Lycée Sainte Marie PSI 2011-2012
TP n˚7 :
Corrosion du fer
Protection par anode sacrificielle
Consignes de sécurité :
– en TP de chimie, le port de lentilles de contact est interdit, – le port d’une blouse est obligatoire,
– le portde gants et de lunette de protection est obligatoire lors de la manipulation des solutions.
Matériel :
– des clous en fer, des morceaux de zinc,
– du papier de verre à grains fins, des pinces crocodiles,
– une solution d’hexacyanoferrate (III) de potassiumK3 F e(CN)6
à0,1 mol.L−1 réalisée dans une so- lution de KCl à 1 mol.L−1,
– une solution d’acide sulfurique à 0,5 mol.L−1,
– une électrode en platine, une électrode au calomel saturé, – une alimentation stabilisée, un potentiomètre (330 Ω), – un milliampèremètre, un millivoltmètre,
– un agitateur magnétique, un barreau magnétique, – des béchers, une pipette,
– de l’eau distillée.
Objectifs :
– mettre en évidence le phénomène de corrosion,
– réaliser la protection du fer contre la corrosion par une anode sacrificielle de zinc, – déterminer la vitesse de consommation du zinc.
A- Expériences préliminaires
Avant utilisation, les clous en fer et les morceaux de zinc devront être décapés au mieux avec le papier de verre mis à disposition.
1. Plonger un clou en fer dans quelques millilitres de la solution d’hexacyanoferrate (III) de potassium réalisée dans une solution de KCl à1 mol.L−1. Qu’observe t-on ? On pourra au besoin accélérer le processus en ajoutant quelques gouttes de la solution d’acide sulfurique disponible. Interpréter ces observations sachant que les ions hexacyanoferrate (III) colorent la solution en bleu en présence d’ionsFe2+.
2. Recommencer l’expérience en reliant électriquement le clou en fer avec un morceau de zinc également plongé dans la solution. Interpréter.
B- Courbes intensité-potentiel
Le montage expérimental utilisé dans ce TP pour faire l’acquisition de courbes intensité-potentiel est présenté par la figure no1.
Une alimentation stabilisée (réglée à 5 V) et un potentiomètre permettent, via le déplacement du curseur de ce dernier, de faire varier la tension appliquée entre l’électrode de travail (E.T.) et une contre-électrode en platine (Pt).
Un milliampèremètre permet de mesurer l’intensité du courant électrique qui circule entre ces deux élec- trodes.Vous connecterez la borne "com" du milliampèremètre sur la contre-électrode de manière à mesurer un courant positif lorsque l’électrode de travail fonctionne en anode.
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Un millivoltmètre est connecté entre l’électrode de travail et une électrode au calomel saturé (ECS) dont le potentiel d’électrode estEECS= 0,25 Và 25˚C.Vous connecterez la borne "com" du millivoltmètre à l’ECS de manière à ce que la tension U mesurée vérifie :
U = VESH−EECS,
avec VESH le potentiel électrique, mesuré par rapport à l’électrode standard à hydrogène, de l’électrode de travail. D’où :
VESH= U + EECS.
Le protocole expérimental est le suivant : dans un bécher de 100 mL, on introduit 60 mL d’une solution d’acide sulfurique à 0,5 mol.L−1. L’électrode de travail, la contre-électrode et l’ECS sont ensuite plongées dans cette solution. Pour obtenir des courbes correctes, les relevés doivent être faitsà intervalle de temps régulier(environ 5 secondes après avoir modifié la position du curseur du potentiomètre) en faisant la lecture des appareils toujours dans le même ordre.
Figure no1 : Schéma du montage expérimental.
1. Courbe I(V) de la réduction de l’eau sur un clou en fer
Pour cette question l’électrode de travail est constituée d’un clou en fer que l’on décapera au mieux à l’aide du papier de verre à disposition. On veillera à immerger complètement le clou dans la solution d’acide sulfurique à0,5 mol.L−1.
a- Quelles sont les réactions de réduction possibles à la surface du clou quand celui fonctionne en cathode ? Laquelle de ces réactions présente un palier de diffusion sur sa courbe intensité-potentiel ? Justifier.
b- Quelle est la réaction qui se produit sur la contre-électrode en platine ?
c- Que se passerait-il si,par erreur, un courant positif était injecté dans le clou en fer. Quelle conséquence cela aurait-il sur le relevé expérimental (fait par la suite) de la partie cathodique de la courbe I(V) du clou en fer ?
d- Effectuer le relevé expérimental de la partie cathodique de la courbe I(V) du clou en fer (Attention aux branchements de l’alimentation stabilisée). On tâchera de cerner le moment où l’intensité commence à prendre des valeurs notables (typiquement 0,05 mA) : le déplacement du curseur a, à partir de ce moment là, une plus grande influence sur V et I.Limiter la valeur de −Ic à 200 mA.
2. Courbe I(V) de l’oxydation du zinc
Dans cette question, l’électrode de travail est constituée d’une électrode de zinc que l’on décapera au mieux à l’aide du papier de verre à disposition. On veillera également à immerger complètement l’électrode de zinc dans la solution d’acide sulfurique à0,5 mol.L−1.
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a- Quelles sont les réactions d’oxydation possibles à la surface du zinc ? Laquelle se fait effectivement ? Justifier.
b- Quelle est la réaction qui se produit sur la contre-électrode en platine ? Comment évolue le pH au cours de la réaction ?
c- Effectuer le relevé expérimental de la partie anodique de la courbe I(V) de l’électrode de zinc (Attention aux branchements de l’alimentation stabilisée). On tâchera de cerner le moment où l’intensité commence à prendre des valeurs notables (typiquement 0,05 mA) : le déplacement du curseur a, à partir de ce moment là, une plus grande influence sur V et I.Limiter la valeur de Ia à 200 mA.
3. Diagramme d’Evans
Sur un même graphique, tracer le potentiel de chacune de deux électrodes étudiées en fonction du logarithme à base 10 de la valeur absolue du courant. On rappelle qu’à 25˚C le potentiel d’électrode de l’ECS est d’environ 0,25 mV.
En déduire le potentiel mixte (encore appelé potentiel de corrosion) et le courant de corrosion du système constitué du clou en fer et de l’électrode de zinc complément immergés dans une solution d’acide sulfurique à 0,5 mol.L−1.
C- Mise en œuvre de la protection par anode sacrificielle
1. Réaliser le montage de la figure no2. Le clou et l’électrode en zinc sont complètement immergés dans une solution d’acide sulfurique à0,5 mol.L−1.
Figure no2 : Protection du clou en fer par anode sacrificielle en zinc.
2. Mesurer alors le potentiel mixte du système fer/zinc constitué, ainsi que le courant de corrosion.
Comparer aux valeurs prédites à la fin de la partie B. Commenter.
3. Déterminer la masse de zinc dissoute par unité de temps. Conclure.
Données à 25˚C :
– Potentiel standard d’électrode du coupleH+/H2 :E0= 0,00 V, – Potentiel standard d’électrode du coupleO2/H2O :E0= 1,23V, – Potentiel standard d’électrode du coupleF e2+/F e:E0=−0,44V, – Potentiel standard d’électrode du coupleZn2+/Zn :E0=−0,76V, – Masse molaire du zinc : MZn= 65,4 g.mol−1.
