Traitement de surface d'une pièce de jeu d'échecs : un exercice de 5 points

Le troisième exercice du bac 2025 de physique-chimie en Métropole (session de septembre, jour 1) compte 5 points, pour une durée conseillée d'environ 53 minutes. Il porte sur l'anodisation d'une pièce de jeu d'échecs en aluminium : une électrolyse fait croître à sa surface une couche d'alumine, qui doit être assez épaisse pour pouvoir être colorée. En 10 questions, l'exercice part de la préparation du bain et aboutit à un calcul de rendement.

Préparer le bain d'anodisation (Q1 et Q2)

Le pictogramme de l'acide sulfurique indique un produit corrosif : blouse, gants, lunettes et hotte s'imposent. La question demande de justifier, il faut donc nommer le danger avant de citer les protections. Pour préparer 500 mL à 180 g·L^-1, il faut 90,0 g d'acide pur ; l'acide commercial n'étant pur qu'à 98 %, on divise par 0,98 et l'on pèse environ 92 g. L'erreur classique est de multiplier par 0,98 : il faut plus de liquide commercial que d'acide pur, pas moins.

Comprendre l'électrolyse (Q3 à Q7)

Le générateur impose le sens de circulation des électrons : la transformation est forcée, à l'inverse d'une pile où elle est spontanée. La demi-équation du couple Al₂O₃/Al s'équilibre dans l'ordre habituel (aluminium, oxygène avec l'eau, hydrogène avec H⁺, charges avec les électrons) : 2 Al + 3 H₂O = Al₂O₃ + 6 H⁺ + 6 e^-. L'aluminium est oxydé, la pièce est donc l'anode. Sur l'électrode en graphite, la réduction de l'eau s'écrit 2 H⁺ + 2 e^- = H₂ : le dégagement gazeux observé est du dihydrogène. Le piège est de choisir le couple O₂/H₂O, dans lequel l'eau ne peut qu'être oxydée. En multipliant la réduction par 3 et en additionnant, électrons et ions H⁺ se simplifient et l'on retrouve l'équation de l'électrolyse. Sur le schéma, la borne + est reliée à la pièce et la borne - au graphite ; les électrons circulent dans les fils de la pièce vers le graphite, tandis que dans la solution les ions H⁺ migrent vers la cathode et les ions sulfate vers l'anode. Aucun électron ne circule dans le bain.

Masse d'alumine, épaisseur et rendement (Q8 à Q10)

La charge débitée vaut Q = I·Δt avec une durée convertie en secondes (2 400 s). La quantité d'électrons s'obtient avec la constante de Faraday, et la demi-équation montre qu'une mole d'alumine correspond à six moles d'électrons. On obtient une masse théorique d'environ 0,23 g, valeur que l'énoncé redonne plus loin et qui permet de se contrôler. Répartie sur 25 cm² avec une masse volumique de 3,97 g·cm^-3, cette masse forme une couche d'environ 23 µm, supérieure aux 15 µm requis : la coloration est possible. Avec une épaisseur réelle voisine de 19 µm, le rendement vaut environ 82 % ; un calcul à partir de l'épaisseur arrondie donne 83 %, les deux sont acceptables.

Pièges et conseils

Trois oublis font perdre des points dans la partie quantitative : laisser la durée en minutes, oublier le facteur 6 entre électrons et alumine, et mal convertir les centimètres en micromètres (1 cm = 10⁴ µm). Retenez aussi le duo de base de l'électrolyse : oxydation à l'anode reliée à la borne +, réduction à la cathode reliée à la borne -. Le corrigé détaillé reprend chaque question, avec l'annexe complétée et tous les calculs.