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BLAISE PASCAL PT 2020-2021 TD 27 – Électrochimie Corrosion Diﬃculté d’analyse e

BLAISE PASCAL PT 2020-2021 TD 27 – Électrochimie Corrosion Diﬃculté d’analyse et compréhension, initiative requise ; Diﬃculté technique et calculatoire ; Exercice important. Flasher ce code pour accéder aux corrigés Questions de cours 27.1 - À partir d’un diagramme potentiel-pH fourni par l’interrogateur, indiquer si un métal peut ou non être résistant à la corrosion. On indiquera le cas échéant s’il s’agit d’une immunité ou d’une éventuelle passivation. 27.2 - Une anode sacriﬁcielle est une barre de zinc mise en contact avec le fer à protéger dans une solution aqueuse. Les couples sont Zn2+/Zn (E◦= −0,77 V) et Fe2+/Fe (E◦= −0,44 V). ▷En admettant que la cinétique ne modiﬁe pas la prédiction thermodynamique, indiquer lequel des deux métaux est attaqué. ▷À partir du jeu de courbes intensité-potentiel ci-dessous, indiquer sur quel métal le dégagement de dihydrogène est observé. E i Zn − − →Zn2+ Zn H2 ← − −H2O Fe H2 ← − −H2O Exercice 1 : Courbe intensité-potentiel et passivation 2 | 0 ▷Allure qualitative des courbes intensité-potentiel. La courbe intensité-potentiel obtenue avec une électrode de travail en plomb plon- geant dans une solution d’acide sulfurique H2SO4 à pH nul est reproduite ci-contre Donnée : potentiels standard à 298 K. ▷E◦(Pb2+/Pb) = −0,13 V ▷E◦(PbO2/Pb) = 0,63 V 1 - Identiﬁer les processus électrochimiques ayant lieu sur les parties de la courbe d’in- tensité non nulle. Préciser la demi-équation de ces processus. 2 - Interpréter les phénomènes (diﬀérents) à l’origine de la nullité de l’intensité sur les parties (ii) et (v). 3 - Discuter des avantages que peut avoir l’utilisation d’une anode en plomb lors de l’électrolyse industrielle d’une solution fortement acide. 1/7 Étienne Thibierge, 27 mars 2021, www.etienne-thibierge.fr TD 27 : Corrosion Blaise Pascal, PT 2020-2021 Exercice 2 : Interprétation d’une expérience 1 | 0 | ▷Corrosion par hétérogénéité du support ; ▷Interprétation de courbes intensité-potentiel. E i Pb − − →Pb2+ Pt Pb Une lame de plomb décapée est plongée dans une solution désaérée d’acide chlorhydrique. On observe un très faible dégagement gazeux. Si, dans les mêmes conditions, on touche la lame de plomb avec un ﬁl de platine, on observe un abondant dégagement gazeux et une attaque de la lame. 1 - Identiﬁer le gaz produit. 2 - Dans la seconde expérience, sur quel métal le dégagement gazeux est-il observé ? 3 - Pourquoi le dégagement gazeux est-il plus important dans la se- conde expérience ? Exercice 3 : Interprétation d’une expérience 2 | 0 | ▷Corrosion par hétérogénéité du support ; ▷Allure qualitative des courbes intensité-potentiel. Deux électrodes, l’une de fer et l’autre de zinc, plongent dans une solution électrolytique inerte. Ces deux électrodes sont court-circuitées. On observe un dégagement gazeux au niveau de l’électrode de fer et l’apparition d’un précipité blanc au niveau de l’électrode de zinc. Proposer un jeu de courbes intensité-potentiel permettant d’interpréter ces observations. Indiquer sur ces courbes le potentiel mixte. Données : E◦(Fe2+/Fe) = −0,44 V ; E◦(Zn2+/Zn) = −0,76 V ; pKs(Zn(OH)2) = 17. Exercice 4 : Corrosion dans les circuits d’eau chaude domestiques 2 | 1 | ▷Corrosion par hétérogénéité du support ; ▷Interprétation de courbes intensité-potentiel ; ▷Anode sacriﬁcielle. Dans une installation de chauﬀage domestique, la corrosion se manifeste principalement au niveau des jonctions entre les tuyaux en cuivre et les radiateurs en fer ou en fonte, toujours du côté du radiateur. Des phénomènes analogues peuvent avoir lieu dans les chauﬀes-eau, c’est pourquoi tous les ballons d’eau chaude sont équipés d’une anode de protection permettant des les protéger contre la corrosion. Données : ▷Potentiels standard : E◦(Cu2+/Cu) = 0,34 V ; E◦(Fe2+/Fe) = −0,44 V et E◦(Mg2+/Mg) = −2,37 V ; ▷Masses molaires : MFe = 55,8 g · mol−1 et MMg = 24,3 g · mol−1 ; ▷Constante de Faraday : F = 9,65 · 104 C · mol−1. E i Fe − − →Fe2+ Cu Fe H2O H2 1 - Justiﬁer que la corrosion attaque le radiateur et non pas la canalisation. Écrire l’équation bilan de la réaction de corrosion. 2 - À partir des courbes ci-contre, identiﬁer le métal sur lequel a lieu la réduction de l’eau. 3 - Représenter sur un schéma la jonction entre le radiateur et la canalisa- tion. Indiquer le lieu des deux réactions électrochimiques et le déplacement des électrons. Conclure : pourquoi la corrosion se manifeste-t-elle davan- tage à la jonction que sur le reste du radiateur ? 2/7 Étienne Thibierge, 27 mars 2021, www.etienne-thibierge.fr TD 27 : Corrosion Blaise Pascal, PT 2020-2021 Les anodes de protection des ballons d’eau chaude domestique sont souvent faites en magnésium et ont une masse de l’ordre de m = 500 g. Elles doivent être remplacées lorsque 75 % de leur masse a été consommée. La durée de vie d’une anode dépend fortement de la dureté de l’eau, mais peut être estimée à environ ∆t = 5 ans pour une eau « moyenne ». 4 - Justiﬁer que l’utilisation d’une anode en magnésium permet de protéger le fer de la cuve du ballon d’eau chaude contre la corrosion. Pourquoi est-elle qualiﬁée d’anode sacriﬁcielle ? 5 - Montrer que l’intensité moyenne du courant de corrosion reçu par l’électrode de magnésium vaut I = 3 m F 2 MMg ∆t . Calculer la valeur numérique. 6 - En déduire la masse de fer qui a été épargnée par la corrosion grâce à l’usage de l’anode de magnésium. Exercice 5 : Corrosion du zinc 1 | 2 ▷Diagramme de corrosion ; ▷Blocage cinétique. Le diagramme potentiel-pH simpliﬁé du zinc est donné ﬁgure 1 pour une concentration en espèces dissoutes c0 = 1 · 10−6 mol · L−1. Les espèces prises en compte sont Zn, Zn2+, Zn(OH)2(s) et Zn(OH)2– 4 . Conventions de frontière : ▷il y a égalité des concentrations à la frontière entre deux espèces dissoutes ; ▷à la frontière entre une espèce dissoute et une espèce solide, la concentration de l’espèce dissoute est prise égale à la concentration de tracé c0. Données : ▷Potentiels standards Couples Zn2+/Zn Zn(OH)2(s)/Zn Zn(OH)2– 4 /Zn E◦(V) −0,76 −0,42 0,46 ▷pKs(Zn(OH)2(s)) = −16,3. ▷La réaction Zn(OH)2(s) + 2 HO−= Zn(OH)2− 4 a pour constante d’équilibre K◦= 10−1,64. pH E pH1 E1 pH2 A B C D E i Zn − − →Zn2+ Zn H2 ← − −H+ Figure 1 – Diagramme potentiel-pH et courbe intensité potentiel pour la corrosion du zinc. 1 - Placer les diﬀérentes espèces sur ce diagramme, en justiﬁant. Identiﬁer les domaines d’immunité, de corrosion et de passivation du zinc. 2 - Retrouver les valeurs remarquables du diagramme (E1, pH1 et pH2) et les pentes des droites frontières A/C et A/D. 3 - Compléter le tracé en ajoutant la frontière relative au couple H2O/H2 et en précisant la zone de prédominance de chacune des deux espèces. 4 - Une tôle en acier électrozinguée est plongée dans une solution désaérée à pH 6. Montrer à l’aide du diagramme E −pH que l’on s’attend à observer un dégagement gazeux. Écrire la réaction mise en jeu. 5 - En réalité, aucun dégagement n’est observé. Expliquer ce constat à l’aide de la courbe intensité-potentiel donnée. En supposant rapide l’oxydation du zinc, dans quel domaine se situe le potentiel pris par la tôle ? 3/7 Étienne Thibierge, 27 mars 2021, www.etienne-thibierge.fr TD 27 : Corrosion Blaise Pascal, PT 2020-2021 Exercice 6 : Corrosion du fer écrit CCP PSI 2016 | 2 | 2 ▷Architecture des solides cristallins ; ▷Courant de corrosion ; ▷Protection par anode sacriﬁcielle. 4/7 Étienne Thibierge, 27 mars 2021, www.etienne-thibierge.fr ϯͬϭϲ Chimie Structure cristallographique du fer et masse volumique Le fer, sous sa forme allotropique α, cristallise à pression normale et en dessous de 910 °C, dans une structure cubique centrée (figure 1). Figure 1 - Structure cubique centrée Q1. Combien y-a-t-il d’atomes par maille ? On rappelle que le paramètre de maille, noté a, correspond à la longueur d’une arête de la maille. En déduire la relation entre a et le rayon atomique du fer RFe. Q2. Soit MFe la masse molaire du fer, Na la constante d’Avogadro et Fe ρ la masse volumique du fer. Déterminer la relation entre MFe, RFe, Na et Fe ρ . L’application numérique donne Fe ρ = 7,9 10n kg.m-3. Préciser l’ordre de grandeur de Fe ρ en donnant simplement la valeur numérique de l’exposant entier n. Vitesse de corrosion Q3. On considère ici une plaque métallique (figure 2) soumise à un phénomène de corrosion uniforme. On suppose qu’à la date t = 0, la plaque ne présente aucune trace de corrosion. Figure 2 - Plaque et épaisseur e(t) touchée par la corrosion À cause de la circulation d’un courant de corrosion Icor, supposé permanent, de densité de courant j, le métal X qui constitue la plaque s’oxyde en l’ion X2+ suivant la demi-réaction X = X2+ + 2e- . e(t) S TD 27 : Corrosion Blaise Pascal, PT 2020-2021 5/7 Étienne Thibierge, 27 mars 2021, www.etienne-thibierge.fr ϰͬϭϲ On note S la surface de cette plaque métallique, ρX la masse volumique du métal X, MX sa masse molaire et uploads/Industriel/ 27-corrosion-td-enonce.pdf