ACT. 2 :TP : CORROSION HUMIDE DU FER

THEME 1 : LES MATERIAUX

CHAP.1 CYCLE DE VIE DES MATERIAUX (CHAP.7 DU LIVRE)

ACT. 2 : TP : CORROSION HUMIDE DU FER Mots-clés : corrosion, protection Document 1. La corrosion désigne l'ensemble des phénomènes par lesquels un métal ou un alliage métallique tend à s'oxyder sous l'influence de réactifs gazeux ou en solution. Elle est dite sèche lorsque les agents oxydants ne sont pas en solution; elle est dite humide, dans le cas contraire. La corrosion des métaux est dans la grande majorité des cas une réaction d’oxydo-réduction (échange d’électron(s) entre l’oxydant d’un couple et le réducteur d’un autre couple). Les exemples les plus connus sont la rouille du fer et de l'acier ou la formation de vert-degris sur le cuivre et ses alliages (bronze, laiton). Cependant, la corrosion est un domaine bien plus vaste qui touche toutes sortes de matériaux (métaux, céramiques, polymères) dans des environnements variables (milieu aqueux, atmosphère, hautes températures). Ce phénomène pose de graves problèmes tant sur le plan économique qu'industriel : le cas du fer est assez significatif, il s'agit en effet du métal le plus utilisé dans l'industrie sous forme de fontes ou d'aciers. A part des aciers spéciaux, dit inoxydables, tous les composés du fer sont corrodés. A la suite de plusieurs réactions d’oxydo-réductions, l’oxydation du fer donne la rouille. Cette réaction est à l’origine de dégâts importants car la rouille qui remplace le fer est très friable et fragilise grandement les matériaux. (Term S Spécialité Bordas p.132) Document2. « L’Erika était bien un navire poubelle ! Le naufrage du pétrolier maltais Erika le 12 décembre 1999 aux larges de côtes bretonnes est imputable à une défaillance de la structure du navire provoquée par la corrosion et une insuffisance d’entretien. » (La libre Belgique 19/12/2000) Document 3.« 20 % de la production de fer ne sert qu’au remplacement du fer corrodé. Chaque seconde, ce sont quelque 5 tonnes d'acier qui sont ainsi transformées en oxydes de fer…» (Term S Spécialité Hatier p.108)

1. Quels sont les transformations chimiques mises en jeu lors de la corrosion du fer (formation de ROUILLE) ?  Quels sont les REACTIFS mis en jeu ? Compétence APP A l’aide des animations et des résultats ci-dessous, lister les réactifs qui interviennent dans le phénomène de corrosion humide du fer. Expérience 1 : air + fer + eau

Expérience 2 : diazote + fer + eau

Expérience 3 : dioxygène + fer + eau

Expérience 4 : air + eau

Expérience 5 : air + fer + huile

Oui

non

oui

non

non

1/5

0

totalité

0

0

Laine de fer rouillée ? Hauteur d’eau dans l’éprouvette

Conclusion : Les réactifs qui interviennent dans la formation de la rouille sont le fer, l'eau et l'air (dioxygène gazeux puis aqueux).  Quelles sont les transformations chimiques liées à la corrosion? Compétence REA 1. Ecrire l'équation de réaction entre le fer et le dioxygène dissous. 2  Données: couples rédox concernés : Fe(aq) / Fe(s) et O2(aq)/ HO(aq) . Remarque importante : milieu basique Explication pour écrire l’équation de la réaction : (sur le brouillon) J’écris la demi-équation électronique correspondant à chaque couple en soulignant les réactifs : Fe2+(aq) / Fe(s) -

O2(aq) / HO (aq)

Fe2+(aq) + 2 e-

Fe(s)



-

O2(aq) + 4 e + 2 H

+



2 HO-(aq)

Je peux réécrire les demi-équations en mettant à gauche les réactifs : Fe2+(aq) / Fe(s) -

O2(aq) / HO (aq)

Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 1/6

Fe(s)  Fe2+(aq) + 2 e-

O2(aq) + 4 e + 2 H

+



x2 -

2 HO (aq)

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Je vérifie le nombre d’électrons échangés : je multiplie 2 Fe(s) + O2(aq) + 2 H+ Sur la copie : Fe2+(aq) / Fe(s)

+ 2 HO-(aq) +

Fe(s)  Fe2+(aq) + 2 e-

-

-

O2(aq) / HO (aq) 2 Fe(s)

 2 Fe2+(aq)

O2(aq) + 2 e + 2 H + O2(aq) + 2 H+

+



x2 -

2 HO (aq)

 2 Fe2+(aq) + 2 HO-(aq)

Milieu basique : (j’ajoute autant de HO- que de H+) 2 Fe(s) + O2(aq) + 2 H+ + 2 HO-  2 Fe2+(aq) + 2 HO-(aq) + 2 HO2 Fe(s) + O2(aq) + 2 H2O (l)  2 Fe2+(aq) + 4 HO-(aq)

2. Les ions fer II et hydroxyde formés conduisent à la formation d’un précipité d'hydroxyde de fer (II). Ecrire l'équation de réaction. Fe2+(aq) + 2 HO-(aq)  Fe(OH)2 (s) 3. Ce précipité d'hydroxyde de fer (II) réagit ensuite avec le dioxygène dissous pour donner un précipité d'hydroxyde  de fer (III): Données: couples rédox concernés : Fe(OH)3(s) / Fe(OH)2(s) ; O2(aq)/ HO(aq) (milieu basique) Fe(OH)3(s) / Fe(OH)2(s) -

-

O2(aq) / HO (aq) 4 Fe(OH)2(s) + 4 H2O

e- +

Fe(OH)3(s) +

O2(aq) + 4 e + 2 H + O2(aq) + 2 H+

H+ +



 4 Fe(OH)3(s)



Fe(OH)2(s) + H2O -

2 HO (aq) +

4 H+

+ 2 HO-(aq)

Milieu basique : (On ajoute autant de HO- que de H+) 4 Fe(OH)2(s) + 4 H2O + O2(aq) + 2 H+ + 2 HO-  4 Fe(OH)3(s) 4 Fe(OH)2(s) + 6 H2O(l) + O2(aq)

+ 4 H+ + 2 HO-(aq) + 2 HO-

4 Fe(OH)3(s)



On simplifie les molécules d’eau : 4 Fe(OH)2(s) + 2 H2O(l) + O2(aq)



+ 4 H2O(l) 4 Fe(OH)3(s)

4. En déduire l'équation de formation, à partir de l’hydroxyde de fer III, de la « rouille » (produit de corrosion complexe, de composition chimique mal définie, dont l'oxyde de fer (III) (Fe2O3) est le constituant principal) : 2 Fe(OH)3(s)  Fe2O3(s) + 3 H2O(l)

Bilan corrosion du fer : 2 Fe(s) + O2(aq) + 2 H2O (l)  2 Fe2+(aq) + 4 HO-(aq) Fe2+(aq) + 2 HO-(aq)  Fe(OH)2 (s) 4 Fe(OH)2(s) + 6 H2O(l) + O2(aq) 2 Fe(OH)3(s)  Fe2O3(s) + 3 H2O Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 2/6



4 Fe(OH)3(s)

+ 4 H+ + 4 HO-(aq)

x4

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5. En résumé : complétez les schémas ci-contre illustrant le phénomène de corrosion humide du fer (oxydation du fer par le dioxygène de l’air en présence d’eau) :

Fe2+

Fer

Fe(OH)2

Fe(OH)3

Fe2O3

La formation de rouille, terme ultime de la destruction du réseau cristallin du fer, n'est possible que si le fer est en contact avec un milieu oxydant : une des techniques de protection consiste donc à recouvrir le fer par un revêtement protecteur, métallique par exemple.

2. Cuivre ou zinc : lequel de ces deux métaux protège le mieux le fer de la corrosion humide ? DONNEE : Pour être un bon protecteur, le métal choisi doit s’oxyder plus facilement que le fer… A) Fer ou cuivre… Fer ou zinc… lequel s’oxyde le plus facilement ?

(Compétences REA et ANA)

Rappel : le métal qui s’oxyde le plus facilement est aussi le plus réducteur. Il constitue le pôle - d’une pile constituée de deux lames métalliques de nature différentes plongées dans une solution conductrice. A l’aide du matériel à disposition, classer les métaux cuivre, fer et zinc du moins au plus réducteur. Vous ferez un schéma des montages, présenterez les résultats obtenus dans un tableau et donnerez le classement final des 3 métaux étudiés. Matériel mis à disposition : 

Bécher



Lame de Cuivre



Eau salée 1%



Lame de Zinc



Lame de fer



Voltmètre

Schémas V

V

COM

COM

V

V

V

V

COM

Eau salée

2 lames métalliques, l'une de cuivre, l'autre de fer, plongées dans de l'eau salée et reliées aux deux bornes d'entrée d'un voltmètre. Le voltmètre indique 750 mV.

2 lames métalliques, l'une de zinc, l'autre de zinc, plongées dans de l'eau salée et reliées aux deux bornes d'entrée d'un voltmètre. Le voltmètre indique – 320 mV

2 lames métalliques, l'une de cuivre, l'autre de zinc, plongées dans de l'eau salée et reliées aux deux bornes d'entrée d'un voltmètre. Le voltmètre indique 635 mV

Interprétations : Dans le cas : Pile Cuivre - Fer Le voltmètre indique une valeur positive donc la borne COM du voltmètre est reliée à la borne ( - ) donc le fer est la borne négative donc le Fer est plus réducteur que le Cuivre. Dans le cas : Pile Zinc - Fer Le voltmètre indique une valeur négative donc la borne COM du voltmètre est reliée à la borne ( + ) donc le fer est la borne positive donc le Zinc est plus réducteur que le Fer. Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 3/6

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Dans le cas : Pile Zinc - Cuivre Le voltmètre indique une valeur positive donc la borne COM du voltmètre est reliée à la borne ( - ) donc le zinc est la borne négative donc le Zinc est plus réducteur que le Cuivre. Conclusion : o Le Fer est plus réducteur que le Cuivre. o Le Zinc est plus réducteur que le Fer o Le Zinc est plus réducteur que le Cuivre Le Zinc est plus réducteur que le Fer qui est plus réducteur que le Cuivre

En conclusion, formulez votre hypothèse : qui, du zinc ou du cuivre, protègera mieux le fer ?… HYPOTHESE : Sachant que le métal qui s’oxyde le plus facilement est celui qui est le plus réducteur, le zinc étant plus réducteur que le fer, le zinc s’oxydera plus facilement que le fer donc le zinc devrait protéger le fer.

B) Validation de l’hypothèse : influence d’un revêtement métallique sur la corrosion de clous en acier (Compétences REA et ANA)  Dépôt de cuivre sur un clou : Introduire un clou dans un bécher contenant une solution de sulfate de cuivre saturée. Laisser reposer une dizaine de minutes. Sortir le clou, le poser délicatement sur une feuille de papier absorbant. Couple concerné : Cu2+ (aq) / Cu(s).

 Dépôt de zinc par électrolyse. Réaliser le montage ci-dessous : L’électrolyseur sera ici un simple bécher contenant une solution de sulfate de zinc (0,25 mol.L-1). L'anode est la lame de zinc (Couple concerné : Zn2+ (aq) / Zn(s)) et la cathode le clou en acier. Ajuster la tension du générateur de tension continue à 12 V et choisir le calibre de l'ampèremètre sachant que l'intensité débitée sera voisine de 0,6 A. Faire vérifier le montage par votre professeur.

Laisser le courant circuler une dizaine de minutes. Noter la valeur de l’intensité I du courant. Sortir le clou, le poser délicatement sur une feuille de papier absorbant.

Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 4/6

I=

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 Tests de corrosion  Introduire dans une boite de Pétri : - un clou non protégé, bien décapé - chacun des deux clous « protégés » précédemment - un clou galvanisé.  Verser dans cette même boîte un mélange à base d'un gel agar-agar contenant de l'eau salée, de la phénolphtaléine et de l'hexacyanoferrate II de potassium.  Attendre une dizaine de minutes et noter vos observations. Réactif

Phénolphtaléine

Hexacyanoferrate II de potassium

Ion à identifier Observation

Ion hydroxyde ( HO(aq) )

Ion fer (II) ( Fe(aq) )

2 Ion zinc ( Zn (aq) )

Coloration rose

Précipité bleu

Précipité blanc



2

Hexacyanoferrate II de potassium

Observations dans le cadre ci-contre : on pourra s’aider de boîtes de pétri préparées à l’avance dans les mêmes conditions expérimentales ou de photos de ces expériences.

Interprétation : Repartir des équations de la partie 1. et utiliser le tableau ci-dessus pour interpréter les colorations observées. Sachant que lors d’une réaction d’oxydoréduction, l’oxydation se fait sur l’anode et la réduction sur la cathode, penser à situer sur votre schéma la zone anodique et la zone cathodique du clou.

Observations des résultats

Le clou en fer galvanisé ne montre aucune coloration bleue ou rose. On observe un voile blanc tout autour. Le clou en fer décapé présente deux zones : une coloration bleue et une coloration rose.

Le clou en fer recouvert de cuivre présente une coloration rose au centre et une coloration bleue sur les extrémités. Le clou galvanisé (recouvert de zinc) présente un voile blanc autour du zinc et une coloration bleue où il n’y a pas de zinc.

Remarque : La zone colorée en bleu peut être au centre ou aux extrémités. L’usinage du clou a engendré des micro-fissures à sa surface donc l’L’oxydation débutera à un point d’usinage qui aura un défaut donc soit au centre soit sur la tête du clou. Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 5/6

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Interprétations des résultats La coloration rose indique la présence d’ions HO-. La coloration bleue indique la présence d’ions Fe2+ Donc pour le clou décapé, il y a formation d’ions Fe2+ et d’ion HO- ; le clou est corrodé : le fer est oxydé en ion Fe2+. Pour le clou recouvert de cuivre, nous observons le même phénomène. Pour le clou recouvert de zinc, la présence du voile blanc indique la présence d’ions Zn2+ ; le fer n’est pas corrodé : le zinc est détruit à la place du fer. Le zinc protège le fer. Quels sont les ions apparus dans les parties extrêmes du clou (pointe et tête) et dans sa partie centrale ? La coloration bleue aux extrémités du clou montre la présence et donc la formation d’ions ferreux Fe2+(aq). La coloration rose au centre atteste de la formation d’ions hydroxyde HO- (aq).

Réduction Cathode

Oxydation Anode

CONCLUSION : l’hypothèse est-elle validée ? D’après nos observations, le clou est protégé par le zinc donc notre hypothèse est validée.

Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 6/6