corrigé du devoir

DS#1#
TS&SPE#
NOM#:# #...................................##
THÈME##LES#MATÉRIAUX#
PARTIE'1#
STRUCTURE#ET#PROPRIÉTÉS#DES#MATÉRIAUX#
PRÉNOM#:#............................##
#
CLASSE#:#......................## DATE#:##.............................................##
RDPS':'De'la'photorésistance'au'détecteur'de'lumière'
Document'1':'Photorésistance'
Une# photorésistance# est# généralement# utilisée# pour# mesurer# une# intensité#
lumineuse# (appareils# photo,# système# de# détection# …# )# elle# est# constituée# d’un#
matériaux#semi&conducteur.#
!
!
Document'2':'Deux'Propriétés'd’une#Photorésistance'
Document'3':'Donnée'
#
La relation entre la valeur de la résistance R d'un matériau, sa surface S, sa longueur l et la résistivité ρ du matériau
est :
l
R = ρŊ
S
R en Ω, ρ en Ω.m , l en m et S en m2
1. D'après#la#donnée,#quels#sont#les#paramètres#ayant#une#influence#sur#la#valeur#de#la#résistance#d'un#
matériau#?#
La#résistance#d’un#matériaux##dépend#
&#de#sa#résistivité#qui#est#une#caractéristique#du#matériau#qui#le#constitue#
&#de#ses#dimensions#longueur#et#section#(surface)#
#
&#elle#diminue#avec#sa#section#droite#(surface)#
#
&#elle#augmente#avec#sa#longueur#
&#de#sa#température#(tp#précédent)#
#
&#elle#augmente#avec#la#température#pour#les#matériaux#conducteurs##
#
&#elle#diminue#avec#la#température#pour#les#matériaux#semi&conducteurs#
#
2. Parmi#les#éléments#du#tableau#ci&dessous,#quel#est#le#meilleur#conducteur#?##
#
éléments
Li
Cu
Zn
Pb
#
Résistivité en Ω.cm, à 0°C
8,55 1,56 5,5 19,0
#
Parmi#ces#matériaux#le#plus#conducteur#est#celui#qui#à#la#plus#faible#résistance#et#donc#celui#dont#la#résistivité#
est#la#plus#faible#
Parmi#les#métaux#proposés#le#cuivre#est#le#meilleur#conducteur#car#sa#résistivité#est#la#plus#faible#
3. Pourquoi#a&t&on#donné#la#résistivité#des#élément#et#non#la#résistance#?#
La#résistance#d’un#même#matériaux#dépend#de#certaines#caractéristiques#géométriques#(longueur#et#surface)#
la#résistivité#est#caractéristique#du#matériau#elle#ne#dépend#que#de#sa#nature#elle#est#indépendante#de#ses#
caractéristiques#géométriques#
4. Comment#évolue#la#résistance#d'une#photorésistance#avec#la#température#?#(#erreur#d’énoncé)#
A#moins#de#se#souvenir#du#tp#précédent,#les#documents#donnés#ne#donne#aucune#information#sur#le#lien#
entre#la#résistance#et#la#température##
Le#document#(fig3)#montre#que#la#résistance#d’une#photorésistance#décroit#quand#l’intensité#de##la#lumière#
augmente.#
#
#
3'
2'
2'
1'
5. Dans# le# matériau# constituant# une# photorésistance,# quel# paramètre# doit# sans# doute# être# sensible# à#
l'intensité#lumineuse#?#
Pour#une#photorésistance##de#dimensions#(l#et#S#fixées)#et#de#nature#déterminées,#la#fig#3#indique#que#sa#
2'
résistance#diminue#quand#l’intensité#lumineuse#augmente#
Le#seul#paramètre#qui#doit#être#sensible#à#l’intensité#lumineuse#doit#être#sa#résistivité#
6. Une photorésistance est-elle sensible de la même façon à toutes
les radiations lumineuses ?
La#courbe#de#la#figure#2,#montre#la#sensibilité#de#la#photorésistance#
dépend#de#la#longueur#d’onde#de#la#radiation#qui#l’éclaire#
Cette#courbe#présente#un#maximum#de#sensibilité#pour#une#radiation#
dont#la#longueur#d’onde#est#proche#de#650#nm#
7. Expliquer l'utilisation d'une photorésistance comme détecteur de lumière.#
2'
#
Insérée#dans#un#circuit,#soumise#à#une#tension#électrique#U#;#comme#sa#résistance#R#varie#avec#l’intensité#de#
la#lumière#qui#l’éclaire#;#l’intensité#électrique#I#du#courant#qui#la#traverse#varie#selon#l’intensité#de#la#lumière# 2'
U
qui#l’éclaire#conformément#à#la#loi#d’Ohm#I =
R
#
#
#
#
THÈME##LES#MATÉRIAUX#
PARTIE'2#
CYCLE#DE#VIE#ET#CORROSION#DES#MÉTAUX#
DS#1#
TS&SPE#
NOM#:# #...................................##
PRÉNOM#:#............................##
#
CLASSE#:#......................## DATE#:##.............................................##
I.'ASDS':'Protection'd’une'coque'd’un'bateau'en'acier'contre'la'corrosion'
Document'1':'#Des'blocs'de'Zinc'
# Document'2''la'corrosion'galvanique'
appliqués'sur'le'support'd’une'hélice'
La#corrosion#galvanique#est#due#à#la#différence#de#potentiel#entre#
deux#métaux#en#contact#ou#reliés#entre#eux#et#plongés#dans#un#
électrolyte,#comme#l'eau#de#mer#:##
une#pile#électrique#est#ainsi#formée#.Les#électrons#quittent#le#métal#
au##potentiel#le#plus#faible#(l'anode)#pour#se#diriger#au#travers#des#
métaux#en#
contact#vers#celui#au#potentielle#plus#élevé#(la#cathode).#L'anode#se#
consomme#au#profit#de#la#cathode.#Ce#phénomène#ne#se#déclenche#
que#si#les#deux#métaux#sont#en#contat;#le#circuit#électrique#est#
alors#fermé.#
#
#
!
#
Document'3':'Tests'caractéristiques'de'différents'ions''
!
Document'4':'deux'expériences'de'modélisation'#
Protocole!:!
Préparer#à#chaud,#un#mélange,#d’eau#salée,#de#solution#aqueuse#d’hexacyanoferrate(III)#de#potassium,#de#
phénophtaléine#et#de#gélifiant.#
Dans#deux#boîtes#de#Pétri,#mettre#la#solution#précédente#et#un#clou#en#fer#relié#ou#à#du#zinc#comme#indiqué#
dans#le#schéma#suivant.#
Observations!
Expériencce1!:##
&#la#pointe#et#la#tête#du#clou#sont#entourées#d'une#zone#bleue.#
&#La#partie#centrale#est#entourée#d'une#zone#rose.#
Expérience!2:##
&#Le#clou#est#entouré#uniformément#d'une#zone#rose.##
&#La#lame#de#zinc#est#entourée#d'une#zone#blanche.##
&#Il#n'y#a#aucune#zone#colorée#en#bleu.#
#
#
données'
&
&
Les#couples#oxydant/réducteur#intervenant#dans#la#suite#sont#:#
Fe2+ (aq)/Fe(s) #; Zn2+ (aq)/Zn(s ) et O 2 /HO – #
4 HO
&
L'eau#contient#du#dioxygène#dissous,#sa#réduction#s'écrit#:# O 2 + 2 H 2 O + 4 e
#
Question'1'
1.
Pour# l'expérience# n°1,# écrire# les# demi&équations# traduisant# les# transformations# qui# ont# lieu#
dans#les#différentes#parties#du#clou.#Le#fer#a&t&il#été#corrodé#?#
Au#voisinage#de#la##pointe#:#
la#coloration#bleue#apparaît,#résultat#de#la#présence#d’ion#!" !! (!") #en#présence#de#d’ions#hexacyanoferrate##
le#fer#métallique#s’est#transformé#en#ion#fer#!" !! (!") #:#
3'
#!"(!) → !" !!
+ 2! ! #
−
−
(!")
Au#niveau#de#la#partie#centrale#:##
la#coloration#rose#traduit#l’apparition#d’ion#!" ! (!") #en#présence#de#phénolphtaléine#
le#dioxygène#dissout#est#transformé#en#ion#hydroxyde#:#!" ! (!") #
#!! (!") + 2!! !(!) + !4! ! → 4!" !
#
(!")
Du#fer#est#consommé#il#a#bien#été#corrodé#au#voisinage#de#la#pointe#du#clou##
2.
Mêmes#questions#concernant#la#seconde#expérience.#
Sur#la#totalité#du#clou#:##
la#coloration#rose#traduit#l’apparition#d’ion#!" ! (!") #en#présence#de#phénolphtaléine#
le#dioxygène#dissout#est#transformé#en#ion#hydroxyde#:##
#!! (!") + 2!! !(!) + !4! ! → 4!" !
#
(!")
Au#voisinage#de#la##lame#de#Zinc##
le#précipité#de#couleur##blanche#apparaît,#résultat#de#la#présence#d’ion#!"!! (!") #en#présence#de#d’ions#
hexacyanoferrate##
le#Zinc#métallique##s’est#transformé#en#ion#Zinc##!"!! (!") #:#
#!"(!) → !"!!
+ 2! ! #
3'
(!")
ce#n’est#donc#pas#le#fer#qui##est#consommé#mais#le#zinc,#le#fer#dans#sa#totalité#n’est#pas#corrodé.#C’est#le#Zinc#
qui#est#rongé#("sacrifié"#!)#à#sa#place'
Pour#la#seconde#expérience,#l'association#fer&zinc#constitue#une#pile#dont#on#propose#un#schéma#électrique#en#ci&
dessous.##
La#pile#est#en#court&circuit#puisque#le#fer#et#le#zinc#sont#en#contact.'
3.
Compléter#le#schéma#(ci&contre)#
en#indiquant#le#sens#du#déplacement#des#
électrons#dans#le#circuit#électrique#
métallique#et#le#sens#du#déplacement#des#
ions#dans#l'électrolyte.#
Les#électrons#sont#échangés#par#l’intermédiaire#
des#parties#métalliques#mises#en#contact##
3'
Le#zinc#est#oxydé,#il#constitue#l’anode#;##l’électrode#
de#zinc#fournit#des#électrons#aux#parties#
#
métalliques#circuit#
&#les#électrons#migrent#dans#les#parties#métalliques#du#
Du#côté#du#fer#c’est#le#dioxygène#dissout#qui#est#
zinc#au#fer#
réduit,#le#fer#constitue#la#cathode##
&#dans#l’électrolyte##
il#y#a#capture#d’électrons#
#####&les#cations#migrent#bien#vers#la#cathode##
#####&les#anions#migrent#bien#ver#l’anode##
4.
Quel#métal#joue#le#rôle#d'anode#?#De#cathode#?#
Le#zinc#est#oxydé,#il#constitue#l’anode##
3'
Du#côté#du#fer#c’est#le#dioxygène#dissout#qui#est#réduit,#le#fer#constitue#la#cathode#
5.
Proposer#une#explication#à#l'utilisation#de#blocs#de#zinc#pour#protéger#la#coque#et#l'hélice#d'un#
bateau.##
La#coque#et#l’hélice#du#bateau#sont#en#acier#elles#sont#constituées#de#fer.#Toutes#deux#baignent#dans#une#eau#
salée#et#donc#conductrice#qui#jouent#le#rôle#d’un#électrolyte#(solution#conductrice).##
2'
en#l’absence#du#bloc#de#zinc#,#elles#vont#donc#être#corrodées#
La#pose#d’un#bloc#de#zinc#en#contact#des#parties#en#acier,#revient#à#réaliser#une#pile,#et#c’est#le#zinc#qui#va#être#
corrodé#en#lieu#et#place#des#parties#immergées#en#acier.#La#coque#et#l’hélice#ne#seront#donc#pas#corrodées#
tant#qu’il#reste#du#zinc#en#contact#avec#elle.#Le#zinc#constitue#ce#qu’on#appelle#une#anode#sacrificielle##
6.
Pourquoi#faut&il#que#les#deux#métaux#soient#en#contact#?#
Les#deux#métaux#doivent#absolument#être#en#contact#afin#que#les#électrons#puissent#circuler#de#l’un##à#l’autre#
1'
le#circuit#de#la#pile#ainsi#réalisé#doit#être#fermé#pour#le#zinc#soit#oxydé#à#la#place#de#l’acier.#
sans#contact,#les#parties#en#acier#seraient#corrodées.#
7.
Pourquoi#parle&t&on#pour#cette#technique#de#«#protection#cathodique#à#anode#sacrificielle#»#?#
Cette#technique#protège##de#la#corrosion#le#métal#jouant#le#rôle#de#cathode#et#sacrifie#celui#qui#joue#le#rôle#
1'
d’anode#qui#est#oxydé.#
remarque#:#le#métal#qui#est#sacrifié#doit#être#plus#réducteur#que#celui#qu’on#souhaite#protéger#
II.'RDPS':'Protection'd’une'coque'd’un'bateau'en'acier'contre'la'corrosion'
Document'5':''
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.#
Pour#une#coque#de#surface#40#m2,#tout#se#passe#comme#si#un#courant#d'intensité#I#=#4#A,#s’établissait#entre#
le#fer#et#le#zinc#
Ce#courant#a#son#origine#dans#la#charge#électrique#échangée#lors#de#la#réaction#d’oxydo&réduction.#
La#charge#électrique#Q#échangée#au#cours#de#la#réaction#pendant#une#durée#Δt#et#l’intensité#I#d’un#courant#
électrique#sont#liés#par#la#relation#:#
#
#
#
#
#
Q#=#I⋅Δ#t#
où,#dans#le#système#international,#
I#s’exprime#en#ampère#(A),#Q#en#coulomb#(C)#et#Δt#en#seconde#(s).#
Données :
Masse#molaire#du#zinc#:#M#=#65,4#g.mol&1#
Charge#d'une#mole#d'électrons#F#=#9,65.104#C.mol&1#
Question'
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.#
#
Quelle! est! la! masse! totale! d’anode! sacrificielle! en! zinc! qu’on! doit! répartir! sur! la! coque! pour! la!
protéger!pendant!une!année!?!
Dans#un#premier#temps,#partir#des#données#du#problème#pour#établir#une#relation#entre#les#quantités#
d’électrons#(ne&)#produits#et#de#zinc#(nZn)##consommées##
Seule#la#demi&équation#électronique#de#l’oxydation#du#zinc#le#permet#
Puis#en#déduire#la#masse#de#Zinc#consommée#mZn#
Et#enfin#doubler#cette#masse#afin#que#la#moitié#soit#consommée#en#un#an##
Expliquer#la#démarche#suivie##
#
10'
#
!(!") ! !masse#de#zinc#à#déposer#pour#une#protection#d’un#an##
! !"
A.N.!
I=!4!A!
∆! = 1!!" = 365,24×24×3600!!
!(!") = 65,4!!. !"# !! !!
!! = !9,65. 10!! !. !"# !!! ##
!
=
!. ∆!
×!(!")#
!
4×365,25×24×3600
×65,4#
9,65. 10!!
!(!") ! = 84,3. 10! !#
!(!") ! = 84,3. !"#
!(!") ! =
remarque#:#
la#donnée#de#la#densité#de#courant,##!! = 0,1!!. ! !! #,#était#superflue#elle#permet#de#calculer#l’intensité#du#
courant#qui#était#donné#
!
l’analyse#dimensionnelle#permet#d’écrire!! = #
!
#!! = !×! = 0,1!×40 = 4!!#
#
#