L'anodisation dure colorée : l'électrolyse au service de l'aluminium

Le quatrième exercice du bac S 2012 en Asie est l'exercice de spécialité, noté sur 4 points. Il décrit un procédé industriel, l'anodisation, qui renforce la couche d'alumine protégeant une pièce en aluminium et permet de la colorer. Les questions mobilisent l'oxydoréduction, l'électrolyse, les relations entre quantité d'électricité et quantité de matière, et un peu de cinétique. Le texte d'introduction contient de nombreuses informations utiles : il faut le relire à chaque question.

Partie 1 : la couche d'alumine naturelle

L'aluminium réagit avec le dioxygène de l'air selon 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃. Pour l'ajuster, on commence par l'oxygène, puis on équilibre l'aluminium. Le dioxygène de l'air étant sans cesse renouvelé, il est en large excès : le réactif limitant est l'aluminium accessible en surface. Une fois la surface oxydée, la couche d'alumine sépare le métal de l'air et la réaction s'arrête d'elle-même, ce qui explique la très faible épaisseur de cette couche naturelle.

Partie 2 : le montage d'électrolyse

Pour compléter le schéma, il faut repérer que la pièce en aluminium est reliée à la borne positive du générateur et l'électrode en plomb à la borne négative, les deux plongeant dans une solution d'acide sulfurique. Inverser les électrodes est l'erreur la plus courante. Le dégagement de dihydrogène s'écrit 2 H⁺ + 2 e^- → H₂ : les ions H⁺ captent des électrons, c'est une réduction. Elle se produit à la cathode, ici l'électrode en plomb. Attention à ne pas raisonner seulement sur le signe des bornes : la cathode est la borne négative en électrolyse mais la borne positive dans une pile, alors que la définition par la réduction vaut dans les deux cas.

La question suivante demande de retrouver l'équation globale. On multiplie l'oxydation de l'aluminium par 2 et la réduction des ions H⁺ par 3 pour échanger six électrons, puis on ajoute la réaction des ions aluminium avec l'eau. Les électrons, les ions Al³⁺ et les ions H⁺ se simplifient, et il reste 2 Al + 3 H₂O → Al₂O₃ + 3 H₂. On remarque que l'acide n'est globalement pas consommé.

Parties 3 et 4 : durée de l'électrolyse

Pour un courant constant, Q = I·Δt. En exprimant la charge à partir des électrons, Q = n(e^-)·N_A·e ; chaque atome d'aluminium oxydé libère trois électrons, donc Q = 3 n_Al N_A e. En remplaçant n_Al par m_Al/M_Al, on obtient Δt = 3 m_Al N_A e / (I M_Al). Le facteur 3 vient de la demi-équation de l'aluminium : l'oublier fausse toute la suite.

Parties 5 et 6 : masse d'alumine et colmatage

Pour un volume de 0,17 mL et une masse volumique de 3,0 g·mL^-1, la masse d'alumine à déposer vaut 0,51 g, sans conversion d'unité. Enfin, le colmatage consiste à plonger les pièces dans de l'eau en ébullition : le facteur cinétique en jeu est la température. Répondre « l'eau » ou « l'ébullition » ne suffit pas, car un facteur cinétique est une grandeur.

Conseils

Dans un exercice de spécialité fondé sur un texte, surlignez les informations au fil de la lecture. Pour toute combinaison de demi-équations, vérifiez la conservation des éléments et des charges avant de conclure.