Un exercice de spécialité sur la corrosion du fer

L'exercice 3 du Bac S Amérique du Sud 2007 (ancien programme) est l'exercice de spécialité : 4 points, environ 52 minutes. Il part d'un constat concret, la rouille qui détruit une part importante de l'acier produit, et étudie deux moyens de protection : l'anode sacrificielle en zinc et l'électrozingage. Il mobilise l'oxydoréduction, le fonctionnement d'une pile et l'électrolyse.

Partie 1 : le clou en fer seul

Questions 1.1 à 1.4

Le tableau des tests permet d'identifier les ions : la coloration bleue des extrémités révèle les ions fer (II), la coloration rose de la partie centrale révèle les ions hydroxyde. Aux extrémités, le fer s'oxyde selon Fe = Fe²⁺ + 2 e^- ; le piège est d'écrire l'ion fer (III), alors que le test met en évidence le fer (II). En combinant avec la réduction du dioxygène, qui consomme quatre électrons, on multiplie la demi-équation du fer par 2 : 2 Fe + O₂ + 2 H₂O = 2 Fe²⁺ + 4 HO^-. La tête du clou est la zone d'oxydation, donc anodique, et la partie centrale la zone de réduction, donc cathodique.

Partie 2 : le clou au contact du zinc

Questions 2.1 à 2.3

Dans la seconde boîte, le clou est entouré de rose et le zinc de blanc : le précipité blanc révèle les ions zinc, c'est donc le zinc qui s'oxyde et le fer est protégé. C'est le principe des blocs de zinc fixés sur la coque des bateaux, qui se corrodent à la place de l'acier et doivent être remplacés régulièrement. Le voltmètre, COM sur la coque et V sur le zinc, affiche -320 mV : le zinc est au potentiel le plus bas, il constitue le pôle négatif. À ce pôle se produit l'oxydation du zinc, la coque reçoit les électrons : la protection est assurée. Attention à l'ordre des bornes du voltmètre.

Partie 3 : l'électrozingage

Questions 3.1 et 3.2

Pour déposer du zinc sur la plaque de fer, il faut y réduire les ions zinc : la plaque est la cathode, reliée au pôle négatif du générateur, et la lame de zinc, reliée au pôle positif, s'oxyde. Le piège est de raisonner comme pour une pile : dans une électrolyse, c'est le générateur qui impose le sens. Pour la partie quantitative, le volume de 1,0 × 10³ cm³ donne une masse de 7,1 × 10³ g, soit 7,1 kg de zinc. Deux électrons par atome conduisent à n(e^-) = 2,2 × 10² mol, et avec une intensité de 1,0 kA, la durée vaut Δt = 2,1 × 10⁴ s, soit environ 5,9 h.

Conseils

Appuyez chaque conclusion sur une observation du sujet, convertissez les kiloampères en ampères et gardez les valeurs non arrondies dans la calculatrice. Le corrigé présente chaque question avec les erreurs fréquentes et des méthodes courtes.