Comment protéger la coque d’un bateau de la corrosion ?

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Matériaux
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : France métropolitaine
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Comment protéger la coque d’un bateau de la corrosion ?
 
 

Les matériaux

Corrigé

53

Spécialité

pchT_1306_07_04C

 

France métropolitaine • Juin 2013

Exercice 3 • 5 points


 

 

La corrosion est un phénomène bien connu des marins. Les bateaux dont la coque est en acier en sont victimes et doivent en être protégés. Une méthode de protection consiste à poser à la surface de la coque des blocs de métal que l’on appelle « anodes sacrificielles ».

L’objectif de l’exercice est d’évaluer, à l’aide des documents ci-après, la masse de l’anode sacrificielle nécessaire à la protection d’un bateau.

Document 1

Le phénomène de corrosion

La corrosion d’un métal M est sa transformation à l’état de cation métallique Mk+ par réaction avec le dioxygène dissous dans l’eau.

Le métal perd un ou plusieurs électrons, il est oxydé selon la demi-équation rédox :

M  Mk++k e.

Une mole de métal oxydé produit k moles d’électrons.

Document 2

Potentiels standard de différents métaux

Pour prévoir les réactions d’oxydo-réduction, on peut s’appuyer en première approche sur l’échelle suivante, appelée échelle des potentiels standard. Tous les couples oxydant/réducteur peuvent être classés par leur potentiel standard.

 

Élément

Couple

Potentiel standard (V)

Plomb

Pb2+/Pb

0,126

Étain

Sn2+/Sn

0,138

Nickel

Ni2+/Ni

– 0,257

Fer

Fe2+/Fe

– 0,447

Zinc

Zn2+/Zn

– 0,760

Aluminium

Al3+/Al

– 1,67

Magnésium

Mg2+/Mg

– 2,37

 

Échelle des potentiels standard de quelques couples à 20 °C

Lorsque deux métaux sont en contact et peuvent être oxydés par le dioxygène, c’est celui dont le couple a le potentiel standard le plus faible qui s’oxyde : il constitue l’anode et protège l’autre métal qui ne réagira pas.

Document 3

Protection d’un bateau avec coque en acier

Lors de l’oxydation de l’anode sacrificielle, il s’établit un courant de protection au niveau de la surface S de la coque immergée. Sa densité de courant moyenne, intensité de courant par unité de surface, vaut :

j= 0,1 A · m–2

Ce courant a son origine dans la charge électrique échangée lors de la réaction d’oxydo-réduction. L’intensité I d’un courant électrique peut s’exprimer en fonction de la charge électrique Q échangée au cours de la réaction pendant une durée Δt :

où, dans le système international, I s’exprime en ampère (A), Q en coulomb (C) et Δt en seconde (s).

1 Questions préalables

1. Un bateau possède une coque en acier donc composée essentiellement de fer. Écrire la demi-équation de l’oxydation du fer métallique en considérant uniquement les couples du document 2.

2. Citer en justifiant votre réponse, les métaux du tableau du document 2 susceptibles de protéger la coque en acier d’un bateau. Pourquoi l’anode utilisée est-elle qualifiée de « sacrificielle » ?

2 Problème

On désire protéger pendant une année la coque en acier d’un bateau par une anode sacrificielle en zinc. La surface de coque immergée dans l’eau de mer vaut S= 40 m2. Une anode sacrificielle sur une coque de bateau doit être remplacée quand elle a perdu 50 % de sa masse.

Quelle est la masse totale d’anode sacrificielle en zinc qu’on doit répartir sur la coque pour la protéger pendant une année ? Exercer un regard critique sur la valeur trouvée.

Données

  • Masse molaire du zinc : M= 65,4 g · mol–1.
  • Une mole d’électrons possède une charge électrique :

.

L’analyse des données, la démarche suivie et l’analyse critique du résultat sont évaluées et nécessitent d’être correctement présentées.

Notions et compétences en jeu

Savoir extraire des informations • Savoir pratiquer une démarche scientifique • Savoir manipuler les formules mathématiques.

Conseils du correcteur

Questions préalables

  • Utilisez les couples oxydant/réducteur donnés dans le document 2.
  • N’oubliez pas que les potentiels standard donnés sont négatifs.

Résolution du problème

  • Calculez l’intensité du courant qui parcourt la surface.
  • Déterminez la charge électrique correspondante et déduisez-en le nombre d’électrons qui transitent.
  • Utilisez la réaction d’oxydo-réduction qui libère ces électrons pour déterminer la masse de zinc.
  • Pensez à estimer la masse d’un bateau.
 
Corrigé

11. Écrire une équation d’oxydation

L’oxydation du fer métallique se produit selon la demi-réaction suivante :

2. Justifier l’utilisation de certains métaux pour protéger de la corrosion

 

Attention

– 2 est plus faible que – 1.

Pour protéger la coque du bateau en acier, il faut une anode composée d’un métal dont le potentiel standard est plus faible que celui du fer.

Dans le tableau du document 2, les métaux ayant ces caractéristiques sont le zinc, l’aluminium et le magnésium.

Au contact du fer, ces métaux s’oxydent et se transforment en cations. L’anode composée de ces métaux va donc disparaître : on peut parler d’anode « sacrificielle ». La coque est alors protégée de l’oxydation.

2 Calculer la masse d’anode sacrificielle à répartir sur la coque

 

Notez bien

Il faut utiliser les unités de j pour trouver la valeur de I.

La coque du bateau a une surface S= 40 m².

D’après le document 3, la densité de courant moyenne, au niveau de la surface de la coque, est j= 0,1 A ⋅ m–2.

Cela correspond, pour une surface S, à un courant d’intensité :

I=jS= 0,1 × 40 = 4 A.

 

Attention

Il faut se placer dans le système d’unités international.

On souhaite protéger le bateau pendant une année, soit une durée :

Δt= 365 × 24 × 60 × 60 = 3,15 × 107 s.

La charge électriqueQ correspondante est telle que :

Q=IΔt= 4 × 3,15 × 107 s = 1,26 × 108 C.

On en déduit le nombre d’électrons qui circulent sur la coque :

ne== =1,3 ×103 mol.

La réaction qui a lieu au niveau de l’électrode de zinc est :

Ce qui revient à dire qu’une mole de zinc oxydée produit 2 moles d’électrons.

On calcule la quantité de matière de zinc oxydé :

n=== 654 mol.

 

Attention

La masse calculée est en grammes.

On en déduit la masse de zinc disparu :

m=nM= 42 700 g = 42,7 kg.

Une anode sacrificielle doit être remplacée quand elle a perdu 50 % de sa masse. Il faut donc répartir sur la coque une anode de zinc d’une masse m= 2m = 2 × 42,7 =85,5 kg.

Cette masse est importante. Toutefois, au regard de la masse totale d’un bateau de 40 m² de surface de coque (de plusieurs centaines de tonnes), elle semble raisonnable.