OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA
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OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute 1. GÉNÉRALITÉS ET RAPPELS DE CHIMIE ● LA CORROSION des métaux est un phénomène chimique qui transforme le métal en OXYDE(S). Cette OXYDATION est le plus souvent naturelle et DÉGRADE le métal . Exemple : CORROSION ET NAUFRAGE DU PÉTROLIER GÉANT ÉRIKA (coque en acier) Affrété par la compagnie française TotalFinaElf, le navire, chargé de 37.000 tonnes de fioul lourd, s'est déchiré en deux avant de couler le 12 décembre 1999 au large de Penmar'ch (sud Finistère). C'est "l'insuffisance d'entretien" et "le développement rapide de la corrosion" qui sont à l'origine de l'affaiblissement des structures, indique le rapport final du BEA-Mer. La vidéo du Naufrage: http://www.total.com/fr/groupe/dossiers/erika/rappel-des-faits/les-causes-du-naufrage-600592.html A 8h20 (levé du jour 9h , vidéo IR inversée . Les zones noires les plus chaudes) , l'Érika se casse en deux . Les explications issues de l'enquête: http://www.polmar.com/images/infographierika_g.jpg Les ballasts servent à équilibrer le bateau .On les rempli d'eau de mer quand le navire est à vide . ● ● ATOME: Il est le constituant élémentaire de la matière. Il est formé d'un noyau chargé positivement (protons) entourés d'un nuage d'électrons chargés négativement. L'atome stable est donc électriquement neutre . eˉ RÉACTION CHIMIQUE : Phénomène de transfert d' e ˉ entre atomes ou molécules pour former des ions ou des molécules. e ˉ à un atome ou une molécule voisine. RÉDUIRE: DONNER un ou des e ˉ à un atome ou une molécule voisine. COVALENCE: PARTAGER un ou des e ˉ avec un atome ou une molécule voisine. OXYDER: ARRACHER un ou des Rq: On ne touche pas au noyau des atomes (réaction nucléaire). Il faut beaucoup plus d'énergie . Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 1 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION ● Le numéro atomique donne le nombre d' eˉ Eclipse à Chéraute de l'élément , le numéro (I, II, ....VII) de colonne, le nombre d' e ˉ sur la couche de valence, et le numéro de ligne le nombre de couches électroniques de l'élément . RÈGLE DU DUET ou DOUBLET (2) ET DE L'OCTET (8) Lors des réactions chimiques, les atomes tendent toujours à COMPLÉTER LE NOMBRE D' e ˉ de leur COUCHE DE VALENCE pour ressembler à celle du GAZ INERTE, le plus proche, colonne VIII . ● EXEMPLES : Li, Be et B tendent à RÉDUIRE pour ressembler à He (2 eˉ sur la couche de valence: DUET ). Donc Li --> Li ⁺ , Be --> Be² ⁺ et B --> B³ ⁺ On dit qu'ils ont une faible électronégativité (garder les e ˉ ) et donc un fort pouvoir réducteur . Ils sont peu oxydant et ont tendance à s'oxyder facilement. N, O, F tendent à oxyder pour ressembler à Ne ( 8 N --> N³ ˉ , O --> O² ˉ , F --> F ˉ eˉ sur la couche de valence: OCTET ) On dit qu'ils ont une forte électronégativité (garder les e ˉ ) et donc un fort pouvoir oxydant . Ils sont fortement oxydant . ● TRACER sur le tableau les FLÈCHES indiquant ( PLUS OXYDANT et PLUS RÉDUCTEUR ) : Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 2 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute 1. OXYDATION DES MÉTAUX PAR VOIE SÈCHE(PAS DE LIQUIDE) ● 1.1. COMBUSTION DU MAGNÉSIUM DANS LE DIOXYGÈNE On ENFLAMME le ruban de MAGNÉSIUM(Mg) et on le plonge dans le dioxygène. ( O2 ) ● OBSERVATION : ● INTERPRÉTATION en termes d'oxydation et de réduction avec les 2 équations et l'équation bilan ÉQUILIBRÉES: ● ● Vérifier que l'on obtient bien un oxyde Ionique MgOMg² ⁺ , O² ˉ , la magnésie CRISTAL BLANC. Ce n'est pas la « magnésie » des gymnastes fumée blanche O2 Combustion de Mg 1.1. COMBUSTION DE L'ALUMINIUM (Al) DANS L'AIR : On laisse tomber la POUDRE D' Al dans la FLAMME du BEC BUZEN(ou autre flamme bleue). ● OBSERVATION : ● INTERPRÉTATION en termes d'oxydation et de réduction avec les 2 équations et l'équation bilan ÉQUILIBRÉES: ● Mg VÉRIFIER que l'on obtient bien un oxyde Al 2 O3 appelé Alumine . Rq: L'alumine est un cristal blanc partiellement ionique . Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 3 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute 2. RÉDUCTION DES OXYDES MÉTALLIQUES PAR VOIE SÈCHE: 2.1. RÉDUCTION DES OXYDES MÉTALLIQUES PAR VOIE SÈCHE ● ● La plupart des métaux de transition(Colonnes III à VIII et I-B II-B) possèdent plusieurs oxydes Pour le fer : OXYDE DE FER(II) FeO (ions Fe² ⁺ et O² ˉ ) également appelé oxyde ferreux, OXYDE DE FER(III) Fe2O3 (ions Fe2 ⁺ et O² ˉ ) , également appelée oxyde ferrique, OXYDE DE FER(II,III) Fe3O4 (ions Fe³ ⁺ , Fe² ⁺ et O² ˉ ), parfois appelé oxyde magnétique(Magnétite). 2.1.1. RÉDUCTION DE L'OXYDE DE FER II PAR LE MONOXYDE DE CARBONE CO SIDÉRURGIE: Cette réduction intervient, entre autres, pour réduire les OXYDES de fer du MINERAI DE FER, et ainsi obtenir des FONTES puis des ACIERS. ECRIRE L'ÉQUATION BILAN équilibrée qui donne du fer Fe à partir de FeO et CO : Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 4 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute 2.1.2. RÉDUCTION DE L'OXYDE DE FER III PAR L'ALUMINIUM (aluminothermie): On mélange en proportion steochiométrique Fe 2 O3 et Al EXPÉRIENCE: Ces réactions sont utilisées dans les feux d'artifices avec divers oxydes métalliques suivant la couleur recherchée. On pose le mélange homogène sur une BRIQUE RÉFRACTAIRE . ● Après la réaction violente de réduction , on obtient du fer fondu Fe et une poudre blanche, Al 2 O3 l'alumine . Fe 2 O3 a été RÉDUIT en Fe Al a été OXYDÉ en Al 2 O3 ÉQUILIBRER l'équation bilan de la réaction : Application: SOUDURE DES RAILS DE CHEMIN DE FER Porte Jeune à Mulhouse remplacement d'un rail le 23/11/2010 vers 20h:http://wn.com/Aluminothermie Le moule réfractaire posé sur le Rail Introduction du mélange Fe2O3+Al en poudre et démarrage de la réaction. Chauffage du moule Le fer fondu commence à déborder sur le haut du moule . Il est recueilli dans un godet Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 5 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute 1. APPLICATION DE L’OXYDORÉDUCTION À LA CORROSION DES MÉTAUX. La corrosion des métaux se fait le plus souvent par oxydation en milieu humide, air humide ou eau . 4.1.RAPPELS DE PREMIÈRE : OXYDORÉDUCTION EN SOLUTION AQUEUSE ● LES COUPLES REDOX: DÉFINITION: Deux entités chimiques forment un couple Reductueur/Oxydant(RedOx) si l'une peut se transformer en l'autre par perte ou gain d'électrons Exemples : ● Al³ ⁺ + 3e → Al( s ) où Al³ ⁺ est l'Oxydant et Al le Réducteur . (s) pour solide . CLASSIFICATION DES COUPLES REDOX DE QUELQUES MÉTAUX : Les ions Cu² ⁺ donnent une couleur BLEU à la solution aqueuse (CuSO4 blanc si anhydre). Les ions Fe² ⁺ donnent une couleur VERT PÂLE à la solution aqueuse. Lame de Cu dans le sulfate de Fer Fe² ⁺ ,So 4 ² ˉ Lame de fer dans le sulfate de cuivre Cu² ⁺ , SO4 ² ˉ Observation: Observation: Une couche de Cu (rouge) se dépose sur la plaque de Fe au bout de quelques heures . Interprétation et équations : Interprétation et équations : ● Réduction de Cu² ⁺ Cu² ⁺ , SO4 ² ˉ +2 e ˉ -->Cu + SO4 ² ˉ ● Fe --> Fe² ⁺ + 2 e ˉ (Oxydation de Fe) Cu² ⁺ , SO4 ² ˉ +Fe--> Cu + Fe² ⁺ ,So 4 ² ˉ Conclusion: ● Fe est plus réducteur que Cu . ● Cu² ⁺ Est plus oxydant que Fe² ⁺ Conclusion: 1. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 6 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Lame de fer dans le sulfate de zinc Zn² ⁺ ,SO 4 ² ˉ Lame de Zinc dans le sulfate de Fer Observation: Observation: Interprétation et équations : Interprétation et équations : Conclusion: Conclusion: Eclipse à Chéraute BILAN: Classer les métaux du plus Réducteur au moins réducteur : ● FORMATION DE PILES ET POTENTIEL REDOX Exemple de la pile Daniell (Zinc-Cuivre): L’ANODE : L’électrode appartenant à la demi-pile où a lieu une OXYDATION. LA CATHODE : On appelle cathode l’électrode appartenant à la demi-pile où a lieu une réduction. ● Quel est le MÉTAL qui S'OXYDE ? ● Marquer L'ANODE . ● ● L'ANODE est le pôle + ou ­ ? Vérification au VOLTMÈTRE: U Zn−Cu=______ Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 7 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute La différence de potentiel (ddp) entre les couples redox d'une pile dépend de la nature des couples . ● On a ainsi classé les couples en mesurant leur DDP par rapport au potentiel standard de l'hydrogène. ● Cela donne le POTENTIEL STANDARD E⁰ DU COUPLE . ● On peut ainsi prévoir quel élément va oxyder l'autre . Plus E⁰ est fort plus l'élément est oxydant . EXEMPLES : ● RÈGLE: LA RÉACTION SPONTANÉE A LIEU: ENTRE L’OXYDANT DU COUPLE DE PLUS FORT POTENTIEL ET LE RÉDUCTEUR DU COUPLE DE PLUS FAIBLE POTENTIEL. Cette règle peut se résumer par le schéma ci-contre: Exemple: Entre les couples Al³ ⁺ Oxydant 2 ; Fe² ⁺ Donc Fe² ⁺ + 2 e ˉ -> ● Evaluer ainsi si l'or Al / Al³ ⁺ et Fe / Fe² ⁺ . Oxydant 1 ; Al Reducteur 1 ; Fe Reducteur 2 ; Fe et Al -> Al³ ⁺ + 3 e ˉ Au s'oxyde en présence de O2 Remarque :Quelques métaux classés par ordre croissant de pouvoir réducteur : Ag, Cu, Pb, Sn, Fe, Cr, Zn, Al (Le Cu oxydera tous ces métaux sauf Ag) Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 8 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute EXPÉRIENCES DE CORROSION MÉTALLIQUES Influence du milieu et mise en évidence de quelques FACTEURS DE CORROSION: http://www.enfa.fr/physique-chimie/wp-content/uploads/2009/10/corrosionfer_enseignant.pdf Dans le tube N°1, un clou et le chlorure de calcium(CaCl2) avide d'eau ; Tube bouché. Dans le tube N°2, introduire un clou et de l’eau salée ; Dans le tube N°3, introduire un clou et de l’eau salée recouverte d’une couche d’huile (isole de l'air); Dans le tube N°4, un clou et de l’eau bouillie(pour bien dégazer notamment O² dissous).Tube bouché. ON LAISSE AGIR PLUSIEURS JOURS. N°1 N°2 N°3 N°4 Voir meilleurs photos dans CorrosionExpeTubClouEau+Sel+Air.odp Observations: Interprétations et conclusion: Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 9 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION http://mathsciences-lp.ac-creteil.fr/cms/IMG/pdf/FMC7.pdf http://www.enfa.fr/physique-chimie/wpcontent/uploads/2009/10/corrosionfer_enseignant.pdf Eclipse à Chéraute Départ de l'expérience : Corrosion accélérée en milieu très oxydant: l'eau de "Javel" ( Na ⁺ ,Cl O ˉ ; Cl O ˉ ions hypochlorites très oxydants ) . Rq: on aurait pu faire avec l'acide chlorydrique, ( H ⁺ aq ; Cl ˉ ) ; Ion H ⁺ aq très oxydant. Protocole expérimental (manipulations) ● 3 clous d'acier décapés de la pellicule d'oxydation ou autres impuretés ● BAS: Clou entouré d'un ruban de zinc Zn ● MILIEU:Clou entouré d'un ruban de Mg (magnésium). ● HAUT :Clou entouré d'un ruban de Cu (cuivre). ● On couvre les clous d' eau de "Javel ● ● Observations au bout de quelques minutes: PRÉVOIR : Quels seront les métaux constituants l'anode (pôle -) de chaque pile constituées: quels seront les métaux oxydés à l'aide de la méthode page précédente: Interprétation et conclusion: On montre: – l'oxydation anodique du fer quand il est au contact d'un métal moins réducteur que lui. ( E⁰ plus fort) – la protection cathodique du fer quand il est au contact d'un métal plus réducteur que lui. ( E⁰ plus faible) Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 10 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute EXPÉRIENCES ILLUSTRANT QUELQUES MÉCANISMES DE CORROSION Matériel et produits - 3 grands clous (de 4 à 5 cm environ) en fer bien décapés ; - agar-agar en poudre ; - sel cristallisé ; - 2 boîtes de Pétri ; - compte-gouttes de phénolphtaléine ; - un tube à essais ; - ferricyanure de potassium solide – spatules ; OBSERVATIONS - une coloration bleue à la pointe et à la tête du clou et, pour le clou qui a été tordu, aux endroits où il a été tordu et où les pinces ont été placées pour le tordre ; - une coloration rose le long des autres parties du clou. Au niveau du tube à essais, on observe une coloration bleue autour de la partie profonde du clou et une coloration rose autour de celle située près de la surface du gel. Phénolphtaléine vire au rose en milieu basique et permet de visualiser les zones où se produit la réduction de l’eau ou celle de dioxygène car le milieu y devient basique(PRODUCTION OH¯). Le ferricyanure de potassium est un indicateur de l’ion Fe2+ et vire au bleu . La coloration verte est celle de départ du gel et mélange. Ces indicateurs permettent ainsi de montrer que sur une pièce de fer, les zones d’écrouissage important se comporte en pôle – avec oxydation du fer à l’état de fer(II) et que les autres zones agissent en pôle + avec réduction de l’eau et du dioxygène dissous et apparition d’un milieu basique. Il en est de même au cours du phénomène d’aération différentielle (lorsque le fer est dans un milieu où existe un gradient de concentration en dioxygène) : la corrosion se produit dans les zones les moins oxygénées. Dans tous les cas, il se forme une micro-pile de corrosion mais il ne peut se former de rouille car la migration des ions est fortement freinée par le gel d’agar-agar. D'où l'idée de milieu peu conducteurs des ions pour protéger les métaux (gaz....) Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 11 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute MÉCANISMES INTERVENANT DANS LA CORROSION DU FER ET DES ACIERS http://www.cndp.fr/tdc/tous-les-numeros/histoire-de-la-chimie/videos/article/oxydoreduction-et-corrosion.html 1. Des molécules de dioxygène dissout dans l'eau attaquent les atomes de fer et leur arrachent deux électrons formant les ions fer 2, Fe² ⁺ (VERTS). Les e ˉ ne peuvent circuler que dans le métal et les ions dans des liquides . 2. Simultanément, le ballet des électrons, du dioxygène et de l'eau se solde par la formation d'ions hydroxyles(OH-). 2 H2O + O2 + 4 e ˉ -> 4 OH- 3. C'est une première étape, mais l'oxydation se poursuit. L'oxygène attaque les ions Fe² ⁺ (1'48), leur arrache un électron et les transforme en fer 3, Fe³ ⁺ (Couleur Rouille). Il y a aussi Formation de nouveaux ions hydroxyle. Les 2 demi-équation d'oxydo-réduction: Fe² ⁺ -> Fe³ ⁺ + e ˉ ; 2 H2O + O2 + 4 e ˉ -> 4 OH ˉ Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 12 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute Finalement, les ions fer 3, Fe³ ⁺ et les ions hydroxyles OH ˉ s'assemblent dans un précipité Hydroxyde de fer (Fe3+,3 OH-)(1'58). Fe³ ⁺ + 3 OH ˉ -> ( Fe³ ⁺ ;3 OH ˉ ) C'est la rouille orange vif qui s'étale en surface.(2'08) Cette rouille va maintenant attaquer en profondeur les atomes de fer encore intactes, mais plus lentement et moins énergiquement, formant une rouille plus foncée(Fe3O4 Noir et magnétique.Magnétite). Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 13 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute CORROSION PAR PIQÛRES : La formation de piqûres est un phénomène de corrosion qui survient lorsqu'une pièce est protégée contre la corrosion généralisée par un film passif, souvent un oxyde protecteur(par exemple, acier inoxydable ou aluminium). Il s'agit d'une corrosion localisée. En surface, on ne voit qu'un petit point, mais en dessous, il y une cavité bien plus importante. Ceci entraîne à terme la perforation de la pièce et sa fragilisation. La formation de piqûres est un phénomène d'autant plus redouté qu'il surprend l'utilisateur : celui-ci a pensé à la corrosion généralisée, il pense être protégé, et la trace extérieure de corrosion est quasiment indétectable. Mécanisme général de la piqûration : pile électrochimique, acidification en fond de fissure et migration d'anions (en particulier d'ions chlorure) dans la piqûre Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 14 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute MÉTHODES DE PROTECTION CONTRE LA CORROSION: PROTECTION PAR PASSIVATION OU AUTOPASSIVATION : L’aluminium ternit à l’air car il se recouvre d’une couche d’oxyde d’aluminium : l’alumine. Cette couche d’oxyde d’aluminium est imperméable à l’air et à l’eau et protège le métal (contrairement à la rouille sur le fer). http://etab.ac-orleans-tours.fr/clg-hubert-fillay-bracieux/physique/3/chimie3/cchimie34.htm ● ● Il n’est donc pas nécessaire de protéger les objets en ALUMINIUM de l’air ambiant : ILS S’AUTO-PROTÈGENT (PHÉNOMÈNE D’AUTO-PROTECTION): AUTOPASSIVATION. PASSIVATION: RECOUVREMENT PAR UNE COUCHE(PEINTURE, Métal ...) EMPÊCHANT L'OXYDATION DU MÉTAL RECOUVERT . Exemples: Galvanisation: Recouvrement par du Zinc qui va se couvrir d'oxyde de Zinc inoxydable. Étamage: Recouvrement par de l'étain Sn . Fer blanc , ''soudure'' à l'étain ..... http://etab.ac-orleans-tours.fr/clg-hubert-fillay-bracieux/physique/3/chimie3/cchimie34.htm Ce couteau de vitrier en acier a rouillé très rapidement suite à une inondation. Rouille orange vif de première étape ( Fe³ ⁺ ;3 OH ˉ ) avant le précipité Fe3O4 plus foncé . Lame d'aluminium avant et après décapage. La lame se couvre d'une couche d'oxyde d'aluminium blanchâtre inoxydable et étanche. Lame de Zinc avant et après décapage Lame de cuivre avant et après décapage La couche d'oxyde de Zinc, gris foncé, protège le métal de l'oxydation. Couche d'oxydes de cuivre (vert de gris ) qui protège le cuivre au dessous. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 15 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION ● Eclipse à Chéraute PASSIVATION PAR ALLIAGE . CAS DES ACIERS ''INOXYDABLES'' : On ajoute dans la solution métallique un élément qui va s'oxyder très vite et former une couche d'oxydes imperméable protégeant de nouvelles oxydations. FILM DE PASSIVATION. Donc, en fait l'alliage s'oxyde très vite en surface et n'est pas ''Inoxydable''. C'est un abus de langage . Exemple des ACIERS ''INOXYDABLES'' :http://fr.wikipedia.org/wiki/Acier_inoxydable Les aciers inoxydables sont des alliages acier-chrome(fer-carbone-chrome). Conformément à la norme européenne EN 10088-1, un acier est classé acier inoxydable s’il contient au minimum 12 % en masse de chrome Cr et moins de 2 % de carbone. Mécanisme de passivation d'un acier inoxydable : Les atomes de chrome dans l'acier réagissent avec le dioxygène de l'aire et forment une couche protectrice ,d'oxyde de chrome. http://fr.wikipedia.org/wiki/Passivation ''Repassivation'': Lorsque le film d'oxyde est abimé, rayures, attaques chimiques... , il se reconstitue. C'est l'énorme avantage des aciers ''Inox'' . Le film est très mince et invisible sans instruments. Exemples de quelques ''aciers Inox'' courants: X2CrNi18-10 (AISI 304L) : C : 0,02 %, Cr : 17 à 19 %, Ni : 9 à 11 %, utilisés pour ouvrages divers ; • • • Cr 2 O3 X2CrNiMo17-12 (AISI 316L) : C : 0,02 %, Cr : 16-18 %, Ni : 11-13 %, Mo (molybdène) : 2 %, sés dans les industries chimiques, pharmaceutique, pétrolières, agro-alimentaires et milieu nautique ; X8Cr17 (AISI 430) : C : 0,08 %, Cr : 16-18 %, utilisés pour les articles de ménage, l'électroménager, les éviers ; PRÉVENTION DE LA CORROSION: • les surfaces doivent être décapées pour éliminer tous les oxydes résultant de la fabrication à chaud • Eliminer les particules ferreuses(corrosion par piqures) ; Nettoyage à l'acide nitrique . • supprimer les tensions résiduelles résultant d'un écrouissage à froid, en particulier celles qui résultent de l'emboutissage ; • éviter, lors de la conception des pièces, de créer des zones difficiles à nettoyer ; • éviter tous les contacts non indispensables entre les pièces d'acier inoxydables et les autres matériaux, métalliques ou non ; • Eviter les risque de contamination par le fer (brosse métallique....). Utiliser le sablage (papier verre...) • L'état de surface doit être soigné car il conditionne l'établissement d'un film passivant ; • le cas échéant, aider la formation d'un film passif en traitant à l'acide nitrique ou citrique. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 16 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute PROTECTION CATHODIQUE: On met le métal à protéger dans les conditions pour être la cathode de la pile formée avec un autre élément(souvent un métal ) plus réducteur . ● ● La galvanisation est aussi une protection cathodique dans la mesure où le métal de recouvrement, le Zinc, est plus réducteur que l'acier . Il y a donc double protection, par isolement(passivation) et protection cathodique. Cette méthode est utilisée pour protéger les coques Protection cathodique par anode sacrificielle: de bateaux et les conduites souterraines. Dans les on connecte électriquement le métal à protéger à deux cas on utilise une anode sacrificielle en zinc une pièce d’un métal moins noble placée elle pour protéger de l’acier (fer). L’avantage de cette aussi dans le milieu corrosif. méthode pour les conduites est que la protection www.pls-france.com/FR/protection_cathodique.pdf peut se faire à distance. Anodes sacrificielles sur la coque et le safran d'un cargo http://fr.wikipedia.org/wiki/Protection_cathodique#La_protection_cathodique_galvanique Le métal le moins réducteur devient la cathode et n’est plus oxydé tant que l’anode sacrificielle n’a pas été totalement oxydée. On utilise en en général des anodes sacrificielles en zinc, en magnésium ou en aluminium. ● Protection cathodique par courant imposé: On utilise un générateur de courant continu et on connecte la pièce à protéger au pôle négatif, et une anode sacrificielle dans un matériau quelconque (graphite par exemple). La pièce à protéger est donc à un potentiel trop bas pour être oxydée(elle reçoit des e ˉ , on se situe dans son domaine d’immunité. Elle est alors siège d’une réduction, par exemple de l’eau du milieu. Le courant est très faible, c’est le potentiel bas qui permet la protection. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 17 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute PROGRAMME (Le B.O. N° 11 28 NOV. 2002 ) C.1. Oxydoréduction C.1.1. Oxydoréduction et réduction par voie sèche; application à la sidérurgie. C.1.2. Application de l’oxydoréduction à la corrosion des métaux. Connaissances antérieures utiles − En sciences physiques : • oxydoréduction en solution aqueuse (programme de la classe de Première « Génie Mécanique ») Connaissances scientifiques − citer les causes de la corrosion des métaux. − citer les principales méthodes de protection contre la corrosion (y compris la protection cathodique dans le cas des métaux ferreux). Savoir-faire théoriques − écrire l’équation de la réaction de réduction de l’oxyde de fer II par le monoxyde de carbone. − équilibrer une réaction d’oxydoréduction simple en phase aqueuse. TESTS DE RECONNAISSANCE DES IONS DANS LES SOLUTIONS http://www.ac-orleans-tours.fr/physique/phyel/trois/pagion/ion.htm Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 18 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute DIFFÉRENTS TYPES DE CORROSION HUMIDE CORROSION GÉNÉRALISÉE UNIFORME : La surface entière du métal sert à l’oxydation et à la réduction, sans distinction de sites anodiques et cathodiques. Il n’y a intervention que d’un seul métal. C’est le cas par exemple de la corrosion du zinc ou du fer en milieu acide. CORROSION GÉNÉRALISÉE GALVANIQUE : Lorsque deux métaux différents sont en contact ou reliés électriquement dans un milieu corrosif aqueux, un des métaux sera oxydé (sites anodiques) tandis que la réduction aura lieu à la surface de l’autre métal (sites cathodiques). Le métal le moins noble (le plus réducteur) des deux sera corrodé. Ce type de corrosion peut aussi apparaître dans le cas d’un seul métal mais avec différents degrés de pureté (hétérogénéités) : Fer relié à un métal plus réducteur Fer relié à un métal moins réducteur CORROSION LOCALISÉE : Corrosion par piqûres (essentiellement en présence d’ions chlorures). Corrosion par aération différentielle (hétérogénéité de la concentration en dioxygène dans le milieu corrosif), Corrosion intergranulaire (hétérogénéité du métal au niveau des joints de grains dans la structure cristalline). Il y a plus d’oxygène près de la surface du fait de l’agitation des vagues que plus profondément : Bateau: oxydation au fond de la coque et réduction Corrosion par aération différentielle : de O2 près de la surface. Lorsqu’une pièce de métal est mise en contact avec de l’eau aérée de manière inhomogène, on observe Poteau de soutènement d’un ponton : Oxydation du poteau près du sol la corrosion du métal dans les zones de plus faible concentration en dioxygène dissous. On dit qu’il y a formation d’une pile d’aération différentielle : Oxydation dans la zone argileuse Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 19 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute MÉCANISME DE LA CORROSION ATMOSPHÉRIQUE DE L'ACIER De CorrosionGenerale.pdf (livre Auteur sources ????) La corrosion atmosphérique de l'acier peut être schématiquement décrite par la réaction suivante : 4 Fe + 3 O2 + 2 H2O → 4 FeOOH [3] Le composé FeOOH, qui peut être considéré comme de l'hématite Fe2O3 hydratée (2 FeOOH → Fe2O3 + H2O) désigne globalement la rouille, qui est en fait un mélange complexe de différentes phases cristallines et amorphes d'oxydes et d'hydroxydes de fer et dont la stoechiométrie ne correspond qu'approximativement à la formule globale FeOOH. Les trois composants principaux de la rouille sont respectivement : • La lépidocrocite γ-FeOOH de structure rhomboédrique; • La goethite α-FeOOH de structure rhomboédrique; • La magnétite Fe3O4 de structure cubique. Lorsque l'on expose une surface d'acier humide à l'atmosphère, elle se recouvre rapidement d'un film mince de produits de corrosion. Cette réaction de formation de la rouille est d'autant plus rapide que la surface est contaminée par des polluants comme les ions sulfates. dddd Les différentes étapes du mécanisme sont représentées en dessous ci-contre : Évolution de la corrosion observée sur des échantillons d'acier ordinaire exposés pendant plusieurs années à différents types d'atmosphères. Pour chacune des courbes, on observe que la vitesse de corrosion (pente des courbes) atteint une valeur quasi stationnaire après une phase initiale de décroissance. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 20 / 21 OXYDATION ET RÉDUCTION – APPLICATION À LA CORROSION Eclipse à Chéraute PILES CLASSIQUES http://pedagogie.ac-amiens.fr/math-sciences/IMG/doc/pile.doc PILE SALINE Electrolyte ionique (sels) La décharge de la pile dépend du courant débité et des conditions de température/pression: ● Piles Alcaline: 50 à 60 heures. ● Laiton + Gaine de zinc PILE ALKALINE (Potassium K, Z=19 Alcalin ) (K très réducteur ) + Boîtier en acier Electrolyte Gel (NH4+ , Cl-) et (Zn2+ , 2Cl-) Se décharge de 1,5 V et 1,2 V au bout d'une dizaine d'heures, puis sa tension reste constante à 1,2 V une quarantaine d'heures, avant de décroître régulièrement entre 1,2 V et 0 V Pile Saline:20 à 25 heures. Se décharge de manière régulière de 1,5 V à 0 V MnO2 + carbone graphite Electrolyte Séparateur inhibé de (K+,OH-) MnO2 + carbone graphite Poudre de zinc U Tige de carbone _ t MILIEU ACIDE Oxydation du zinc à l'anode Zn → Zn2+ + 2e- Evolution Chimique Avantages/Inconvénients Isolant Réduction du MnO2 à la cathode MnO2 + H3O+ + e- → MnO(OH) + H2O (manganite) L'électrode de zinc est rongée. De l'hydrogène se forme sur l'électrode de graphite. La pile se polarise. le dioxyde de manganèse (dépolarisant) "s'empare" de l'hydrogène et permet un meilleur passage du courant. L'enveloppe de zinc s'amincit au cours du temps et finit par percer. La poudre de carbone à la cathode permet une meilleure circulation car le MnO2 est mauvais conducteur Moins cher Empreinte écologique ? Conducteur métallique _ Joint séparateur Fond en acier MILIEU BASIQUE Oxydation du zinc à l'anode Zn + 4OH-→ Zn(OH)42- + 2eRéduction du MnO2 à la cathode MnO2 + H2O + e- → MnO(OH) + OHPlus étanche que la saline car le zinc ne constitue plus le boîtier. Elle a une durée de vie supérieure car sa quantité d'oxydant (MnO2) est plus importante. Le zinc est meilleur réducteur en poudre qu'en plaque Plus cher Empreinte écologique ? LIENS: Corrosion :Théorie et exemples pratique, Bateau, canalisation.... http://cedricmorin.free.fr/fiches_pratiques/corrosion.htm CHIMIEAULYCEE_CNRS;OXYDORÉDUCTION: http://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/oxydo/reaction.htm http://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/oxydo/prezoxy.htm (photos et Théorie) Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 26/05/11-OxydoRedoxCorrosion.odt-Djl-Page: 21 / 21
