Transcript TD – Chapitre 8 – Corrosion des métaux
TD – Chapitre 8 – Corrosion des métaux
Exercice 1 : Corrosion des gouttières
Les précipitations sont naturellement acides en raison du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère. Par ailleurs, la combustion des matières fossiles (charbon, pétrole et gaz) produit du dioxyde de soufre et des oxydes d'azote qui s'associent à l'humidité de l'air pour libérer de l'acide sulfurique et de l'acide nitrique. Ces acides sont ensuite transportés loin de leur source avant d'être précipités par les pluies, le brouillard, la neige ou sous forme de dépôts secs. Très souvent, les pluies s'écoulant des toits sont recueillies par des gouttières métalliques, constituées de zinc. Couples oxydant / réducteur : H
+
/ H 2 Zn 2+ / Zn
Ecrire l’équation d’oxydoréduction qui se produit quand le zinc est en milieu acide.
Etude de facteurs cinétiques :
Influence de la concentration en ions oxonium
On reprend le montage précédent (figure 1) et on réalise les trois expériences suivantes : Température Masse initiale de zinc Forme du zinc Volume de la solution d'acide sulfurique versée Expérience 1 25 °C 0,50 g poudre 75 mL Expérience 2 25 °C 0,50g poudre 75 mL Expérience 3 25 °C 0,50 g poudre 75 mL Concentration initiale en ions H + 0,50mol.L
-1 0,25 mol.L
-1 0,40 mol.L
-1 Pour chacune des expériences 1, 2 et 3, on a tracé sur la figure 3 ci-dessous les trois courbes (a), (b) et (c) représentant l'avancement de la réaction lors des 50 premières minutes.
Avancement
t (min)
Associer à chacune des courbes de la figure 3 le numéro de l'expérience 1, 2 ou 3 correspondante. Justifier. BTS Design d’Espace 2 ème année
Influence de la forme du zinc (division et état de surface)
On réalise trois nouvelles expériences : - avec de la poudre de zinc ; - avec de la grenaille de zinc récemment fabriquée ; - avec de la grenaille de zinc de fabrication ancienne. Température Masse initiale de zinc Forme du zinc Expérience 4 25 °C 0,50 g poudre Expérience 5 25 °C 0,50 g grenaille Expérience 6 25 °C 0,50 g grenaille de zinc de fabrication ancienne recouverte d'une couche de carbonate de zinc Volume de la solution d'acide sulfurique versé Concentration initiale en ions H + 75 mL 0,50mol.L
-1 75 mL 0,50 mol.L
-1 75 mL 0,50 mol.L
-1 On trace les courbes de l’avancement pour les trois expériences et on obtient la figure suivante :
À partir des courbes obtenues lors des expériences 4 et 5, indiquer quelle est l'influence de la surface du zinc en contact avec la solution sur la vitesse de corrosion.
En milieu humide, le zinc se couvre d'une mince couche de carbonate de zinc qui lui donne un aspect patiné.
À partir des courbes obtenues, indiquer quelle est l'influence de cette couche de carbonate de zinc sur la vitesse de réaction.
Pluies acides et gouttières
Les précipitations naturelles et non polluées ont un pH acide. Leur acidité est due au dioxyde de carbone qui se dissout dans l'eau. L'équation entre l'eau et le dioxyde de carbone s'écrit : CO 2 + H 2 O = HCO 3 – + H + En France le pH moyen annuel des eaux de pluie est de l'ordre de 5.
BTS Design d’Espace 2 ème année
Les facteurs cinétiques étudiés précédemment, permettent-ils d'expliquer la longévité des gouttières en zinc dans les habitations ? Expliquer.
Exercice 2 : Le bateau qui vogue …
Les parties suivantes sont indépendantes.
1. Corrosion humide du fer
Les coques de nombreux bateaux sont fabriquées en acier (constitué essentiellement de fer). Au contact de l’eau de mer, le fer peut être oxydé par le dioxygène dissous à l’interface air-eau salée. Les deux couples oxydant/réducteur qui interviennent sont alors : Fe 2+ (aq) /Fe (s) et O 2(g) /H 2 O (l) . Écrire les deux demi-équations d’oxydoréduction dans le sens où elles se produisent, en supposant que le milieu est acide. Pour chaque demi-équation, préciser si elle traduit une oxydation ou une réduction. Écrire l’équation de la réaction de corrosion.
2. Protection par anode « sacrificielle »
Afin de protéger la coque du bateau (voir photo ci-dessus), un métal plus réducteur que le fer, ici le zinc, est fixé en différents endroits de la coque ou sur le gouvernail. Entre l’eau de mer supposée acide, le fer et le zinc, il se forme une pile de schéma conventionnel : – Zn (s) Zn 2+ (aq) H + (aq) H 2 (g) Fe (s) + BTS Design d’Espace 2 ème année
La pile peut être schématisée comme sur le document suivant. Zn mA
Document 1
R Fe Eau de mer Sur ce schéma, indiquer la polarité des électrodes (bornes
+
et borne circulation du courant
I
ainsi que celui de circulation des électrons.
─
) puis le sens de L’eau de mer contient en grande quantité du chlorure de sodium sous forme d’ions sodium Na + (aq) et d’ions chlorure Cl – (aq) . Préciser vers quelle électrode se dirige chacun de ces ions. Le fer n’intervient pas dans la réaction à l’électrode de fer. En utilisant le schéma conventionnel de la pile donné ci-dessus, montrer que l’équation de la réaction est : Zn (s) + 2H + (aq) = H 2(g) + Zn 2+ (aq) On suppose que le courant électrique d’intensité I circulant dans le circuit extérieur est constant. On peut montrer que l’expression de la masse m Zn de zinc disparue en une durée t est :
m Zn
2.
F
.
M Zn
Données : Intensité du courant I = 2,5 A ; le Faraday F = 9,65.10
4 C.mol
-1 ; M Zn = 65,4 g.mol
-1 et t = 60 jours. Calculer sa valeur. BTS Design d’Espace 2 ème année
Exercice 3 : Corrosion et protection des métaux
La corrosion est un fléau industriel. On estime en effet que 20% de la production mondiale d'acier (mélange de fer et de carbone, contenant moins de 2% de carbone) sont perdus chaque année sous forme de rouille. On a observé que l'oxydation du fer par le dioxygène était accentuée en milieu humide et salé. Pour comprendre ce phénomène, un professeur de chimie propose à ses élèves de réaliser quelques expériences simples. - Pour commencer, les élèves effectuent en tubes à essai, des tests caractéristiques dont les résultats sont rassemblés dans te tableau suivant :
Ions à tester Réactif test Observations Résultat du test Tube 1 Ion fer II: Fe 2+ (aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN) 6 ] 3 Coloration bleue Mise en évidence des ions Fe 2+ (aq) Tube 2 Ion zinc ll : Zn 2+ (aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN) 6 ] 3 Précipité blanc Mise en évidence des ions Zn 2+ (aq) Tube 3 ion hydroxyde : HO – (aq) Phénolphtaléïne Coloration rose Mise en évidence des ions HO – (aq) - Ensuite, ils disposent dans deux boîtes de Pétri, des clous en fer selon le protocole suivant :
Boîte de Pétri (1) Boîte de Pétri (2)
Clou en fer (Fe(s)) Clou en fer (Fe(s)) Lame de zinc (Zn(s))
Clou en fer seul Clou en fer en contact avec une lame de zinc
Ils préparent à chaud un mélange d'eau salée, de solution aqueuse d'hexacyanoferrate III de potassium, de phénolphtaléïne et de gélifiant. Ils versent ce mélange dans les deux boîtes de Pétri et laissent refroidir une heure jusqu'à ce que le gel fige.
1
ère
partie : exploitation de l'expérience réalisée dans la boîte de Pétri (1)
1)
On observe que les parties extrêmes du clou (pointe et tête) sont entourées d'une zone bleue alors que la partie centrale est entourée d'une zone rose. Quels sont les ions apparus dans les parties extrêmes et dans la partie centrale du clou ?
2)
Écrire la demi-équation électronique traduisant la transformation du métal fer aux extrémités du clou.
3)
La demi-équation électronique traduisant la transformation qui a lieu dans la partie centrale du clou s'écrit : O 2 (dissous) + 2 H 2 O (
l
) + 4 e – = 4 HO – (aq) En déduire l'équation de la réaction d'oxydoréduction modélisant la transformation chimique se produisant à la surface du clou.
4)
Pour interpréter les observations faites dans la boîte de Pétri (1), on suppose que le clou se comporte comme une « micropile », puisque l'oxydation et la réduction se produisent dans des zones distinctes (pour simplifier, on étudiera la partie centrale et une seule des deux extrémités). Comme dans toute pile classique, l'électroneutralité du milieu est assurée par le déplacement des ions, ici dans le gel salin.
Compléter la
figure 1,
de
L'ANNEXE
, en indiquant : les zones d'oxydation (anode) et de réduction (cathode)
BTS Design d’Espace 2 ème année
2
ème
partie : exploitation de l'expérience réalisée dans la boîte de Pétri (2)
5)
Le clou est entouré quasi uniformément d'une zone rose alors que la lame de zinc est entourée d'une zone blanche.
Quel est, des deux métaux, celui qui est oxydé ? Justifier.
6)
Utiliser les résultats de cette expérience pour expliquer pourquoi les constructeurs de bateaux fixent des blocs de zinc sur la coque en acier des navires.
7)
Un marin veut s'assurer de la bonne protection de la coque de son bateau par ce procédé. Pour cela, il branche un voltmètre, en mode continu, entre la coque en acier et le bloc de zinc. La borne COM du voltmètre étant reliée à la coque en acier et la borne V au bloc de zinc, le voltmètre indique – 320 mV.
7.1.
En admettant que l'association {coque en acier, eau de mer, bloc de zinc} forme une pile, déduire de cette mesure les polarités de cette pile.
7.2.
La protection est-elle assurée ? Justifier.
3
ème
partie : protection par revêtement métallique = électrozincage
L'un des procédés utilisé pour protéger l'acier de la corrosion est de l'isoler de l'atmosphère en le recouvrant d'un revêtement métallique. Des plaques d'acier sont ainsi recouvertes d'une fine couche de zinc, on dit qu'elles sont « galvanisées ». Pour cela, on procède à l'électrolyse d'une solution aqueuse de sulfate de zinc (II) (Zn 2+ (aq) + SO 4 2 (aq)). Dans ce bain électrolytique, on plonge une plaque à recouvrir et on utilise une lame de zinc comme seconde électrode.
8)
Compléter le schéma de la
figure 2
de
L'ANNEXE
,
en indiquant : - où se forme le dépôt de zinc ; - la demi-équation électronique traduisant la transformation ayant lieu sur la plaque de fer ; - le sens de déplacement des électrons dans les conducteurs métalliques ; - les polarités du générateur ; - la demi-équation électronique traduisant la transformation ayant lieu sur la lame de zinc.
9)
La plaque d'acier a une surface totale de 10 m². On veut déposer une couche de zinc de 0,10 mm d'épaisseur, ce qui correspond à un volume de zinc égal à 1,0 10 3 cm 3 . L'intensité du courant est maintenue constante et égale à 1,0 kA.
9.1.
Calculer la masse de zinc à déposer.
9.2.
A partir de la formule donnée à l’exercice 2, déduire la durée Δt de l'électrolyse: m Zn
2.
F
.
M Zn
: Formule donnée à l’exercice 2
Données :
Masse volumique du zinc : = 7,14 g.cm
-3 Masse molaire du zinc : M = 65,4 g. mol
–1
Faraday : F = 96500 C .mol
–1
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Figure 1
Clou
Figure 2
Zone
: Tête Lame de zinc Demi-équation électronique
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ANNEXE DE L'EXERCICE
Générateur E Solution aqueuse de sulfate de zinc
Zone