Note : pour réaliser la partie expérimentale, IL peut être nécessaire de répondre aux questions de l’activité documentaire








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titreNote : pour réaliser la partie expérimentale, IL peut être nécessaire de répondre aux questions de l’activité documentaire
date de publication29.03.2017
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p.21-bal.com > économie > Note
Thème 1 : matériaux

Domaine d’étude : cycle de vie

Mots clés : protection

Dépôt métallique par électrolyse


I Activité documentaire : protection de la corrosion par galvanisation et électrozingage
II Activité expérimentale : électrozingage
III Problème : dépôt d’argent sur une égoïste

Note : pour réaliser la partie expérimentale, il peut être nécessaire de répondre aux questions de l’activité documentaire.

Les parties 2 et 3 sont similaires dans le principe, on peut en donner soit l’une en TP soit l’autre en devoir.

Activité documentaire : protection de la corrosion

Pour protéger efficacement les pièces en acier de la corrosion, on peut les recouvrir d’un dépôt de zinc. A cette fin, de nombreuses techniques sont utilisées en fonction du domaine d’activité des objets, de leur exposition aux agressions de corrosion et de leurs caractéristiques (forme, dimensions, …)

Les documents suivants présentent des données relatives à deux techniques courantes : la galvanisation et l’électrozingage.

Votre travail consiste à répondre aux questions qui font suite aux documents et à rédiger une synthèse comparative entre la galvanisation et l’électrozingage. Dans cette synthèse, vous dégagerez les critères qui permettent de choisir la technique adaptée (entre galvanisation et électrozingage) pour recouvrir une pièce donnée selon ses caractéristiques physiques et son utilisation.


Document 1 : la galvanisation

La galvanisation est un principe qui conjugue les deux types de protection, physique par enrobage de la pièce, et chimique par apport d’un métal sacrificiel : le zinc.

La galvanisation à chaud est un procédé qui consiste à revêtir des pièces métalliques par immersion dans un bain de zinc en fusion. Les pièces traitées peuvent être en acier, en fonte grise ou ductile.

Le revêtement obtenu protège la pièce en créant une barrière

physique entre le milieu extérieur et le substrat, mais aussi

par protection cathodique (consommation du revêtement zinc à

la place du substrat).

Lorsque l'acier est plongé dans un bain de zinc fondu

(à une température > 419°C), on observe après refroidissement,

à la surface de l'acier, une série de couches d'alliages (composés

intermétalliques) à teneur décroissante en fer lorsqu'on s'éloigne de

l'acier de base. Ces composés intermétalliques confèrent au

revêtement une parfaite adhérence et une résistance exceptionnelle

aux chocs et à l’abrasion.

En général, la formation des couches d'alliages est rapide (quelques

minutes) et l'épaisseur du revêtement (50 à 70 microns)

n'augmente plus, même si le temps d'immersion se prolonge, sauf dans le cas particulier des aciers dits réactifs.

L’avantage de ce procédé est que contrairement aux procédés par projection, il protège également les parties inaccessibles de la pièce (corps creux).

http://www.metalco.fr/upload/metalco/engagements/Materiaux/CORROSION_ET_PROTECTION_DE_L_ACIER.pdf
Certains produits ne doivent pas être galvanisés complètement. Il faut penser par exemple aux filetages, aux endroits qui doivent être soudés, etc. Ces endroits doivent être enduits d'un produit de masquage approprié ou être « dégalvanisés » après de façon mécanique.

http://www.zinkinfobenelux.com/sites/default/files/technische_infobladen/7_ft_etat_de_la_surface_de_lacier_avant_la_galvanisation_a_choud_201107.pd

La capacité et les dimensions des cuves de galvanisation permettent de généraliser aujourd’hui la galvanisation à chaud des structures en acier composées d’éléments de grande taille.

http://sections.arcelormittal.com/fr








Document 2 : l’électrozingage

L’électrozingage est l’opération au cours de laquelle du zinc est déposé par électrolyse . La pièce à traiter étant ici la cathode et la source de zinc jouant le rôle d’anode. Le zinc est oxydé et transformé en ions dissous dans une solution électrolytique. Ces ions zinc sont ensuite réduits en zinc métallique à la cathode et se déposent ainsi en formant une couche superficielle de zinc. Les réactions d’oxydo-réduction en jeux sont les suivantes :

Anode : oxydation du zinc : Zn -> Zn2+ + 2e-

Cathode : Réduction du zinc : Zn2+ + 2e- -> Zn

L’épaisseur de dépôt souhaitée peut être choisie en contrôlant à la fois le courant imposé au système

électrolytique et le temps d’exposition et peut varier entre quelques microns à moins de 50 m.

Il n’y a pas de diffusion entre les couches de zinc et d’acier.

Lors de l’électrozingage d’une pièce creuse non bouchée le dépôt de zinc ne sera pas observé à l’intérieur du tube mais quasi exclusivement à l’extérieur.



Photo d’une cuve industrielle

d’électrozingage








Document 5 : Données de comparaison entre la galvanisation et l’électrozingage




galvanisation

électrozingage

Zinc/matière traité

6,13.10-2 kg/kg

6,34.10-3 kg/kg

Electricité/matière traitée

4,89.102 kWh/t

1,53.102 kWh/t

Déchet/matière traitée

1,2.10-2 kg/kg

1,45.10-1 kg/kg

Eau consommée par matière traitée

2,7.10-5 m3/kg

1,74.10-2 m3/kg

Coût (CHF*/kg de pièce traitée)

0,6-10

1,5-5

*CHF : francs suisse

Source : Simon Nuytten


.
Questions :

  1. Pourquoi la galvanisation à chaud est-elle très consommatrice d’énergie ?

  2. Pourquoi la galvanisation à chaud assure-t-elle à la fois une protection physique et chimique de l’acier ? Est-ce le cas pour des pièces électrozinguées ?

  3. Lors de quel procédé, le revêtement de zinc est-il le plus adhérant au substrat ? Pourquoi ?

  4. Qu’est-ce qui limite l’emploi de l’électrozingage dans l’industrie du bâtiment par exemple ?

Activité/problème expérimentale : électrozingage
En vue d’être raccordé à une tonne à lisier (cuve permettant l’épandage de lisier dans les champs), un tube plongeur galvanisé recouvert de zinc ( 250 g.m-2 de zinc) est livré à M. Robert.

Au bout de 15 ans d’utilisation, le fils de M.Robert envisage de réaliser lui-même un électrozingage de l’embout de cette pièce.


Haut du formulaire

Haut du formulaire

Tube plongeur galvanisé raccord mâle

Longueur L  = 3 m ;

Diamètre D = 100 mm


Bas du formulaire

Bas du formulaire



http://www.agri-expert.fr



Quelle doit être la durée son électrolyse pour que l’épaisseur de zinc déposée soit la même que lorsque la pièce était neuve ?


Les informations utiles pour vous permettre de répondre à cette question sont regroupées dans les documents ci-dessous. Vous disposez aussi de matériel vous permettant de réaliser les expériences nécessaires : ce matériel vous sera délivré en échange d’une liste que vous aurez établie.
Votre travail consiste

  • à rédiger le protocole d’une manipulation permettant de répondre à la question posée ;

  • à réaliser la manipulation et à relever les mesures nécessaires ;

  • à rédiger un compte rendu détaillé qui doit présenter les expériences réalisées, les calculs permettant de répondre à la question posée et des commentaires sur les résultats obtenus.




Document 1 : données utiles

*couple oxydant/ réducteur : Zn2+(aq)/Zn(s);

*masse molaire atomique du zinc : M(Zn) = 65,4 g·mol−1 ;

*masse volumique du zinc : ρ(Zn) = 7,4 g·cm−3 ;

*constante d'Avogadro : NA = 6,0 × 1023 mol−1 ;

*charge électrique élémentaire : e = 1,6 × 10−19 C ;

*surface de l’embout à recouvrir : S = 5% de la surface totale ;

*intensité maximale du courant électrique dans l’électrolyseur :0,8 A




Le volume V de zinc déposé se calcule en multipliant la surface S du tube par l’épaisseur e du dépôt.



D

ocument 2 :
Relation entre la masse de métal formée et la durée de l’électrolyse

L
a masse théorique de métal qui se dépose à la cathode a pour expression :
avec F = 96 500 C.mol-1 ; M = masse molaire du métal considéré(g.mol-1)

L’intensité I du courant électrique est exprimée en ampères (A)

La durée t de l’électrodéposition est exprimée en secondes (s)

z = nombre d’électron échangé par atome de métal produit.



Document 3 : relation entre l’épaisseur du revêtement et la durée de protection de la pièce





L'épaisseur de revêtement est le facteur déterminant de la durée de protection. Plus cette épaisseur est importante, plus la durée de vie de l'acier galvanisé est longue.

Il existe une relation quasi-linéaire entre ces deux éléments pour la plupart des expositions atmosphériques :



http://www.zinkinfobenelux.com/sites/default/files/technische_infobladen/9_ft_inspection_dun_lot_dacier_galvanise_a_chaud_discontinue_201107.pdf

http://www.galvinfo.com:8080/zclp/Methodology.htm



Document 4 : composition d’une solution électrolytique
Les électrolytes de zinc acide contiennent du chlorure de zinc (30 à 55 g de zinc/l), du sulfate de potassium et/ou du chlorure de sodium (130 à 180 g/l) de l'acide borique (10 à 40 g/l) et un agent mouillant. On utilise uniquement des anodes solubles. Les solutions ont une bonne conductivité et un rendement cathodique élevé, habituellement de l'ordre de 93 à 96 %.

http://www.ineris.fr/ippc/sites/default/files/files/stm_bref_0806_VF_1.pdf


Problème : Dépôt d’argent sur une « égoïste »
U
Photo d’une cafetière égoïste
ne « égoïste » est une théière ou une cafetière de salon, pour une seule personne, datant du début du XIXe siècle. Elle peut être en agent massif mais la plupart du temps, elle est en laiton (alliage de cuivre et de zinc), recouverte d'argent métallique. Dans ce cas, au cours des années, la couche d’argent disparaît progressivement.

Pour redonner leur éclat d'antan à ce type de pièce, les orfèvres peuvent déposer une mince couche adhérente d'argent par électrolyse. Outre l'embellissement de l'objet traité, cette opération permet de le protéger de l'attaque de l'air et des aliments acides et lui confère des propriétés germicide et bactéricide.
Problème : On apporte à un orfèvre une théière qui a perdu uniformément 65% en masse d’argent d’origine en lui demandant de la recouvrir de telle sorte à ce que l’on puisse à nouveau lui apposer un poinçon II.

L’orfèvre a un souci : au bout de 10 minutes son dispositif d’électrolyse est en panne. Est-il malgré tout arrivé à satisfaire son client sachant que son procédé a un rendement de 70 % ?
Votre travail consiste à répondre à la question posée en utilisant les documents et en explicitant toutes les étapes de votre raisonnement et les calculs qui s’y rapportent.


Document 1 : les différents poinçons






Epaisseur moyenne du dépôt d’argent en µm

Couverts d’usage fréquents (couteaux, fourchettes, …)

Couverts d’usage occasionnels (couteaux, fourchettes, …)

Articles d’orfèvrerie au contact des aliments (plats, théïères, timbales)

Articles d’orfèvrerie décoratifs (bougeoirs, vases)

Qualité I

33

19

15

10

Qualité II

20

12

9

6





Document 2 : charge électrique traversant l’électrolyseur





Document 3 : théière plongée dans le bain « d'argent brillant »

Après avoir aplani, décapé, poli et dégraissé le métal de la théière de manière à ce que le dépôt d'argent adhère bien par la suite, on la plonge dans un bain nommé bain « d'argent brillant », solution contenant entre autres des ions dicyanoargentate en équilibre avec des ions argent.



Document 4 :

Le dépôt d’argent se fait selon l’équation Ag+(aq) + e- Ag(s)




Document 5 :


Document 5 : données 

*couple oxydant/ réducteur : Ag+(aq)/Ag(s);

*masse molaire atomique de l'argent : M(Ag) = 108 g·mol−1 ;

*masse volumique de l'argent : ρ(Ag) = 10 g·cm−3 ;

*constante d'Avogadro : NA = 6,0 × 1023 mol−1 ;

*charge électrique élémentaire : e = 1,6 × 10−19 C ;

*surface de la théière : S = 850 cm2 ;

*intensité du courant électrique dans l’électrolyseur : 7,0 A



Fiche professeur pour l’activité documentaire (synthèse)
Prérequis des élèves : notions sur la corrosion (pile de corrosion, anode sacrificielle)
Durée estimée :

A préparer à la maison ou prévoir une heure.
Evaluation de la synthèse précédée des questions :

Compétences évaluées

S’approprier

Analyser

Communiquer

Coefficient

2

2

2


- La compétence S’approprier est évaluée sur les réponses aux questions.

: L’ensemble des questions est bien traité.

: Quelques réponses maladroites ou incomplètes ou une réponse fausse.

C : Plusieurs réponses fausses ou l’ensemble est trop peu consistant et maladroit.

D : des graves erreurs ou la quasi totalité des réponses fausses.
- La compétence analysée est évaluée sur la manière dont sont extraites et organisées les informations provenant des documents pour répondre à la question de synthèse posée. Les critères retenus sont : comparaison détaillée des deux modes de protection proposés : sur la présence ou non d’alliage chimique, sur la forme de la pièce (pièce creuse, pièces de grandes tailles ne pouvant pas être protégées par électrolyse (dimension des cuves)) , sur l’épaisseur du dépôt, sur le coût, …).

A : Tous les critères sont satisfaisants.

B : il manque un point dans la comparaison ou la notion de vecteur énergétique a été mal décrite.

C : il manque plusieurs points dans la comparaison ou il manque un point dans la comparaison et la notion de vecteur énergétique a été mal décrite.

D : L’élève a été incapable de répondre aux critères attendus.
- La compétence Communiquer est évaluée sur la rédaction de la synthèse.

Les critères retenus sont : rédiger de manière claire une étude comparative, pas de paraphrase, présence d’une introduction et d’une conclusion.
Correction des questions :

  1. Il faut porter le zinc à très haute température pour qu’il soit en fusion.

  2. Protection physique car le fer est recouvert de zinc et ainsi isolé de l’environnement et protection chimique car le zinc s’oxyde à la place du fer. Valable aussi pour les pièces électrozinguées.

  3. Le dépôt de zinc est plus adhérent lorsqu’il est réalisé par galvanisation à chaud du fait de la formation de couches d’alliages fer-zinc qui ne se forment pas lors de l’électrozingage.

  4. Dans l’industrie du bâtiment, la taille des pièces peut être élevée et les cuves d’électrolyse (voir photo), n’ont pas les dimensions suffisantes.

Fiche professeur pour le TP
Prérequis des élèves : Les élèves ont des notions d’oxydoréduction.
Durée estimée : 1h30

Données sur le TP :


Matériel à fournir aux élèves :

Une lame de zinc,

Une lame de fer,

De quoi décaper les lames,

Un grand bécher,

2 béchers,

Un support à électrodes,

La solution électrolytique contenant

des ions zinc à la concentration

c = 0,1 mol.L-1,

Un chronomètre,

Un générateur, des fils électriques,

Une résistance variable,

Un ampèremètre,

Une balance.


Composition de la solution électrolytique :

100 mL ont été préparés en dissolvant, dans de l’eau distillée, 16,5 g de sulfate de zinc (II) (ZnSO4), 10 g de chlorure de potassium (KCl), 3 g d’acide borique (H3BO4).

Le pH doit être compris entre 4,5 et 6.




Un générateur permet de fixer une intensité voisine de 0,40 A.


Correction :

  1. Calcul de la masse de zinc à déposer :

Lors de l’électrozingage, le fils de M. Robert doit déposer un volume de zinc tel que calculé ci-dessous :

La surface à recouvrir vaut : S = *D*L*0.05

Le volume de zinc déposé est alors égal à V = S*e = *D*L*0.05*e

Avec : e = épaisseur de Zinc correspondant à celle qui a été perdue au cours des 15 ans (hypothèse faite que l’altération n’est dues qu’aux conditions d’exposition) : e = 21.10-6 m (document 3)

Soit V = *3*0.1*0.05*21.10-6 ≈ 1.10-6 m3 = 1 cm3

La masse de zinc à déposer vaut alors : m = V = 7,4 g.


  1. Relation entre la durée de l’électrolyse et la masse déposée :

Lors de l’électrolyse, du zinc va se déposer sur la lame de fer. La masse de cette dernière va donc augmenter. Par différence de pesée entre avant et après l’électrolyse, on pourra déterminer la masse de zinc déposée relative à la durée de l’électrolyse réalisée.

La relation du document 2 nous montre qu’il y a proportionnalité entre la masse déposée et la durée de l’électrolyse t.

On procède alors par une règle de 3 pour déterminer la durée nécessaire au dépôt d’une masse de 7,4 g.


  1. Protocole :

On décape et on pèse la lame de fer.

On réalise alors le montage suivant :


Au bout d’un temps donné (à juger en fonction de la rapidité du dépôt (≈qques min)), on arrête l’électrolyse et on retire la lame de fer de l’électrolyte. On la sèche à l’aide d’un sèche -cheveux et on la pèse à nouveau.


  1. Calculs :

On détermine alors, par différence, la masse de zinc déposée que l’on met en relation avec la durée de l’électrolyse et on procède par une règle de 3 pour déterminer la durée nécessaire au dépôt d’une masse de 7,4 g.

Evaluation de l’activité expérimentale :


Compétences évaluées

analyser

Réaliser

Communiquer

Coefficient

3

2

1


- La compétence Analyser est évaluée sur deux points :

* lorsque l’élève propose le protocole (point 3 de la correction).

Dans son protocole, l’élève doit pouvoir proposer de réaliser une électrolyse, d’en faire le schéma avec la lame de fer à la cathode, de peser la lame avant et après une durée définie d’électrolyse pour en déduire la masse déposée.
: l’élève propose un protocole complet avec éventuellement 1 ou 2 interventions du professeur (questions ouvertes par lesquelles l’élève répond de lui-même).

: L’élève a réalisé le travail de manière satisfaisante, mais grâce à plus de deux questions ouvertes ou à l’apport d’une solution partielle.

C : Le professeur apporte plusieurs solutions partielles à l’élève.

D : Le professeur donne le protocole complet à l’élève.
* sur la démarche à mener pour trouver le bon résultat (points 1(relations) et 2 de la correction).

: l’élève propose une démarche complète avec éventuellement 1 ou 2 interventions du professeur (questions ouvertes par lesquelles l’élève répond de lui-même).

: L’élève a réalisé le travail de manière satisfaisante, mais grâce à plus de deux questions ouvertes ou à l’apport d’une solution partielle.

C : Le professeur apporte plusieurs solutions partielles à l’élève.

D : Le professeur donne la démarche complete à l’élève.

- La compétence Réaliser est évaluée

  • lorsque l’élève manipule (1). Les critères retenus sont : pesée de la lame de fer avant et après le dépôt (+ séchage), branchement correct de la lame de fer à la borne – du générateur, mesure du temps.

  • Sur la détermination de la masse de zinc à déposer et sur la détermination de la durée nécessaire (point 1 (calculs) et 4 de la correction) : réaliser les calculs avec les bonnes unités


- La compétence Communiquer est évaluée sur la rédaction et la présentation des résultats.
Note : on pourrait rajouter la compétence valider si l’on demandait aux élèves de comparer leur valeur à la valeur théorique en utilisant la relation donnée …
Fiche professeur sur le problème
Contexte de l’activité

Cette activité peut être donnée aux élèves lors d’un devoir.
Prérequis des élèves : Les élèves ont déjà des notions en oxydoréduction.
Durée estimée : 30 min
Correction :

Pour pouvoir apposer un poinçon II sur une théière, il faut qu’il y ait un dépôt d’argent de 9 µm d’épaisseur de référence (document 1). Donc l’épaisseur d’argent à déposer doit valoir 65 % de cette épaisseur de référence.

La masse d’argent à déposer vaut alors :

m(Ag) = S*e*Ag = 850.10-4*9*0,65*10 = 4,9≈ 5 g
D’après le document 2 on a : n(e-) échangés = I*t/F

D’après le document 4 on a : n(e-) échangés = n(Ag) formé soit : n(e-) échangés = m(Ag)/M(Ag)
On peut alors en déduire la durée de l’électrolyse :

n(e-) échangés = I*t/F = m(Ag)/M(Ag)

t = F* m(Ag)/(M(Ag) *I)

A.N : t = 6,0.1023*1,6.10-19* 5/(108 *7,0) = 634,9≈6.102 s = 10 min.
Si l’électrolyseur avait un rendement de 100 %, l’orfèvre aurait tout juste eu le temps de déposer la quantité requise. Or l’électrolyseur n’ayant un rendement que de 70%, le poinçon ne pourra pas être apposé.

Evaluation

Compétences évaluées

Analyser

Réaliser

Valider

Communiquer

Coefficient

3

1

1

1



- La compétence Analyser est évaluée sur la démarche proposée pour répondre à la question.

: l’élève propose une démarche complete avec éventuellement 1 ou 2 interventions du professeur (questions ouvertes par lesquelles l’élève répond de lui-même).

: L’élève a réalisé le travail de manière satisfaisante, mais grâce à plus de deux questions ouvertes ou à l’apport d’une solution partielle.

C : Le professeur apporte plusieurs solutions partielles à l’élève.

D : Le professeur donne la démarchecomplete à l’élève.
- La compétence Réaliser est évaluée sur les calculs : unités, chiffres significatifs
- La compétence Valider est évaluée sur la notion de rendement.
- La compétence Communiquer est évaluée sur la présentation de l’ensemble.

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