Transcript Problème : « Protection du fer par étamage » Certaines boîtes de

Gaëlle BOISLORET - Académie de Caen - [email protected]
TS – spécialité - Cycle de vie des matériaux
Problème : « Protection du fer par étamage »
Certaines boîtes de conserves alimentaires sont en fer-blanc. Le fer-blanc est un matériau constitué d’une feuille
d’acier d’environ 0,2 mm recouverte d’une couche d’étain d’environ 1 m. Cette couche d’étain est déposée par
électrolyse. Le sens du courant dans le circuit est imposé par le générateur. Des réactions électrochimiques se
produisent aux électrodes.
L’électrolyte est une solution acidifiée de sulfate d’étain (II), Sn 2+ + SO42-(aq), à 50 g.L-1. Divers additifs permettent
une bonne adhésion de l’étain sur l’acier lors du chauffage final de la plaque après électrolyse.
La cathode est constituée de la boîte de fer à étamer de surface totale S = 300cm 2. L’anode est en étain.
L’intensité du courant d’électrolyse vaut I = 2,40 A. Le dépôt réalisé a une épaisseur de 1,00 m.
Données :
Masse volumique de l’étain : (Sn) = 7,30 g.cm-3
Charge électrique Q traversant le circuit pendant la durée de fonctionnement du générateur :
Q = I .t = ne- . F avec F = 9,65x104 C.mol-1
Masse molaire atomique de l’étain : M(Sn) = 119 g.mol-1
Après avoir justifié la nature des électrodes et de l’électrolyte, faire un schéma de l’expérience, puis
déterminer la durée minimale de l’électrolyse.
QUESTION
COMPETENCES
MISES EN JEU
NIVEAU DE
DIFFICULTE
Justification
nature des
électrodes et de
l’électrolyte
APP
COM
3
Schéma de
l’expérience
APP
3
Détermination
de la durée
d’électrolyse
nécessaire
ANA
REA
COM
4
ELEMENTS DE REPONSE
Lien nature de l’électrode / réaction mise en jeu
(CROA)
Demi-équation à chaque électrode
Rappel du but de l’électrolyse
Rôle de l’anode
Rôle de l’électrolyte
Utiliser un vocabulaire scientifique adapté
Schéma général d’un életrolyseur
Bornes du générateur ; sens des eLégendes : cathode/acier ; anode/étain ; électrolyte
ANA : établir les étapes de résolution pour répondre
au problème
REA : mener la démarche de calculs ; faire des
conversions
COM : décrire clairement la démarche suivie ;
argumenter
NIVEAU
POINTS
ABCD
3 pts
ABCD
2 pts
ABCD
2 pts
ABCD
1,5 pts
ABCD
1,5 pts
Problème : « Purification du cuivre par électrolyse »
La première étape de l’élaboration du cuivre métallique aboutit à la production de cuivre « noir », contenant de
98 à 99,5% du cuivre. Pour être utilisé dans l’industrie électrique, le cuivre doit être pur à 99,9%.
La purification des métaux par électrolyse est possible grâce à l'emploi d'une anode soluble :
Deux électrodes de cuivre sont reliées à un générateur et baignent dans une solution aqueuse de sulfate de
cuivre (Cu2+ + SO42-)aq. Les ions sulfate n’interviennent pas dans le processus. Le métal impur constitue l'une des
électrodes : ce métal subit une oxydation et passe à l'état d'ion en solution. Les impuretés libérées tombent au
fond de l'électrolyseur ou restent en suspension dans la solution. L’autre électrode est constituée du cuivre pur
et grossit peu à peu.
L’électrode de cuivre pur est d’une surface totale S = 100 cm2. Pour augmenter de 1,50 m l’épaisseur de cette
électrode sur toute sa surface, l’électrolyse doit durer précisément 4 minutes.
Données :
Masse volumique du cuivre : (Cu) = 8,96 g.cm-3
Charge électrique Q traversant le circuit pendant la durée de fonctionnement du générateur :
Q = I .t = ne- . F avec F = 9,65x104 C.mol-1
Masse molaire atomique de l’étain : M(Cu) = 63,5 g.mol-1
Après avoir réalisé un schéma de l’expérience, justifier la nature de l’électrolyte et la position du cuivre pur et
du cuivre noir, puis déterminer l’intensité qu’a nécessitée cette électrolyse.
QUESTION
COMPETENCES
MISES EN JEU
NIVEAU DE
DIFFICULTE
Justification
nature des
électrodes et
de
l’électrolyte
APP
COM
3
Schéma de
l’expérience
APP
3
Déterminatio
n de la durée
d’électrolyse
nécessaire
ANA
REA
COM
4
ELEMENTS DE REPONSE
Lien nature de l’électrode / réaction mise en
jeu (CROA)
Demi-équation à chaque électrode
Rappel du but de l’électrolyse : dissolution de
Cu impur ; fabrication de Cu pur à partir de
Cu2+
Rôle de l’électrolyte
Utiliser un vocabulaire scientifique adapté
Schéma général d’un életrolyseur
Bornes du générateur ; sens des eLégendes : cathode/Cu pur ; anode/Cu noir ;
électrolyte
ANA : établir les étapes de résolution pour
répondre au problème
REA : mener la démarche de calculs ; faire des
conversions
COM : décrire clairement la démarche suivie ;
argumenter/justifier/expliquer
NIVEAU
POINTS
ABCD
3 pts
ABCD
2 pts
ABCD
2 pts
ABCD
1,5 pts
ABCD
1,5 pts