Chimie et modélisme

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Matériaux
Type : Exercice | Année : 2015 | Académie : Antilles, Guyane

 

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Antilles, Guyane • Septembre 2015

Exercice 3 • 5 points

Chimie et modélisme

Un modéliste désire fabriquer un drone, le Quad 9, à partir de plans et de la liste de fournitures trouvés sur Internet. Il désire anodiser les tiges d’aluminium qu’il doit utiliser comme bras afin qu’elles résistent au mieux aux agressions du milieu extérieur et, accessoirement, afin de les colorer.

Après avoir pris des renseignements sur l’anodisation, il procède à cette opération.

Document 1 Présentation du drone

Plan partiel vu de dessus du drone

pchT_1509_04_01C_02

Liste partielle des fournitures

Platines : 300 × 340 mm de contre-plaqué aviation 2 mm

Bras : 320 mm de tube plein à section carrée en aluminium anodisé (4 pièces)

Patin-amortisseur : tuyau PVC diamètre 80 mm, largeur 12 mm (4 pièces)

Vis acier ou nylon diamètre 3 mm, longueur 15 mm pour les bras (8 pièces)

Écrous nylstop 3 mm pour fixation moteurs (8 pièces)

Vis acier diamètre 3 mm, longueur 8 mm pour fixation platine supérieure (4 pièces)

Schéma d’un bras

pchT_1509_04_01C_03

Le schéma n’est pas à l’échelle.

www.jivaro-models.org/

Document 2 Principe de l’anodisation

L’aluminium présente à l’état naturel une couche d’alumine Al2O3 superficielle qui le protège de l’oxydation (passivation). Cette couche naturelle, de quelques nanomètres d’épaisseur, est sujette à la détérioration. Une meilleure protection de l’aluminium contre la corrosion est obtenue en accroissant l’épaisseur de la couche d’alumine. Cette technique est appelée anodisation. Elle consiste en une électrolyse en milieu acide. Le revêtement n’est pas réalisé par apport de matière mais par oxydation contrôlée de l’aluminium afin de le passiver.

L’anodisation sulfurique d’une pièce d’aluminium par immersion complète permet un dépôt d’alumine de 10 à 20 micromètres, selon les réactions électrochimiques ayant lieu aux électrodes et dont les équations sont les suivantes.

Réaction d’oxydation de l’aluminium :

2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 6 H+ + 6 e

Réaction de réduction des ions oxonium H3O+ :

2 H3O+ + 2 e → H2 + 2 H2O

Au cours de cette réaction d’oxydo-réduction forcée grâce à l’énergie fournie par un générateur, la charge électrique Q peut s’exprimer en fonction de l’intensité I du courant électrique qui circule, et de la durée Δt par la relation :

Q = I × ∆t

avec I exprimé en ampère (A), Q en coulomb (C) et ∆t en seconde.

D’après http://fr.wikipedia.org/

Document 3 Schéma incomplet du montage utilisé par le modéliste pour anodiser les 4 bras

pchT_1509_04_01C_04

Données

Masse volumique de l’alumine : ρ(Al2O3= 3,97 g ⋅ cm–3.

Masses molaires atomiques en g ⋅ mol–1 : Aluminium M(Al) = 27 ; Oxygène : M(O) = 16.

La charge électrique d’une mole d’électrons vaut 96 500 C.

1. Question préalable

 Recopier et compléter le schéma du document 3, permettant de réaliser l’anodisation des quatre bras du drone. (0,5 point)

Vous représenterez la cuve à électrolyse et les électrodes en précisant sur quelle électrode se trouvent les quatre bras à anodiser.

2. Résolution du problème

 Déterminer la durée de l’électrolyse qui permettra au modéliste de protéger au mieux les quatre bras de son drone. (4,5 points)

La démarche suivie et l’analyse des données seront correctement présentées. Les calculs numériques seront menés à leur terme et avec rigueur. Toute démarche même partielle sera évaluée.

Les clés du sujet

Notions et compétences en jeu

Matériaux • Oxydoréduction

Conseils du correcteur

Les documents

Le document 1 présente le drone. Il n’y a pas d’échelle sur ce schéma donc il permet juste d’avoir un visuel. La liste partielle des fournitures, elle, donne des dimensions et notamment la dimension des bras à recouvrir et une représentation avec échelle d’un bras.

Le document 2 donne les demi-équations de réaction. Il donne aussi l’épaisseur de la couche d’alumine à effectuer et la relation entre Q et la durée d’une électrolyse.

Le document 3 donne le schéma à compléter dans la question préliminaire mais aussi des valeurs d’intensité et de tension de fonctionnement de l’électrolyse.

La méthode

Attention à ne pas oublier les données de fin d’énoncé !

Étant donnée l’unité de la masse volumique de l’aluminium, mettez les longueurs/surfaces/volumes en cm/cm²/cm3.

Pour résoudre le problème, vous devrez dans l’ordre :

trouver le volume d’alumine à déposer puis sa masse et ensuite son nombre de moles ;

déterminer le nombre de moles d’électrons à transférer (à l’aide d’une demi-équation redox) ;

calculer Q la charge électrique de tous ces électrons transférés.

La rédaction

Nous proposons deux méthodes de résolution.

La première méthode ressemble davantage à un tâtonnement amenant au résultat. Cependant, elle est souvent choisie par les candidats et parfaitement acceptée par les correcteurs.

La seconde méthode, plus élégante, est préférée des correcteurs parce qu’elle se fait en « algébrique » : on ne remplace les grandeurs par leur valeur numérique qu’à la fin. Elle montre une meilleure compréhension et une bonne maîtrise du raisonnement.

Vous pouvez obtenir l’ensemble des points avec les deux méthodes de résolution. À mesure que vous progressez dans vos révisions, essayez d’adopter la deuxième méthode, c’est un atout certain dans une copie d’examen.

Pour les « problèmes à résoudre », utilisez des puces ou une numérotation pour montrer vos étapes de résolution. Vous pouvez aussi donner un titre à chacune des étapes (exemple dans la première méthode).