Chimie Corrosion et protection du fer  Chap.7 Contexte du sujet 

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Spécialité Thème : Matériaux TP 1

Chimie Corrosion et protection du fer  Chap.7

Contexte du sujet

 L’oxydation du fer représente un coût colossal pour la société. On estime que 2% du produit mondial brut est dépensé dans cette lutte inégale de l’homme face à la nature : un quart de la production d’acier disparaît en effet chaque année sous forme de rouille.

Rappel de 1^ère S Définitions

 Une réaction d’oxydoréduction est une transformation chimique avec échange d’électron(s) entre deux espèces :

 L’oxydant est l’espèce qui capte les électrons : il est réduit ;

 Le réducteur est l’espèce qui libère les électrons : il est oxydé.

 La demi-équation d’oxydoréduction à équilibrer s’écrit : Ox + n e^- = Red I. Expérience préliminaire

 Dans un bécher, introduire 20 mL d’une solution de sulfate de cuivre (Cu²⁺(aq) + SO42-

(aq)) et une spatule de poudre de zinc Zn.

 Après environ une minute, filtrer la solution, puis ajouter un peu de soude dans le filtrat jusqu’à l’apparition d’un précipité.

 A partir de vos observations :

1) Indiquer l’oxydant et le réducteur ; Ecrire leur demi-équation d’oxydoréduction 2) En déduire l’équation bilan traduisant la transformation chimique observée.

Donnée

 Potentiel d’oxydoréduction ou redox (noté E⁰) des couples Ox/Red mis en jeu : E⁰ (Cu²⁺/Cu) =+0,34 V ; E⁰

(Zn²⁺/Zn) =-0,76 V. En général, l’oxydant ayant le potentiel le plus haut réagit spontanément sur le réducteur ayant le potentiel le plus bas (règle du gamma).

Documents mis à disposition

Document 1 : Corrosion des métaux et protection

 Les objets en acier, alliage dont le principal composant est le fer, finissent par rouiller lorsqu’ils sont exposés à l’air (voir Figure 1). C’est le cas, par exemple, des carrosseries de voitures lorsqu’elles ne sont pas protégées. 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 (voir Figure 1). Cette couche poreuse a tendance à se détacher de sa 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.

Figure 1 : Chaîne en acier corrodée :

Le métal est recouvert de couches d’oxydes de fer

Figure 2 : Coupe de la pellicule d’oxydes formée sur du fer pur à 700°C, observée en microscopie optique

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 Pour éviter la corrosion d’un métal et assurer sa protection contre le vieillissement, plusieurs techniques sont utilisées :

 Appliquer à la surface du métal un revêtement étanche à l’air et à l’eau (comme une peinture ou un vernis) ;

 Le recouvrir par un autre métal dont l’oxydation crée une couche étanche : dans les boîtes de conserve, le fer est recouvert d’étain ; les tôles d’acier des voitures sont zinguées ;

 L’utiliser sous forme d’alliage : dans l’acier inox, le fer est mélangé à du chrome et à du nickel. Il « rouille », certes, mais la couche d’oxydes formée à sa surface joue désormais le rôle de vernis étanche. (Voir Figure 2).

 Pour conclure, on peut donc affirmer que la corrosion est un phénomène d’oxydation des métaux qui dégrade généralement leurs propriétés mais qui, dans certains cas, assure une protection de surface.

Document 2 : Protection contre la corrosion dans le domaine naval

 Les coques de nombreux bateaux sont fabriquées en acier. C’est un alliage, constitué essentiellement de fer, qui est très utilisé dans le domaine naval pour sa grande résistance aux chocs.

 Le fer présente pourtant un inconvénient : il se corrode, c’est-à-dire qu’il s’oxyde au contact de l’eau. À la suite de plusieurs réactions d’oxydoréduction, l’oxydation du fer forme de la rouille.

 Cette réaction est à l’origine de dégâts importants sur les coques en acier des bateaux (voir Figure 3 page suivante) car la rouille, qui remplace alors le fer, est très friable, ce qui fragilise grandement les matériaux.

 La réaction de corrosion est très lente en milieu neutre (impossible à observer en quelques heures) mais elle est plus rapide en milieu acide.

 Pour lutter contre le phénomène de corrosion, l’industrie navale fixe sur les coques en acier des bateaux des pièces métalliques, souvent en zinc (voir Figure 4 page suivante), un métal plus réducteur que le fer.

 On donne les potentiels des couples Ox/Red suivants :

E⁰ (Fe²⁺/Fe) = -0,44 V ; E⁰ (Zn²⁺/Zn) = -0,76 V ; E⁰ (H⁺/H2) = 0 V

Matériel

 Tube à essais + bouchons

 Bûchette + allumettes

 Bécher

 Lame de zinc

 Paille de fer

 Fils de connexion

 Balance à 0,01 g

 Solution d’acide chlorhydrique c = 1,0 mol. L^-1

 Solution d’acide chlorhydrique c’ = 6,0 mol.L^-1

 Gants + lunettes

 Pinces crocodile

 Pinces à linge

Figure 3 : Coque d’un bateau corrodé Figure 4 : Pièces en zinc sur la coque d’un bateau (anodes sacrificielles)

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II. Enoncé

1. Construction des étapes de la résolution

 En vous aidant du questionnement suivant, vous proposerez deux protocoles : le premier permettant d’observer la corrosion du fer métallique en solution aqueuse, le second permettant d’observer la protection du fer par le zinc.

1.1. Quels sont les facteurs qui favorisent la corrosion du fer ?

1.2. Quelle est la réaction d’oxydoréduction qui traduit la corrosion du fer métallique en solution aqueuse acide ? Quel est le gaz formé ? Quel test, (rencontré en classe de 3^ème), permet de l’identifier ?

1.3. Proposer un protocole expérimental permettant d’observer, en quelques secondes, la corrosion du fer métallique en solution aqueuse et d’identifier le gaz formé au cours de cette réaction.

1.4. Dans le dernier paragraphe du document 2, que signifie l’expression « plus réducteur que le fer » ?

1.5. Quelle réaction d’oxydoréduction peut se produire lorsque l’on plonge du zinc métallique dans une solution aqueuse acide ? Quels sont alors les phénomènes observables ?

1.6. La coque en fer d’un bateau, sur laquelle sont fixées des pièces de zinc, plonge dans l’eau de mer. Quel système électrochimique est alors formé ? Schématiser le circuit électrique équivalent. Quelle réaction se produit préférentiellement en présence de deux métaux ? Pourquoi ?

1.7. Proposer un protocole expérimental permettant d’observer, en quelques secondes, le phénomène précédent.

Appel n°1

2. Mise en œuvre des étapes de la résolution

Première étape : observation de la corrosion en milieu aqueux

 Plonger un morceau de paille de fer dans un tube à essais contenant de l’acide chlorhydrique (H⁺(aq) + Cℓ^-(aq)) de concentration c’ = 6,0 mol.L^-1 sur la moitié de sa hauteur. Boucher le tube quelques secondes puis réaliser le test de reconnaissance du gaz formé prévu précédemment.

2.1. Vos observations sont-elles en accord avec vos prévisions ? Seconde étape : protection du fer par le zinc

 Pour protéger le fer métallique contre la corrosion, on utilise du zinc métallique. Dans un bécher contenant de l’acide chlorhydrique (H⁺(aq) + Cℓ^-(aq)) de concentration c = 1,0 mol.L^-1, plonger la lame de zinc à l’aide d’une pince.

2.2. Quel phénomène se produit dans le bécher ?

 Sortir la lame de zinc, la sécher, la peser et noter sa masse m1. À l’aide d’un fil de connexion, relier la lame de zinc à un support auquel aura été fixé de la paille de fer. Plonger la paille de fer suffisamment profondément pour que le dégagement gazeux sur le fil de zinc cesse ou diminue très fortement. Laisser l’expérience se dérouler pendant environ 30 minutes. Retirer alors la lame de zinc, la sécher et la peser à nouveau. Noter sa masse m2.

2.3. Quel phénomène se produit dans le bécher ?

2.4. Écrire la demi-équation qui se produit sur chacune des électrodes et préciser la nature (oxydation ou réduction) de la réaction observée.

2.5. Comment évolue le pH dans le bécher ? Comment pourrait-on confirmer cette évolution expérimentalement

?

2.6. Préciser la polarité de chaque électrode. Quel système électrochimique est formé au cours de cette expérience ?

2.7. La masse de fer protégée m(Fe) par cette méthode s’exprime comme le produit de la perte de masse de zinc m(Zn) par la masse molaire du fer (M(Fe) = 55,85 g.mol^-1), divisé par la masse molaire du zinc

(M(Zn) = 65,41 g.mol^-1). Donner l’expression littérale de la masse de fer protégée et calculer sa valeur pendant la durée de l’expérience.

Appel n°2

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3. Conclusion

3.1. Quelle est la principale cause d’incertitude sur le résultat obtenu ?

3.2. Calculer l’incertitude U(m(Fe)) sur la mesure de la masse de fer en utilisant la relation suivante : U(m(Fe)) = m(Fe)  

 U(m(Zn))

m(Zn)

2

+ 

 U(M(Zn))

M(Zn)

2

+ 

 U(m(Fe))

m(Fe)

2

Exprimer le résultat de votre mesure en tenant compte de l’incertitude.

3.3. Selon vous, un nombre important de pièces de zinc sur la coque du bateau est-il nécessaire pour une bonne protection ?

3.4. Commenter l’expression « protection par anode sacrificielle » employée pour désigner ce type de protection.

III. Travail à effectuer

 L’antirouille protecteur qui a longtemps été le plus utilisé est le « minium de plomb » de formule Pb3O4. C’est un produit hautement toxique en raison de sa haute teneur en plomb, et contaminant préoccupant de l’environnement quand la peinture se dégrade ou qu’elle est décapée chimiquement, thermiquement... Il est pour ces raisons depuis quelques décennies interdit à la vente dans la plupart des pays.

Source Wikipedia

 Le minium de plomb agit comme un oxydant vis à vis du fer (E⁰ (Pb3O4/PbO) = +0,5 V à pH = 8) et donne deux oxydes métalliques (PbO + FeO) ce qui forme une couche protectrice avant la première couche de peinture.

Source Faculté des sciences 1) Sur internet, rechercher la valeur du potentiel redox du couple FeO/Fe.

2) En déduire que le minium de plomb puisse oxyder le fer.

3) Equilibrer les demi-équations d’oxydoréduction

du couple Pb3O4/PbO : …. Pb3O4 + …. H2O + … e^- = … PbO + … HO^- du couple FeO/Fe : …. FeO + …. H2O + … e^- = …. Fe + … HO^-

4) En déduire l’équation bilan et vérifier qu’il se forme bien les deux oxydes métalliques cités dans le texte.

5) Expliquer pourquoi cet antirouille est protecteur.