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Questions préalables.
Un bateau possède une coque en acier donc composée essentiellement de
fer.
Écrire
la demi-équation de l’oxydation du fer métallique en considérant
uniquement le couple : Fe2+aq / Fe(s).
Fe(s) ---> Fe2+aq + 2e-.
Citer
en justifiant votre réponse, les métaux susceptibles de protéger la
coque en acier d’un bateau. Pourquoi l’anode utilisée est-elle
qualifiée de « sacrificielle » ?
Les métaux plus réducteurs que le fer, comme le zinc, le magnésium,
l'aluminium, peuvent être utilisés pour protéger le fer.
Lorsque deux métaux sont en contact et peuvent être oxydés par le
dioxygène, c’est celui dont le couple a le potentiel standard le plus
faible qui s’oxyde : il constitue l’anode et protège l’autre métal qui
ne réagira pas.
Le métal qui s'oxyde joue le rôle d'anode et est détruit à la place du
fer, d'où le nom "anode sacrificielle".
Protection d’un
bateau avec coque en acier.
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.
Ce courant a son origine dans la charge électrique échangée lors de la
réaction d’oxydo-réduction.
L’intensité I d’un courant électrique peut s’exprimer en fonction de la
charge électrique Q échangée au cours
de la réaction pendant une durée Δt
: Q =I Δt
où, dans le système international, I s’exprime en ampère (A), Q en
coulomb (C) et Δt en seconde
(s).
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.
Données : Masse molaire du zinc : M = 65,4 g.mol-1.
Une mole d’électrons possède une charge électrique q = 9,65×104
C
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Quelle est la masse
totale d’anode sacrificielle en zinc qu’on doit répartir sur la coque
pour la protéger pendant une année ?
Exercer un regard critique sur la valeur trouvée.
Oxydation du zinc : Zn(s)
---> Zn2+aq + 2e-.
Intensité du courant : jS = 0,1 *40 = 4,0 A.
Durée en seconde : Dt =
365*24*3600 =3,1537 107 s.
Quantité d'électricité Q = 3,1537
107 *4,0 = 1,2614 108 C.
Quantité de matière d'électron : n(e-) =1,2614 108
/(9,65 104) =1,3072 103 mol.
Quantité de matière de zinc : n = ½ n(e-) =0,5*1,3072 103= 6,536 102 mol.
Masse de zinc oxydée : 6,536
102 *65,4 =4,27 104 g = 42,7 kg.
Masse de l'anode : 42,7*2 =85,5 kg.
Cette valeur paraît excessive par rapport à la surface immergée de la coque.
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