THEME 3 : MATERIAUX

THEME 3 : MATERIAUX
CHAPITRE 7 : CYCLE DE VIE DES MATERIAUX
ELABORATION, PROTECTION ET CORROSION DE L’ACIER
Matériel par poste :
. Phénolphtaléine
. 2 boites de pétrie + 1 bécher + 1 pipette
plastique
. 3 Clous en fer décapés + 1 clou en fer
galvanisé + Plaque en acier décapée
. 1 fil de cuivre et de la grenaille de zinc
Matériel prof :
. solution tiède (60°C) contenant 1L d’eau, 30g de chlorure de sodium NaCl, 10g d’agar-agar (gélifiant), 0,2g
d’hexacyanoferrate de potassium K3[Fe(CN)6] et 50mL de phénolphtaléine (2g/L).
. 100mL solution d’ions Fe2+
. 100mL solution d’ions Zn2+
. 100mL solution d’ions HO. 100mL solution d’hexacyanoferrate de potassium K3[Fe(CN)6]
rique, utilisée d ans l’hab itation .
Démarrer la partie expérimentale II.2 puis revenir à la partie I.
I – ELABORATION, PROTECTION ET CORROSION DE L’ACIER
Document n°1 : Élaboration du fer, de la fonte et de 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 le 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.
La fonte est ensuite acheminée vers un convertisseur où du dioxygène est introduit. L’oxygène brûle une partie du
carbone et des résidus de la fonte; on obtient alors 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 2 tonnes de CO2.
Document n°2 : Fer, fonte acier, ne pas
Document n°3 : Fonctionnement d’un haut-fourneau
confondre.
Le principal oxyde de fer dans un minerai de fer est l’hématite ou
Ces trois produits diffèrent par leur teneur en
oxyde de fer (III) Fe2O3(s). Sa réduction par le monoxyde de
carbone.
carbone CO(g), permet d’obtenir, en cinq étapes, le fer ou ses
Le fer est un matériau mou et malléable, dont la
alliages, l’acier et la fonte.
teneur en carbone est infime.
Dans une première étape, le carbone C(s) du charbon de coke
L’acier est un alliage de fer et de carbone avec une
réagit avec le dioxygène O2(g) pour donner du dioxyde de
teneur en carbone pouvant varier de 0,03 % à 2 %
carbone CO2(g), qui dans une seconde réaction, donne du
maximum en masse; il est à la fois malléable et
monoxyde de carbone, CO(g), en réagissant avec le carbone
résistant. L’acier inox est un alliage d’acier, de
solide C(s). À la température du haut-fourneau, l’excès de
chrome (de 16 à 19 %) et de nickel (9 à 13 %), et
carbone permet la conversion de la totalité du CO 2(g) en CO(g).
d’un peu de carbone (< 1%).
Le CO(g) produit réduit les oxydes de fer en trois étapes:
La fonte, avec une teneur élevée de carbone (de 2
- Pour 320°C < θ < 620°C, Fe2O3(s) est réduit en Fe3O4(s) ;
% jusqu’à 6 %), existe en plusieurs qualités : de
- Pour 620°C < θ < 950°C, Fe3O4(s) est réduit en FeO(s) ;
malléable et ductile (qui peut être étiré, étendu sans
- Pour θ > 950°C, FeO(s) est réduit en Fe(s).
Au cours de ces réactions, CO (g) est oxydé en CO2(g).
se rompre) à très dure et résistante.
a) Justifier l’utilisation du bois par les premiers métallurgistes.
b) Comment obtient-on de la fonte ? Comment est-elle transformée en acier ?
c) Qu’est-ce qui différencie la fonte de l’acier ?
d) Écrire et ajuster les cinq équations de réactions mises en jeu dans le document n°3.
Globalement les 2 réactifs de l’ensemble des réactions mises en jeu dans le haut fourneau sont C(s) e Fe2O3(s) et les
deux produits sont Fe(s) et CO2(g). En déduire l’équation bilan des cinq réactions mises en jeu dans le haut fourneau.
e) Un haut-fourneau reçoit une masse de 1,00.103kg d’un minerai qui contient en masse 64 % d’oxyde de fer (III).
Ce minerai est réduit pour produire du fer supposé pur. Quelle masse d’oxyde de fer (III) contient 1,00.103kg de minerai
? En déduire la quantité d’oxyde de fer (III).
Calculer la quantité minimale de carbone nécessaire à l’extraction du fer présent dans de minerai.
Quelle masse minimale de carbone faut-il utiliser ?
Données : M(Fe) = 55,8 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1 ; M(C) = 12,0 g.mol-1
Document n°4 : Corrosion de l’acier.
Le phénomène de corrosion correspond à la dégradation d’un métal, ou d’un
alliage métallique, par des réactifs gazeux ou en solution.
À 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
hydratés.
La corrosion est un fléau industriel. On estime en effet que 20 % de la
production mondiale d'acier sont perdus chaque année sous forme de
rouille. La corrosion de l’acier est favorisée lorsque l’atmosphère est humide
et contient des espèces ioniques dissoutes. La corrosion est dite uniforme
lorsque toute la surface du métal en contact avec cette solution est attaquée
de la même façon, différentielle si ce n’est que partiellement.
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CHAPITRE 7 : CYCLE DE VIE DES MATERIAUX
Document n°5 : Protection de l’acier contre la corrosion.
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 : le zinc est alors oxydé et le dioxygène est réduit à la surface
du fer ou de l’acier, qui n’est alors pas corrodé (anode sacrificielle sur la coque des navires).
Document n°6 : Recyclage des aciers.
Même protégés, les aciers se corrodent lentement. Les objets en acier corrodé
peuvent ensuite être recyclés. Les exigences en matière de taux de recyclage des
véhicules automobiles sont élevées : actuellement 54 % de l’acier présent dans une
voiture est de l’acier recyclé. Avec un taux de recyclage qui dépasse les 62 %, l’acier
est le matériau le plus recyclé en Europe. Le recyclage de l’acier permet de
préserver les ressources naturelles, de réduire l’utilisation d’énergie et de diminuer
l’émission de gaz à effet de serre.
f) Qu’est-ce que la rouille ?
g) Quel environnement favorise la corrosion de l’acier ?
h) Qu’est-ce que la galvanisation ?
i) Comment peut-on extraire des objets en fer, en fonte ou en acier d’un mélange de métaux ?
j) Justifier la dernière phrase du document n°6.
II – EXPERIENCES
La corrosion de l’acier est favorisée lorsque l’atmosphère est humide et contient des espèces ioniques dissoutes. Pour
mettre en évidence le phénomène de corrosion en milieu maritime, vous allez réaliser quelques expériences simples.
1- Identifications d’ions
• Réaliser trois expériences permettant d’identifier les ions proposés dans des tubes à essais. Verser environ 2 mL de
la solution de l’ion à tester et quelques gouttes du réactif test. Compléter le tableau :
2– Modélisation de la corrosion de l’acier en milieu maritime
• Réaliser les 3 expérience ci-dessous en versant, avec précaution, la solution corrosive salée tiède (60°C) sur la plaque d’acier et
dans les deux boites de Pétri avant qu’elle ne soit gélifiée :
• La solution corrosive salée simule le milieu marin. Elle contient du chlorure de sodium NaCl, de l’agar-agar (gélifiant), de
l’hexacyanoferrate de potassium K3[Fe(CN)6] et quelques millilitres de phénolphtaléine.
• Ces expériences nécessitent au moins 30 minutes avant d’être véritablement exploitables. En attendant revenir au I.
• Données pour interpréter les expériences :
- Le tableau d’identification des ions est nécessaire.
- un clou en fer ou une plaque d’acier se comporte comme une micropile : l'oxydation et la réduction se produisent
dans des zones distinctes. L'électroneutralité du milieu est assurée par le déplacement des ions dans le gel.
- Les couples oxydant/réducteur mis en jeu sont : O2(g) / HO–(aq) ; Fe2+(aq) / Fe(s) ; Zn2+(aq) / Zn(s).
a) Réaliser des schémas légendés afin de rendre compte de vos observations sur la plaque d’acier et dans les deux
boîtes de Pétri.
b) Interpréter les résultats expérimentaux afin de mettre en évidence :
- les réactions d’oxydoréduction mises en jeu lors de la corrosion du clou en fer et de l’oxydation du zinc;
- l’intérêt de la galvanisation ;
- l’intérêt de fixer des blocs de zinc sur la coque des navires.
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CHAPITRE 7 : CYCLE DE VIE DES MATERIAUX
CORRECTION : ELABORATION, PROTECTION ET CORROSION DE L’ACIER
I – ELABORATION, PROTECTION ET CORROSION DE L’ACIER
a) La chaleur dégagée par la combustion du bois fait fondre le minerai de fer et permet de réduire les oxydes de fer
constituant le minerai (doc.1).
b) On obtient de la fonte en chauffant dans un haut-fourneau, vers 1250°C, un mélange de minerai de fer et de charbon
à coke (schéma du doc.1). La fonte liquide obtenue réagit ensuite avec du dioxygène, dans un convertisseur vers
1600°C, qui brûle une partie du carbone et des résidus présents dans la fonte : on obtient alors de l’acier (doc.1 +
schéma).
c) L’acier et la fonte sont deux alliages de fer et de carbone mais les teneurs en carbone sont différentes : 2% maximum
en masse pour l’acier et entre 2 et 6 % pour la fonte (doc.2).
d) (1) C(s) + O2(g)  CO2(g)
(2) C(s) + CO2(g)  2 CO(g)
(3) 3 Fe2O3(s) + CO(g)  2 Fe3O4(s) + CO2(g)
(4) Fe3O4(s) + CO(g)  3 FeO(s) + CO2(g)
(5) FeO(s) + CO(g)  Fe(s) + CO2(g)
Globalement les deux réactifs sont Fe2O3(s) et C(s) et les deux produits sont Fe(s) et CO2(g).
L’équation bilan de l’ensemble des réactions mises en jeu dans le haut-fourneau est :
2 Fe2O3(s) + 3 C(s)  4 Fe(s) + 3 CO2(g)
Remarque : (3) + 2x(4) + 6x(5) donne : 3 Fe2O3(s) + 9 CO(g)  6 Fe(s) + 9 CO2(g) (6)
(6) + (9/2)x(2) donne : 3 Fe2O3(s) + 9/2 CO(g)  6 Fe(s) + 9/2 CO2(g)
Soit : 6 Fe2O3(s) + 9 CO(g)  12 Fe(s) + 9 CO2(g)
d’où : 2 Fe2O3(s) + 3 C(s)  4 Fe(s) + 3 CO2(g)
e) Si le minerai ne contient que 64 % en masse d’oxyde de fer (III) alors 1,00.10 3kg de minerai contient une masse
d’oxyde de fer (III) égale à : m(Fe2O3) = 6,40.102kg = 6,40.105g.
Quantité d’oxyde de fer (III) : n(Fe2O3) = m(Fe2O3) / M(Fe2O3) = 6,40.105 / 159,6 = 4,01.103 mol.
De l’équation précédente, il vient : nmin(C)/3 = n(Fe2O3)/2 soit nmin(C) = (3/2).n(Fe2O3) =1,5×4,01.103 = 6,02.103 mol
D’où : mmin(C) = nmin (C).M(C) = 6,02.103×12,0 = 72,2 kg.
f) La rouille est un mélange complexe d’oxydes de fer et d’hydroxydes de fer (doc.4).
g) La corrosion de l’acier est favorisée par un environnement humide et contenant des espèces ioniques dissoutes
(doc.4).
h) La galvanisation est une méthode de protection de l’acier qui consiste à recouvrir la pièce d’acier par une pellicule
de zinc, en la plongeant dans un bain de zinc fondu (doc.5).
i) Le fer, l’acier et la fonte sont attirés par un aimant (doc.6). On peut les extraire d’un mélange de métaux en utilisant
un électroaimant.
j) Le recyclage de l’acier permet de (doc.6):
- préserver les ressources naturelles : en réutilisant du fer usagé, on évite l’extraction de nouveau minerai de fer.
- réduire l’utilisation d’énergie : la filière ferrailles ne nécessite pas de dépenser d’énergie pour extraire le minerai
et le coke, elle ne nécessite pas non plus de haut fourneau.
- diminuer l’émission de gaz à effet de serre : lorsqu’on ajoute du dioxygène pour éliminer le carbone de la fonte, il
se dégage du dioxyde de carbone (gaz à effet de serre). Cela n’est pas nécessaire pour la filière ferrailles.
II – EXPERIENCES
1- Identifications d’ions
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CHAPITRE 7 : CYCLE DE VIE DES MATERIAUX
2– Modélisation de la corrosion de l’acier en milieu maritime
•
La coloration bleue au centre de la solution corrosive salée montre la formation d’ions Fe 2+(aq). La plaque d’acier s’est
oxydée selon la réaction d’oxydation : Fe(s)  Fe2+(aq) + 2 e–
La coloration rose sur les bords de la solution montre la formation d’ions hydroxyde HO -(aq) due à la réduction du
dioxygène selon la réaction : O2(g) + 4e– + 2 H2O(l)  4 HO–(aq)
Équation de la réaction de corrosion de l’acier : Fe(s)  Fe2+(aq) + 2 e(x2)
O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e-  4 HO-(aq)
(x1)
2 Fe(s) + O2(g) + 2 H2O(l)  2 Fe2+(aq) + 4 HO-(aq)
Remarque : Le transfert d’électrons entre le fer et le dioxygène se fait par contact indirect, car le fer est oxydé dans la
partie centrale de la plaque d’acier et le dioxygène est réduit dans la partie périphérique. Les électrons sont transmis
entre les deux réactifs par l’intermédiaire de la solution corrosive gélifiée. Il s’agit donc d’une micropile car le transfert
d’électrons n’est pas directement par contact mais de façon indirecte entre le fer et le dioxygène. Ce type de corrosion
est une corrosion différentielle car elle ne se fait pas uniformément sur toute la plaque.
• Le clou décapé montre une coloration rose aux extrémités (formation d’ions HO -(aq))
et une coloration bleue au voisinage du centre (formation d’ions Fe 2+(aq) ). Le clou se
comporte aussi comme une micropile.
L’équation de la réaction de corrosion de l’acier est :
2 Fe(s) + O2(g) + 2 H2O(l)  2 Fe2+(aq) + 4 HO-(aq).
Le clou galvanise ne montre quasiment aucune coloration : la galvanisation protège donc
le clou de la corrosion.
•
Le clou en fer avec le morceau de zinc est entouré d’une coloration rouge seulement (pas de coloration bleue).
Le clou en fer entouré d’un fil de cuivre présente une coloration bleue au centre et une coloration rose aux extrémités
identiques à celles du clou en fer seul dans l’expérience précédente.
La coloration blanche à l’extrémité du clou montre que le zinc Zn(s) s’est oxydé en ions Zn 2+(aq) et l’absence de
coloration bleue montre que le fer Fe(s) n’a pas été oxydé. Le contact du zinc a protégé le fer de l’oxydation.
L’équation de la réaction qui a lieu est donc: 2 Zn(s) + O 2(g) + 2 H2O(l)  2 Zn2+(aq) + 4 HO-(aq).
Les blocs de zinc posés sur la coque des navires servent d’anodes sacrificielles comme indiqué dans le document n°5
En revanche le métal cuivre ne protège pas le fer de l’oxydation : en effet la coloration bleue montre que le métal fer à
été oxydé.