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Bac Physique-Chimie

Amérique Nord 2

Dans cette vidéo, Oval2Studio aborde l'exercice sur la protection cathodique des éoliennes en aluminium. L'objectif est de déterminer la masse d'aluminium nécessaire pour protéger complètement les éoliennes. On sait que l'aluminium réagit préférentiellement avec le dioxygène dissous dans l'eau, ce qui en fait le matériau de choix pour la protection cathodique. 

Pour trouver la masse d'aluminium nécessaire, on commence par écrire l'équation de réaction de corrosion de l'aluminium par le dioxygène dissous. En équilibrant les deux demi-équations correspondantes aux couples redox présents, on obtient l'équation de réaction complète. 

Ensuite, on nous dit qu'une protection efficace correspond à un courant électrique d'intensité de 400 A. On nous demande donc de calculer la masse d'aluminium nécessaire pour une durée de 25 ans. Pour cela, on utilise la relation entre l'intensité du courant électrique et la capacité électrique, qui est égale au nombre d'électrons échangés multiplié par la constante de Faraday. On utilise également la demi-équation du couple AL-AL3+ pour trouver la quantité de matière d'aluminium.

En combinant toutes ces informations, on obtient que la masse d'aluminium nécessaire est de 2,9 x 10^4 kilogrammes. Cependant, cette quantité est très importante et coûteuse pour le constructeur, en plus des rejets d'ions aluminium 3 dans la mer. C'est pourquoi le constructeur a choisi une autre solution que la protection cathodique par un matériau sacrificiel.

Bonjour à tous, c'était Oval2Studio, et dans cette vidéo, on va continuer ensemble l'exercice sur la protection cadautique des éoliennes en air. Pour ça, on utilise de l'aluminium, et le but de l'exercice va être de déterminer la masse d'aluminium qu'il faut pour protéger complètement mes éoliennes. Ce qu'on sait, c'est que mes éoliennes, en tout cas la structure métallique des éoliennes, est en fer, et que le dioxygène dissous dans l'eau réagit préférentiellement avec l'aluminium de la note sacrificielle plutôt qu'avec le fer, de la structure immergée de l'éolienne. Donc c'est pour ça qu'on utilise de l'aluminium, et nous on souhaite évaluer la masse d'aluminium nécessaire à la protection de la structure d'une éolienne, c'est-à-dire la protection cathodique. On nous donne plein de données différentes, et puis la première question c'est de décrire l'équation de réaction modélisant la transformation chimique de corrosion de l'aluminium par le dioxygène dissous. Donc on a deux espèces qui vont réagir ensemble, l'aluminium solide et le dioxygène dissous, et ça va faire la corrosion de l'aluminium. Comment est-ce qu'on va écrire notre équation de réaction ? Petit 1, on écrit les demi-équations correspondantes à mes couples OX-RED en présence, on égalise ensuite le nombre d'électrons échangés, et puis on peut écrire l'équation de réaction. Mon premier couple redox, c'est aluminium solide, aluminium 3+, Aq, et sa demi-équation c'est celle-ci, on l'a déjà vue plusieurs fois dans la vidéo précédente. Et mon deuxième couple c'est le dioxygène Aq et HO-Aq. Et cette équation est donnée dans l'énoncé, donc je n'ai fait que la recopier. Une fois qu'on a ça, on peut passer au petit 2, égaliser le nombre d'électrons échangés. Ici on a 3 électrons, ici on en a 4, et bien je vais multiplier la première équation par 4 et la deuxième équation par 3 pour obtenir 12 électrons dans ces deux équations. Une fois qu'on a fait ça, on vérifie bien à ce que sur la gauche de nos deux demi-équations on ait bien les réactifs, donc notre aluminium solide et notre dioxygène Aq, puisque c'est eux qui vont réagir ensemble. Une fois qu'on a vérifié ça, on peut additionner nos deux demi-équations pour écrire l'équation de réaction. Et on obtient celle-ci. On nous dit ensuite que l'étude théorique des transferts d'électrons entre l'anode en aluminium et la structure d'inéolienne montre qu'une protection efficace correspond à un courant électrique d'intensité I de l'ordre de 400 A. Donc on a un courant électrique de 400 A. Il nous demande, en expliquant le raisonnement, de calculer la masse d'aluminium nécessaire à la protection cathodique pendant une durée de 25 ans. Première chose à faire, c'est d'essayer de réfléchir par rapport à la capacité électrique d'une pile. Pourquoi est-ce que je pense à la capacité électrique ? C'est parce qu'ici, on nous dit qu'on parle de capacité électrique qui est reliée à l'intensité I du courant électrique débité et à la durée de fonctionnement delta T par la relation Q qui vaut I fois delta T. Et donc on nous dit que tout se passe comme si on avait un courant électrique I. Donc je me dis que pour Q, je peux l'écrire I fois delta T, avec delta T le temps d'utilisation de ma pile. Sauf qu'ici, c'est 25 ans. Sauf que pour Q, c'est aussi, ça c'est votre cours, le nombre d'électrons échangés multiplié par la constante de Faraday. Donc on a deux électrons pour cette même capacité électrique. Et puis, on met ça dans le coin de notre tête et maintenant on se dit qu'on a besoin d'une masse d'aluminium nécessaire pour protéger mon éolienne. Et cette masse d'aluminium, c'est en fait une quantité d'aluminium, un nombre de molles multiplié par la masse monnaire de l'aluminium. Et ce nombre de molles, c'est celui-là qui va nous intéresser. Parce que si on regarde la demi-équation du couple AL-AL3+, on voit qu'on a trois électrons ici qui sont échangés. Donc la quantité de matière d'aluminium est égale à la quantité d'électrons divisé par 3. On voit que pour une molle d'aluminium, on échange trois molles d'électrons. Donc, vu qu'on a ça, on peut écrire maintenant notre nombre d'électrons, comme Q sur F, Q sur F, je vous rappelle, qui vient d'ici, j'ai réutilisé cette expression-ci. Donc, mon nombre d'électrons, c'est Q sur F, mais c'est aussi I fois delta-t sur F. Et ce nombre d'électrons, je vais pouvoir le relier à ma quantité de matière d'aluminium et donc à ma masse d'aluminium. Et c'est hyper pratique parce que tout ça, je le connais déjà. Donc, ma quantité en aluminium, c'est mon nombre d'électrons divisé par 3, donc c'est I delta-t divisé par 3F. Et je peux calculer donc ma masse d'aluminium, qui est juste ma quantité de matière d'aluminium multipliée par ma masse mollaire. Et donc, c'est I delta-t sur 3F multiplié par cette masse mollaire. Donc là, c'est top, on peut faire une application numérique. On fait bien attention à ce que delta-t soit en secondes, donc on prend le nombre de jours dans une année, multiplié par le nombre d'heures, multiplié par le nombre de minutes, multiplié par le nombre de secondes dans une minute. On fait vraiment attention à ce truc-là, si on ne fait pas ça et on met juste 25 ans, ça ne va pas marcher, on ne va pas avoir le bon ordre de grandeur du tout. Et on obtient que la masse d'aluminium est de 2,9 x 10 puissance 7 grammes. Donc, pour protéger la structure métallique de l'éolienne pendant 25 ans, il faut une masse d'aluminium de 2,9 x 10 puissance 4 kilogrammes d'aluminium. C'est énorme. Et c'est pour ça qu'on nous demande ensuite de citer au moins un argument expliquant que le constructeur est finalement renoncé à la protection par un autre sacrificiel. Celle qu'on vient donc d'étudier juste là. Il y a deux arguments qui me semblent intéressants, c'est que d'une part, c'est une masse d'aluminium très importante, donc ça représente des coûts très importants en plus pour le constructeur, donc il n'a pas forcément envie d'utiliser cette option. Et en plus, on rejette beaucoup d'ion aluminium 3 dans la mer et ça, ce n'est pas très bon pour nos océans. Pour ces deux raisons, le constructeur a choisi une autre solution que la note sacrificielle. Cet exercice est terminé, si vous avez des questions, n'hésitez pas à les poser en commentaire, j'y répondrai avec plaisir et puis on se retrouve pour une prochaine vidéo.

Protection des fondations en acier des éoliennes en mer (2)

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