L'anodisation, une électrolyse au service des matériaux

L'exercice de spécialité du Bac S Amérique du Nord 2012, noté sur 4 points (environ 52 minutes), porte sur l'anodisation de l'aluminium : on recouvre une pièce d'une couche d'alumine Al₂O₃ par électrolyse dans une solution d'acide sulfurique. L'exercice se divise en deux parties : une étude qualitative du montage et des réactions aux électrodes, puis une étude quantitative de la masse d'alumine déposée.

Partie 1 : le montage et les réactions

La question 1.1 demande les sens du courant et des électrons. À l'extérieur du générateur, le courant sort par la borne + ; les électrons circulent en sens inverse, uniquement dans les fils et les électrodes. Dessiner des électrons dans la solution est une erreur fréquente : dans l'électrolyte, ce sont les ions qui portent le courant.

Un gaz se dégage à la cathode, siège d'une réduction. Parmi les couples proposés, seul H⁺/H₂ produit un gaz par réduction, et les ions H⁺ sont abondants dans l'acide sulfurique : la demi-équation (1) est 2H⁺ + 2e^- = H₂. La pièce d'aluminium, qui doit être oxydée, est l'anode reliée à la borne + ; le bâton de graphite est la cathode. La demi-équation (2) s'équilibre en milieu acide : aluminium, puis oxygène avec l'eau, hydrogène avec H⁺, charges avec les électrons. On obtient 2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 6H⁺ + 6e^-. En multipliant (1) par 3, on retrouve l'équation de l'électrolyse annoncée. Enfin, la transformation est forcée : elle n'a lieu que parce que le générateur fournit de l'énergie électrique.

Partie 2 : la masse d'alumine

La charge qui circule vaut Q = I × Δt et elle est portée par n(e^-) × N_A électrons, d'où n(e^-) = I × Δt / (N_A × e). La demi-équation (2) montre qu'il faut six moles d'électrons pour une mole d'alumine : n(Al₂O₃) = n(e^-)/6, et non l'inverse. Le calcul de la masse maximale exige des ampères et des secondes : I = 0,120 A et Δt = 1080 s donnent m_max = 2,3 × 10⁻² g. Avec un rendement de 90 %, la masse réellement formée est de 2,1 × 10⁻² g.

La question 2.5 compare ce résultat à la masse nécessaire pour une couche de 7,0 µm sur 9,0 cm². Il faut convertir l'épaisseur en centimètres pour obtenir un volume de 6,3 × 10⁻³ cm³, puis une masse de 2,5 × 10⁻² g avec ρ = 4,0 g/cm³. La couche obtenue est donc trop mince. Comme la masse déposée est proportionnelle au produit I × Δt, il faut augmenter l'intensité ou la durée de l'électrolyse.

Conseils

Retiens l'association anode-oxydation et cathode-réduction, et vérifie toujours la conservation des charges dans une demi-équation. Convertis les unités avant de calculer et garde les valeurs intermédiaires non arrondies. Le corrigé détaillé reprend chaque question avec la justification attendue et les pièges à éviter.