Chimie Cycle de vie des matériaux : la vie des aciers

Chimie
Thème : Matériaux
ASDS
Cycle de vie des matériaux : la vie des aciers
Chap.7
Etant donné ses propriétés mécaniques très intéressantes, le fer, pur ou sous forme d’alliages, est le métal le plus
utilisé dans l’industrie et le bâtiment. Elaboré à partir de minerai principalement constitués d’oxydes, il s’oxyde
naturellement à l’air s’il n’est pas protégé.
De minerai à la rouille, quelles sont les principales étapes de la vie du fer ?
L’homme peut-il les modifier ? Si oui dans quel but ?
I. Production du fer
Doc 1 : Evolution de la production de fer
• Les premières productions de fer par pyrométallurgie (dès 1700 avant J.-C.)
utilisant la technologie des bas fourneaux.
• « Le minerai enfourné avec du charbon de bois contenait de l’hématite Fe2O3.
Le four était alors un bas foyer creusé dans le sol et placé sur un point haut
pour obtenir un bon tirage naturel.
Du point de vue chimique, ce qui s’y passait peut être résumé par la réaction 2
Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2. Cette réaction consiste en une réduction de
l’oxyde de fer et une oxydation du carbone, laquelle dégage de la chaleur. La réduction n’a lieu que vers
1200°C, température qui, dans les bas foyers, n’était atteinte que localement.
Là où elle l’était, le fer s’individualisait en petits cristaux qui ne fondaient pas puisque sa température de fusion
est 1536°C. Peu à peu, ces cristaux se groupaient en petits amas poreux et pâteux qui descendaient lentement et
se réunissaient en une masse inhomogène, le loupe. Celle-ci, qui épousait grossièrement la forme hémisphérique
du fond du four, ne pesait que quelques kilogrammes.
Une part importante de l’oxyde n’était pas réduite et se combinait au silicium (de la silice SiO2) et au calcium
(du calcaire CaCO3) pour former un silicate riche en fer. Comme la cendre du charbon de bois renferme des
éléments alcalins qui en abaissent le point de fusion (ce sont des « fondants »), ce silicate fondait en un laitier
moins dense que le fer et flottant sur lui. Il se refroidissait en une scorie
vitreuse ».
• Dès le XIVème siècle est mis au point le haut fourneau. Les charges (minerai
et coke) versées en continu dans le gueulard descendent sous l’effet de leur
poids et rencontrent un courant gazeux ascendant de diazote et de monoxyde
de carbone provenant de la combustion du coke par l’air introduit au niveau
des tuyères.
Il en résulte, du sommet de la cuve aux étalages, un ensemble complexe de
réactions conduisant à la réduction des oxydes de fer par le monoxyde de fer.
Du creuset s’écoule la fonte et le laitier, moins dense que la fonte. La fonte
est ensuite débarrassée de ses impuretés et d’une partie du carbone pour
donner l’acier ; les laitiers sont exploités par d’autres
industries : construction de route, cimenterie,...
• Actuellement deux filières d’élaboration de l’acier
coexistent : la filière fonte et la filière ferraille.
Dans la filière fonte, après broyage, le minerai est
introduit avec du coke dans le haut fourneau. On obtient
la fonte, qui est acheminée vers un convertisseur où elle
réagit avec du dioxygène (combustion d’une partie du
carbone et des résidus) pour donner l’acier.
Dans la filière ferraille, la ferraille, triée et broyée est
introduite dans un four électrique : de l’acier en fusion
est obtenu. On introduit éventuellement du dioxygène.
01/09/2015
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Doc 2 : Fer, fonte et acier
• Ces trois produits diffèrent par leur teneur en carbone.
Le fer est un matériau mou et malléable, dont la teneur en carbone est infime
L’acier a une teneur en carbone pouvant varier de 0,003% à 2% maximum ; il est à la fois malléable et
résistant.
L’inox est un acier composé de 75% de fer, 8% de nickel, de 17% de chrome et d’un peu de carbone.
La fonte, avec une teneur élevée en carbone (de 2% à 6%), existe en plusieurs qualités : de malléable et
ductile à très dure et résistante.
Doc 3 : Les oxydes de fer
• Le principal oxyde de fer dans un minerai de fer est l’hématite ou oxyde de fer (III) Fe2O3 (s). Sa réduction par le
monoxyde de carbone CO (g), permet d’obtenir, en cinq étapes, le fer ou ses alliages, l’acier et la fonte.
• Dans une 1ère étape, le carbone C (s) du charbon de coke réagit avec le dioxygène O2 (g) pour donner du dioxyde
de carbone CO2 (g), qui dans une 2nde réaction, donne du monoxyde de carbone CO (g), en réagissant avec le
carbone solide C (s). A la température du haut-fourneau, l’excès de carbone permet la conversion de la totalité du
CO2 (g) en CO (g). Le CO (g).produit réduit les oxydes de fer en trois étapes :
Pour 320°C < θ < 620°C, Fe2O3 (s) est réduit en Fe3O4 (s) ;
Pour 620°C < θ < 950°C, Fe3O4 (s) est réduit en FeO (s) ;
Pour θ > 950°C, FeO (s) est réduit en Fe (s).
• Au cours de ces réactions, CO (g), est oxydé en CO2 (g).
Questions
1) Quels sont les différents rôles du charbon dans la production de fer par un bas fourneau ?
2) Pourquoi est-il nécessaire que la température soit suffisamment élevée au sein d’un haut ou d’un bas fourneau ?
3) En quoi la technique du haut fourneau s’avère-t-elle plus intéressante que celle du bas fourneau ?
4) Comment obtient-on de la fonte ?
5) Qu’est ce qui différencie la fonte de l’acier ?
6) Les équations des réactions : En pratique, le réducteur qui réduit les oxydes de fer est le monoxyde de carbone
CO (g), qui résulte de la réaction du dioxyde de carbone CO2 (g) sur le carbone lui-même. Le dioxyde de carbone
provient lui même de la combustion du charbon.
a) Ecrire et ajuster les 5 équations mises en jeu dans le doc 3.
b) Globalement les deux réactifs de l’ensemble des réactions mises en jeu dans le haut fourneau sont C (s) et
Fe2O3 (s) et les deux produits sont Fe (s) et CO2 (g). Equilibrer l’équation globale.
7) Quelques calculs :
• Un haut-fourneau reçoit une masse de 1,0 tonne d’un minerai qui contient en masse 64 % d’oxyde de
fer (III). Ce minerai est réduit pour produire du fer supposé pur.
• Données : M(Fe) = 55,8 g.mol-1 ; M(C) = 12,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1
a) Quelle masse d’oxyde de fer (III) contient 1,0 tonne de minerai ?
b) En déduire la quantité de matière d’oxyde de fer (III) correspondante.
c) Calculer alors la quantité minimale de carbone nécessaire à l’extraction du fer présent dans le minerai.
d) Quelle masse minimale de carbone faut-il utiliser ?
8) L’industrie du fer est une des plus gourmandes en énergie. Malgré de nombreux progrès, son empreinte carbone
reste élevée. Expliquer.
9) Quels sont les intérêts de la filière ferraille ?
10) Quelle propriété du fer peut-on utiliser pour trier les ferrailles parmi les autres déchets ?
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II. Etude de la fabrication d’un ponton en milieu marin
• Vous faites partie d’un laboratoire d’ingénierie qui doit étudier
la conception d’un ponton. En marine, le ponton (ou
embarcadère) permet l’embarquement ou le débarquement de
passagers et l’amarrage des bateaux. L’image, ci-contre, montre
un ponton en construction.
D’après http://www.parc-marais-poitevin.fr
Cet exercice porte sur la corrosion de piliers métalliques partiellement immergés en eau de mer. Vous devez, pour
cela, lire attentivement l’ensemble des documents proposés, répondre à des questions à choix multiples de la page 5
à rendre avec la copie puis résoudre le problème posé à l’aide d’une rédaction d’au minimum 20 lignes.
Document 1
L'acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines
de la construction mécanique. L'acier est constitué d'au
moins deux éléments, le fer, très majoritaire, et le carbone,
dans des proportions comprises entre 0,02 % et 2 % en
masse. C'est essentiellement la teneur en carbone qui
confère à l'alliage les propriétés du métal qu'on appelle «
acier ».
Document 2
Pour l'acier, la corrosion se traduit par la formation de
rouille. Ce produit composé d'oxydes plus ou moins
hydratés ne se forme qu'en présence de dioxygène et d'eau
à température ordinaire. Cette corrosion est dite aqueuse,
et c'est la forme la plus fréquemment rencontrée en
construction métallique.
La corrosion est un phénomène électrochimique : cela
signifie qu'il se crée des piles à la surface de l'acier, dans
lesquelles une des électrodes, l'anode, se consomme au
bénéfice de l'autre, la cathode, qui reste intacte.
L'électrolyte est constitué par l'eau, plus ou moins
conductrice et oxygénée.
Les deux demi-équations mises en jeu dans le phénomène
de corrosion sont :
½ O2 + 2 e− + H2O
2 HO−
Fe2+ + 2 e− Fe
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Document 3
Document 4
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NOM : ................................................
Prénom : ................................................
Classe : TS …
QCM: Cocher les bonnes réponses.
• Sur le tableau ci-dessous, cocher les bonnes réponses en précisant à chaque fois le numéro du document utilisé
pour répondre à la question. Chaque bonne réponse amène des points. Une mauvaise réponse ne conduit pas à
un retrait de points.
Questions
Réponses
1. La corrosion des piliers métalliques est la même sur toute leur hauteur.
Oui
Non
2. La quantité de dioxygène est identique sur toute la hauteur du pilier
Oui
métallique.
Non
3. La corrosion est plus importante à la base du pilier métallique.
Oui
Non
4. La température moyenne a une influence sur la perte d’épaisseur d’acier au
Oui
cours du temps.
Non
5. L’équation d’oxydoréduction associée à la corrosion humide peut être
écrite :
Oui
Fe(s) + H2O(l) → 2 HO−(aq) + Fe2+(aq)
Non
6. Un pilier métallique perd 0,2 mm d’épaisseur au bout de 5 ans en présence
Oui
d’une atmosphère humide et polluée.
Non
Documents
Question de synthèse :
• À partir des documents fournis et de vos connaissances personnelles, donner, en justifiant votre réponse, les
caractéristique de la corrosion des piliers métalliques au bord de la mer et proposer ensuite des pistes pour
augmenter la durée de vie du ponton. Prendre soin, pour cela, d’utiliser la totalité des documents proposés,
d’apporter une solution au problème posé en veillant à structurer les informations recueillies, d’adopter un
jugement critique argumenté et rédiger un document d’au minimum 20 lignes dans un français correct.
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