Chap 1C - TP n°2 - Electrolyse du zinc

TS – Spécialité Physique
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TP de Sciences Physiques nÀ2
LÊélectrolyse comme procédé industriel
Thème n°1 : matériaux / Mots clés : élaboration - protection
Nous avons vu dans le TP précédent que la dernière étape de production industrielle du zinc métallique était
une réduction des ions Zn2+ 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.
I-
Principe de l’électrodéposition de zinc sur une plaque en acier
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 protègera donc les couches internes de zinc et bien entendu
l’acier recouvert.
II - Réalisation expérimentale
Nous disposons d’une plaque de zinc et d’une plaque en acier 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 de 300 mA qu’un ampèremètre permettra de contrôler, 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 20 minutes, mesurées
précisément au chronomètre.
Réalise un schéma clair, précis et complet du montage d’électrolyse à réaliser.
Recherche de la polarité de l’électrolyseur
Sur quelle plaque doit avoir lieu la réduction des ions Zn2+ en atomes Zn ? Justifie.
Cette plaque doit-elle recevoir ou libérer des électrons au circuit électrique ? Justifie.
Que se passe-t-il alors sur l’autre plaque ?
Quelle plaque doit donc être reliée à la borne positive du générateur ?
Thème n°1 : matériaux / L’électrolyse comme procédé industriel
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Réalisation de l’électrodéposition
Après validation du schéma, mets en place le dispositif sans allumer le générateur.
Avant de démarrer l’électrolyse, nettoie, sèche et pèse précisément la plaque d’acier à recouvrir.
Après vérification du montage, allume le générateur et fixe, grâce au rhéostat, l’intensité du courant.
Réalise l’électrodéposition de zinc durant 20 mn en veillant à maintenir constante l’intensité du courant.
III - Analyse théorique de l’électrolyse
Pendant que l’électrolyse a lieu, nous effectuerons son analyse théorique.
Quelle électrode est la cathode ? Justifie par l’écriture de la demi-équation correspondante.
Quelle est l’anode ? Justifie par l’écriture de la demi-équation correspondante.
Quelle est la réaction globale de l’électrolyse ?
La concentration des ions Zn2+ varie-t-elle durant l’électrolyse ? Justifie.
Ce procédé d’électrolyse est appelé électrolyse « à anode soluble ». Explique.
IV - 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 = 96500 C.mol-1
Sachant que l’électrolyse a duré 20 mn sous une intensité constante de 300 mA, et que la masse molaire
du zinc est de 65,4 g.mol-1, calcule 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 demiéquation de réduction des ions Zn2+, 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
Après 20 mn d’électrolyse, récupère délicatement la plaque d’acier galvanisé et sèche-là en prenant soin
de ne pas décrocher le dépôt de zinc.
Pèse la plaque et compare le résultat théorique à la prévision expérimentale. Conclus.
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