Transcript S2:corrosion du fer

Thème 3 : matériaux
Domaine d'étude : cycle de vie des matériaux
S2 : protection et corrosion du fer
mots-clés : corrosion ; protection ;
veillissement
DOC 1 – CORROSION DE L’ACIER
Le phénomène de corrosion correspond à l’oxydation d’un métal ou d’un alliage métallique par des réactifs gazeux
ou en solution. A l’échelle de la planète, chaque seconde, cinq tonnes d’acier sont oxydées en rouille, mélange
complexe d’oxydes et d’hydroxydes de fer plus ou moins hydratés. Un quart de la production mondiale d’acier
disparaît ainsi chaque année sous forme de rouille …
La corrosion de l’acier est favorisée lorsque l’atmosphère est humide et contient des espèces ioniques dissoutes. La
corrosion est dite uniforme si toute la surface du métal en contact avec la solution est attaquée de la même façon.
Dans le cas contraire, on parle de corrosion différentielle.
Doc 2 – Les métaux, inégaux face à la corrosion …
Les objets en acier, alliage dont le composant principal est le fer, finissent par rouiller lorsqu’ils sont exposés à
l’air. Le responsable de ce phénomène est le dioxygène de l’air : il réagit en surface avec le fer, créant une couche
de divers oxydes de fer. Cette couche, appelée « rouille », est poreuse et a tendance à se détacher de la surface.
La situation est bien différente pour le cuivre, le zinc, l’aluminium ou le titane car la couche d’oxydes formée en
surface est étanche à l’eau et à l’air et contribue ainsi à les protéger d’une oxydation en profondeur. Les métaux
précieux, comme l’or ou le platine, ne sont pratiquement pas sujets à la corrosion.
Voici plusieurs techniques pour assurer la protection d’un métal contre le vieillissement :
- la protection la plus simple consiste à recouvrir l’acier d’une couche protectrice imperméable comme de la
peinture, du vernis ou un film plastique.
- l’acier peut être recouvert d’un autre métal dont l’oxydation crée une couche étanche : par exemple, les tôles
d’acier des voitures sont zinguées par galvanisation (immersion de l’acier dans un bain de zinc fondu) ou par
électrozingage (dépôt de zinc sur l’acier par électrolyse).
- on peut utiliser le procédé à anode sacrificielle : ce type de protection est par exemple utilisé pour les coques des
bateaux ; un bloc de zinc est relié à la coque en acier à protéger et c’est le zinc qui s’oxyde à la place de l’acier, qui
est donc épargné.
Doc 3 – Electrolyse : principe.
Une électrolyse est une réaction d’oxydo-réduction forcée par un générateur de
tension continue : celui-ci impose une circulation extérieure des électrons de son
pôle négatif vers son pôle positif.
Les électrons ne pouvant pas s’accumuler aux électrodes, celle qui est reliée au
pôle négatif doit être le siège d’une réaction qui consomme des électrons, c’est à
dire d’une réduction : on appelle cette électrode la cathode. En revanche,
l’électrode reliée au pôle positif du générateur doit être le siège d’une réaction
qui produit des électrons, donc d’une oxydation : on appelle cette électrode
l’anode. La solution qu’on choisit doit toujours contenir les ions métalliques
qu’on souhaite déposer déposer.
Doc 4 – Electrolyse : formules associées
Lorsque le générateur débite un courant d’intensité constante I pendant une
durée Δt, la charge électrique Q qui traversé l’électrolyseur vaut Q = I × Δt avec Q en Coulomb, I en Ampère (ne
pas dépasser 1,0 A) et Δt en seconde.Cette charge électrique Q est reliée à la quantité de matière n(e-) d’électrons
échangée aux électrodes par la formule : Q = n(e-) × F avec Q en Coulomb, n(e-) en mol et où F est le Faraday, une
constante égale à 96500 C.mol – 1.
Si la demi-équation qui se produit à une électrode est du type : M y+(aq) + y e – = M (s) alors on a la relation : n(e-)
échangée = y × n(M) formée.
Doc 5– Tests caractéristiques de différents ions et couples oxydant réducteur
Fe2+(aq)/Fe(s)
Zn2+(aq)/Zn(s)
Cu2+(aq)/Cu(s)
O2(g)/HO-(aq)
I- PREMIÈRE MÉTHODE DE PROTECTION DE L’ACIER
1. Protocole expérimental :
Vous disposez du matériel ci-dessous :
- 1 plaque de zinc et 1 plaque d’acier d’une masse à déterminer au préalable ;
- verrerie usuelle de laboratoire ;
- 1 générateur de tension variable.
- 5 fils de connexion ;
- 1 ampèremètre ;
- 1 solution de chlorure de zinc (Zn 2+(aq), 2 Cl – (aq)) à la concentration massique de 70 g.L – 1 ;
- 1 pissette d’eau distillée.
- 1 chronomètre
1- Rédiger un protocole expérimental pour réaliser la protection de la plaque d’acier par une des méthodes décrites
dans les documents du paragraphe I-. On citera le nom de la méthode utilisée et on agrémentera ce protocole d’un
schéma légendé de l’expérience.
Appeler le professeur pour validation !
Mettre en œuvre cette expérience à l’aide du matériel disponible.
Exploitation des résultats :
a) A la cathode :
2- Indiquer la position de la cathode sur votre schéma.
3- Ecrire la demi-équation électronique de la réaction se produisant à cathode.
4- Déterminer la masse théorique de zinc qui aurait dû se déposer à la cathode.
5- Comparer à ce résultat à la masse obtenue réellement. Proposer une explication justifiant la différence observée.
b) A l’anode :
6- Indiquer la position de l’anode sur votre schéma.
7- Ecrire la demi-équation électronique de la réaction se produisant à l’anode sachant que c’est le métal qui réagit.
8- Justifier le terme de « procédé à anode soluble » pour ce dispositif.
II- DEUXIÈME MÉTHODE DE PROTECTION DE L’ACIER
RÉSOLUTION DE PROBLÈME ( MÉTROPOLE 2013)
Matériel :
25 mL d'une solution préparée, de concentration molaire 0,5 mol.L – 1en chlorure de sodium à la
et 3,0.10 – 2 mol.L – 1 en ions hexacyanoferrate
– 3 gouttes de la phénolphtaléine ;
– 0,75 g de gel agar-agar.
On chauffe le mélange avec un agitateur magnétique chauffant jusqu'à ce que le mélange redevienne limpide
–
Dans une boîte de Pétri sur laquelle vous avez indiqué votre nom (bord extérieur), on place trois clous de gauche à
droite :
- 1 clou A en fer qui est le clou témoin ;
- 1 clou B en fer dont on entoure le centre d’une lame de zinc ;
– 1 clou C en fer dont on entoure le centre d’un fil de cuivre.
–
matériel
- 1 plaque de zinc et 1 plaque d’acier d’une masse à déterminer au préalable ;
- verrerie usuelle de laboratoire ;
- 1 générateur de tension variable.
- 5 fils de connexion ;
- 1 ampèremètre ;
- 1 solution de chlorure de zinc (Zn 2+(aq), 2 Cl – (aq)) à la concentration massique de 70 g.L – 1 ;
- 1 pissette d’eau distillée.
- 1 chronomètre
- 1 bécher