Matériaux 4 structure et propriétés des maté · PDF...

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  • Matriaux 4 structure et proprits des matriaux

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    I. tude dune thermistance Document 1 : La thermistance Un thermistor est un composant dont la rsistance dpend de la temprature ( thermistance). Les thermistors sont constitus partir de mlanges doxydes mtalliques semi-conducteurs. Lnergie thermique cre des paires lectrons-trous qui participent la conduction (donc diminue la rsistance). Les thermistances sont principalement utilises en capteurs de temprature.

    Document 2 : Caractristique dun thermistor en fonction de la temprature

    La relation entre la rsistance et la temprature :

    R= A exp (B/T)

    T = (C) + 273,15

    Faire plonger dans leau dun cristallisoir un thermomtre et une thermistance relie un ohmmtre ( voir figure ci-dessous)

    Relever les valeurs de la rsistance de la thermistance pour diffrentes valeurs de temprature Reprsenter graphiquement lvolution de la valeur de la rsistance en fonction de la

    temprature en kelvin Linariser lexpression du document 2 et dterminer la courbe tracer de faon obtenir une

    droite. Tracer cette droite et dterminer les coefficients A et B.

    Ii. applications ii.1. Corrosion et protection des mtaux (daprs BAC) La corrosion est un flau industriel. On estime en effet que 20% de la production mondiale d'acier (mlange de fer et de carbone, contenant moins de 2% de carbone) sont perdus chaque anne sous forme de rouille. On a observ que l'oxydation du fer par le dioxygne tait accentue en milieu humide et sal. Pour comprendre ce phnomne, un professeur de chimie propose ses lves de raliser quelques expriences simples. - Pour commencer, les lves effectuent en tubes essai, des tests caractristiques dont les rsultats sont rassembls dans te tableau suivant :

    Ions tester Ractif test Observations Rsultat du test

    Tube 1 Ion fer II: Fe2+(aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN)6] 3- Coloration bleue Mise en vidence des ions Fe2+(aq)

    Tube 2 Ion zinc ll : Zn2+(aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN)6] 3- Prcipit blanc Mise en vidence des ions Zn2+(aq)

    Tube 3 ion hydroxyde : HO (aq) Phnolphtalne Coloration rose Mise en vidence des ions HO (aq)

    ! "!

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    - Ensuite, ils disposent dans deux botes de Ptri, des clous en fer selon le protocole suivant : Bote de Ptri (1) Bote de Ptri (2)

    Clou en fer seul Clou en fer en contact avec une lame de zinc Ils prparent chaud un mlange d'eau sale, de solution aqueuse d'hexacyanoferrate III de potassium, de phnolphtalne et de glifiant. Ils versent ce mlange dans les deux botes de Ptri et laissent refroidir une heure jusqu' ce que le gel fige. 1. Exploitation de l'exprience ralise dans la bote de Ptri (1). 1.1. On observe que les parties extrmes du clou (pointe et tte) sont entoures d'une zone bleue alors que la partie centrale est entoure d'une zone rose. Quels sont les ions apparus dans les parties extrmes et dans la partie centrale du clou ? 1.2. crire la demi-quation lectronique traduisant la transformation du mtal fer aux extrmits du clou. 1.3. La demi-quation lectronique traduisant la transformation qui a lieu dans la partie centrale du clou s'crit :

    O2 (dissous) + 2 H2O (l) + 4 e = 4 HO (aq)

    En dduire l'quation de la raction d'oxydorduction modlisant la transformation chimique se produisant la surface du clou. 1.4. Pour interprter les observations faites dans la bote de Ptri (1), on suppose que le clou se comporte comme une micropile, puisque l'oxydation et la rduction se produisent dans des zones distinctes (pour simplifier, on tudiera la partie centrale et une seule des deux extrmits). Comme dans toute pile classique, l'lectroneutralit du milieu est assure par le dplacement des ions, ici dans le gel salin. Complter la figure 1, de L'ANNEXE RENDRE AVEC LA COPIE, en indiquant :

    - Les zones d'oxydation et de rduction. - Les zones anodique et cathodique.

    2. Exploitation de l'exprience ralise dans la bote de Ptri n2 2.1. Le clou est entour quasi uniformment d'une zone rose alors que la lame de zinc est entoure d'une zone blanche. Quel est, des deux mtaux, celui qui est oxyd ? Justifier. 2.2. Utiliser les rsultats de cette exprience pour expliquer pourquoi les constructeurs de bateaux fixent des blocs de zinc sur la coque en acier des navires. 2.3. Un marin veut s'assurer de la bonne protection de la coque de son bateau par ce procd. Pour cela, il branche un voltmtre, en mode continu, entre la coque en acier et le bloc de zinc. La borne COM du voltmtre tant reli la coque en acier et la borne V au bloc de zinc, le voltmtre indique 320 mV.

    2.3.1. En admettant que l'association {coque en acier, eau de mer, bloc de zinc} forme une pile, dduire de cette mesure les polarits de cette pile. 2.3.2. La protection est-elle assure ? Justifier.

    Clou en fer (Fe(s)) Clou en fer (Fe(s))

    Lame de zinc (Zn(s))

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    3. Protection par revtement mtallique : Electrozincage. L'un des procds utilis pour protger l'acier de la corrosion est de l'isoler de l'atmosphre en le recouvrant d'un revtement mtallique. Des plaques d'acier sont ainsi recouvertes d'une fine couche de zinc, on dit qu'elles sont galvanises . Pour cela, on procde l'lectrolyse d'une solution aqueuse de sulfate de zinc (II) (Zn2+(aq) + SO42-(aq)). Dans ce bain lectrolytique, on plonge une plaque recouvrir et on utilise une lame de zinc comme seconde lectrode. 3.1. Complter le schma de la figure 2 de L'ANNEXE RENDRE AVEC LA COPIE, en indiquant :

    - o se forme le dpt de zinc ; - la demi quation lectronique traduisant la transformation ayant lieu sur la plaque de fer ; - le sens de dplacement des lectrons dans les conducteurs mtalliques ; - les polarits du gnrateur ; - la demi quation lectronique traduisant la transformation ayant lieu sur la lame de zinc.

    3.2. La plaque d'acier a une surface totale de 10 m. On veut dposer une couche de zinc de 0,10 mm d'paisseur, ce qui correspond un volume de zinc gal 1,0 10 3 cm3. L'intensit du courant est maintenue constante et gale 1,0 kA. 3.2.1. Calculer la masse de zinc dposer. 3.2.2. En dduire la quantit d'lectrons (en mol) devant traverser le circuit. 3.2.3. En dduire la dure de l'lectrolyse.

    Donnes: Masse volumique du zinc : = 7,14 g.cm-3 Masse molaire du zinc : M = 65,4 g. mol1 Constante d'Avogadro : NA = 6,02 1023 mol-1 Charge lmentaire : e = 1,60 10 19 C Faraday : F = 96500 C .mol 1

    ii.2. ELECTROZINCAGE DUNE PIECE EN ACIER (BAC 2009, Runion) nonc : http://labolycee.org/2009/2009-Reunion-Spe-Exo3-Sujet-Electrozincage-4pts.pdf corrig : http://labolycee.org/2009/2009-Reunion-Spe-Exo3-Correction-Electrozincage-4pts.pdf

    iii.3. C'EST NICKEL ! (BAC 2012, Mtropole)

    nonc : http://labolycee.org/2012/2012-Metropole-Spe-Exo3-Sujet-Nickel-4pts.pdf corrig : http://labolycee.org/2012/2012-Metropole-Spe-Exo3-Correction-Nickel-4pts.pdf

    iii.4. Etude de la fabrication d'un ponton en milieu marin (BAC 2013, Asie)

    nonc : http://labolycee.org/2013/2013-Asie-Spe-Exo3-Sujet-Corrosion-5pts.pdf corrig : http://labolycee.org/2013/2013-Asie-Spe-Exo3-Correction-Corrosion-5pts.pdf

    iii.5. Comment protger la coque d'un bateau de la corrosion (BAC 2013, Mtropole)

    nonc : http://labolycee.org/2013/2013-Metro-Exo3-Spe-Sujet-Corrosion-5pts.pdf corrig : http://labolycee.org/2013/2013-Metro-Exo3-Spe-Correction-Corrosion-5pts.pdf

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    ANNEXE DE L'EXERCICE III

    RENDRE AVEC LA COPIE

    E

    gnrateur

    Solution aqueuse de sulfate de zinc

    Lame de zinc Plaque de fer

    Demi-quation lectronique :

    Demi-quation lectronique :

    Figure 2

    Zone

    Zone

    Figure 1

    Clou

    Tte