TP 3-1 : Elaboration, corrosion et protection de l`acier

TP 3-1 : Elaboration, corrosion et protection de l’acier
Prérequis :
Oxydo-réduction, piles, électrolyses
Objectifs :
Connaître une technique d’élaboration de l’acier
Savoir ce qu’est la corrosion
Savoir pourquoi et comment protéger l’acier
Vu ses très intéressantes propriétés mécaniques, le fer, pur ou sous forme d’alliages, est le métal le plus utilisé dans l’industrie et
le bâtiment. Elaboré à partir de minerais principalement constitués d’oxydes, il s’oxyde naturellement à l’air s’il n’est pas protégé.
La corrosion est un fléau : On estime que 20 % de la production mondiale d’acier est perdue chaque année sous forme de rouille.
Du minerai à la rouille, quelles sont les principales étapes de la vie du fer ? L’homme peut-il les modifier ? Si oui, comment ?
I – Analyse de documents
Document 1 : Des minerais à l’acier
En Europe, la fabrication du fer date de 1700 ans av. J.C. : on superposait plusieurs couches
successives de minerai de fer et de bois et on chauffait ces échafaudages ; le métal fondu était
travaillé sur place. Actuellement, coexistent deux filières d’élaboration de l’acier : la filière fonte et
la filière ferraille.
Dans la filière fonte, après broyage, le minerai est introduit dans un haut fourneau avec du coke
(constitué essentiellement de carbone). Le coke brûle : la chaleur dégagée fait fondre le minerai ;
le monoxyde de carbone, CO(g), formé par
la combustion, réduit en fer les oxydes de
fer
constituant le minerai. On obtient alors de
la fonte en fusion. Elle est ensuite
acheminée vers un convertisseur où elle est
versée sur de la ferraille. Du dioxygène est
introduit : il brûle une partie du carbone et
les résidus ; on obtient de l’acier.
Dans la filière ferraille, la ferraille, triée et
broyée ou à l’état brut, est introduite dans
un four électrique : de l’acier en fusion est
obtenu. Du dioxygène est éventuellement
introduit.
La production d’une tonne d’acier par la
filière fonte s’accompagne du dégagement
de deux tonnes de dioxyde de carbone.
D’après www.acier.org/lacier/comment-fabrique-t-on-lacier.html
Document 2 : Fer, fonte ou 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 est un alliage de fer et de carbone avec une teneur en carbone pouvant varier de 0,03 % à 2 %
maximum en masse. Il est à la fois malléable et résistant.
 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.
D’après le site www.Rohr.frlferaill.htm
(*) Ductile : Qui peut être étiré, étendu sans se rompre.
Document 3 : Fonctionnement d’un haut fourneau
Le principal oxyde de fer dans un minerai est l’hématite (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 première étape, le carbone C(s) du charbon de coke réagit avec le dioxygène pour donner du dioxyde de
carbone qui, dans une seconde réaction, donne du monoxyde de carbone en réagissant avec le carbone solide.
A la température d’un haut-fourneau, l’excès de carbone permet la conversion de la totalité du CO2 en CO. Le CO
produit réduit les oxydes de fer en 3 étapes : Fe2O3 réduit en Fe3O4, puis Fe3O4 réduit en FeO, puis FeO réduit en Fe.
Au cours de ces réactions, CO est oxydé en CO2.
Document 4 : Corrosion de l’acier
Le phénomène de corrosion correspond à la dégradation par oxydation d’un métal, ou d’un alliage métallique, par
des réactifs gazeux ou en solution. A l’échelle de la planète, chaque seconde, cinq tonnes d’acier sont oxydées en
rouille, mélange complexe d’oxydes et d’hydroxydes de fer plus ou moins hydratées : C’est un fléau industriel. La
corrosion de l’acier est favorisée lorsque l’atmosphère est humide et contient des espèces ioniques dissoutes.
Document 5 : Protection de l’acier
La corrosion a des conséquences importantes au niveau économique. La lutte contre la corrosion permet de
rallonger la durée de vie des objets en acier. On peut :
 Incorporer du chrome et du nickel à l’acier pour obtenir un acier inoxydable ;
 Recouvrir l’acier d’une couche protectrice imperméable (peinture, vernis, plastique, …) ;
 Recouvrir l’acier d’un autre métal : En plongeant la pièce d’acier dans un bain de zinc fondu (galvanisation)
ou par électrozingage (électrolyse) ;
 Relier un bloc de zinc à l’objet en acier à protéger.
1. Justifier l’utilisation de bois, en remplacement du coke, par les premiers métallurgistes
2. Comment obtient-on de la fonte ? Comment est-elle transformée en acier ?
3. Le recyclage de l’acier permet de préserver les ressources naturelles, de réduire l’utilisation d’énergie et de
réduire les émissions de gaz à effet de serre. Justifier.
II – Pratique expérimentale
On se propose de vérifier que certaines techniques de protection contre la corrosion citées dans le document 5
fonctionnent, et d’expliquer pourquoi.
1°) Identification des ions
Ion à identifier
Ion Fer (II) Fe2+(aq)
Ion Zinc (II) Zn2+(aq)
Ion hydroxyde HO-(aq)
Réactif test
Observations
Ion Hexacyanoferrate (II)
[Fe(CN)6]3-(aq)
Ion Hexacyanoferrate (II)
[Fe(CN)6]3-(aq)
Phénolphtaléïne
A l’aide des solutions disponibles au bureau et à votre paillasse, réaliser les expériences permettant d’identifier les
ions proposés et compléter le tableau.
2°) Réalisation de l’électrozingage
Dans un bécher de 250 mL verser environ 200 mL de solution de sulfate de zinc (II). Réaliser ensuite le schéma
électrique suivant :
Après vérification du professeur, mettre le générateur en fonctionnement, et augmenter progressivement la tension
du générateur.
4. Que se passe-t-il ?
5. Comment savoir si le solide produit est du fer ?
6. Quel est l’autre solide qui aurait pu apparaître ?
Si l’on mesure la masse l’électrode de zinc, on constate qu’elle a diminué.
7. Vérifier la cohérence des résultats expérimentaux en complétant le schéma ci-dessus (indiquer le sens du
courant et le sens de déplacement des électrons, puis la cathode, l’anode, et les demi-équations de réaction
qui y ont lieu)
3°) Vérification des techniques de protection contre la corrosion
8. Schématiser les 2 expériences proposées par le professeur
9. Quelle technique de protection a ainsi été mise en évidence ?
10. Ecrire les réactions d’oxydo-réduction apparaissant dans chaque boîte de pétri.
(On donne les différents couples rédox qui peuvent potentiellement entrer en jeu : Fe2+/Fe ; Zn2+/Zn ; H+/H2 ; O2/HO-)
4°) Anode sacrificielle
Pour protéger les coques en acier des navires, on place des blocs de zinc contre
cette dernière.
11. Justifier le terme d’anode sacrificielle utilisé pour décrire le bloc de
zinc.
Un marin veut s’assurer de la bonne protection de la coque de son bateau par
ce procédé. Pour cela, il branche un voltmètre entre la coque d’acier et le bloc
de zinc, la borne com étant reliée à la coque en acier. Il mesure une tension U=
- 320mV.
12. En déduire la borne positive de la pile.
13. La protection est-elle assurée ?