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 : 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 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. 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) Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 1/3 THEME 1 : LES MATERIAUX CHAP.1 CYCLE DE VIE DES MATERIAUX (CHAP.7 DU LIVRE) 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) : 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) : 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. En conclusion, formulez votre hypothèse : qui, du zinc ou du cuivre, protègera mieux le fer ?… HYPOTHESE : Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 2/3 THEME 1 : LES MATERIAUX CHAP.1 CYCLE DE VIE DES MATERIAUX (CHAP.7 DU LIVRE) 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. 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. I= Tests de corrosion Introduire dans une boite de Pétri : - un clou non protégé, bien décapé et dégraissé au dichlorométhane - chacun des deux clous « protégés » précédemment 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 Hexacyanoferrate II de potassium Ion à identifier Observation Ion hydroxyde ( HO(aq) ) 2 Ion fer (II) ( Fe(aq) ) 2 Ion zinc ( Zn (aq) ) Coloration rose Précipité bleu Précipité blanc 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. CONCLUSION : l’hypothèse est-elle validée ? Ch1 –Act 2 TP Corrosion - 3/3