THÈME LES MATÉRIAUX CORROSION ET PROTECTION DES MÉTAUX

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1 ASDS- PE TS- SPE THÈME LES MATÉRIAUX CORROSION ET PROTECTION DES MÉTAUX NOM :... PRÉNOM :... CLASSE :... DATE :... PARTIE A : ASDS : élaboration corrosion et protection des aciers 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. Élaboré 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 sont perdus 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, dans quel but? 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 deux tonnes de dioxyde de carbone. D après fabrique- t- on- lacier.html Document n 2 : Document n 3 : Fer, fonte acier, ne pas confondre Fonctionnement d un haut- fourneau Ces trois produits diffèrent par leur teneur en carbone. Le principal oxyde de fer dans un minerai de fer est Le fer est un matériau mou et malléable, dont la teneur en l hématite ou oxyde de fer (III) Fe2O3(s). carbone est infime. Sa réduction par le monoxyde de carbone CO(g), permet L acier est un alliage de fer et de carbone avec une teneur en d obtenir, en cinq étapes, le fer ou ses alliages, l acier et la carbone pouvant varier de 0,03 % à 2 % maximum en masse; il fonte. est à la fois malléable et résistant. L acier inox est un alliage Dans une première étape, le carbone C(s) du charbon de d acier, de chrome (de 16 à 19 %) et de nickel (9 à 13 %), et d un coke réagit avec le dioxygène O2(g) pour donner du peu de carbone (< 1%). dioxyde de carbone CO2(g), qui dans une seconde La fonte, avec une teneur élevée de carbone (de 2 % jusqu à 6 réaction, donne du monoxyde de carbone, CO(g), en %), existe en plusieurs qualités : de malléable et ductile(*) à très réagissant avec le carbone solide C(s). dure et résistante. À la température du haut- fourneau, l excès de carbone D'après le site permet la conversion de la totalité du CO2(g) en CO(g). Le CO(g) produit réduit les oxydes de fer en trois étapes: (*) ductile : qui peut être étiré, étendu sans se rompre. - Pour 320 C < q < 620 C, Fe2O3(s) est réduit en Fe3O4(s) - Pour 620 C < q < 950 C, Fe3O4(s) est réduit en FeO(s) ; - Pour q > 950 C, FeO(s) est réduit en Fe(s). Au cours de ces réactions, CO (g) est oxydé en CO2(g). 1

2 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. 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. Analyse et synthèse : 1. Pourquoi dans les de mines de «fer», le fer n'est pas à l'état de «métal fer»? L oxygène présent sur terre réagit avec le fer métallique pour former des oxydes de fer. Le minerai de fer est sous la forme d oxydes de fer 2. Justifier l'utilisation du bois par les premiers métallurgistes. Dans un haut- fourneau, les oxydes de fer sont réduits en métal fer ; le bois constituait le réducteur des premiers métallurgistes. Le bois apportait l élément carbone qui, au cours de la réaction, était oxydé en dioxyde de carbone 2

3 3. Comment obtient- on l'acier à partir de la fonte? 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 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 4. Quelle est la différence entre la fonte et l'acier? L acier et la fonte sont deux alliages de fer et de carbone mais les teneurs en carbone sont différentes : 2 % en masse de carbone maximum pour l acier entre 2 et 6 % de carbone en masse pour la fonte 5. Justifier qu'en mélangeant de la ferraille à (mélange de fer et d'oxydes de fer) on obtienne de l'acier. La ferraille contient du fer et des oxydes de fer ; la fonte est plus riche que l acier en élément carbone, une partie du carbone de la fonte réduit les oxydes de la ferraille et se transforme en dioxyde de carbone. Le taux global de carbone diminue dans le mélange qui devient ainsi de l acier (voir les taux de carbone de la fonte et de l acier dans le document 2). L ajout éventuel de dioxygène permet d ajuster la transformation d une partie du carbone de la fonte en dioxyde de carbone et d obtenir de l acier. 6. Quel peut être le rôle de l'ajout de dioxygène dans les deux filières, fonte et acier? l ajout d oxygène dans les deux filières, permet d ajuster le pourcentage en masse de carbone, présents. On obtient alors des aciers aux propriétés mécaniques différentes 7. Écrire les 5 réactions mises en jeu dans le document n 3. (1) C(s) + O 2(g) è CO 2(g) (2) C(s) + CO 2(g) è 2 CO(g) (3) 3 Fe 2O 3(s) + CO(g) è 2 Fe 3O 4(s) + CO 2(g) (4) Fe 3O 4(s) + CO(g) è 3 FeO(s) + CO 2(g) (5) FeO(s) + CO(g) è Fe(s) + CO 2(g) 8. Globalement dans le haut- fourneau, on peut considérer que les réactifs sont C et Fe2O3, les produits CO2 et Fe. Écrire la réaction globale de la réduction de l'oxyde Fe2O3 en métal fer. 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 Fe 2O 3(s) + 3 C(s) è 4 Fe(s) + 3 CO 2(g) 9. Qu'est- ce que la rouille? Pourquoi un milieu marin favorise- t- il particulièrement la corrosion de l'acier? La rouille est un mélange complexe d oxydes de fer et d hydroxydes de fer 10. Commenter les logos du document 5. Le fer, l acier et la fonte sont attirés par un aimant. Le logo du haut indique que l acier est recyclable et qu il sera vraisemblablement extrait d un mélange de métaux par un électroaimant. le logo du bas, appelé Point vert, indique que le fabricant de ce matériau adhère à un système contribuant au recyclage des déchets issus des emballages 3

4 11. Rédiger un commentaire argumenté de la phrase en italique dans le document 6. 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 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 4

5 ASDS- PE TS- SPE THÈME LES MATÉRIAUX CORROSION ET PROTECTION DES MÉTAUX NOM :... PRÉNOM :... CLASSE :... DATE :... PARTIE B : PE : La vie des aciers dans les milieux marins 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. Ion à tester Réactif test Observations Tube 1 ion fer (II) Fe 2+ (aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN)6] 3- Précipité bleu Tube 2 ion zinc (ll) Zn 2+ (aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN)6] 3- Précipité blanc Il apparaît jaunâtre à cause de la solution qui est déjà colorée Tube 3 ion hydroxyde HO - (aq) Phénolphtaléïne Coloration rose 2. Corrosion de l'acier en milieu marin Pour modéliser la corrosion de l'acier en milieu marin, on dépose une goutte d'eau salée sur une plaque de fer. On observe - Une coloration bleue au centre de la solution corrosive salée - Une coloration rose sur les bords de la solution a. Interpréter les deux observations précédentes La coloration bleue au centre de la solution corrosive salée montre la formation d ion Fe 2+ (aq) Le fer est oxydé en ion fer II Fe(s) è Fe 2+ (aq) + 2 e La coloration rose sur les bords de la solution montre la formation d ion OH - (aq) Le dioxygène est réduit en ion hydroxyde O 2(g) +2H + (aq)+ 4e è 2HO (aq)+ Ou par addition membre à membre de 2OH - en tenant compte que H + (aq)+ho (aq)è H 2O (l) O 2(g) +2H + (aq)+ 4e +2HO (aq) è 2HO (aq)+ 2HO (aq) et après simplification O 2(g) + 4e +2 H 2O(l) è 4HO (aq) Il se produit une réaction d oxydo- réduction entre le réducteur Fe de la plaque d acier et l oxydant O 2(g) Un transfert d électron à lieu entre le dioxygène de l air et le fer Équation de la réaction de corrosion de l acier: Fe(s) è Fe2+(aq) + 2 e- (x2) + O 2(g) + 2 H 2O(l) + 4 e- è 4 HO - (aq) (x1) 2 Fe(s) + O 2(g) + 2 H 2O(l) è 2 Fe 2+ (aq) + 4 HO - (aq) 5

6 b. Expliquer comment se fait le transfert d'électrons. Le transfert d'électrons du réducteur Fe vers l'oxydant O 2 ne se faisant pas par contact direct, puisque les réactions d'oxydation et de réduction ont lieu à deux endroits distincts. 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 (attention il n y a pas de circulation d électron dans la solution) c. Justifier le nom de micropile donné à cette expérience. 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. d. S'agit- il d'une corrosion uniforme ou différentielle? Ce type de corrosion est une corrosion différentielle car elle ne se fait pas uniformément sur toute la plaque 3. Modélisation d une micropile à anode sacrificielle Pour modéliser le fonctionnement cette micropile (dite à anode sacrificielle), on réalise une pile constituée par une plaque de fer et une plaque de zinc plongeant dans une solution de chlorure de sodium et reliées par un conducteur ohmique. a. Faire un schéma légendé de cette expérience et la réaliser. b. Comment montrer que c'est bien l'électrode de zinc et non celle en fer qui est le siège d'une oxydation? Si l électrode de Zinc est le siège d une oxydation, l ajout d ions hexacyanoferrate (III) d une solution hexacyanoferrate (III) de potassium ferait apparaître à proximité de l électrode de Zinc un précipité blanc caractéristique des ions Zn 2+ résultant de l oxydation du zinc l absence de précipité vert au voisinage de l électrode de fer montrerait que l électrode de fer n est pas oxydée 6

7 4. Corrosion en milieu marin On prépare une solution corrosive salée tiède de chlorure de sodium à 2 g/l qui simule un milieu marin. On y ajoute : de l'agar- agar qui est un gélifiant à 10 g/l, de l'hexacyanoferrate de potassium K 3 [Fe(CN) 6] à 1 g/l, quelques gouttes de phénolphtaléine. On dispose ensuite dans deux boîtes de Pétri, des clous en fer selon le protocole schématisé sur les figures ci- dessous On verse la solution corrosive préparée dans les deux boîtes de Pétri et on laisse refroidir jusqu'à ce que le gel se fige. Ces expériences ont été réalisées à l'avance car elles nécessitent du temps pour être exploitables. a) Observer les boîtes de Pétri préparée et noter vos observations sur des schémas légendés voir schémas ci- dessous b) Exploitation et interprétation Données : les clous se comportent comme un micropile : la réduction et l'oxydation ont lieu dans des zones distinctes, l'électroneutralité du milieu est assurée par la circulation d'ions dans le gel, les couples oxydant/réducteurs concernés sont : Fe 2+ / Fe ; Zn 2+ / Zn ; O 2 / HO - A. Boîte de Pétri n 1 : A.1. Quels sont les ions apparus dans les parties extrêmes du clou (pointe et tête) et dans sa partie centrale? la coloration bleue aux extrémités du clou, permet d attester la présence d ion fer II Fe 2+ la coloration rouge apparaissant dans la partie centrale atteste de la présence des ions hydroxyde HO - A.2. Écrire les demi- équations électroniques traduisant les deux réactions qui ont lieu, puis l'équation globale se produisant à la surface du clou. Autour de la partie centrale : Fe(s) è Fe 2+ (aq) + 2 e Près des extrémités : O 2(g) + 4e +2 H 2O(l) è 4HO (aq) Équation globale : 2 Fe(s) + O 2(g) + 2 H 2O(l) è 2 Fe 2+ (aq) + 4 HO - (aq) le fer joue le rôle de réducteur le dioxygène celui d oxydant Le fer est oxydé en ion fer II : le clou n est pas protégé A.3. Comment les électrons circulent- ils du réducteur vers l'oxydant? Les électrons sont acheminés par le clou lui même (rappel pas d électron en solution aqueuse) B. Boîte de Pétri n 2 : B.1. Des deux métaux, est- ce le fer ou le zinc qui est oxydé? la coloration rouge autour du clou, prouve l absence d ion fer II et donc que ce n est pas le fer qui est oxydé, elle atteste de la présence d ion hydroxyde. Autour du fer, c est le dioxygène dissout qui est réduit en ion hydroxyde le précipité blanc, atteste de la présence d ion Zn 2+ ; c est donc le zinc qui est oxydé en ion zinc le fer est protégé B.2. Utiliser les résultats de cette expérience pour expliquer pourquoi les constructeurs de bateaux fixent de blocs de zinc sur la coque en acier des navires. En fixant des blocs de Zinc sur la coque en acier, les constructeurs réalisent ainsi une micropile dont le bloc de zinc est l anode, et la coque d acier la cathode. 7

8 l anode en zinc s oxyde ainsi à la place de l acier (si le navire en était dépourvu) 5. Mesure de tension pour vérifier le fonctionnement d'un dispositif de protection. Un marin veut s'assurer de la bonne protection de la coque de son bateau par ce procédé. Pour cela, il branche un voltmètre, en mode continu, entre la coque en acier et le bloc de zinc. La borne COM du voltmètre étant reliée à la coque en acier et la borne V au bloc de zinc, le voltmètre indique une tension U = 320 mv En admettant que l'association {coque en acier, eau de mer, bloque de zinc} forme une pile, déduire de la mesure la polarité de la pile. Le voltmètre tel qu il est branché, mesure la tension entre l acier et la plaque de zinc soit U AZ =- 320 mv U ZA = V Z- V A V Z- V A = mv V Z- V A<0 soit V Z< V A La coque en acier a donc un potentiel électrique supérieur à celui de la plaque de zinc l acier constitue donc le pôle positif de la micropile 5.2. La protection est- elle assurée? Justifier clairement votre réponse (on pourra s'aider de la pile réalisée dans l'activité précédente). l association de ces deux métaux constitue une micropile dont le zinc est l anode, c est donc elle qui s oxyde ce qui préserve la cathode d acier. Ce dispositif désigné sous le nom d anode sacrificielle s explique car l anode est sacrifiée c est à dire oxydée, pour préserver l acier de la coque du bateau 8