BULLETIN DE L UNION DES PHYSICIENS COLLÈGE AUTOUR D UN THÈME COLLÈGE AUTOUR D UN THÈME. La corrosion

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1 102 La corrosion par Sébastien DUVAL Professeur de physique-chimie Collège Henri Brunet Caen RÉSUMÉ Cet article présente la réalisation de quelques expériences simples (et peu coûteuses) pour mettre en évidence : quelques facteurs influençant la corrosion ; présence d impuretés ; traitement mécanique du métal ; présence d embruns ; quelques moyens pour lutter contre la corrosion. Matériel béchers ; tubes en U ; boîtes de Pétri ; clou en fer ; fil (ou ruban) de cuivre ; ruban de magnésium ; voltmètres ; lame de fer ; lame de cuivre. Produits chimiques chlorure de sodium ; ferricyanure de potassium (sans danger lorsqu il est complexé) ; phénol-phtaléine ; agar-agar ; chlorure de potassium.

2 ACTUALITÉS PÉDAGOGIQUES MODALITÉS DE MISE EN PLACE Cinq manipulations vont être réalisées en groupe, pour donner lieu à des observations communes. La classe est donc divisée en cinq groupes. A la fin de la séance les élèves mettront en commun, dans un tableau, leurs observations. Dans la première expérience, les élèves réalisent une pile fer-cuivre. Cette expérience est fondamentale car elle permet au professeur d expliquer le phénomène de corrosion et d associer une couleur à un type de réaction (dans des conditions expérimentales précises). Ensuite par identification à la première expérience les élèves vont pouvoir donner une interprétation de leurs expériences. Avant d instaurer le débat il faut que chaque groupe d élèves ait observé les cinq expériences. 2. DÉROULEMENT La séquence comprend deux séances d une heure. Préliminaire Chaque binôme du premier groupe doit préparer un pont salin. 1 spatule de KCL ; 1 spatule d agar-agar dissoutes dans 100 ml d eau bouillante. Laisser refroidir dans un tube en U. Les binômes des quatre autres groupes doivent préparer une solution appelée solution A qui contient 3 % (en masse) de chlorure de sodium (ce qui correspond à la concentration de l eau de mer) et quelques gouttes de ferricyanure de potassium et de solution de phénolphtaléine. 100 ml d eau (pour le pont salin) ou 100 ml de solution A 1 spatule d agar-agar + 1 spatule de KCl pour le pont salin (avec l eau) Figure 1 : Préparation des gels. Vol Janvier 2001 Sébastien DUVAL

3 Manipulation et observations du premier groupe : réalisation d une pile fer-cuivre Ils fabriquent une pile en associant une lame de fer et une lame de cuivre trempant dans de l eau salée (NaCl 3 %). Les deux béchers sont reliés par un pont salin (KCl gélifié dans l agar-agar). Les deux lames métalliques sont reliées par un millivoltmètre. V Fe Eau salée Ferricyanure de potassium Pont salin KCl + agar-agar Figure 2 : Réalisation de la pile. Cu Eau salée Phénol-phtaléïne On ajoute quelques gouttes de ferricyanure de potassium dans le bécher contenant la lame de fer et quelques gouttes de phénol-phtaléine dans le bécher contenant l électrode de cuivre. Après avoir constaté l existence d une tension électrique, on demande aux élèves de court-circuiter la pile réalisée en remplaçant le voltmètre par un conducteur métallique (pour que l expérience tienne en une heure). Les élèves observent une coloration bleue autour de la lame de fer ainsi que le rosissement de la phénol-phtaléine. La coloration bleue à la cathode est due à l apparition du bleu de prusse formé entre le ferricyanure et l ion fer II libéré par l oxydation du fer La coloration rose est due à la réaction entre la phénol-phtaléine et l ion hydroxyde formé par la réduction du dioxygène dissous : _ - 12 / O2+ H2 O+ 2e " 2OH

4 ACTUALITÉS PÉDAGOGIQUES Manipulation et observations du deuxième groupe : pile par hétérogénéité du fer Dans deux boîtes de Pétri on dépose une couche d agar-agar (1 g environ dans 100 ml de solution A). On dispose dans l une des boîtes un clou en fer normal et dans la seconde un clou en fer sur lequel on a enroulé un fil ou un petit ruban de cuivre. Ce cuivre simule la présence d impuretés métalliques dans le fer. Au bout de dix / quinze minutes les élèves observent aussi les couleurs bleue et rose dans la deuxième boîte de Pétri. Le circuit extérieur de notre pile est la jonction cuivre-fer, et le circuit intérieur est la solution gélifiée Manipulation et observation du troisième groupe : la corrosion par les embruns Ils déposent sur une plaque de fer (décapée à l acide si nécessaire) une grosse goutte de solution A qui peut être assimilée à une goutte d embrun. Très vite on voit apparaître au centre une coloration bleue, puis après cinq à dix minutes le pourtour se colore en rose (après un temps plus long, qu on évitera d atteindre pour des raisons d interprétation trop compliquées, la goutte apparaît rose intense en son pourtour et orangé marron en son centre). L oxygène est nécessaire à la corrosion mais l attaque se développe là où il y a un défaut d oxygène. Les couples redox mis en jeu sont les mêmes que précédemment Manipulation et observation du quatrième groupe : influence du traitement mécanique du métal. Dans une boîte de Pétri ils déposent une couche d agar-agar (1 g dans 100 ml de solution A). Puis ils y disposent un clou tordu. Vol Janvier 2001 Sébastien DUVAL

5 106 Ils observent au bout d un moment les colorations bleue et rose au coude, à la pointe et à la tête du clou (parties usinées). Toute modification de structure, là où ont été exercées des contraintes mécaniques lors de sa fabrication ou ultérieurement, est un facteur favorisant la corrosion du métal Manipulation et observation du cinquième groupe : un moyen de lutter contre la corrosion Dans une boîte de Pétri ils déposent une couche d agar-agar (1 g dans 100 ml de solution A). Puis ils y disposent un clou en fer entouré d un petit ruban de zinc. Au bout de trente minutes les élèves observent une coloration rose mais pas de bleue. C est le principe de la protection électrochimique par anode sacrificielle en zinc. Le zinc étant plus oxydable que le fer (zinc E 0 =- 076, V ; fer E 0 =- 044, V ) c est lui qui est oxydé. 3. MISE EN COMMUN ET INTERPRÉTATION Cette étape peut être abordée dans la deuxième séquence. Le professeur doit en préambule apporter un élargissement au programme. L oxydation du fer n est pas seulement la formation de l oxyde de fer mais aussi la perte d électron du métal fer. Cela est facilement accepté par les élèves qui n ont pas d idée préconçue sur la signification du terme corrosion. Pour la mise en commun un élève rapporteur de chaque groupe vient noter au tableau les observations.

6 ACTUALITÉS PÉDAGOGIQUES 107 Puis le professeur demande d interpréter les résultats. Du fait que les élèves se sont déplacés de palliasse en palliasse pour voir les expériences de leurs camarades ils voient rapidement qu il a dû se passer les mêmes choses dans les différentes expériences. On en vient à construire le tableau suivant : 4. PROLONGEMENT Faire une recherche documentaire au CDI ou / et sur Internet des différents moyens de lutter contre la corrosion. 5. AVIS DES ÉLÈVES Eux : «C était cool. Les expériences marchent bien et c est joli». Moi : «Mais vous avez compris quelque chose?». Elle : «Ben ouais, d ailleurs c est pour ça que mon père lave toujours sa voiture». Vol Janvier 2001 Sébastien DUVAL

7 AVIS DU PROFESSEUR Cette séquence est très efficace mais est difficile à encadrer. Les élèves sont enthousiastes et il faut vraiment bien cadrer l organisation des manipulations. L ensemble des binômes doit bien savoir ce qu il a à faire et la circulation dans la classe ne doit se faire qu une fois la manipulation terminée. La phase de mise en commun est fondamentale car les élèves doivent se réapproprier l interprétation des expériences qui au départ peuvent paraître ardues. Les élèves se prêtent facilement au jeu de l association d une couleur à une réaction et ce qui peut paraître au départ comme une contrainte intellectuelle imposée par le professeur devient vite un élément de vulgarisation très efficace. BIBLIOGRAPHIE HAZARD R. et SARRAZIN J. Expériences sur la corrosion des métaux. BUP, juin 1981, vol. 75, n 635, p SARRAZIN et VERDAGUER. L oxydoréduction. Éditions Ellipse.

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