Passivation du métal aluminium

Au contact de l’air, l’aluminium se couvre spontanément d’une couche d’oxyde d’aluminium(III) qui le protège. On épaissit cette couche par électrolyse dans un bain d’acide sulfurique concentré (anodisation). Donnée : masse volumique de l’oxyde d’aluminium(III)

𝜌 = 3,16 g {cm}^{- 3}

;

𝑀 (Al) = 27 g {mol}^{- 1}

𝑀 (O) = 16 g {mol}^{- 1}

1/ Quelle est la formule de l’oxyde d’aluminium(III) ? En déduire l’équation de la réaction électrochimique d’obtention de l’oxyde.

Coup de pouce 1

Dans quelles proportions se trouvent l’aluminium (nombre d’oxydation +III) et l’oxygène (−II) dans un oxyde neutre ?

Coup de pouce 2

Écrire la demi-équation entre l’oxyde d’aluminium(III) et l’aluminium solide, puis la combiner avec un couple de l’eau.

Corrigé

Neutralité : $2 \times (+ 3) + 3 \times (- 2) = 0$ , donc ${Al}_{2} O_{3}$ .

Demi-équation (l’aluminium passe de $0$ à $+ III$ , il est oxydé) :

2 Al + 3 H_{2} O \to {Al}_{2} O_{3} + 6 H^{+} + 6 𝑒^{-}

C’est la réaction anodique ( $𝑛 = 6$ ).

2/ On impose une densité de courant

𝑗 = 1 A {dm}^{- 2}

. Quelle est l’épaisseur de la couche d’alumine après

10 min

d’électrolyse ?

Coup de pouce 1

Intégrer

𝑖 = - 𝑛 ℱ︀ \frac{d 𝜉}{d 𝑡}

pour l’avancement, puis passer à la masse, au volume, à l’épaisseur.

Corrigé

Par unité de surface, la charge est $𝑞 = 𝑗 𝑡 = 100 \times 600 = 6$ ⋅104 C m−2 (avec $𝑗 = 1 A {dm}^{- 2} = 100 A m^{- 2}$ ).

Quantité d’ ${Al}_{2} O_{3}$ formée par unité de surface : $𝑛 = 𝑞 / (6 ℱ︀) = 6 \times 10^{4} / (6 \times 96500) \approx 0,104 mol m^{- 2}$ .

Avec $𝑀 ({Al}_{2} O_{3}) = 2 \times 27 + 3 \times 16 = 102 g {mol}^{- 1}$ , la masse par unité de surface est $10,6 g m^{- 2}$ , le volume $10.6 / (3.16 \times 10^{6}) \approx 3,4$ ⋅10−6 m3 m−2, soit une épaisseur

𝑒 \approx 3,4 µm

3/ Un manuel indique : « avec

𝑗 = 150 A m^{- 2}

, la couche atteint

10 µm

30 min

». Est-ce en accord avec l’étude théorique ? Sinon, proposer une explication.

Coup de pouce 1

Reprendre la formule littérale et calculer l’épaisseur théorique.

Coup de pouce 2

Qu’est-ce qui peut faire que tout le courant ne participe pas à la passivation ?

Corrigé

Théorie : $𝑞 = 150 \times 1800 = 2,7$ ⋅105 C m−2, $𝑛 = 2.7 \times 10^{5} / (6 \times 96500) \approx 0,47 mol m^{- 2}$ , masse $47,6 g m^{- 2}$ , volume $1,5$ ⋅10−5 m3 m−2, soit $𝑒_{théo} \approx 15 µm$ .

Le manuel annonce $10 µm$ , soit nettement moins. Le rendement faradique n’est donc pas de $100 %$ : $𝜌_{𝐹} \approx 10 / 15 \approx 67 %$ . Une partie du courant sert au dégagement de $O_{2}$ à l’anode (réaction parasite), et une partie de l’alumine formée se dissout dans l’acide sulfurique concentré.

Passivation du métal aluminium ★★