TD – Chapitre 9 – 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+ / H2
Zn2+/ 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 :
Expérience 1 Expérience 2 Expérience 3
Température 25 °C 25 °C 25 °C
Masse initiale de zinc 0,50 g 0,50g 0,50 g
Forme du zinc poudre poudre poudre
Volume de la solution d'acide
sulfurique versée 75 mL 75 mL 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.
Associer à chacune des courbes de la figure 3 le numéro de l'expérience 1, 2 ou 3 correspondante. Justifier.
t (min) Avancement
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.
Expérience 4 Expérience 5 Expérience 6
Température 25 °C 25 °C 25 °C
Masse initiale de zinc 0,50 g 0,50 g 0,50 g
Forme du zinc poudre grenaille
grenaille de zinc de fabrication ancienne recouverte d'une couche
de carbonate de zinc Volume de la solution d'acide
sulfurique versé 75 mL 75 mL 75 mL
Concentration initiale en ions
H+ 0,50mol.L-1 0,50 mol.L-1 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 :
CO2 + H2O = HCO3 – + H+ En France le pH moyen annuel des eaux de pluie est de l'ordre de 5.
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 : Fe2+(aq)/Fe(s) et O2(g)/H2O(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) Zn2+(aq) H+(aq) H2 (g) Fe(s)
+
–
La pile peut être schématisée comme sur le document suivant.
Sur ce schéma, indiquer la polarité des électrodes (bornes + et borne ─) puis le sens de circulation du courant I ainsi que celui de circulation des électrons.
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) = H2(g) + Zn2+(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 mZn de zinc disparue en une durée t est :
. .
Zn 2. Zn
m I t M F
Données : Intensité du courant I = 2,5 A ; le Faraday F = 9,65.104 C.mol-1 ; MZn = 65,4 g.mol-1 et
t = 60 jours.
Calculer sa valeur.
Document 1 Eau de mer
Fe R
Zn mA
