Résolution de problème scientifique : Redonner vie à un objet ancien

Thème : Le cycle de vie des matériaux
Résolution de problème scientifique : Redonner vie à un objet ancien |La photographie, ci-contre, est celle d'une | |
|« égoïste ». Il s'agit d'une théière de salon, | |
|pour une seule personne, datant du début du XIXème| |
|siècle. Elle est en laiton (alliage de cuivre et | |
|de zinc) et, à l'origine, elle était recouverte | |
|d'argent métallique qui a disparu au fil des | |
|années. | |
|Pour redonner à ce type de pièce leur éclat | |
|d'antan, les orfèvres savent déposer une mince | |
|couche adhérente d'argent extérieurement et | |
|intérieurement par électrolyse. Outre | |
|l'embellissement de l'objet traité, cette | |
|opération permet de le protéger de l'attaque de | |
|l'air et des aliments acides et lui confère des | |
|propriétés germicide et bactéricide. | | Doc 1 : Traitement chimique de la théière par électrolyse
Avant de recevoir l'argenture, la théière subit plusieurs traitements de la
part de l'orfèvre : le métal est aplani, décapé, poli et dégraissé de
manière à ce que le dépôt d'argent adhère bien par la suite.
La théière, qui possède une surface totale S = 850 cm2, une fois prête à
recevoir l'argenture est plongée dans un bain nommé bain « d'argent
brillant », solution contenant entre autres des ions dicyanoargentate en
équilibre avec des ions argent pendant une durée (t = 35 min.
Des plaques d'argent pur sont placées de chaque côté du bain. Un générateur
de tension continue délivre dans l'électrolyseur ainsi constitué un courant
d'intensité constante de valeur I = 6,0 A. Données :
- couple oxydant/réducteur : Ag+(aq) / Ag(s) ;
- masse molaire atomique de l'argent : M(Ag) = 107,9 g.mol-1 ;
- masse volumique de l'argent : ( (Ag) = 10 g.cm-3 ;
- constante d'Avogadro : NA = 6,02 ( 1023 mol-1 ;
- charge électrique élémentaire : e = 1,6 ( 10-19 C.
On rappelle que la charge électrique qui traverse le circuit vaut Q = I x
(t = n(e- éch).NA.e Doc 2 : Qualité du dépôt d'argent sur la théière
Une fois l'électrolyse terminée, l'orfèvre doit appliquer un poinçon. Ce
poinçon comporte les chiffres I ou II selon la qualité de fabrication
correspondant à une certaine couche d'argent déposée sur la pièce. Exemples de poinçons avec le symbole de l'orfèvre et ses initiales Les qualités I ou II dépendent de l'épaisseur moyenne du dépôt d'argent sur
l'objet et du type d'objet argenté comme le montre le tableau ci-dessous :
| |Épaisseur moyenne minimale du dépôt d'argent en (m |
| |Articles de |Articles de |Articles |Articles |
| |couvert |couvert d'usage|d'orfèvrerie au |d'orfèvrerie |
| |d'usage |occasionnel |contact des |décoratifs |
| |fréquent |(couteaux, |aliments (plats,|(bougeoirs, |
| |(couteaux, |fourchettes) |théières, |vases) |
| |fourchettes) | |timbales) | |
|Qualité |33 |19 |15 |10 |
|I | | | | |
|Qualité |20 |12 |9 |6 |
|II | | | | |
Problème : Quel poinçon doit appliquer l'orfèvre à l'issue du traitement de
la théière ? Après avoir présenté le traitement chimique subi par la théière en
s'appuyant sur un schéma clair et légendé, vous calculerez la masse
d'argent déposée sur la pièce en détaillant les étapes de votre résolution. Puis vous conclurez votre raisonnement en déterminant le bon poinçon à
appliquer sur la théière restaurée, attestant de la qualité du dépôt
d'argent.
Mots-clés : matériaux ; électrolyse ; protection des métaux
Niveau : Terminale S spécialité
Type pédagogique : résolution de problème
Public visé : élèves
Contexte d'usage : soit en cours ou soit en devoir maison (durée 1h)
Référence au programme : thème matériaux ; sous-thème : cycle de vie des
matériaux
Critères d'évaluation par compétences
|NOM | |A|B|C|D|
|S'approprier | | | | | |
| |Écriture d'une équation d'oxydo-réduction | | | | |
|Mobiliser ses | | | | | |
|connaissances | | | | | |
|Analyser |Réalisation d'un schéma d'électrolyse adapté à la| | | | |
|- Identifier les |situation | | | | |
|paramètres influant | | | | | |
|un phénomène | | | | | |
|- Organiser et | | | | | |
|exploiter ses | | | | | |
|connaissances ou les | | | | | |
|informations | | | | | |
|extraites | | | | | |
|Construire les étapes| | | | | |
|d'une résolution de | | | | | |
|problème | | | | | |
| |Exploitation de l'expression de la charge | | | | |
| |électrique pour trouver le nombre de mole | | | | |
| |d'électrons échangés | | | | |
| |Exploitation de l'équation associée à la | | | | |
| |réduction pour trouver une relation entre le | | | | |
| |nombre de mole d'électrons échangés et le nombre | | | | |
| |de mole d'argent formé | | | | |
| |Expression littérale de la masse d'argent déposée| | | | |
| |Utilisation de la masse volumique pour en déduire| | | | |
| |l'expression de l'épaisseur déposée | | | | |
|Réaliser |Calcul de la masse d'argent | | | | |
|Effectuer des calculs| | | | | |
| |Calcul de l'épaisseur déposée pour retrouver le | | | | |
| |poinçon | | | | |
|Valider |Comparaison du résultat obtenu aux valeurs | | | | |
|Discuter du résultat |données dans le tableau du doc2 pour être en | | | | |
|obtenu |cohérence, valeur autour de 10 µm. | | | | |
|Faire preuve d'esprit| | | | | |
|critique | | | | | |
| |Choix du poinçon à appliquer sur la théière en | | | | |
| |utilisant le tableau doc2 | | | | | Correction possible Problème : Quel poinçon doit appliquer l'orfèvre à l'issue du traitement de
la théière ? Afin de redonner vie à la théière, il faut lui faire subir un décapage puis
deposer sur celle-ci quelques µg d'argent. Pour cela on place la théière
comme cathode, l'anode étant une plaque d'argent. Celles-ci sont plongées
dans un bain contenant des ions argent. On fait passer un courant dans ce
bain, c'est une électrolyse (ou argenture électrolytique). La plaque
d'argent s'oxyde, perd ainsi des électrons qui sont captés par la cathode
(théière) permettant de déposer de l'argent « brillant » sur celle-ci.
Sur la théière, à la cathode, il se produit une réduction.
(réaction 1)
Cela conduit à la formation d'un dépôt d'argent
À l'anode, il se produit une oxydation :
(réaction 2) Agc+ (aq) + e- = Agc (s) réaction 1 Aga (s) = Aga+ (aq) + e- réaction 2
Agc+ (aq) + Aga (s) ( Agc (s) + Aga+ (aq)
Au cours de cette électrolyse, les plaques d'argent solide qui constituent
l'anode sont progressivement attaquées. C'est pourquoi alors on parle
d'électrolyse à « anode soluble ».
Démarche : Pour connaître le poinçon à appliquer sur la théière, il faut
dans un premier temps calculer la masse déposée durant l'électrolyse, puis
en déduire l'épaisseur du dépôt.
Connaissant cette épaisseur, d'après le tableau on en déduira le type de
poinçon. 1. La quantité d'électricité circulant durant l'électrolyse est : Q =
I.(t On a aussi Q = n(e- éch).NA.e soit n(e- éch) = [pic] D'après la demi-équation de réduction Agc+ + e- = Agc (s), on a n(e- éch)
= n(Agdép).
Or m(Agdép) = n(Agdép).M(Ag) Soit m(Agdép) = n(e- éch).M(Ag)
D'où en remplaçant n(e- éch), on obtient m(Agdép) = [pic].M(Ag) D'où on retrouve la relation du texte : m(Agdép) = [pic].M(Ag)
m(Agdép) = [pic] ( 107,9 = 14,11 g m(Agdép) = 14 g Remarque : Le dépôt d'argent est mieux réparti sur toute la surface de la
théière en utilisant deux plaques de part et d'autre de celle-ci.
2. Par définition, la masse volumique s'exprime par : ((Ag) = [pic]
Donc V(Agdép) = [pic]
Le volume est égal à l'épaisseur x la surface : V(Agdép) = e.S On a
donc [pic] =