L'électrozingage : protéger l'acier par électrolyse
Cet exercice de spécialité de 4 points, prévu pour environ 52 minutes, complète l'épreuve du bac S 2009 de La Réunion. Il s'appuie sur un procédé industriel très utilisé dans l'automobile : déposer par électrolyse une fine couche de zinc sur une pièce en acier pour la protéger de la corrosion. Le montage étudié est celui des travaux pratiques : une plaque de zinc reliée au pôle positif, une pièce en acier reliée au pôle négatif, dans une solution acidifiée de sulfate de zinc.
Le sens du courant et des électrons
À l'extérieur du générateur, le courant sort par la borne positive : il va de la borne positive vers le zinc, traverse la solution, puis revient de l'acier vers la borne négative. Les électrons circulent dans les fils en sens inverse. Le piège signalé par le corrigé est classique : aucun électron ne circule dans la solution, où le courant est assuré par les ions.
Les réactions aux électrodes
La pièce en zinc se désagrège : le zinc métallique cède des électrons selon Zn = Zn2+ + 2e-. Il s'agit d'une oxydation, qui a lieu à l'électrode reliée à la borne positive, l'anode. À la cathode en acier, les ions zinc sont réduits et se déposent. Les deux électrodes étant traversées par la même quantité d'électrons, chaque ion Zn2+ consommé à la cathode est remplacé par un ion formé à l'anode : la concentration en ions zinc reste constante. On parle d'électrolyse à anode soluble.
Pourquoi un milieu acide
En milieu basique, les ions zinc précipitent avec les ions hydroxyde. Il faut d'abord écrire la constante d'équilibre K = 1/([Zn2+][HO-]2), sans y faire figurer le solide et sans oublier l'exposant 2. Avec le produit ionique de l'eau, la concentration limite en ions hydroxyde de 3,16×10-9 mol.L-1 correspond à un pH de 5,5. Au-delà, l'hydroxyde de zinc précipite et les ions zinc ne sont plus disponibles pour le dépôt : la solution doit donc rester acidifiée.
Masse et épaisseur du dépôt
La formation d'une mole de zinc nécessite deux moles d'électrons, d'où nZn = ne/2. La charge Q = I.Δt, reliée à la quantité d'électrons par le faraday, conduit à l'expression mZn = I.Δt.M(Zn)/(2F). Avec une intensité de 2,00 A pendant 40,0 minutes, converties en secondes, on obtient une masse de 1,63 g. Le zinc se déposant sur les deux faces de la plaque carrée de 10,0 cm de côté, l'épaisseur vaut e1 = 1,14×10-3 cm, soit 11,4 µm : le résultat est conforme à la dizaine de micromètres annoncée dans l'introduction.
Conseils pour réussir
Retenez la chaîne de raisonnement des électrolyses : charge électrique, quantité d'électrons, quantité de produit grâce à la demi-équation, puis masse. Travaillez avec des unités cohérentes et pensez au facteur 2 dû aux deux faces de la plaque.