’électrolyse par un dispositif d’agitation magnétique. Le dépôt durera 30 minutes, mesurées précisément au chronomètre. Le schéma ci-dessous représente le montage d’électrolyse à réaliser. 16/04/2017 582660496 1/2 Recherche de la polarité de l’électrolyseur 1) Sur quelle plaque doit avoir lieu la réduction des ions Zn2+(aq) en atomes Zn ? Justifier. 2) Cette plaque doit-elle recevoir ou libérer des électrons au circuit électrique ? Justifier. 3) Que se passe-t-il alors sur l’autre plaque ? 4) Quelle plaque doit donc être reliée à la borne positive du générateur ? Réalisation de l’électrodéposition Après validation du schéma, mettre en place le dispositif sans allumer le générateur. Avant de démarrer l’électrolyse, nettoyer, sécher et peser précisément la plaque d’acier à recouvrir. Après vérification du montage, allumer le générateur et fixe, grâce au rhéostat, l’intensité du courant. Réaliser l’électrodéposition de zinc durant 30 mn en veillant à maintenir constante l’intensité du courant. II. Analyse théorique de l’électrolyse 1) 2) 3) 4) 5) III. Pendant que l’électrolyse a lieu, nous effectuerons son analyse théorique. Quelle électrode est la cathode ? Justifier par l’écriture de la demi-équation correspondante. Quelle est l’anode ? Justifier par l’écriture de la demi-équation correspondante. Quelle est la réaction globale de l’électrolyse ? La concentration des ions Zn2+(aq) varie-t-elle durant l’électrolyse ? Justifier. Ce procédé d’électrolyse est appelé électrolyse « à anode soluble ». Expliquer. Quantité de métal déposé Prévision théorique La quantité de métal déposé dépend de la durée d’expérience et de l’intensité du courant d’électrolyse. On rappelle que la charge électrique transportée par unité de temps par un courant électrique d’intensité I constante est Q = I t. Par ailleurs, cette charge électrique est transportée par des électrons dont la charge élémentaire est, en valeur absolue, e = 1,6.10-19 C . Si l’on considère une mole d’électrons, la charge électrique transportée est alors un « Faraday » tel que : 1F = 1,6.10-19 6,02.1023 mol-1 = 96 500 C.mol-1 1) Sachant que l’électrolyse a duré 30 mn sous une intensité constante I = ............ mA, et que la masse molaire du zinc est de 65,4 g.mol-1, calculer la masse de zinc théoriquement déposée sur la plaque d’acier. Aide méthodologique : on calculera tout d’abord la charge électrique totale échangée durant l’électrolyse. De cette charge, nous pourrons déterminer le nombre de moles d’électrons échangés et, à partir de la demi- équation de réduction des ions Zn2+(aq), la quantité d’atomes de zinc formés durant l’expérience. Enfin, grâce à la masse molaire du zinc, nous calculerons la masse totale de zinc déposée en théorie. Vérification expérimentale 2) Après 30 mn d’électrolyse, récupérer délicatement la plaque d’acier galvanisé et sécher la en prenant soin de ne pas décrocher le dépôt de zinc. 3) Peser la plaque et comparer le résultat théorique à la prévision expérimentale. Conclure. 16/04/2017 582660496 2/2
