Enseignement de spécialité Thème Matériaux

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Enseignement de spécialité Thème Matériaux

Corrosion et protection des métaux

Mots clés : Vieillissement, corrosion, protection.

I. Analyse de documents

Document 1 : Fer, fonte, acier, ne pas confondre.

Ces trois produits dièrent par leur teneur en carbone. Le fer est un matériau mou et malléable, dont la teneur en carbone est inme. L'acier a une teneur en carbone pouvant varier de 0,03 % à 2 % maximum ; il est à la fois malléable et résistant. L'inox est un acier composé de 75 % de fer, de 8 % de nickel, de 17 % de chrome et d'un peu de carbone. La fonte, avec une teneur élevée de carbone (de 2 % jusqu'à 6 %), existe en plusieurs qualités : de malléable et ductile(*) à très dure et résistante.

(*) ductile : qui peut être étiré, étendu sans se rompre.

Document 2 : Corrosion de l'acier.

Le phénomène de corrosion correspond à la dégradation d'un métal, ou d'un alliage métallique, par des réactifs gazeux ou en solution. À 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. La corrosion est un éau industriel.

On estime en eet que 20 % de la production mondiale d'acier sont perdus 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 lorsque toute la surface du métal en contact avec cette solution est attaquée de la même façon, diérentielle si ce n'est que partiellement.

Document 3 : Protection de l'acier contre la corrosion

La corrosion a des conséquences importantes au niveau économique. La lutte contre la corrosion permet de rallonger la durée de vie des objets en acier.

On peut :

incorporer du chrome et du nickel à l'acier pour obtenir un acier inoxydable ;

recouvrir l'acier d'une couche protectrice imperméable (peinture, vernis, plastique) ;

recouvrir l'acier d'un autre métal : en plongeant la pièce d'acier dans un bain de zinc fondu (galvanisation) ou par électrozingage (électrolyse) ;

relier un bloc de zinc à l'objet en acier à protéger : le zinc est alors oxydé et le dioxygène est réduit à la surface du fer ou de l'acier, qui n'est alors pas corrodé.

1. Quelle est la diérence entre un acier et un métal ?

2. Quel environnement favorise la corrosion de l'acier ?

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II. Pratique expérimentale

Pour comprendre le phénomène de corrosion, nous allons procéder à quelques expériences.

1. Identication des ions

Ion à tester Réactif Observations

Tube 1 ion fer (II) Fe

²⁺

(aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN)

6

]

³⁻

Tube 2 ion zinc (ll) Zn

²⁺

(aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN)

6

]

³⁻

Tube 3 ion hydroxyde HO

⁻

(aq) Phénolphtaléïne

3. Réaliser les tests en tube à essai et noter vos observations.

2. Mise en évidence de la corrosion en milieu marin

Préparation de la solution corrosive géliée salée I Dans un grand bécher, verser 200 mL d'eau distillée

I introduire 6 g de chlorure de sodium et 10 mL de solution d'hexacyanoferrate de potassium.

I Porter ce mélange à 90°C en agitant.

I Couper le chauage et verser 6 g d'agar-agar et quelques gouttes de phénolphtaléïne.

I Agiter fortement, puis verser dans les deux boites de pétri.

Données pour interpréter les expériences :

Ces expériences nécessitent au moins 30 minutes avant d'être véritablement exploitables.

Le tableau rempli ci-dessus est nécessaire.

Le clou en fer peut se comporter comme une micropile, car l'oxydation et la réduction se produisent dans des zones distinctes. Comme dans toute pile classique, l'électroneutralité du milieu est assurée par le déplacement des ions, ici dans le gel.

Les couples oxydant/réducteur mis en jeu sont : O

2

(g)/HO

⁻

(aq) Fe

²⁺

(aq)/Fe(s) Zn

²⁺

(aq)/Zn(s) 4. Réaliser des schémas légendés an de rendre compte de vos observations dans les deux boites de pétri.

5. Exploitation de l'expérience réalisée dans la boîte de Pétri (1).

5.1. Quels sont les ions apparus dans les parties extrêmes et dans la partie centrale du clou ?

5.2. Écrire la demi-équation électronique traduisant la transformation du métal fer aux extrémités du clou.

5.3. 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 produi-

sant à la surface du clou.

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5.4. Compléter la gure 1 ci-dessous en indiquant : les zones d'oxydation et de réduction ; les zones anodique et cathodique.

6. Exploitation de l'expérience réalisée dans la boîte de Pétri (2).

6.1. Quel est, des deux métaux, celui qui est oxydé ? Justier.

6.2. Utiliser les résultats de cette expérience pour expliquer pourquoi les constructeurs de bateaux xent des blocs de zinc sur la coque en acier des navires.

3. Protection contre la corrosion

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 ne 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

²⁻4

(aq)). Dans ce bain électrolytique, on plonge une plaque à recouvrir et on utilise une lame de zinc comme seconde électrode.

7. Compléter le schéma de la gure 2 ci-dessous, 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.

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8. La plaque d'acier a une surface totale de 10 m

²

. 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.

8.1. Calculer la masse de zinc à déposer.

8.2. En déduire la quantité d'électrons (en mol) devant traverser le circuit.

8.3. En déduire la durée de l'électrolyse.

Données :

Masse volumique du zinc : ρ = 7,14 g.cm

⁻³

Masse molaire du zinc : M = 65,4 g.mol

⁻¹

Constante d'Avogadro : N

_A

= 6,02.10

²³

mol

⁻¹

Charge élémentaire : e = 1,60.10

⁻¹⁹

C

Faraday : F = 96500 C.mol

⁻¹