- enseignement Catholique

HPT
Formation scientifique
UAA19
AUTEURS : Brigitte Janssens, Pascale Sartiaux
Fiche d’expérience 13
La protection du fer contre la corrosion
Cette expérience peut être réalisée par les élèves moyennant le respect de certaines précautions (voir
le point 6. Sécurité) : dans ce cas, les points 2, 3, 4 et 7 leur sont destinés.
1. Objectifs de l’expérience
Par cette expérience, les élèves découvrent quelques systèmes de protection électrochimique contre
la corrosion du fer.
2. Description générale
La corrosion du fer, si on n’y prend garde, peut mener à des catastrophes (pensons au naufrage de
l’Erika en 1999, entrainant une marée noire au niveau des côtes bretonnes). Cette corrosion est un
fléau industriel. On estime en effet que 20 % de la production mondiale d'acier (mélange de fer et de
carbone, contenant moins de 2 % de carbone) sont perdus chaque année sous forme de rouille.
Comment protéger les structures en fer contre leur corrosion ?
Sur base d’essais de protection du fer par contact direct de ce dernier avec quelques métaux, on va
montrer qu’il peut être protégé de la corrosion par le principe de l’anode sacrificielle.
3. Matériel et produits
-
1 plaque chauffante ou un micro-onde
1 erlenmeyer de 500 mL
2 boites de Pétri ou 2 béchers de 250 mL
4 clous en fer décapés
Rubans de cuivre, zinc, magnésium
Eau déminéralisée
Feuilles de gélatine alimentaire ou agar-agar ou gélose
Solution d’hexacyanoferrate (III) de potassium (K3Fe(CN)6) 0,1 M
Phénolphtaléine en solution 0,1 %1
1
La phénolphtaléine est classée mutagène, cancérigène 1B pour une concentration supérieure à 1%.
La concentration utilisée dans la solution indicatrice acidobasique est inférieure à cette limite mais il
n’en est évidemment pas de même lors de la préparation de cette solution indicatrice acido-basique.
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4. Procédure
1) Dans le bécher, préparer environ 100 mL de gélatine en suivant les instructions du fabricant.
Utiliser de l’eau déminéralisée.2
2) Ajouter à la gélatine environ 5 gouttes d’hexacyanoferrate de potassium 0,1 M et 3 gouttes de
phénolphtaléine à 0,1 %. Bien mélanger. Laisser tiédir.
3) Entourer le 1er clou en fer d’un tortillon de cuivre en veillant à assurer un contact intime entre
le clou et le tortillon.
4) Procéder de même pour les 2 autres clous, l’un avec le tortillon de zinc, l’autre avec le tortillon
de magnésium.
5) Déposer chaque clou avec son tortillon dans une boite de Pétri.
6) Dans la 2e boite de Pétri, déposer le clou seul. Elle servira de témoin.
7) Verser la solution de gélatine dans chaque boite de Pétri jusqu’à recouvrir entièrement les
clous.
8) Observer à intervalles réguliers pendant le reste du cours et après une nuit.
5. Notes pour le professeur
Dans la boite de Pétri contenant le clou sans tortillon, on observe que les parties
extrêmes du clou (pointe et tête) sont entourées d'une zone rose alors que la partie
centrale est entourée d'une zone bleue. La coloration rose aux extrémités indique
la formation d'ions hydroxyde OH− qui réagissent avec la phénolphtaléine. La
coloration bleue qui apparaît dans la zone centrale indique la formation d'ions
ferreux Fe2+ qui réagissent avec les ions hexacyanoferrate III. Le fer métallique a
dont été oxydé en ions ferreux Fe2+.
Le clou agit comme une micropile : l’oxydation du fer et la réduction du dioxygène
ont lieu simultanément mais dans des zones différentes. On identifie le site anodique
(l’oxydation du fer qui libère des électrons) en bleu et le site cathodique (la réduction
du dioxygène qui consomme des électrons) en rose. Les électrons produits dans la
zone d’oxydation du fer sont consommés dans la zone de réduction du dioxygène
car ils se déplacent à l’intérieur du clou. Les zones anodiques et cathodiques
constituent les électrodes de la pile dont l'électrolyte est la gélatine ; le circuit
extérieur est le clou lui-même. La micro pile ainsi formée est en court-circuit puisque anode et
cathode sont deux parties du même clou.
Dans la boite de Pétri contenant le clou avec le tortillon en zinc, le clou est entouré d’une
coloration rose seulement (pas de coloration bleue) – voir ci-contre à droite. La coloration
rose autour du clou indique à nouveau la formation d'ions hydroxyde OH− qui réagissent
avec la phénolphtaléine. Quand on retourne la boite de Pétri, la coloration blanche à
l’extrémité du clou (voir ci-dessous) montre que le zinc métallique Zn s’est oxydé en ions
Zn2+ et l’absence de coloration bleue montre que le fer Fe n’a
pas été oxydé. Le contact du zinc a protégé le fer de
l’oxydation. C'est donc le zinc métallique qui est oxydé en ion
zinc Zn2+, et non plus le fer.
Dans la boite de Pétri contenant le clou avec le tortillon en
magnésium, on observe les mêmes colorations que celles du
clou avec le tortillon en zinc.
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Si on utilise de la gélose ou de l’Agar-Agar, on place 100 mL d’eau déminéralisée dans l’erlenmeyer, on y ajoute
environ 2-3 g de poudre de gélose. On chauffe 1 minute au four à micro-ondes à puissance maximale.
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Dans la boite de Pétri contenant le clou avec le tortillon en cuivre, le clou présente une
coloration bleue au centre et une coloration rose aux extrémités identiques à celles du
clou en fer seul dans l’expérience précédente. Le cuivre ne protège pas le fer de
l’oxydation : en effet, la coloration bleue montre que c’est le fer qui a été oxydé.
Remarque : Pour éviter la diffusion trop rapide des ions, et pouvoir localiser les
réactions chimiques mises en évidence par les deux indicateurs colorés,
on gélifie la solution.
En conclusion, seul le clou entouré de ruban de cuivre subit une oxydation ; les deux
autres clous restent intacts. Comment expliquer ces résultats ?
Le fer est attaqué lorsqu’il est associé à un métal moins réducteur que lui comme le cuivre ; par
contre, il est protégé par le zinc et le magnésium qui sont des métaux plus réducteurs.
Un métal donné est plus réducteur qu’un autre lorsqu’il a plus tendance à libérer des électrons. Par
conséquent, lorsque deux métaux sont en contact, le métal le plus réducteur subira une oxydation.
Au vu du classement des couples oxydant/réducteur Fe2+/Fe et Zn2+/Zn, ce sera le zinc (plus
réducteur que le fer) qui subira une oxydation :
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-
Pouvoir
oxydant
croissant
↑
Forme
oxydée
Forme
réduite
Cu2+
Cu
Fe3+
Fe2+
Fe2+
Fe
Zn2+
Zn
Mg2+
Mg
↓
Pouvoir
réducteur
croissant
Ces ions Zn2+ vont ensuite réagir avec des cations présents dans leur environnement pour former
des produits de corrosion denses et peu solubles tels que ZnCO 3 ou Zn(OH)2.
Ainsi, les clous en fer ne seront oxydés que s’ils sont plus réducteurs que le métal qui l’entoure.
Inversement, les clous en fer ne seront pas oxydés s’ils sont moins réducteurs que le métal qui
l’entoure. C’est le principe de protection du fer contre la corrosion par anode sacrificielle. Dans le
cas de la mise en contact d’une structure métallique (le fer) avec un métal plus oxydable (plus
réducteur) que le fer, ce qui est le cas du zinc, le zinc va « se sacrifier » : il s’oxyde préférentiellement
par rapport au fer.
On peut également protéger le fer en le recouvrant par une couche de métal plus réducteur. Ce
principe est utilisé dans l’opération de galvanoplastie, notamment pour fabriquer de l’acier galvanisé
(l’acier étant un alliage constitué principalement de fer et de carbone) où l’acier est recouvert par
exemple d’une couche de zinc.
D’autres métaux que le zinc peuvent être utilisés pour protéger le fer de la corrosion :
-
une couche d’étain Sn déposée à l’intérieur des boites de conserve (étamage du fer) ;
-
une couche de chrome Cr (acier chromé) ;
-
une couche d’or (dorure), d’argent (argenture), de nickel (nickelage) pour la protection et l’effet
décoratif.
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Alternative : la version « rapide »
Il existe une autre alternative à cette expérience. Celle-ci a
l’avantage d’être rapide, néanmoins, l’oxydation du fer est
provoquée par l’Eau de Javel, ce qui complique les explications
du phénomène.
Matériel :
-
1 boite de Pétri
3 clous en fer décapés
Rubans de cuivre, zinc, magnésium
Eau de Javel
Procédure :
1) Entourer le 1er clou d’un tortillon de cuivre en veillant à
assurer un contact intime entre le clou et le tortillon.
2) Procéder de même pour les 2 autres clous, l’un avec
le tortillon de zinc, l’autre avec le tortillon de
magnésium.
3) Placer les 3 clous dans la boite de Pétri, en veillant à
ce qu’ils ne soient pas en contact.
4) Recouvrir les clous de la solution d’eau de Javel.
Observations :
6. Prolongement
On boulonne à la coque d’acier des navires des blocs de magnésium métallique. Expliquer le rôle.
7. Sécurité
La réalisation d’expériences en particulier en chimie suppose le respect d’un certain nombre de
règles permettant à chacun, élèves et professeur, de vivre ces séances de laboratoire dans les
meilleures conditions de sécurité.
Pour chaque local où se déroulent de telles expériences, existe un règlement de laboratoire,
approuvé par le Conseiller en Prévention. Il sera signé par le chef d’établissement, le professeur,
l’élève et ses parents/responsables.
Chaque élève a une bonne connaissance de ce document.
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Analyse de risques
Phases
Points-clés
Sources de danger
Nature du risque
Les déplacements des élèves
Organisation de la
classe
Avant
La phénolphtaléine est
cancérigène.
(Professeur)
Préparation des
solutions
Pendant
(Professeur
et élèves)
L’hexacyanoferrate(III) de
potassium (rouge prusse) est un
produit toxique.
Mesures de prévention préconisées
Afin de limiter les déplacements, installer
des postes de travail avec tout le matériel
nécessaire pour le groupe.
Utiliser une solution commerciale.
Pour manipuler ce produit, porter un
tablier de laboratoire, des lunettes de
protection et des gants de protection.
L’eau de Javel est un produit
corrosif et dangereux pour
l’environnement : il provoque des
brûlures de la peau et des
lésions oculaires graves ; il peut
être corrosif pour les métaux et
dégage un gaz toxique au
contact d’un acide.
Pour manipuler ce produit, porter un
tablier de laboratoire, des lunettes de
protection et des gants de protection.
/
/
Après
(Professeur
et élèves)
/
Informations sur les réactifs
-
L’hypochlorite de sodium (eau de Javel) NaClOaq est un produit corrosif et
dangereux pour l’environnement : il provoque des brûlures de la peau et
des lésions oculaires graves ; il peut être corrosif pour les métaux et
dégage un gaz toxique au contact d’un acide ; il est très toxique pour les
organismes aquatiques, entrainant des effets néfastes à long terme.
-
L’hexacyanoferrate(III) de potassium (rouge prusse) est un produit toxique : il provoque
une irritation cutanée, une sévère irritation des yeux et peut irriter les voies respiratoires.
-
La phénophtaléine est un produit inflammable (la phase liquide
et les vapeurs sont très inflammables) et toxique en cas
d’ingestion, par contact cutané et par inhalation.
8. Développement attendu principalement visé
Réaliser une recherche documentaire pour expliquer une technique utilisée pour protéger les métaux
de la corrosion (T2).
À partir de documents, l’élève explique comment il est possible de déposer une fine couche d’un
métal sur un autre métal pour le protéger de la corrosion (par exemple : la dorure, l’argenture, le
zingage, l’étamage).
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9. Bibliographie
-
BOURGEOIS, S., et al., La corrosion, pourquoi et comment l’éviter ?, Didactique spéciale en
sciences naturelles, UCL, 2005,
https://www.uclouvain.be/cps/ucl/doc/emediasciences/documents/Corrosion.pdf, page consultée
le 11 février 2016
-
di
SCALA,
N.,
Elaboration,
protection
et
corrosion
des
métaux,
http://rmdiscala.free.fr/physique/documents/Epreuve1_TermS%20specialite_Elaboration%20pro
tection%20et%20corrosion%20des%20metaux.pdf, page consultée le 12 février 2016
-
HAUTIER , P., TOUBEAU, J., Fiche d’expériences pour le 3e degré, 52e Congrès des Sciences,
Liège 2014
-
LINDREC, LEROUX, TANAVELLE, Quelques expériences sur la corrosion du fer,
http://www.enfa.fr/physique-chimie/wp-content/uploads/2009/10/corrosionfer_enseignant.pdf,
page consultée le 12 février 2016
-
Blog réalisé par un élève français en terminale qui expose notamment une expérience consacrée
à
la
protection
du
fer
contre
la
corrosion :
http://tpe-mythe-bionique.emonsite.com/pages/experiences/page.html, page consultée le 12 février 2016
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