Partie IA : Notion de corrosion
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ATELIER SCIENTIFIQUE 2002/2003 Équipe pédagogique : Lycée Professionnel de Rompsay. La Rochelle •Mohammed RAHMOUNE (Enseignant responsable) •Yannick OLLIVIER Partenaires Scientifiques : Laboratoire d ’études des matériaux en milieux agressifs (LEMMA). Université de La Rochelle •René SABOT •Juan CREUSE •Otavio GIL •Jean François DINHUT Contact : [email protected] Objectifs : •Motiver les élèves à partir d ’un sujet technique concret •Stimuler la curiosité scientifique et développer l ’esprit critique •diffuser la culture scientifique •Sensibiliser les élèves aux problèmes de l ’environnement •Faire découvrir la recherche, sa mission et ses enjeux SOMMAIRE CARACTERISTIQUES DE L’ATELIER PARTIE I : ACTIVITES EXPERIMENTALES SECTION A : NOTION DE CORROSION INTERPRETATION ELECTROCHIMIQUE DE LA CORROSION PROTECTION CONTRE LA CORROSION SECTION B : EXPERIENCES LUDIQUES BASEES SUR LES REACTIONS D’OXYDO-REDUCTION PARTIE II : LES CONFERENCES NOTION DE CORROSION : CAS CONCRETS DIFFERENTS MECANISMES DE CORROSIONS PROTECTION PAR REVETEMENTS PROTECTION ANODIQUE ET CATHODIQUE PARTIE III : ACTIVITES A L’EXTERIEUR DU LYCEE VISITE DU LABORATOIRE D’ETUDE DES MATERIAUX EN MILIEUX AGRESSIFS (LEMMA) VISITE DES SITES DE PROTECTION AU PORT DES MINIMES A LA ROCHELLE PARTICIPATION AU IV FESTIVAL DU TRES COURT METRAGE DE VULGARISATION SCIENTIFIQUE A LA ROCHELLE PLANNING DES ACTIVITES AST – LP de ROMPSAY 1 CARACTERISTIQUES DE L’ATELIER Présentation : L’atelier compte douze élèves : sept élèves de la première baccalauréat professionnel (1BA) maintenance des véhicules automobiles option bateaux de plaisance, deux élèves de la 1BA maintenance des systèmes mécaniques automatisés et trois élèves de la terminale BEP structures métalliques (voir liste jointe). L’encadrement est assuré par deux professeurs du lycée professionnel de Rompsay : M. Rahmoune et Y. Ollivier. Les intervenants extérieurs sont R. Sabot, J. Creuse et Otavio Gil, maîtres de conférence à l’Université de la Rochelle. L’atelier fonctionne à raison de deux séances par mois : le mardi de 13h à 14h30 pour des activités expérimentales et le jeudi de 13h30 à 15h30 pour une conférence suivie d’un échange. Activités expérimentales : Les élèves travaillent par binôme en respectant les consignes de sécurité. Ils réalisent des expériences d’électrochimie qui permettent d’illustrer : - Quelques types corrosions - Les mécanismes d’actions - Quelques produits de la corrosion - Quelques agents responsables de la dégradation - La prévention de la corrosion - Quelques modes de protection Les enseignants réalisent parfois des expériences d’oxydoréduction spectaculaires qui permettent de vérifier l’acquisition du vocabulaire relatif à ce type de réactions ou de sensibiliser les élèves aux problèmes de l’environnement et de gestion de déchets. Conférences – échanges Assistent à ces présentations en plus des membres de l’atelier quelques professeurs d’enseignement professionnel Les conférences portent sur deux thèmes : - les différents types de corrosions ( René Sabot) - la lutte contre la corrosion (Juan Creuse et Otavio Gil) AST – LP de ROMPSAY 2 Ces vidéo projections traitent le sujet en 45 minutes. Les illustrations concrètes sont abondantes, ce qui permet aux élèves de suivre sans difficulté. Les élèves discutent ensuite le contenu de la présentation, ils posent aussi des questions relatives aux activités expérimentales. Une évaluation est également possible pendant l’échange. Il a été demandé par exemple aux élèves de reconnaître quelques types de corrosions sur des échantillons réalisés au laboratoire. Quelques expériences amusantes sont aussi réalisées et commentées. Activités en dehors du lycée - Visite du LEMMA assurée par J.F. DINHUT directeur du laboratoire - Visite des sites de protection contre la corrosion à La Rochelle - Participation au festival de court métrage de vulgarisation scientifique à La Rochelle Liste des élèves participant à l’atelier scientifique TBEPSM 1- MINAUD BENOIT 2- NICOLAS THOMAS 1 BA MVA 1 BA MSMA 4- SOULAIMANA ATIBOU 11- DELEZAY ARNAUD 5- DORAT AURELIEN 12- HARGUENDEGUY CLEMENT 3- VIELLERIBIERE ROMARIC 6- DOUILLARD ARNAUD 7- FRICO WILFRIED 8- GUILLEMET GUILLAUME 9- LOTODE ALEXIA 10- SALUDO YANN AST – LP de ROMPSAY 3 PARTIE I : ACTIVITES EXPERIMENTALES SECTION A : NOTION DE CORROSION INTERPRETATION ELECTROCHIMIQUE DE LA CORROSION PROTECTION CONTRE LA CORROSION AST – LP de ROMPSAY 4 Partie IA : Notion de corrosion Expérience 1 A : notion de corrosion, différence de comportement entre un acier ordinaire et un acier inoxydable dans un milieu agressif Matériel - Un morceau d’acier ordinaire et un morceau d’acier inoxydable - Deux béchers - Eau de mer, acide (chlorhydrique ou sulfurique) et solution d’ions chlorures Mode opératoire - Plonger un morceau d’acier ordinaire dans un bécher contenant de l’eau de mer attendre quelques heures . Observer l'état de la surface de l’acier - Filtrer le contenu du bécher et ajouter du ferricyanure de potassium au filtrat. Observer le changement de couleur et commenter - Plonger un morceau d’acier inoxydable, dans lequel on a provoqué un défaut, dans un bécher contenant un mélange d’acide et d’ions chlorures. Laisser agir quelques semaines - Observer l'état de la surface de l’acier. - Quel est le rôle des ions chlorures Observations Commentaires et interprétations AST – LP de ROMPSAY 5 Partie IA : Notion de corrosion Discussion L’acier ordinaire subit une corrosion généralisée sur toute la surface. Il apparaît donc une couche d’oxydes qui protège un peu le reste du métal. L’épaisseur diminue de 6mm/an, la couche de rouille peut abaisser cette vitesse de disparition du métal jusqu'à 1mm/an La corrosion de l’acier inoxydable est localisée. Elle est amorcée par les ions chlorures au niveau d’un défaut. Le site anodique est réduit à une petite surface mais la croissance de la piqûre sous la surface du métal peut être très rapide et causé d’importants dégâts. AST – LP de ROMPSAY 6 Partie IA : Notion de corrosion Expérience 2A : réactions des métaux avec les acides, effet de la mise en contact de deux métaux sur la cinétique des réactions Matériel : -Acide chlorhydrique à 1,5 mol/L -Sulfate de cuivre à 1mol/L -Lame de fer, lame de zinc -Verre à pied -Pinces croco; fils Mode opératoire : Mettre de l’acide chlorhydrique dans le verre à pied, plonger les lames comme le montre le schémas : Lame de Zn HCl Zn HCl Fe Zn Fe HCl Observations Commentaires et interprétations AST – LP de ROMPSAY 7 Partie IA : Notion de corrosion Discussion Cette expérience montre l’effet d’un contact électrique entre deux métaux sur la vitesse des réactions d’oxydoréductions. L’interprétation peut se faire à l’aide des courbes intensité-potentiel, en effet la vitesse de la réaction est directement liée à la quantité d’électrons échangées et donc à l’intensité de courant. Cas 1 : Fe dans l’acide : Oxydation : Fe = Fe2+ + 2 e- Réduction de H+ : Cas 2 : Zn dans l’acide : Oxydation : 2H+ + 2 e- = H2 Zn = Zn2+ + 2 e- Réduction de H+ : 2H+ + 2 e- = H2 Cas 3 : l’ensemble Fe - Zn dans l’acide : Oxydation Zn = Zn2+ + 2 e- sur la lame de Zinc Réduction de H+ : 2H+ + 2 e- = H2 sur la lame de fer Nous observons un très fort dégagement de dihydogène dans le troisième cas. La quantité de dihydrogène dégagée dans le cas 2 est supérieure à celle dégagée dans le cas 1. Les courbes ci-dessous montrent en effet que iZn-Fe >>iZn>iFe. i(A) Zn Zn2+ Fe Fe2+ iZn-Fe iZn iFe -0,76 -0,44 E(V) -iFe -iZn H2 H2 H+ -iZn-Fe H+ Sur Zn Sur Fe AST – LP de ROMPSAY 8 Partie IA : Notion de corrosion Expérience 3A : comportement de l’aluminium Matériel : -Acide chlorhydrique à 3 ou 4 mol/L -Hydroxyde de sodium (soude) 10mol/L -Lame d’aluminium -Verres à pied -papier de verre Mode opératoire : Mettre de l’acide chlorhydrique dans le premier verre à pied et plonger la lame Al. Plonger dans le deuxième verre à pied la lame après l’avoir décapé. Le troisième verre contient de la soude dans laquelle on plonge une lame Al Schémas : Lame de Al HCl Al décapée HCl Al NaOH Observations Commentaires et interprétations AST – LP de ROMPSAY 9 - Partie IA : Interprétation électrochimique de la corrosion Réactions d’oxydoréductions, oxydant, réducteur, couples redox Echelle galvanique piles Expérience 4A : Etude des couples Cu2+/Cu ; Zn2+/Zn et Fe2+/Fe Matériel : - 1 lame de cuivre, 1 lame de zinc, 10 cm de fil de fer - un jeu de tubes à essai, 3 béchers (avec 3 solutions : CuSO4, Zn SO4, FeSO4). NB: remplissez toujours à moitié les tubes à essai. - Couples Cu2+/Cu et Zn2+/Zn Remplissez le tube 1 de sulfate de cuivre et le tube 2 de sulfate de zinc. Plongez une lame de cuivre dans le tube 2 et une lame de zinc dans le tube 1. Réalisez un schéma de chaque expérience a) en précisant la forme chimique de chaque élément intervenant (forme oxydée ou forme réduite). b) Qu'observez-vous au bout de quelques minutes (pour chaque expérience) ? Complétez alors les schémas de la question a). c) Dans le cas où il y a réaction, écrivez les deux demi-équations redox (oxydation et réduction) puis écrivez l'équation-bilan. - Couples Cu2+/Cu et Fe2+/Fe Remplissez le tube 3 de sulfate de cuivre et le tube 4 de sulfate de fer. Plongez une lame de cuivre dans le tube 4 et un fil de fer dans le tube 3. Répondez aux questions a), b), c). - Couples Zn2+/Zn et Fe2+/Fe Remplissez le tube 5 de sulfate de zinc et le tube 6 de sulfate de fer. Plongez un fil de fer dans le tube 5 et une lame de zinc dans le tube 6. Répondez aux questions a), b), c). AST – LP de ROMPSAY 10 Partie IA : Interprétation électrochimique de la corrosion Interprétation : - Complétez le tableau suivant en précisant si il y a eu réaction ou non : Cu Fe Zn Cu 2+ Fe 2+ 2+ Zn Fe2+ - Placer les trois couples étudiés dans la classification électrochimique (échelle galvanique). - En vous aidant des résultats de l’expérience 2 placer le couple H+/H2 Pt Expérience 5A : Préparation des solutions par dissolution des composés ioniques Matériel : - - 3 béchers, 1 fiole jaugée de 100 mL munie d’un bouchon, eau distillée - Vous disposez d’une balance électronique - Prendre une capsule pour chaque composé ionique ( ne mélangez pas les capsules) Préparation de la solution de sulfate de cuivre (CuSO4 ; H2O) - Prélevez 2g ( à 0,02g près) de sulfate de cuivre solide - versez le solide dans la fiole jaugée à l’aide de la spatule - remplissez la fiole jaugée aux ¾ et, après l’avoir bouchée agitez-là pour dissoudre le solide - remplissez avec de l’eau distillée jusqu’au trait et agitez - Versez le contenu de la fiole jaugée dans un bécher - Rincez la fiole et le bouchon à l’eau du robinet. - Préparation de la solution de sulfate de zinc (ZnSO4 ; H2O) - Reproduire le protocole qui précède pour fabriquer 100 mL de solution à partir de 2,00g de sulfate de zinc. AST – LP de ROMPSAY 11 Partie IA : Interprétation électrochimique de la corrosion Expérience 6A : La pile Daniell Matériel : - Pont salin : papier filtre, pincettes métalliques - Pile : 2 béchers ; 1 lame de cuivre décapée, 1 lame de zinc décapée, 2 pinces « crocodiles », 1 voltmètre avec des fils et les solutions préparées précédemment. Réalisation : - Remplir à moitié le premier bécher de la solution de sulfate de cuivre - Remplir à moitié le deuxième bécher de la solution de sulfate de zinc - Préparation du pont salin : rouler une bande de 10 cm de papier filtre en tremper une moitié dans le premier bécher et l’autre moitié dans le second bécher ( utiliser les pincettes métalliques). - Réaliser le montage suivant : mV Lame de cuivre Lame de zinc Solution de ZnSO4 Solution de CuSO4 Pont salin - Régler le voltmètre sur la position DC et brancher-le sur les deux pinces « crocodiles ». Noter la valeur affichée. - Indiquer sur le schéma : Le sens de déplacement des électrons , des ions dans les solutions et le sens du courant La cathode et l’anode - Ecrire les équations des réactions qui se produisent sur chaque électrode ainsi que l’équation bilan. Application à la corrosion. Cas dans l’eau de mer : - d’un bateau avec une coque en acier (Fe) et des hélices en bronze (Cu) - d’une coque en acier avec un gouvernail en zinc - cas d’un assemblage acier-aluminuim dans une atmosphère marine humide AST – LP de ROMPSAY 12 Partie IA : Interprétation électrochimique de la corrosion Expérience 7A : Accumulateur au plomb (batterie d’une voiture) Réalisée par les professeurs Matériel : - Acide sulfurique à 2mol/L - 1 bécher, 2 plaques de plomb, 2 pinces crocodiles, fils électriques - 1 générateur réglable et capable de délivrer 2V ; 20 mA à travers une solution - 1 ampoule 2,5 V en courant continu, 1 multimètre. Réalisation : 1. Charge A Plaque de plomb G Plaque de plomb Solution de H2SO4 2. Décharge Plaque de plomb Plaque de plomb Solution de H2SO4 Commentaires et interprétations AST – LP de ROMPSAY 13 Partie IA : Interprétation électrochimique de la corrosion Expérience 8A : Pile de concentration Matériel : - 2 béchers , 2lames de cuivre, 2 solutions de sulfate de cuivre de concentrations différentes (C et 0,1 C par exemple) - Un pont salin, 1 voltmètre, 2 pinces crocodiles, fils électriques Montage mV Lame de cuivre Lame de cuivre Solution diluée de CuSO4 Solution concentrée de CuSO4 Pont salin - Relever la ddp entre les deux lames - Indiquer le sens de circulation des électrons, des ions à travers le pont salin - Préciser l’anode, la cathode et les réactions qui s’y produisent. - Etablir l’équation de la réaction globale. Cette réaction est-elle infinie ? - Application à la corrosion par aération différentielle. Cas des bateaux : corrosion différentielle entre le fond et la partie de la coque en contact avec l’air AST – LP de ROMPSAY 14 Partie IA : Interprétation électrochimique de la corrosion Expérience 9A : Aération différentielle Produits et matériel - Solution de chlorure de sodium à 30g/L - Solution éthanolique de phénolphtaléine à 1% - Solution de ferricyanure de potassium à 1% - Clou en fer bien décapé - Agar-agar - Tube à essai Mode opératoire Portez à ébullition 100mL de la solution de chlorure de sodium et on ajoute 3g d’agar-agar en poursuivant l’ébullition pendant une dizaine de minutes, sous agitation vigoureuse. Puis on ajoute 1mL de la solution de Phénolphtaléïne et 2 mL de solution de ferricyanure. Laisser refroidir. Quand le gel commence à prendre, verser le mélange dans le tube à essai. Introduire ensuite un clou de fer assez long de façon à ce que son extrémité supérieure reste à l’air. Maintenez le clou immobile jusqu'à la prise du gel. Schéma Clou Agar-agar Observation Interprétation et commentaires AST – LP de ROMPSAY 15 Partie IA : interprétation électrochimique de la corrosion Discussion La différence de concentration en dioxygène entre la surface en contact avec l’air et le fond du tube entraîne l’oxydation du fer au fond du tube à essai et la réduction du dioxygène à la surface. Au fond du tube à essai : Fe Fe2+ +2 e- Cette réaction est mise en évidence par le ferricyanure de potassium qui forme un complexe de couleur bleu de prusse avec les ions Fe2+. A la surface libre : ½ O2d + H2O + 2 e- 2OH- Cette réduction est mise en évidence par la phénolphtaleïne qui donne une coloration rose au contact de des ions OH-. Les ions OH- peuvent ensuite précipiter les ions Fe2+ pour donner de l’hydroxyde de fer qui se transforme au contact de l’air en « rouille ». Ce type de corrosion se rencontre souvent sur les bateaux, en raison de l’aération différentielle entre la surface et le fond de la coque AST – LP de ROMPSAY 16 Partie IA : Protection contre la corrosion Expérience 10A : Protection cathodique Matériel et produits - 2 béchers, 2 clous bien décapés, 1 lame de zinc, 1 lame de cuivre, 1 support, pinces crocodiles, 2 fils électriques - solution de chlorure de sodium 1mol.L-1 - Orthophénontroline 2g.L-1 Mode opératoire - Remplir chaque béchers au ¾ de solution de sodium 1mol.L-1puis ajouter quelques gouttes de solution d’orthophénontroline (Phen) - Fixer à un support une lame de Cu et un clou puis une lame de Zn et Fe à l’autre - Mettre les deux supports dans les deux béchers - Relier les deux électrodes Schémas Cu Zn Fe Fe NaCl + Phen Observations Commentaires et interprétations AST – LP de ROMPSAY 17 Partie IA : Protection contre la corrosion Discussion Cette expérience permet d’illustre la notion de protection et montre la transformation instantanée du fer en ions ferII. Lorsque l’on couple Fe avec Cu : Fe se corrode Fe Fe2+ +2 eCette réaction est mise en évidence par l’orthophénontroline qui forme un complexe de couleur rouge avec les ions Fe2+. La solution se colorie en rouge. Au niveau de la lame de Cu, il se produit la réduction de l’eau : 2H2O + 2 eH2 + 2OHOn observe un dégagement de dihydrogène sur la lame de cuivre Lorsque l’on couple Fe avec Zn : Zn se corrode Zn Zn2+ +2 eAu niveau de la lame de Fe, il se produit la réduction de l’eau : 2H2O + 2 eH2 + 2OHLa solution reste incolore puisque l’orthophénontroline ne réagit pas avec les ions zinc. Quelques temps après, on peut observer un dépôt sur la lame de Zn. Il s’agit de l’hydroxyde de zinc Zn(OH)2 . Zn2+ + 2OHZn(OH)2 Dépôt d’hydroxyde de zinc sur la lame de zinc AST – LP de ROMPSAY 18 Partie IA : Protection contre la corrosion Expérience 11A : Inhibiteur de corrosion Matériel et produits - Solution d’acide chlorhydrique à 5mol/L - Solution de ferricyanure de potassium à 1% - 1mL d’examéthylène tétramine - 2 tubes à essai - 2 clous Mode opératoire Acide chloridrique+ Ferrycianure de potassium Clou en fer 1 mL d’hexaméthylène tetramine + acide chloridrique + ferrycianure de potassium Les clous doivent êtres complètement immergés dans les solution - Dans quel tube le clou est-il attaqué - Quel est le rôle de l’hexaméthylène tetramine Commentaires et interprétations AST – LP de ROMPSAY 19 Partie IA : Protection contre la corrosion Expérience 12A : Protection par un revêtement de métal Matériel et produits - 1 lame de cuivre, 1 lame de fer - solution de sulfate de nickel 200g/L - 1 bécher, 2 supports - 1 générateur, 1 ampèremètre, 1 rhéostat et des fils Mode opératoire - Réaliser le montage ci-dessous - Régler l’intensité de courant à 0,5A - Laisser la réaction se poursuivre pendant 5 à 10 minutes - Rincer l’électrode de fer Rh + G - Cu A Fe Solution de sulfate de nickel Observations Commentaires et interprétations AST – LP de ROMPSAY 20 Partie IA : Protection contre la corrosion Expérience 13A : fixation d’un colorant sur l’aluminium anodisé Réalisé par les professeurs Matériel et produits - Acide sulfurique à 15% (~2,7mol/L) - Solution aqueuse d’alizarine à 1% - Acétone technique - Soude 10mol/L - Acide nitrique à 10% (~1,7mol/L) - Ammoniaque diluée(~6mol/L) - Lame d’aluminium - Electrode de carbone - Bécher - Générateur de courant continu - Milliampèremètre Mode opératoire - Une plaque d’aluminium est décapée par le traitement suivant : dégraissage à l’acétone, lavage (1 minute) dans la soude concentrée, rinçage à l’eau courante, lavage(quelques secondes) dans l’acide nitrique à 10% et enfin rinçage à l’eau courante. - On réalise ensuite une électrolyse : l’anode est la plaque précédemment décapée, la cathode est en graphite. L’électrolyte est une solution d’acide sulfurique à 15%. - Maintenir l’électrolyse pendant une demie heure à 15mA/cm2 - La lame d’aluminium est ensuite lavée successivement à l’eau, plongée dans l’ammoniaque diluée pour enlever les traces d’acide et à nouveau rincée à l’eau. - On introduit finalement cette lame dans une solution aqueuse à 1% d’alizarine sulfonate de sodium que l’on maintien à ébullition 5 à 10 minutes. montage + G - A V Al graphite Solution d’acide sulfurique à 15% Observations Commentaires et explications AST – LP de ROMPSAY 21 Partie IA : Protection contre la corrosion Discussion Cette réaction permet de mettre en évidence la couche d’alumine (Al2O3) qui protège l’aluminium. Dans un premier temps, on détruit Al2O3 qui se forme spontanément au contact de l’air, puis on oxyde à nouveau la lame d’aluminium en lui imposant un courant. Le colorant que l’on fixe par la suite montre que la couche d’alumine est poreuse. On peut estimer l’épaisseur de la couche déposée par une simple pesée de la lame avant et après dépôt. Lors du décapage chimique de Al, il se produit la réaction suivante Al2O3(s) + 6 H++ 6 e- 2Al(s) +3H2O Lors de l’anodisation de Al, il se produit les réactions suivantes : Anode : Al2O3(s) + 6 H++ 6 e- 2Al(s) +3H2O cathode : 6 H++ 6 eréaction globale : 2Al(s) +3H2O 3H2(g) Al2O3(s) + 3H2(g) L’alizarine 1% permet de fermer les ports. La coloration orange n’apparaît que sur la partie de la lame qui a été oxydée (anodisée). Partie non oxydée Alumine Aluminium Alizarine 1% Lame vue de profil AST – LP de ROMPSAY 22 PARTIE I : ACTIVITES EXPERIMENTALES SECTION B : EXPERIENCES LUDIQUES BASEES SUR LES REACTIONS D’OXYDO-REDUCTIONS AST – LP de ROMPSAY 23 Partie IB : Expériences ludiques Expérience 1B : La bouteille bleue Matériel et réactifs : - Erlenmeyer avec bouchon, balance électronique, capsules en plastique, spatules, eau distillée. - solution de bleu de méthylène, hydroxyde de potassium (KOH), glucose. Mode opératoire : - Dans l’erlenmeyer, dissoudre 8g de KOH dans 300cm3 d’eau distillée (surveiller la température !). Refroidir à la température ambiante. - Dissoudre 10g de glucose dans la solution obtenue. - Ajouter quelques gouttes de la solution de bleu de méthylène. Manipulation : - Lorsque la solution est devenue incolore, boucher puis secouer légèrement le flacon. Observations : Au repos Après agitation Remarques : AST – LP de ROMPSAY 24 Partie IB : Expériences ludiques Discussion Cette expérience spectaculaire utilise un aspect peu connu du bleu de méthylène : ces propriétés d’indicateur d’oxydoréduction. En effet, ce réactif existe sous deux formes : une forme oxydée bleue et une forme réduite incolore. Dans un premier temps, le bleu de méthylène est réduit par la solution basique de glucose et devient donc incolore. De plus les produits issus de l’oxydation du glucose sont eux aussi incolores : la bouteille est donc incolore et parfaitement transparente. L’agitation permet une oxydation du bleu de méthylène par l’oxygène de l’air fraîchement dissous. La bouteille devient donc bleue. Après quelques instants, le bleu de méthylène est à nouveau réduit par le glucose et la bouteille redevient incolore. On remarque que cette succession de changement de coloration devient de moins en moins prononcée au fur et à mesure que la manipulation est répétée. En effet, il y a consommation du glucose à chaque agitation qui, contrairement au bleu de méthylène, n’est pas régénéré. AST – LP de ROMPSAY 25 Partie IB : Expériences ludiques Expérience 2B : La bouteille rouge Matériel et réactifs : - Erlenmeyer avec bouchon, balance électronique, capsules en plastique, spatules, eau distillée. - solution de résazurine, hydroxyde de potassium (KOH), glucose. Mode opératoire : - Dans l’erlenmeyer, dissoudre 8g de KOH dans 300cm3 d’eau distillée (surveiller la température !). Refroidir à la température ambiante. - Dissoudre 10g de glucose dans la solution obtenue. - Ajouter quelques gouttes de la solution de résazurine jusqu’à apparition d’une fluorescence bleue violacée qui se transforme en rouge fluorescent en moins de deux minutes. Manipulation : - Lorsque la solution est devenue incolore, boucher puis secouer légèrement le flacon. Observations : Au repos Après agitation Observations : Commentaires et interprétations AST – LP de ROMPSAY 26 Partie IB : Expériences ludiques Discussion : La discussion est analogue à celle donnée pour la bouteille bleue. En effet, la résazurine est comme le bleu de méthylène un indicateur d’oxydoréduction, sa forme oxydée étant rouge et sa forme réduite incolore. De même que pour la bouteille bleue, il y a consommation de glucose à chaque manipulation, ce qui a pour conséquence d’estomper au cours du temps les changements de couleur si spectaculaires. Il est intéressant de réaliser une bouteille avec à la fois du bleu de méthylène et de la résazurine. Lors de l’agitation, on remarque que la résazurine s’oxyde en premier, la bouteille prend alors une teinte rouge vif. Si on poursuit l’agitation, le bleu de méthylène s’oxyde à son tour et apparaît alors une teinte violette, conséquence du mélange rouge/bleu. Au repos, cette bouteille redevient rouge vif avant de passer à l’incolore. Cette manipulation permet d’aborder les notions de réaction prépondérante, de cinétique de réaction et de mélange de couleurs, notions permettant d’introduire la bouteille multicolore. AST – LP de ROMPSAY 27 Partie IB : Expériences ludiques Expérience 3B : La bouteille multicolore Matériel et réactifs : - Erlenmeyer de 100cm3 avec bouchon, balance électronique, capsules en plastique, spatules, eau distillée, béchers, 2 éprouvettes graduées (de 10cm3 minimum), 2 pipettes graduées de 2cm3 avec propipettes. - hydroxyde de potassium (KOH), méthanol, glucose, benzoïne, carmin d’indigo. Préparation des solutions : Quatre solutions sont à préparer qui seront utilisées par l’ensemble du groupe. Solution A : - Dissoudre 4g de KOH dans 150cm3 d’eau distillée (surveiller la température !). Refroidir à la température ambiante. Solution B : - Dissoudre 5g de glucose dans 150cm3 d’eau distillée. Solution C : - Dissoudre 0,1g de benzoïne dans 100cm3 de méthanol. Solution D : - Dissoudre 0,5g de carmin d’indigo dans 100cm3 d’eau distillée. Mode opératoire : - Dans l’erlenmeyer, mélanger à l’aide des éprouvettes 10cm3 de A et 10 cm3 de B. - Ajouter à l’aide des pipettes 1,5 cm3 de C et 1,2 cm3 de D. Manipulations et observations : - Le carmin d’indigo, d’abord bleu, devient vert. Boucher le flacon. - Après une courte période, la solution verte devient jaune. - Agiter vigoureusement le flacon. Observations : AST – LP de ROMPSAY 28 Partie IB : Expériences ludiques - Lorsque la solution est redevenue jaune, secouer le flacon doucement, puis de plus en plus vigoureusement. Observations : AST – LP de ROMPSAY 29 Partie IB : Expériences ludiques Discussion : En secouant le flacon doucement, puis de plus en plus vigoureusement, la bouteille alors jaune revient progressivement au vert en passant par l’orange, le rouge et le violet. Si la couleur verte s’atténue, on ajoute de la solution D si l’on souhaite prolonger la manipulation. Cette bouteille, plus spectaculaire que les précédentes, s’explique encore de la même manière. Le carmin d’indigo (un indicateur d’oxydoréduction) dont la forme oxydée en milieu basique est verte, est réduit par le glucose et sa forme réduite est jaune. En agitant la bouteille, l’oxygène de l’air fraîchement dissous oxyde le carmin d’indigo en forme oxydée verte. Au cours de la manipulation, les couleurs intermédiaires sont dues à une oxydation de la benzoïne sous une forme oxydée colorée qui vient modifier la couleur globale de la bouteille. AST – LP de ROMPSAY 30 Partie IB : Expériences ludiques Expérience 4B : La pile à combustible Matériel et réactifs : - Tube en U, laine de verre, deux électrodes de platine, pinces crocodile, fils, voltmètre. - Eau oxygénée à 0,1 mol/L, solution d’hydroxyde de sodium (NaOH) à 3 mol/L, méthanol. Mode opératoire : - Placer un morceau de laine de verre au fond du tube en U et remplir avec la solution d’hydroxyde de sodium. - Plonger les électrodes de platine dans chaque branche du tube. - Ajouter quelques cm3 de méthanol dans une branche du tube et un peu d’eau oxygénée dans l’autre branche. Manipulation : - Brancher le voltmètre sur les électrodes. - Schématiser le montage ci-dessous. - Relever la différence de potentiel aux électrodes. - Préciser l’anode et la cathode sur le schéma. Observations Commentaires AST – LP de ROMPSAY 31 Partie IB : Expériences ludiques Discussion : Le principe de la pile à combustible est connu depuis fort longtemps. C’est en 1839 que l’anglais W. R. Grove construisit le premier modèle. Pendant un siècle environ, la pile à combustible n’a pas suscité d’intérêt . La réalisation d’électrodes convenables présentait de grosses difficultés et d’autres types de générateurs firent leur apparition et s’imposèrent rapidement, comme le moteur à combustion interne. Il fallut attendre le milieu du XXe siècle et les projets de conquête spatiale pour qu’une âpre compétition technologique se déclenche, compétition qui se poursuit toujours à l’heure actuelle avec les problèmes d’environnement. La pile étudiée ici est basée sur l’oxydation du méthanol. A l’anode se produit l’oxydation du méthanol en carbonate : CH3OH + 8 OH- CO32- + 6 H2O + 6 e A la cathode le peroxyde d’hydrogène est réduit : H2O2 + 2 e- 2 OH- On observe à la surface du platine un dégagement gazeux dû à la décomposition en milieu basique du peroxyde d’hydrogène. Ce dernier se dismute en dioxygène (dégagement gazeux) et en eau selon la réaction : 1 H2O2 H2O + O2 2 AST – LP de ROMPSAY 32 Partie IB : Expériences ludiques Expérience 5B : L’horloge bleue Matériel et réactifs : - Deux erlenmeyers, balance électronique, capsules en plastique, spatules. - Bécher de 500 cm3, chauffe-ballon électrique. - Iodate de potassium, sulfite de sodium, acide sulfurique à 6 mol/L, eau distillée. Mode opératoire : Deux solutions sont à préparer : Solution A : - Dans un erlenmeyer, dissoudre à chaud (chauffe-ballon) 0,25g d’iodate de potassium dans 150 cm3 d’eau distillée puis laisser refroidir. Solution B : - Dans un erlenmeyer, dissoudre 0,1g de sulfite de sodium dans 150 cm3 d’eau distillée. - Ajouter 0,5 cm3 d’acide sulfurique et 0,1g de thiodène. Manipulation : - Dans un bécher de 500 cm3, verser les deux solutions. - Observer attentivement pendant 15s environ. Observations : AST – LP de ROMPSAY 33 Partie IB : Expériences ludiques Discussion : La coloration bleue qui apparaît brutalement est due à une succession de réactions d’oxydoréduction. Voici le détail du mécanisme. Réaction entre les ions iodates et les ions sulfites : 2 IO-3 + 12 H+ + 10 e- I2 + 6 H2O + 2SO23 + H2O SO4 + 2 H + 2 e + 2Bilan : 2 IO-3 + 5 SO23 + 2 H I2 + 5 SO4 + 2 H2O Or l’iode formé réagit avec les ions sulfites : I2 + 2 e- 2 I+ 2SO23 + H2O SO4 + 2 H + 2 e Bilan : I2 + SO32- + H2O 2 I- + SO42- + 2 H+ Le bilan global de ces deux réactions est donc : 2 IO-3 + 6 SO32- 2 I- + 6 SO42Or les ions iodates sont en excès vis-à-vis des ions sulfites donc lorsque tous ces derniers ont réagi, les ions iodates restants réagissent, en milieu acide, avec les ions iodures formés : 2 IO-3 + 12 H+ + 10 e- I2 + 6 H2O 2 I- I2 + 2 eBilan : IO-3 + 5 I- + 6 H+ 3 I2 + 3 H2O Ainsi, le phénomène de réaction prépondérante est mis en avant. En effet, le diode apparaît uniquement une fois que tous les ions sulfites ont réagi. Dès lors, il se forme un complexe bleu iode-amidon (l’amidon provenant du thiodène). En jouant sur la concentration des ions sulfites, on peut retarder ou avancer l’apparition de la coloration. Sécurité : Protections habituelles contre les produits corrosifs car l’acide sulfurique utilisé est concentré. La dilution de l’acide doit obligatoirement être effectuée par introduction de l’acide dans l’eau et non l’inverse. AST – LP de ROMPSAY 34 Partie IB : Expériences ludiques Expérience 6B : La lumière froide Matériel et réactifs : - Fiole d’1L, balance électronique, capsules en plastique, spatules. - Eprouvettes d’1L. - luminol, hydroxyde de sodium (NaOH), peroxyde d’hydrogène à 0,1 mol/L, ferricyanure de potassium. Mode opératoire : - Dans la fiole d’1L, dissoudre 5g de NaOH dans 1L d’eau. - Introduire 0,1g de luminol dans la fiole puis 10 cm3 de peroxyde d’hydrogène. - Verser la solution obtenue dans une éprouvette d’1L . - Peser 0,25g de ferricyanure de potassium. Manipulation : - Plonger la salle dans la pénombre. - Faire tomber les cristaux de ferricyanure de potassium dans l’éprouvette d’1L. Observations : AST – LP de ROMPSAY 35 Partie IB : Expériences ludiques Discussion : La luminescence observée est due à l’oxydation du luminol. Voici une explication simplifiée de la réaction : - Le luminol perd deux protons sous l’action de la soude et devient alors un dianion. - L’introduction de ferricyanure de potassium catalyse la formation de diazoquinone à partir du dianion et du dioxygène dissous. - La diazoquinone formée réagit avec le peroxyde d’hydrogène pour passer à l’état excité. - Cette molécule se désexcite en émettant une lumière bleue-verte. Le mécanisme de cette réaction étant plutôt sophistiqué, il faut surtout insister sur le fait que la plupart des réactions chimiluminescentes sont dues à une oxydation. Sécurité : Le ferricyanure de potassium est modérément toxique par ingestion. Eviter le contact avec les mains et bien se les laver après l’expérience. Le peroxyde d’hydrogène est peu dangereux à la concentration utilisée ici. Il faut tout de même éviter de le mettre en contact avec les pastilles d’hydroxyde de sodium. AST – LP de ROMPSAY 36
