EL-AÉlectrolyses — transformations imposées

Électrozingage d'un boulon : lire le document, reconnaître une transformation forcée, placer cathode et anode, écrire les équations et reconnaître l'électrode soluble

Idée directrice

En Sciences techniques, la chimie du bac est souvent une électrolyse industrielle présentée par un texte (galvanisation, électrozingage, étamage). Le raisonnement attendu tient en quatre gestes : (1) c'est une transformation forcée parce qu'un générateur impose le courant ; (2) l'objet à recouvrir reçoit le métal, donc il est le siège d'une réduction $\mathrm{M}^{n+}+n\mathrm{e}^-\rightarrow\mathrm{M}$ : c'est la cathode, reliée à la borne $(-)$ ; (3) à l'anode (borne $+$ ) a lieu l'oxydation ; (4) si l'anode est faite du métal déposé, elle se consomme : électrode soluble, et la concentration en ions reste constante.

Signature de reconnaissance — l'énoncé se trahit ainsi

« nommer les deux techniques utilisées dans le revêtement » ; « justifier, par une phrase du texte, que la réaction … est forcée » ; « indiquer en le justifiant si le boulon doit constituer l'anode ou la cathode » ; « écrire l'équation de la transformation au niveau de chaque électrode » ; « électrolyse à électrode soluble ou inattaquable »

Sujet principal

Exercice — électrolyse (3,5 points), dans l'esprit de la session de contrôle 2022 (Sciences techniques)

3 questionsCorrigé masqué

Document. « Pour protéger l'acier de la corrosion, on le recouvre de zinc. Deux techniques existent : la galvanisation à chaud, où la pièce est plongée dans du zinc fondu, et l'électrozingage, opération au cours de laquelle du zinc est déposé par électrolyse. Dans le procédé de zingage électrolytique, un revêtement de zinc est déposé sur la surface d'une pièce, soigneusement préparée, au moyen d'un courant direct (courant continu). L'épaisseur du revêtement est généralement comprise entre $5\ \mu\mathrm{m}$ et $25\ \mu\mathrm{m}$ . Ce procédé est utilisé sur des pièces relativement petites produites en grande série, telles que vis, boulons, crochets. » (d'après cedric.despax.free.fr)

Au laboratoire, on réalise l'électrozingage d'un boulon en acier : le boulon et une plaque de zinc plongent dans une solution de sulfate de zinc $(\mathrm{Zn^{2+}}+\mathrm{SO_4^{2-}})$ et sont reliés aux bornes d'un générateur de tension continue.

Nommer les deux techniques de revêtement par le zinc citées dans le document.
Justifier, par une phrase du texte, que la réaction chimique accompagnant l'électrozingage est forcée.
1. Indiquer, en le justifiant, si le boulon à revêtir doit constituer l'anode ou la cathode. À quelle borne du générateur est-il relié ?
2. Écrire l'équation de la transformation ayant lieu à chaque électrode. En déduire l'équation bilan de la réaction accompagnant l'électrozingage.
3. Indiquer s'il s'agit d'une électrolyse à électrode soluble ou à électrode inattaquable. Justifier. Comment évolue la concentration en ions $\mathrm{Zn^{2+}}$ ?
4. On remplace la plaque de zinc par une plaque cylindrique entourant le boulon de plusieurs côtés. Préciser l'intérêt pratique de cette modification.

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1. Idée : relever les mots du texte. La galvanisation à chaud (immersion dans le zinc fondu) et l'électrozingage (dépôt par électrolyse).

2. Idée : forcée $=$ imposée par un apport d'énergie extérieur. Le texte précise que le zinc est déposé « au moyen d'un courant direct » : sans le générateur qui impose ce courant, la réaction ne se produit pas. La transformation n'est pas spontanée, elle est forcée : c'est bien une électrolyse.

3.a Idée : l'objet reçoit le métal, donc les ions $\mathrm{Zn^{2+}}$ y sont réduits. Sur le boulon se dépose du zinc métallique : $\mathrm{Zn^{2+}}+2\mathrm{e}^-\rightarrow\mathrm{Zn}$ , une réduction. L'électrode siège de la réduction est la cathode : le boulon est la cathode, reliée à la borne $(-)$ du générateur (les électrons arrivent par le fil sur le boulon). La plaque de zinc est l'anode, reliée à la borne $(+)$ .

3.b Idée : oxydation à l'anode, réduction à la cathode, mêmes électrons.

\text{anode : }\ \mathrm{Zn}\rightarrow\mathrm{Zn^{2+}}+2\mathrm{e}^-\qquad\text{cathode : }\ \mathrm{Zn^{2+}}+2\mathrm{e}^-\rightarrow\mathrm{Zn}

Bilan : $\mathrm{Zn}_{\text{(plaque)}}+\mathrm{Zn^{2+}}\rightarrow\mathrm{Zn^{2+}}+\mathrm{Zn}_{\text{(boulon)}}$ : le zinc est transféré de la plaque au boulon, sans changement global de la solution.

3.c Idée : une électrode soluble est consommée. L'anode est en zinc et s'oxyde en $\mathrm{Zn^{2+}}$ : la plaque s'amincit. C'est une électrolyse à électrode soluble (anode soluble). Les ions $\mathrm{Zn^{2+}}$ produits à l'anode compensent exactement ceux consommés à la cathode : la concentration en $\mathrm{Zn^{2+}}$ reste constante. (Avec une anode inattaquable, en graphite par exemple, la concentration diminuerait.)

3.d Idée : géométrie du dépôt. Une anode cylindrique entourant le boulon rend le dépôt uniforme sur toutes les faces et, la surface d'anode en regard étant plus grande, réduit la durée du recouvrement pour une même épaisseur.

Exercices d'entraînement — une nuance à la fois

Entraînement 01 / 02

Drill EL-A.1 — sens des porteurs de charge dans un électrolyseur

2 questionsCorrigé masqué

Un électrolyseur contient une solution de bromure de cuivre $(\mathrm{Cu^{2+}}+2\,\mathrm{Br^-})$ et deux électrodes de graphite $P_1$ (reliée à la borne $-$ du générateur) et $P_2$ (borne $+$ ).

Indiquer le sens de déplacement des électrons dans les fils et celui des ions $\mathrm{Cu^{2+}}$ et $\mathrm{Br^-}$ dans la solution.
Écrire l'équation à chaque électrode et l'équation bilan. Les électrodes sont-elles solubles ?

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1. Idée : les électrons vont de la borne $-$ vers la cathode ; les cations vont vers la cathode, les anions vers l'anode. Dans les fils, les électrons circulent du générateur vers $P_1$ et de $P_2$ vers le générateur. Dans la solution, $\mathrm{Cu^{2+}}$ migre vers $P_1$ (cathode) et $\mathrm{Br^-}$ vers $P_2$ (anode).

2. Idée : réduction à la cathode, oxydation à l'anode. $P_1$ : $\mathrm{Cu^{2+}}+2\mathrm{e}^-\rightarrow\mathrm{Cu}$ ; $P_2$ : $2\,\mathrm{Br^-}\rightarrow\mathrm{Br_2}+2\mathrm{e}^-$ ; bilan $\mathrm{Cu^{2+}}+2\,\mathrm{Br^-}\rightarrow\mathrm{Cu}+\mathrm{Br_2}$ . Le graphite ne réagit pas : électrodes inattaquables, la solution s'appauvrit en $\mathrm{Cu^{2+}}$ et $\mathrm{Br^-}$ .

Entraînement 02 / 02

Drill EL-A.2 — pile ou électrolyseur ? remplir le tableau

1 questionCorrigé masqué

Une électrolyse est une transformation imposée par un générateur ; une pile fonctionne spontanément. Pour chacun des deux dispositifs, pile et électrolyseur, préciser : la transformation est-elle spontanée ou imposée ? quelle conversion d'énergie a lieu ? quelle électrode est le siège de la réduction, et est-elle reliée à la borne négative ou à la borne positive (ou constitue-t-elle le pôle) ?

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Idée : la réduction a toujours lieu à la cathode ; ce qui change, c'est qui impose le sens du courant.

	Pile	Électrolyseur
Transformation	spontanée	forcée (imposée par un générateur)
Conversion	chimique → électrique	électrique → chimique
Réduction	à la cathode = pôle $(+)$	à la cathode, reliée à la borne $(-)$
Oxydation	à l'anode = pôle $(-)$	à l'anode, reliée à la borne $(+)$

Méthode / Automatismes

Électrolyse : générateur ⇒ transformation forcée ; énergie électrique → énergie chimique.
Objet à recouvrir = cathode (réduction, borne $-$ ) ; anode = oxydation (borne $+$ ).
Anode faite du métal déposé ⇒ électrode soluble, $[\mathrm{M}^{n+}]$ constante ; anode inattaquable ⇒ $[\mathrm{M}^{n+}]$ décroît.
Question « document » : citer la phrase, puis traduire en vocabulaire du cours.

Pièges classiques

Relier le boulon à la borne $(+)$ ; écrire l'oxydation sur le boulon ; croire que la solution s'appauvrit en $\mathrm{Zn^{2+}}$ alors que l'anode est soluble ; confondre cathode d'une pile (pôle $+$ ) et cathode d'un électrolyseur (borne $-$ ) : dans les deux cas la cathode est le siège de la réduction.