Courbes intensité-potentiel et corrosion : 112 questions de concours corrigées

En explicitant le raisonnement, donner le lien entre la vitesse de la réaction d'oxydation du fer en ion Fe²⁺_(aq), vₒₓ = (dn_Fe²⁺)/dt, et le courant macroscopique d'oxydation i_corr.

Justifier le lien entre la vitesse de la réaction et le courant utilisé pour la réaction chimique I_F : I_F = nFv où on rappellera la signification de n et où F est la constante de Faraday.

Indiquer à quoi correspond le palier observé pour l'oxydation du phénol.

Décrire le montage à trois électrodes permettant de tracer une courbe courant-potentiel.

Sur certaines courbes on observe un palier. À quoi correspond ce phénomène ?

Donner précisément le schéma du dispositif permettant d'enregistrer la courbe courant-potentiel.

Définir un système rapide. Indiquer si les systèmes étudiés sont lents ou rapides.

En retraçant la figure (4), indiquer la position d'équilibre et le courant de corrosion i_corr.

Décrire le montage expérimental permettant d'effectuer un tel tracé. On d'étaillera en particulier le rôle de chacune des électrodes utilisées.

Identifier les courbes (1) à (6), sachant que les courbes en pointillés sont relatives aux couples de l'eau.

En reproduisant le schéma de la figure (1), tracer l'évolution de la courbe courant-potentiel au fur et à mesure de l'électrolyse.

En déduire qu'à partir d'un instant tₘ, le rendement faradique n'est plus égal à 1 mais qu'il se déroule également une équation d'oxydation parasite sur l'électrode dont on donnera la demi-équation.

Reproduire la courbe de la Figure 3 sur la copie et indiquer les processus se déroulant sur chaque section.

On constate qu'en réalité il faut appliquer une différence de potentiel supérieure à U_cin = 2,07 V afin d'observer une réaction sur des électrodes de platine, en raison de l'aspect cinétique de la…

Déterminer l'expression de Δ e_Al/Δ t en fonction de j_corr, F, ρ_Al, M_Al, puis calculer numériquement l'épaisseur d'aluminium consommée en une année.

L'étude de la corrosion de l'alliage passe par le tracé des courbes courant-potentiel pour les métaux concernés (aluminium et cuivre). Donner le schéma de principe du montage à trois électrodes…

Après avoir reproduit schématiquement les branches anodique et cathodique impliquées dans le processus, placer le potentiel de corrosion et indiquer comment relever la valeur du courant de…

Justifier l'allure de la courbe courant-potentiel en complétant la figure du document 2. Préciser pourquoi on n'observe pas de plateau de diffusion pour les espèces électroactives.

À l'aide des courbes intensité-potentiel, prévoir si cette réaction est rapide ou lente. Positionner sur le graphique fourni en annexe, le potentiel mixte associé à la réaction.

Montrer que le courant limite de membrane Iₘ peut être déterminé en faisant varier la vitesse de rotation ω du disque de l'électrode et en traçant la représentation de Koutecky-Levich : 1/I_lim =…

Identifier le faisceau de courbes courant–potentiel qu'on obtiendrait lors du dosage par le thiosulfate de sodium parmi les quatre propositions de la figure 4 (tracés ❶, ❷, ❸ ou ❹). Pour ce…

On considère le phénomène d'oxydation par une goutte d'eau d'un ensemble constitué d'une pièce de ferronnerie (assimilable à du fer) reliée électriquement à une autre pièce en zinc. Écrire…

Indiquer deux grandeurs auxquelles i_lim, défini sur la Figure 3, est proportionnel.

Écrire la réaction électrochimique se déroulant sur l'électrode de zinc et indiquer, en justifiant, si cette dernière joue le rôle d'anode ou de cathode.

Pour chacune des courbes représentées sur la figure B, entourer la partie correspondant à un phénomène de limitation du courant lié à la cinétique de transport du dioxygène dissout dans l'eau.

Afin de décrire les phénomènes se produisant lorsque l'acier en contact avec l'aluminium est laissé à l'abandon dans un milieu marin, compléter le schéma de la figure C du document réponse en…

Quel lien peut-on établir entre le courant de corrosion i_corr et le courant surfacique j_AZ31 qui s'échappe de cette tige à l'instant initial ?

Faire le schéma du dispositif expérimental qui permet de relever la courbe intensité-potentiel du couple Au(CN)₂⁻ / Au_(s) sur électrode de platine.

Quelle attention particulière faut-il prendre en termes d'impédance quant au choix du millivoltmètre ?

On rappelle que par convention, le courant I est compté positif de l'électrode de travail vers la solution. Préciser, sur votre schéma du dispositif expérimental, comment circule conventionnellement…

Déterminer graphiquement la tension minimale Uₑ à appliquer pour observer la formation de dihydrogène.

Relier, en le justifiant, chacune des grandeurs iₘₐₓ et i_plateau à la propriété qu'elle caractérise.

Au vu des courbes données en figure (5) pour le chrome, le fer et l'acier chromé, expliquer pourquoi l'alliage fer/chrome est bien protégé de la corrosion.

Indiquer sur un graphique comment serait modifiée la courbe si elle était tracée avec une eau de mer contenant une plus faible concentration de dioxygène dissout.

Montrer que deux réactions sont envisageables à l'anode.

Évaluer avec deux chiffres significatifs la tension réellement disponible à la décharge de la batterie pour l'intensité I₀ indiquée sur la figure 8.

Calculer la tension du générateur permettant la recharge avec une intensité I₀. Identifier le risque que l'on prend en augmentant cette tension, la batterie étant scellée.

Écrire la demi-équation électronique correspondante. Cette dégradation aura-t-elle lieu à la charge ou à la décharge de la batterie ?

Légender les courbes i-E avec les espèces des couples (F₂(g)/HF(ℓ)) et (HF(ℓ)/H₂(g)) en précisant le sens des transformations sur chacune des portions de courbe (annexe à rendre avec la copie).

Justifier l'absence de palier de diffusion des courbes i-E.

Justifier que, par définition, le rendement faradique, lorsque t > tₘ, s'exprime r_F = I_lim /I_imp. En déduire l'expression du rendement faradique en fonction du temps pour t > tₘ.

Quels sont les porteurs de charge qui assurent le rebouclage du courant électrique dans la goutte ? Pourquoi le phénomène de corrosion est-il plus prononcé en milieu marin que dans les terres ?

On note m_Zn la masse de la pièce de zinc, M_Zn la masse molaire du zinc, F la constante de Faraday et I le courant de corrosion. Exprimer la durée de protection Δ t de la pièce de ferronnerie en…

Calculer la valeur attendue pour le potentiel E₁, défini sur la Figure 3.

Indiquer pourquoi la courbe n'admet pas de palier de courant pour i > 0.

Attribuer à la portion (a) de la courbe la demi-équation d'oxydoréduction susceptible de se produire en s'appuyant notamment sur les données numériques.

Proposer une explication de l'augmentation brutale de la densité de courant sur la portion (c) de la courbe.

Quels phénomènes pourraient causer une augmentation significative de cette valeur ? On argumentera de façon rigoureuse.

En déduire que le fer métallique n'est pas stable en présence d'eau. Donner l'équation de la transformation associée. Comment appelle-t-on ce phénomène ? Citer un moyen pour l'éviter.

Préciser la nature lent ou rapide des systèmes portés sur le graphe. Préciser également si le graphe ne permet pas de conclure.

Pourquoi les autres courbes ne présentent-elles pas ce palier ?

Lors de l'étude, le potentiel initial choisi est tel que E_i ≪ E°. Dans ces conditions, toutes les capsaïcinoides sont initialement sous formes réduites soit Γ_Red,0 = Γₜₒₜ. Simplifier alors…

Comparer les concentrations accessibles grâce à cette méthode aux concentrations usuellement accessibles à l'aide des techniques que vous avez abordées en TP. Commenter.

La courbe obtenue, en raisonnant en densité de courant, est représentée sur la figure 2. Quelles sont les réactions électrochimiques se produisant sur les portions repérées par les lettres (a), (b)…

Estimer numériquement la surtension cathodique associée au couple H⁺/H₂.

Proposer une interprétation qualitative à l'augmentation de la densité de courant de corrosion avec la vitesse d'écoulement du fluide autour de l'électrode.

Estimer numériquement la densité de courant de corrosion j_corr associée à cette situation, en A⁻².

Identifier les transformations se produisant sur chacune des surfaces métalliques. Écrire les demi-équations électroniques correspondantes ainsi que l'équation de réaction (on prendra un nombre…

Le couple Au(CN)₂⁻ / Au_(s) sur électrode de platine correspond-il à un couple lent ou rapide ? D'un point de vue cinétique, est-il préférable de fortement baisser le potentiel de la cathode en…

L'électrolyse d'un bain est effectuée pendant une durée Δ t, en maintenant le potentiel de la cathode à -1,4 V. On note S la surface de l'électrode de travail et J la densité du courant qui la…

Expliquer qualitativement l'impact de la surface S de l'électrode de travail sur le coût énergétique lié à la récupération d'une masse d'or donnée.

On s’intéresse à une pile Volta constituée de 10 éléments (Cu,H₂SO_4aq, Zn) associés en série. Chaque disque métallique présente une surface de 10 cm². Les activités des espèces étudiées seront…

La pile Volta a été par la suite améliorée en remplaçant la solution d'acide sulfurique par une solution de sulfate de cuivre. Expliquer en quoi consiste cette amélioration.

Écrire les demi-équations électroniques correspondant à ces deux couples en considérant le dioxygène dissous en milieu aqueux. En déduire l'équation bilan liée au phénomène de corrosion du fer. Sur…

Sachant que plus la résistance interne du système électrochimique est grande et plus les pentes des courbes i = f(E) sont faibles, comparer la cinétique de la corrosion des aimants d'une éolienne…

Justifier le fait que la conduite joue le rôle de cathode.

Justifier ce choix.

Écrire les demi-équations électroniques ayant lieu à l'anode et à la cathode. En déduire l'équation de la rédaction modélisant la transformation chimique associée à la protection cathodique de la…

Quel rôle joue l'électrode de magnésium (anode ou cathode) ? Justifier.

Justifier le nom d'électrode sacrificielle donné à l'électrode de magnésium.

Justifier que les courbes obtenues en Figure (19) sont cohérentes avec la modélisation précédente.

En déduire la valeur du courant limite de membrane Iₘ pour l'électrode tournante étudiée.

En utilisant la relation obtenue à la question (21), montrer que le courant limite I_lim est proportionnel à la concentration en solution, lorsque la vitesse de rotation de l'électrode est maintenue…

Bien qu'il puisse théoriquement être utilisé pour les fluides extra-cellulaires, justifier que ce capteur ne puisse pas être utilisé in-vivo.

Calculer le potentiel standard apparent (à pH = 14) d'oxydoréduction du couple H₂O/H₂ et justifier à postériori le tracé des courbes courant-potentiel correspondantes.

En déduire les surtensions « seuils » cathodiques η_c pour chacune des trois électrodes (Pt, Cu et C) et proposer un matériau pour la cathode et un matériau pour l'anode permettant de minimiser la…

Établir la relation entre la vitesse d'usure v_usure, le courant de corrosion i_corr, la surface exposée à la corrosion S, la constante de Faraday F, la masse molaire du fer M_Fe, et la masse…

Pour chacun des domaines de potentiel ci-dessous, écrire la (les) réaction(s) électrochimique(s) observée(s) et expliquer l'allure de la courbe dans le domaine correspondant : (a) -1,00 V < U <…

Expliquer ces observations.

Représenter schématiquement les courbes i-E associées aux couples de l'eau à pH = 0 sur l'annexe 2 (on supposera les systèmes rapides) (annexe à rendre avec la copie). Expliquer pourquoi l'obtention…

En exploitant les courbes i-E fournies dans l'annexe 2, déterminer la valeur minimale de la tension à imposer pour que l'électrolyseur fonctionne, l'intensité surfacique parcourant l'électrolyseur…

Exprimer l'évolution de la concentration en phénol c lorsque t > tₘ dans un réacteur fermé. Réécrire cette expression en faisant apparaître le temps caractéristique du transfert de masse : τₘ = V/Akₘ

En réalité, la masse obtenue expérimentalement est inférieure à celle précédemment calculée car le rendement faradique est strictement inférieur à 1. En augmentant la tension d'électrolyse, le…

Tracer l'allure de la branche de réduction du couple Li⁺/LiC_6 (s) pour une électrode en graphite plongeant dans de l'EPC avec une concentration en ions Li⁺ de C₀ = 4,0 mol⁻¹. On supposera que le…

En réalité, on observe l'oxydation des ions chlorure à l'anode. Expliquer cette observation en appuyant votre réponse sur des courbes intensité-potentiel schématisées.

Pour traiter cette eau, on ajoute du chlorure de sodium Na⁺ + Cl⁻ à raison de 100 g par m³ de solution. On considère p(Cl₂) = 1 bar. Les demi-réactions électroniques sont-elles modifiées ? Pourquoi…

En utilisant les équations (1), (2) et (3), donner l'équation différentielle permettant de déterminer l'évolution temporelle de la concentration surfacique en capsaïcine.

En déduire que le courant est relié au potentiel par la relation : I = nFSk⁰Γₜₒₜ exp [αη/p - K_ads/ (αη/p)]

Montrer que les résultats obtenus sont cohérents avec l'étude menée précédemment.

Montrer que ces expériences sont cohérentes avec l'étude théorique précédente.

La sphère d'acier inoxydable présente un diamètre de 70 cm et les anodes d'aluminium une surface de l'ordre de 30 cm² et une épaisseur de 3 cm. Le constructeur recommande de renouveler ces anodes…

En remarquant que les deux électrodes n'ont pas la même surface, en déduire un ordre de grandeur de la durée au bout de laquelle le système GTR libère les ballasts. Commenter.

Comment évolue cette durée si on prend en compte la variation de la surface du métal au cours du temps ? Justifier.

La tension à vide mesurée aux bornes de cette pile est de 5,2 V. Expliciter cette valeur.

Calculer la tension aux bornes de la pile en prenant en compte des chutes de tension ohmique et cinétique sachant que cette pile constituée de 10 éléments débite un courant d'intensité 100 mA. On…

On constata que dans ces piles Cu/Zn la tension baissait de manière drastique au cours de leur fonctionnement. Proposer une explication à cette chute de tension.

En supposant que l'allure des courbes est symétrique, proposer des courbes intensité-potentiel i = f(E) permettant d'interpréter ce phénomène de corrosion. Estimer le potentiel mixte E_c, appelé…

Si la couche de nickel présentait une fissure, tel que le fer se retrouvait en contact avec l'eau, le fer serait-il encore protégé ? À l'aide de courbes i = f(E), comparer avec la protection par une…

Lequel de ces deux métaux apparaît finalement le plus réactif ? Une comparaison des propriétés thermodynamiques et cinétiques est attendue.

Justifier que ( (∂ cₘ)/(∂ z) )_z=0⁻ = ( (∂ cₘ)/(∂ z) )_z=-l et en déduire, en utilisant la loi de Faraday, l'expression du courant I en fonction de c_i(∞) et cₘ(z=-l).

Montrer alors que le courant atteint une valeur limite I_lim pour E ≫ E° qui peut se mettre sous la forme : 1/I_lim = 1/I_d + 1/Iₘ où I_d ne dépend que des paramètres physico-chimiques de la…

Justifier les conditions expérimentales choisies (concentrations des ajouts, vitesse de rotation, potentiel de mesure) pour établir la courbe d'étalonnage.

Expliquer en quoi ces résultats permettent de confirmer que la membrane permet la détection du péroxyde d'hydrogène dans les fluides extra-cellulaires.

Écrire l'équation de réaction modélisant la transformation observée lors du phénomène de corrosion par piqures.

Expliquer comment le phénomène de corrosion par piqure est susceptible d'être enrayé par la passivation de la cavité créée.

Au vu des résultats précédents, et des potentiels de réduction des deux espèces, proposer une explication à la sélectivité observée.

En intégrant cette équation, exprimer Γ_Red(t) en fonction de n, F, S, k°, v, α, R, T, η et de η₀ et Γ_Red,0 respectivement la surtension et la concentration surfacique lorsque t = 0. Simplifier…

En utilisant l'expression (4), montrer que : E_pic &= E° + p/ (α/K_ads) I_pic &= n²F²Sα/RTvΓₜₒₜexp (-1) .

Proposer alors un protocole permettant de déterminer la concentration d'un échantillon inconnu en utilisant cette électrode modifiée.

Trouver, pour chacune des expériences de dosages décrites ci-dessous (a, b et c), la courbe de dosage correspondante (figure 5, courbes ❶ à ❻). La réponse devra être argumentée. a) Le potentiel de…

Proposer alors une(des) modification(s) de ce capteur ampérométrique qui permettrait(ent) de l'utiliser in-vivo.

En supposant les surtensions à vide inchangées, positionner de façon qualitative les courbes anodique et cathodique modifiées, en justifiant succinctement le cas échéant la modification effectuée…