Pourquoi cuisiner dans des casseroles en cuivre : l'électrolyse au service de la cuisine

Ce deuxième exercice, le plus long de l'épreuve avec 7 points et environ 1 h 31 conseillée, porte sur l'étamage : on dépose une fine couche d'étain sur une casserole en cuivre par électrolyse, pour éviter le contact avec le vert-de-gris. La seconde partie élargit au fer, qui rouille, et à l'aluminium, sensible aux acides.

Partie A : le principe de l'électrolyse

Sur le schéma de l'annexe, le courant sort par la borne + du générateur, traverse la solution de B vers A et revient par la borne −. Les électrons circulent en sens inverse dans les fils. Dans la solution, ce sont les ions qui conduisent : les cations Sn²⁺ se dirigent vers A, les anions sulfate vers B. Dessiner des électrons dans l'électrolyte est le piège principal.

L'électrolyse est une transformation forcée : elle cesse dès qu'on retire le générateur. L'électrode A, reliée à la borne −, reçoit des électrons : il s'y produit une réduction, c'est la cathode. L'électrode B est le siège d'une oxydation, c'est l'anode. Les ions étain y sont réduits en métal, donc la casserole doit constituer l'électrode A. À l'anode en étain, le métal s'oxyde en ions Sn²⁺ : c'est une électrolyse à anode soluble. Le bilan est un transfert d'étain de B vers A et la concentration en ions étain reste constante.

Partie A : quantité d'électricité et durée

Avec une intensité constante de 0,250 A, la quantité d'électricité vaut Q = I Δt. La demi-équation montre qu'il faut deux moles d'électrons par mole d'étain déposé, et Q = n(e⁻) F. On en déduit la relation de l'énoncé donnant la durée en fonction de la masse d'étain.

Pour la casserole de 15 cm de diamètre et 7,0 cm de hauteur, avec un dépôt de 20 µm sur les deux faces, le volume d'étain vaut environ 2,0 cm³, soit une masse d'environ 15 g. La durée minimale atteint environ 9,6 × 10⁴ s, soit près de 27 heures. L'erreur d'unité la plus courante est d'oublier que 1 µm vaut 10⁻⁴ cm.

Partie B : le fer, la rouille et l'aluminium

On écrit la demi-équation du couple dioxygène/eau, puis on combine les deux demi-équations pour obtenir l'équation de formation de la rouille, en vérifiant la conservation des éléments et l'absence d'électrons. Par analogie avec la casserole, la boîte de conserve est reliée à la borne − et une tige d'étain placée au centre, sans toucher la boîte, joue le rôle d'anode.

La fin de l'exercice revient à l'acide-base : définition d'un acide selon Brønsted, réaction d'un acide avec l'eau, puis calcul des concentrations en ions oxonium. Le jus d'orange de pH 3,0 contient 1,0 × 10⁻³ mol/L d'ions oxonium, environ 5 × 10³ fois plus que le lait de pH 6,7 : c'est pour lui que l'aluminium est le moins recommandé.

Nos conseils

Retenez que cathode rime avec réduction et anode avec oxydation, pour une pile comme pour une électrolyse. Partez toujours du sens des électrons pour nommer les électrodes, et faites les conversions d'unités avant tout calcul de volume.