La vie des aciers. Elaboration, corrosion et protection de l acier

Transcription

1 La vie des aciers Elaboration, corrosion et protection de l acier Mots-clefs : Elaboration, Corrosion, Protection Contexte du sujet : 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. 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? ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES (durée conseillée : 60 min) Document 1 : Elaboration 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 Document 2 : Fer, fonte, acier, ne pas confondre 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. L acier inox est un alliage d acier, de chrome (de 16 à 19 %) et de nickel (9 à 13 %), et d un peu de carbone (< 1%). La fonte, avec une teneur élevée de carbone (de 2 % jusqu à 6 %), existe en plusieurs qualités : de malléable et ductile(*) à très dure et résistante. (*) ductile : qui peut être étiré, étendu sans se rompre. TS spé ASDS : Elaboration, corrosion et protection de l acier 1 C. Grange-Reynas

2 Document 3 : Fonctionnement d un haut-fourneau. Le principal oxyde de fer dans un minerai de fer est l hématite ou oxyde de fer (III) Fe 2 O 3 (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 O 2 (g) pour donner du dioxyde de carbone CO 2 (g), qui dans une seconde réaction, donne du monoxyde de carbone, CO(g), en réagissant avec le carbone solide C(s). À la température du haut-fourneau, l excès de carbone permet la conversion de la totalité du CO 2 (g) en CO(g). Le CO(g) produit réduit les oxydes de fer en trois étapes: - Pour 320 C < θ < 620 C, Fe 2 O 3 (s) est réduit en Fe 3 O 4 (s) ; - Pour 620 C < θ < 950 C, Fe 3 O 4 (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 CO 2 (g). Document 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 5 : Protection de l acier contre la corrosion. La corrosion a des conséquences importantes au niveau économique. Elle est également dangereuse pour la sécurité, car elle fragilise les équipements. 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, film 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). TS spé ASDS : Elaboration, corrosion et protection de l acier 2 C. Grange-Reynas

3 Document 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. A partir des différents documents, répondre aux questions 1. Justifier l'utilisation du bois par les premiers métallurgistes. 2. Comment obtient-on de la fonte? Comment est-elle transformée en acier? 3. Qu'est-ce qui différencie la fonte de l'acier? 4. Ecrire et ajuster les cinq équations mises en jeu dans le document n Globalement dans le haut fourneau, on peut considérer que les réactifs sont C(s) et Fe 2 O 3 (s) et les deux produits sont Fe(s) et CO 2 (g). Etablir l'équation globale de la réduction de l oxyde de fer en métal fer. 6. Un haut-fourneau reçoit une masse de 1,00 x 10 3 kg 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 x 10 3 kg de minerai? 6.2. En déduire la quantité de matière d'oxyde de fer (III) correspondante Calculer alors la quantité minimale de carbone nécessaire à l'extraction du fer présent dans le minerai Quelle masse minimale de carbone faut-il utiliser? 7. Qu est-ce que la corrosion? 8. Qu est-ce que la rouille? 9. Quel environnement favorise la corrosion de l acier? 10. Qu est-ce que la galvanisation? 11. Comment peut-on extraire des objets en fer, en fonte ou en acier d un mélange de métaux? 12. Justifier la dernière phrase du document n 6. Données : M(Fe) = 55,8 g/mol M(O) = 16,0 g/mol M(C) = 12,0 g/mol. TS spé ASDS : Elaboration, corrosion et protection de l acier 3 C. Grange-Reynas

4 ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES (durée conseillée : 60 min) - Correction 1. Justifier l'utilisation du bois par les premiers métallurgistes. Les premiers métallurgistes utilisaient du bois à la place du coke. Le bois en chauffant fait fondre le minerai et apporte le carbone qui permet de réduire en fer les oxydes de fer constituant le minerai. De plus il était facile à exploiter et présent en grande quantité. 2. Comment obtient-on de la fonte? Comment est-elle transformée en acier? La fonte est obtenue en chauffant vers 1250 C un mélange de minerai de fer et de coke. La fonte liquide est transformée en acier par addition de dioxygène gazeux dans un convertisseur vers C, qui brûle une partie du carbone et des résidus présents dans la fonte. 3. Qu'est-ce qui différencie la fonte de 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 4. Ecrire et ajuster les cinq équations mises en jeu dans le document n 3. (1) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) (2) C(s) + CO 2 (g) 2 CO(g) (3) 3 Fe 2 O 3 (s) + CO(g) 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) (4) Fe 3 O 4 (s) + CO(g) 3 FeO(s) + CO 2 (g) (5) FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO 2 (g) 5. Globalement dans le haut fourneau, on peut considérer que les réactifs sont C(s) et Fe 2 O 3 (s) et les deux produits sont Fe(s) et CO 2 (g). Etablir l'équation globale de la réduction de l oxyde de fer en métal fer. L équation bilan de l ensemble des réactions mises en jeu dans le haut fourneau est : 2 Fe 2 O 3 (s) + 3 C(s) 4 Fe(s) + 3 CO 2 (g) 6. Un haut-fourneau reçoit une masse de 1,00 x 10 3 kg 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 x 10 3 kg de minerai? 64 Masse d oxyde de fer III : m = 100 x 1,00 x 103 = 640 Soit m = 6,40 x 10 2 kg (3 chiffres significatifs) TS spé ASDS : Elaboration, corrosion et protection de l acier 4 C. Grange-Reynas

5 6.2. En déduire la quantité de matière d'oxyde de fer (III) correspondante. n = m M = 6, x x 55,8 + 3 x 16,0 = 4,01 x 103 mol Masse molaire de Fe 2 O 3 : M = 2 x M Fe + 3 x M O = 2 x 55,8 + 3 x 16,0 = 159,6 g / mol 6.3. Calculer alors la quantité minimale de carbone nécessaire à l'extraction du fer présent dans le minerai. Tableau d avancement : 2 Fe 2 O 3 (s) + 3 C(s) 4 Fe(s) + 3 CO 2 (g) Etat Avancement n Fe 2O 3 n C n Fe n CO2 Initial X = 0 4,01 x En cours X 4,01 x x n C - 3 x 4 x 3 x Final Xmax Xmax 3 Xmax Le réactif limitant est l oxyde de fer donc 4,01 x Xmax = 0 Soit Xmax = 4,01 x 10 3 / 2 = soit Xmax = 2,01 x 10 3 mol D où n C = 3 Xmax = 3 x 2,01 x 10 3 = 6,03 x 10 3 mol 6.4. Quelle masse minimale de carbone faut-il utiliser? Masse minimale de carbone : m min = n C x M C = 6, 03 x 10 3 x 12 = 7,24 x 10 4 g Données M(Fe) = 55,8 g/mol M(O) = 16,0 g/mol M(C) = 12,0 g/mol. 7. Qu est-ce que la corrosion? La corrosion désigne l'altération d'un matériau par réaction chimique avec un oxydant (le dioxygène et le cation H + en majorité). Il faut en exclure les effets purement mécaniques (cela ne concerne pas, par exemple, la rupture sous l'effet de chocs). Les exemples les plus connus sont les altérations chimiques des métaux à l'air ou dans l'eau, telles la rouille du fer et de l'acier ou la formation de vert-de-gris 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). La corrosion des métaux est dans la grande majorité des cas une réaction électrochimique (une oxydoréduction) qui fait intervenir la pièce manufacturée et l'environnement. 8. Qu est-ce que la rouille? La rouille est un mélange complexe d oxydes de fer et d hydroxydes de fer. TS spé ASDS : Elaboration, corrosion et protection de l acier 5 C. Grange-Reynas

6 9. Quel environnement favorise la corrosion de l acier? La corrosion de l acier est favorisée par une atmosphère humide qui contient des ions. 10. Qu est-ce que la galvanisation? La galvanisation est l action qui consiste à plonger la pièce à protéger dans un bain de zinc fondu. 11. Comment peut-on extraire des objets en fer, en fonte ou en acier d un mélange de métaux? Le fer, l acier et la fonte sont attirés par un aimant. Le logo indique que l acier est recyclable et qu il sera vraisemblablement extrait d un mélange de métaux par un électroaimant. 12. Justifier la dernière phrase du document n 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 ferraille 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 ferraille. TS spé ASDS : Elaboration, corrosion et protection de l acier 6 C. Grange-Reynas