Feuille d'entraînement : Courbes intensité-potentiel et corrosion

Corrigés

1. Exercice 1CCINP Physique-Chimie TSI 2021, Q67

   Les potentiels standard des deux métaux en présence valent respectivement :

   E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0{,}44\text{ V} \quad \text{et} \quad E^\circ(\mathrm{Mg}^{2+}/\mathrm{Mg}) = -2{,}37\text{ V}

   Le potentiel standard du couple du magnésium est nettement inférieur à celui du fer : le magnésium est donc un réducteur plus fort que le fer.

   Conformément à l'énoncé, le métal le plus réducteur sert d'anode. Au cours du fonctionnement, le magnésium subit une réaction d'oxydation :

   \mathrm{Mg}_{(\mathrm{s})} \longrightarrow \mathrm{Mg}^{2+}_{(\mathrm{aq})} + 2\,\mathrm{e}^-

   Le siège d'une oxydation étant par définition l'anode (question Q66) :

   \boxed{\text{L'électrode de magnésium joue le rôle d'anode.}}

   Résultat

   $$\text{L’eˊlectrode de magneˊsium joue le roˆle d’anode.}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

2. Exercice 2CCINP Physique-Chimie TSI 2021, Q70

   Le magnésium solide possède un potentiel standard d'oxydoréduction (E_2^\circ = -2{,}37\text{ V}) nettement inférieur à celui du fer (E_1^\circ = -0{,}44\text{ V}). Il est donc beaucoup plus réducteur que le fer constituant la cuve.

   En étant relié électriquement à la cuve en acier :

   • le magnésium constitue l'anode et subit une oxydation préférentielle :

     \mathrm{Mg}_{(\mathrm{s})} \longrightarrow \mathrm{Mg}^{2+}_{(\mathrm{aq})} + 2\,\mathrm{e}^-
   • la cuve en acier joue le rôle de cathode, polarisée cathodiquement (chargée en électrons), où a lieu la réduction du dioxygène dissous. Le fer ne s'oxyde donc pas et reste intact ;
   • le magnésium s'érode et se consomme progressivement au profit de la préservation de la cuve en acier.

   \boxed{\text{L'électrode de magnésium est dite \guillemotleft{} sacrificielle \guillemotright{} car elle se corrode et se détruit à la place de la cuve en acier qu'elle protège.}}

   Résultat

   $$\text{L’eˊlectrode de magneˊsium est dite « sacrificielle » car elle se corrode et se deˊtruit aˋ la place de la cuve en acier qu’elle proteˋge.}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

3. Exercice 3CentraleSupélec Physique-Chimie 2 TSI 2021, Q20

   D'après l'énoncé et la figure 5, la conduite en acier est reliée à la borne négative (pôle -) de la source de courant continu.

   Dans le circuit métallique extérieur reliant le générateur à la conduite :

   • le générateur débite des électrons depuis sa borne négative vers la structure métallique à protéger ;
   • à la surface de la conduite (interface métal/sol), ces électrons sont transférés aux espèces oxydantes présentes dans l'électrolyte (notamment le dioxygène dissous et l'eau), qui subissent ainsi une réaction de réduction.

   Par définition, l'électrode où se produit une réduction est la cathode. La conduite joue donc bien le rôle de cathode.

   Indice, stratégie et pièges de cette question

4. Exercice 4CentraleSupélec Physique-Chimie 2 TSI 2021, Q21

   D'après la question précédente (Q17), le domaine noté E correspond au fer métallique \mathrm{Fe(s)} : il s'agit du domaine d'immunité du fer.

   Pour les pH usuels des sols naturels (compris typiquement entre 5 et 9), la frontière entre le domaine d'oxydation (C : \mathrm{Fe^{2+}}) et le domaine d'immunité (E : \mathrm{Fe}) est horizontale. Avec la convention de tracé C = 10^{-6}\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}, la formule de Nernst donne :

   \begin{aligned} E(\mathrm{Fe^{2+}}/\mathrm{Fe}) &= E^\circ(\mathrm{Fe^{2+}}/\mathrm{Fe}) + \frac{0{,}06}{2}\log\left(\frac{[\mathrm{Fe^{2+}}]}{c^\circ}\right) \\ &= -0{,}44 + 0{,}03 \log(10^{-6}) = -0{,}62\text{ V} = -620\text{ mV}. \end{aligned}

   Cette valeur correspond bien au palier horizontal observé sur la figure 4 à E \approx -0{,}6\text{ V}.

   En abaissant le potentiel de la conduite à E = -800\text{ mV} = -0{,}80\text{ V} :

   • le point de fonctionnement se situe nettement en dessous de la frontière d'oxydation : l'acier se trouve placé au sein de son domaine d'immunité, ce qui rend la réaction d'oxydation du fer (corrosion) thermodynamiquement impossible ;
   • l'écart d'environ 180\text{ mV} en dessous de la frontière constitue une marge de sécurité suffisante pour pallier d'éventuelles chutes ohmiques dans le sol ou de légères fluctuations locales d'acidité.

   On veille toutefois à ne pas choisir un potentiel excessivement bas (fortement négatif) : cela favoriserait une réduction trop intense des molécules d'eau avec formation de dihydrogène gazeux \mathrm{H_2(g)}, entraînant une fragilisation de l'acier (« fragilisation par l'hydrogène ») et une surconsommation électrique inutile.

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5. Exercice 5CentraleSupélec Physique-Chimie 2 TSI 2021, Q22

   1. Demi-équation à l'anode (borne positive)

   L'anode déversoir étant inattaquable, le matériau de l'électrode ne peut pas s'oxyder. L'espèce du milieu (sol/eau) susceptible d'être oxydée est l'eau, selon le couple \mathrm{O_2(g)/H_2O(l)} :

   2\,\mathrm{H_2O(l)} = \mathrm{O_2(g)} + 4\,\mathrm{H^+(aq)} + 4\,\mathrm{e^-}

   2. Demi-équation à la cathode (borne négative)

   La conduite joue le rôle de cathode, siège d'une réduction. L'oxydant thermodynamiquement le plus fort présent dans le sol humide est le dioxygène dissous \mathrm{O_2(aq)}. Sa réduction à la surface de la conduite s'écrit, en milieu proche de la neutralité :

   \mathrm{O_2(aq)} + 4\,\mathrm{H^+(aq)} + 4\,\mathrm{e^-} = 2\,\mathrm{H_2O(l)}

   (ou sous forme basique : \mathrm{O_2(aq)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)} + 4\,\mathrm{e^-} = 4\,\mathrm{HO^-(aq)}).

   3. Équation de la réaction globale

   En sommant les deux demi-équations électroniques, le bilan global de la transformation chimique s'écrit :

   \boxed{\mathrm{O_2(aq, \, cathode)} \longrightarrow \mathrm{O_2(g, \, anode)}}

   Le passage du courant consomme le dioxygène dissous au contact immédiat de la conduite (ce qui supprime l'agent oxydant responsable de la corrosion du fer) et déporte la production de dioxygène à l'anode déversoir, située à distance de l'ouvrage.

   Résultat

   $${\mathrm{O}}_2(\mathrm{aq},\mathrm{cathode})⟶{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g},\mathrm{anode})$$

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