Étamage — Électrochimie

L’étamage protège une tôle d’acier par une fine couche d’étain (fer-blanc des boites de conserve). Une expérience est menée à

25

⁠

°C

sur un échantillon de fer de surface

𝑆 = 240 {cm}^{2}

. L’électrolyte contient des ions

{Sn}^{2 +}

et de l’acide 4-hydroxybenzènesulfonique ; son pH est proche de

0

. L’étain intervient par le couple

{Sn}^{2 +}

Sn (s)

1/ Le potentiel standard du couple

H^{+}

H_{2} (g)

n’est pas donné. Pourquoi ?

Coup de pouce 1

Quelle origine a-t-on choisie pour les potentiels en électrochimie ?

Corrigé

Par convention, l’électrode standard à hydrogène sert d’origine des potentiels :

𝐸^{\circ (H^{+} / H_{2})} = 0 V

à toute température. Il est donc inutile de le préciser.

2/ Compléter le schéma : polarité du générateur, sens du courant, nature (anode / cathode) de chaque électrode.

Coup de pouce 1

Dans quel sens se déplacent les électrons ? Quelle réaction a lieu à l’électrode où ils arrivent ? D’où partent-ils ?

Coup de pouce 2

L’étamage dépose de l’étain sur le fer.

Corrigé

L’étamage dépose $Sn$ sur le fer : la réduction ${Sn}^{2 +} + 2 𝑒^{-} \to Sn$ a lieu sur le fer, qui est donc la cathode, reliée à la borne $-$ du générateur. L’électrode d’étain est l’anode ( $Sn \to {Sn}^{2 +} + 2 𝑒^{-}$ ), reliée à la borne $+$ .

Les électrons partent de la borne $-$ , vont vers la cathode (Fe), reviennent de l’anode (Sn) vers la borne $+$ . Le courant conventionnel circule en sens inverse : dans l’électrolyte, il va de l’anode (Sn) vers la cathode (Fe).

3/ Un petit dégagement gazeux est observé à l’électrode de fer. Quel est-il ?

Coup de pouce 1

Quelle espèce de la solution peut produire un gaz par réduction ?

Corrigé

Le fer est la cathode : il s’y produit une réduction. La seule espèce réductible produisant un gaz est

H^{+}

(pH proche de

0

) :

2 H^{+} + 2 𝑒^{-} \to H_{2}

. Le gaz est du dihydrogène.

4/ La surtension cathodique de

H^{+}

H_{2}

est

𝜂_{𝑐} = - 0,40 V

(identique sur Fe et Sn) ; le couple

{Sn}^{2 +}

Sn

est rapide. Écrire les échanges électroniques à chaque électrode et représenter les courbes intensité-potentiel correspondantes.

Coup de pouce 1

Le fer réagit-il ?

Coup de pouce 2

La courbe de l’étain a-t-elle un palier de diffusion ? Un surpotentiel ?

Corrigé

Cathode (Fe) : ${Sn}^{2 +} + 2 𝑒^{-} \to Sn$ (souhaitée) et $2 H^{+} + 2 𝑒^{-} \to H_{2}$ (parasite). Le fer ne réagit pas (il est protégé, c’est la cathode).
Anode (Sn) : $Sn \to {Sn}^{2 +} + 2 𝑒^{-}$ .

Courbes $𝑖$ – $𝐸$ : la branche de réduction de ${Sn}^{2 +}$ part de $𝐸^{\circ ({Sn}^{2 +} / Sn)} = - 0,14 V$ (couple rapide) et présente un palier de diffusion ( ${Sn}^{2 +}$ est un soluté). La branche d’oxydation de $Sn$ part aussi de $- 0,14 V$ , sans palier (l’électrode elle-même est le réactif). Le dégagement de $H_{2}$ débute vers $𝐸_{eq (H^{+} / H_{2})} + 𝜂_{𝑐} = 0 - 0.40 = - 0,40 V$ , sans palier ( $H^{+}$ abondant à pH $0$ ).

5/ Exprimer puis calculer la masse maximale

𝑚

d’étain déposée, sachant que

𝑖 = 1,0 A

et que l’électrolyse dure

4 min

Coup de pouce 1

Intégrer

𝑖 = - 𝑛 ℱ︀ \frac{d 𝜉}{d 𝑡}

Corrigé

Au mieux, tout le courant sert au dépôt d’étain. La charge est $𝑄 = 𝑖 𝑡 = 1.0 \times 240 = 240 C$ (l’électrolyse dure $4 min = 240 s$ ). Avec $𝑛 = 2$ :

𝑚 = \frac{𝑄}{𝑛 ℱ︀} 𝑀 (Sn) = \frac{240}{2 \times 96500} \times 118.7 \approx 0,15 g

Corrigé

𝜌_{𝐹} = \frac{0.12}{0.15} \approx 0.80 = 80 %

Les $20 %$ manquants correspondent au courant ayant servi au dégagement de $H_{2}$ .

Étamage ★★