Terminale spécialité_Thème 1_LES MATERIAUX Cycle de vie des matériaux_AE 3

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LA PROTECTION DES METAUX

exemple de l’anodisation de l’aluminium

Dans l’épisode précédent, nous avons vu tous les ravages liés à la corrosion des métaux favorisée par des

milieux humides et ioniques.

A l’instar du zinc, l’aluminium s’oxyde très facilement à l’air (il s’agit d’un métal très réducteur). Cependant, une

couche protectrice d’alumine, de formule brute Al2O3, se forme à sa surface, l’empêchant de s’oxyder davantage.

La protection contre l’oxydation apparaît naturellement ici.

Mais cette couche n’est pas très épaisse, quelques nanomètres. Une agression chimique ou mécanique extérieure

risque à tout moment de dégrader l’alumine entraînant alors une oxydation de l’aluminium plus en profondeur et

donc sa corrosion !

Afin d’améliorer la protection, il convient d’obtenir une couche d’alumine plus épaisse. On procède alors à une

anodisation de l’aluminium.

Document 1 : Décapage d’une plaque d’aluminium

Le décapage consiste à enlever une couche de dépôt (volontaire ou non) sur le matériau considéré.

Il peut être réalisé selon un traitement mécanique, thermique ou chimique comme suit, avec gants et lunettes :

Dégraisser à l’aide d’un chiffon imbibé d’acétone.

Plonger la lame dans une solution concentrée d’hydroxyde de sodium (de formule ……………. ou communément

appelé …………………) environ 1 minute.

Rincer à l’eau du robinet puis plonger la lame dans une solution concentrée d’acide nitrique pendant quelques

secondes.

Rincer de nouveau à l’eau du robinet.

Document 2 : Anodisation par électrolyse

L’anodisation est un traitement de surface qui permet de protéger ou décorer une pièce. Elle octroie au matériau une meilleure résistance à l’usure, la corrosion et la chaleur.

Dans le cas de l’aluminium, elle consiste à produire par électrolyse une couche protectrice d’alumine, isolant électrique, plus épaisse que celle qui se dépose naturellement. En effet, on peut atteindre une épaisseur d’environ 15 µm soit 103 fois plus épaisse !

Eventuellement, un colorant peut être ajouté au dépôt afin d’embellir l’objet.

Rq : La couche d’alumine est inerte chimiquement ; c’est pourquoi l’aluminium est largement utilisé dans les emballages !

Pour réaliser l’anodisation de l’aluminium, il convient :

d’avoir une électrode en graphite (carbone inerte) au niveau de la cathode,

de placer la lame d’aluminium décapée à l’anode (afin qu’elle subisse l’anodisation …),

d’utiliser une solution électrolytique assez forte, telle qu’une solution d’acide sulfurique concentrée à 2,0 mol.L-1.

Document 3 : Coloration du matériau

Le matériau peut être rendu plus agréable pour l’œil par coloration.

Il est préférable de réaliser cette opération lors de l’électrolyse afin « d’emprisonner » le colorant dans la couche protectrice. La décoloration sera ainsi limitée dans le temps.

Néanmoins, elle peut aussi être réalisée à posteriori.

Pour colorer l’aluminium protégé, le protocole ci-dessous peut être suivi :

Rincer la lame protégée par sa couche d’alumine.

Plonger la dans un colorant adapté tel que le rouge alizarine (de concentration autour de 0,05 mol.L-1).

Terminer en plongeant la plaque dans de l’eau bouillante pendant quelques minutes.

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Vous allez réaliser l’expérience de l’anodisation de la plaque d’aluminium

dont vous disposez puis vous la colorerez en rouge

1. Etape préalable :

Proposez tout d’abord au professeur un schéma légendé de l’électrolyse à effectuer. On pourra se reporter à

la fiche p 213 éventuellement.

2. Travail expérimental :

Après avoir fait vérifier le schéma par le gentil professeur, réaliser le montage en gardant vos gants et lunettes.

Ajuster la résistance du rhéostat afin que l’intensité I du courant électrique soit de l’ordre de 100 à 200 mA.

Noter ici sa valeur : I = ……………………… et déclencher le chronomètre. Attention, ne pas agiter.

Arrêter l’électrolyse au bout de 15 minutes. On notera ici la durée exacte t = ……………… .

Réaliser ensuite la coloration en rouge alizarine de la plaque protégée. On mesurera au préalable la hauteur h sur

laquelle la plaque a été « anodisée » : h = ………………. .

3. Compte-rendu :

Ecrire tout ce que vous jugerez nécessaire à la bonne compréhension de ce TP (observations ; interprétations ;

conclusion).

Cela permettra de répondre, entre autres, aux interrogations suivantes :

Quelles sont les demi-équations électroniques se produisant à chaque électrode lors de

l’électrolyse, sachant qu’à la cathode le dégagement gazeux est du dihydrogène ? (Pour le plaisir,

on pourra rappeler le test chimique permettant de mettre en évidence ce gaz.)

Quelle est alors l’équation globale de la réaction d’électrolyse ?

En supposant que le dépôt est de l’alumine pur, quelle épaisseur maximale a-t-on déposé à la fin

de l’électrolyse sur la plaque ? On donne la masse volumique de l’alumine : ρ(Al2O3) = 3,2 g.cm-3.

Bonus : Pourquoi a-t-il fallu décaper la plaque d’aluminium avant de procéder à l’électrolyse ?

En vous appuyant sur les documents, préciser une mesure simple qui permettrait de vérifier

qu’un dépôt d’alumine s’est bien formé au cours de l’électrolyse.

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Compte-rendu

Schéma expérimental :

Observations :

* Sur l’électrode de graphite (la cathode), on observe un dégagement gazeux (de dihydrogène d’après l’énoncé,

et identifiable par la petite détonation que l’on peut entendre si on approche une allumette enflammée).

* Sur la plaque d’aluminium (l’anode), on observe un dépôt blanc se former.

Interprétations :

* Sur une Cathode, on observe toujours une Réduction, ici celle de l’acide (le seul pourvoyeur d’hydrogène de

la solution) :

2 H+

(aq) + 2 e- = H2 (g)

* La plaque d’aluminium constitue donc l’autre électrode : l’anode (cf titre du TP …). Sur l’Anode se produit à

sa surface une Oxydation, celle de l’aluminium Al en alumine Al2O3 (on équilibre comme d’habitude) :

2 Al(s) + 3 H2O(aq) = Al2O3 (s) + 6 H+

(aq) + 6 e-

Conclusion :

* On peut donc en déduire l’équation globale de la réaction (en multipliant par 3 la première demi-équation

(celle de la cathode) afin d’éliminer tous les électrons qui ne savent toujours pas nager et donc n’apparaissent jamais

dans l’équation finale !) :

2 H+

(aq) + 2 e- = H2 (g)

2 Al(s) + 3 H2O(aq) = Al2O3 (s) + 6 H+

(aq) + 6 e-

2 Al(s) + 3 H2O(aq) → Al2O3 (s) + 3 H2 (g)

L’équation globale de la réaction met bien évidence la transformation de l’aluminium en alumine, le dépôt

blanc, accompagné par un dégagement gazeux de dihydrogène.

Rq : On note qu’il n’y a pas d’électron dans l’équation finale / la flèche simple indiquant le sens de la réaction / la

simplification des H+ de part et d’autres de l’équation / l’absence de carbone dans la réaction car l’énoncé nous précisait

son inertie dans le doc. 2.

aluminium carbone

graphite

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* Pour connaître l’épaisseur maximale déposée sur la plaque, il suffit de déterminer au préalable la masse

d’alumine formée au cours de l’électrolyse :

m(Al2O3) = n(Al2O3) × M(Al2O3)

Or, d’après la demi-équation à l’anode, à chaque molécule d’alumine formée, 6 électrons sont libérés, donc :

( )

( )

(cf les proportions stœchiométriques)

Par ailleurs, le nombre d’électrons échangés se déduit de la charge électrique totale consommée Q :

Q = n(e-) × q La charge électrique totale consommée est égale à la quantité d’électrons

consommée multipliée par la charge électrique d’une mole d’électrons q.

On sait aussi que la charge électrique totale consommée se déduit de l’expérience : Q = I × ∆t

Donc Q = n(e-) × q

Q = I × ∆t => n(e-) = I × ∆t / q

m(Al2O3) = [

] × M(Al2O3) = [

( )

] × ( 2×27 + 3×16 ) = 0,024 g

On peut alors remonter à l’épaisseur e maximale de la plaque : m(Al2O3) = ρ(Al2O3) × V(Al2O3) = ρ(Al2O3) × S × e

e = m(Al2O3) / [ ρ(Al2O3) × S ] = 0,024 / [ 3,2 × 4 ] = 1,9.10-4

cm = 19 µm

Comme l’annonçait le document 3, un dépôt de plusieurs micromètres a été réalisé sur la plaque d’aluminium.

Rq : * Le dépôt a été fait sur une plaque large de 2 cm sur une hauteur de 1 cm, soit une surface de 2 cm² par côté. Donc S = 4 cm²

puisque le dépôt s’est fait sur les deux faces de la plaque !

* Attention à toutes les unités : « S » en cm² ; « ρ » en g.cm-3 donc « e » en cm.

Bonus : Le décapage permet de détruire la fine couche protectrice d’alumine ; laquelle est isolante et ne

permettrait pas d’effectuer l’électrolyse.

L’alumine est un isolant électrique donc si le dépôt s’effectue correctement, la plaque devrait de moins

en moins conduire le courant, en d’autres termes : posséder une résistance électrique de plus en plus grande. En

mesurant la résistance de la plaque, avec un ohmmètre, avant et après l’expérience et au niveau du dépôt, on devrait

donc constater assez simplement une augmentation de cette résistance électrique.