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? EXPERIENCES (durée conseillée : 60 min) La corrosion est un fléau industriel. On estime en effet que 20% de la production mondiale d'acier (mélange de fer et de carbone, contenant moins de 2% de carbone) sont perdus chaque année sous forme de rouille. On a observé que la corrosion de l acier (oxydation du fer par le dioxygène) est favorisée lorsque l atmosphère est humide et contient des espèces ioniques dissoutes (milieu humide et salé par exemple). Pour mettre en évidence ce phénomène de corrosion en milieu maritime, vous allez réaliser quelques expériences simples. I - Identifications d ions Matériel : Sulfate de fer II Sulfate de zinc Soude Phénolphtaléine Solution d hexacyanoferrate III 3 tubes à essai Réaliser les tests correspondants au tableau suivant en utilisant environ 2 ml de la solution contenant l ion à tester et quelques gouttes du réactif servant au test. Compléter le tableau. Ion testé Réactif test Observations Tube 1 Ion Fer II : Fe 2+ Ion hexacyanoferrate (III) : [Fe(CN) 6 ] 3- Tube 2 Ion Zinc II : Zn 2+ Ion hexacyanoferrate (III) : [Fe(CN) 6 ] 3- Tube 3 Ion hydroxyde : HO - Phénolphtaléine TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 1 C. Grange-Reynas
II Modélisation de la corrosion de l acier en milieu maritime Document 7 : Matériel mis à votre disposition o Clou en fer décapé o Clou galvanisé o Clou décapé entouré d un fil de cuivre o Clou décapé entouré d un fil de zinc o Solution corrosive non salée o Solution corrosive salée o 3 boîtes de Pétri Remarques : 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 K 3 [Fe(CN) 6 ] et quelques millilitres de phénolphtaléine. Le gel agar-agar permet la diffusion (ou migration) d'espèces chimique tout en évitant une homogénéisation accidentelle du milieu par agitation. Document 8 : Données pour interpréter les expériences Diagramme de prédominance de la phénolphtaléine : La forme acide incolore La forme basique de couleur prédomine 8,5 rose prédomine ph Les couples oxydant/réducteur mis en jeu sont : O 2 (g) / HO (aq) ; Fe 2+ (aq) / Fe(s) ; Zn 2+ (aq) / Zn(s). Un clou en fer 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. Document 9 : La corrosion galvanique TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 2 C. Grange-Reynas
Travail à réaliser À partir des documents précédents, rédiger un protocole expérimental accompagné de schémas permettant de valider : l'influence de l'eau salée dans le mécanisme de corrosion l efficacité de la protection de l'acier par une anode sacrificielle en zinc. Rédiger une synthèse (observations et interprétations des résultats expérimentaux) afin de mettre en évidence : le résultat des expériences (des schémas peuvent être utilisés) 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 ainsi qu une conclusion claire faisant apparaitre l intérêt de fixer des blocs de zinc sur la coque des navires pour la protéger et justifier l emploi du terme «anode sacrificielle» pour désigner ce procédé. TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 3 C. Grange-Reynas
EXPERIENCES (durée conseillée : 60 min) CORRECTION I - Identifications d ions Matériel : Sulfate de fer II : (Fe 2+ + SO 2-4 ) (transparent légèrement verdâtre) Sulfate de zinc : (Zn 2+ + SO 2-4 ) (transparent) Soude : Hydroxyde de sodium (Na + + HO - ) Phénolphtaléine (indicateur coloré) = réactif test Solution d hexacyanoferrate III de potassium (jaune) = réactif test 3 tubes à essais Réaliser les tests correspondants au tableau suivant en utilisant environ 2 ml de la solution contenant l ion à tester et quelques gouttes du réactif servant au test. Compléter le tableau. Ion testé Réactif test Observations Tube 1 Ion Fer II : Fe 2+ Ion hexacyanoferrate (III) : [Fe(CN) 6 ] 3- Précipité bleu Tube 2 Ion Zinc II : Zn 2+ Ion hexacyanoferrate (III) : [Fe(CN) 6 ] 3- Il apparaît jaunâtre à cause de Précipité blanc la solution qui est déjà colorée Tube 3 Ion hydroxyde : HO - Phénolphtaléine Coloration rose II Modélisation de la corrosion de l acier en milieu maritime Matériel mis à votre disposition o Clous en fer décapé o Clous galvanisés o Clou décapé entouré d un fil de cuivre o Clou décapé entouré d un fil de zinc o Solution corrosive non salée o Solution corrosive salée o 3 boîtes de Pétri TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 4 C. Grange-Reynas
Remarques : 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 K 3 [Fe(CN) 6 ] et quelques millilitres de phénolphtaléine. Le gel agar-agar permet la diffusion (ou migration) d'espèces chimique tout en évitant une homogénéisation accidentelle du milieu par agitation. Protocole On dispose dans les boîtes de Pétri, des clous en fer selon le protocole schématisé ci-dessous. 1. Dans une boîte de Pétri n 1, placer un clou en acier décapé et un clou en acier galvanisé. 2. Verser, avec précaution, la solution corrosive douce non salée et tiède (60 C) dans la boite de Pétri n 1 avant qu elle ne soit gélifiée. 3. Dans une boîte de Pétri n 2, placer un clou en acier décapé et un clou en acier galvanisé. 4. Dans une autre boîte de Pétri n 3, placer un clou en acier entouré d un fil de cuivre et un clou enroulé d un fil de zinc. 5. Verser, avec précaution, la solution corrosive salée et tiède (60 C) dans les boites de Pétri n 2 et 3 avant qu elle ne soit gélifiée. 6. Laisser refroidir jusqu'à ce que le gel se fige. Ces expériences ont été réalisées à l'avance car elles nécessitent du temps (au moins 30 minutes) avant d être véritablement exploitables. Schémas Clou en fer galvanisé n 2 n 3 TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 5 C. Grange-Reynas
Observations des résultats Boite n 1 Boite n 2 Boite n 3 Le clou en fer galvanisé ne montre aucune coloration. Le clou en fer décapé présente deux zones : les extrémités sont entourées d une coloration bleue et le centre est entouré d une coloration rose. Elles sont cependant moins visibles que dans la boîte de pétri n 2. Le clou en fer galvanisé présente une légère coloration rose au centre avec à certains endroits un léger voile blanc. Le clou en fer décapé présente deux zones : les extrémités sont entourées d une coloration bleue et le centre est entouré d une coloration rose, beaucoup plus accentué que dans la boîte de pétri n 1 Le zinc est entouré d un voile blanchâtre. Le zinc est dégradé. Le clou entouré d un fil de cuivre présente une coloration rose au centre et une coloration bleue aux extrémités Interprétations des résultats 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 montre la présence et donc la formation d ions ferreux Fe 2+ (aq). La coloration rose au centre atteste de la formation d ions hydroxyde HO - (aq). Réduction Cathode Oxydation Anode TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 6 C. Grange-Reynas
Écrire les demi équations électroniques traduisant les deux réactions qui ont lieu, puis l'équation globale se produisant à la surface du clou. Rappeler la définition d une réaction d oxydoréduction. Une réaction d oxydoréduction est un échange d électron(s) entre l oxydant d un couple et le réducteur d un autre couple La coloration bleue aux extrémités du clou montre que le fer est oxydé en ion fer II : Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2 e Fe 2+ / Fe La coloration rose au centre montre que le dioxygène est réduit en ion hydroxyde : O 2 (g) + 2 H + (aq) + 4 e 2 HO (aq) O 2 / HO Ou Par addition membre à membre de 2 OH - en tenant compte que H + (aq) + HO (aq) H 2 O (l) O 2 (g) + 2 H + (aq) + 4 e + 2 HO (aq) 2 HO (aq) + 2 HO (aq) Et après simplification O 2 (g) + 4 e + 2 H 2 O(l) 4 HO (aq) Équation globale : 2 Fe (s) + O 2 (g) + 2 H 2 O (l) 2 Fe 2+ (aq) + 4 HO - (aq) Le fer joue le rôle de réducteur le dioxygène celui d oxydant. Il se produit une réaction d oxydoréduction entre le réducteur Fe et l oxydant O 2 (g). Un transfert d électrons a lieu entre le dioxygène de l air et le fer. Comment les électrons circulent-ils du réducteur vers l'oxydant? TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 7 C. Grange-Reynas
Dans la boîte de pétri n 3 Dans la boite de pétri n 3, on observe un voile blanchâtre qui atteste de la présence d ions Zn2+, c est donc le zinc qui est oxydé et non le fer (pas de coloration bleue). Conclusion Influence de la salinité de l eau : L oxydation du fer est plus lente dans le gel à base d eau douce que dans celui à base d eau salée. L eau salée contient davantage d espèces ioniques dissoutes favorisant ainsi les réactions d oxydoréduction. Intérêt de la galvanisation : Dans la boîte de pétri (2), le clou galvanisé (recouvert de zinc) n a subi aucune oxydation. Intérêt de fixer des blocs de zinc sur la coque des navires : La boite de pétri (3) montre que le fer n a pas été oxydé en ions Fe 2+. Le contact du zinc l a protégé de l oxydation. On comprend ainsi l intérêt des anodes sacrificielles évoquées dans le document n 4 TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 8 C. Grange-Reynas
Pour aller plus loin Proposez un schéma électrique pour la pile constituée par l association fer zinc de cette expérience. Indiquer le sens de déplacement des électrons dans le circuit électrique. Quel métal joue le rôle d anode? de cathode? 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. 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. l anode en zinc s oxyde ainsi à la place de l acier (si le navire en était dépourvu) TS spé TP : Identification des ions Modélisation de la corrosion 9 C. Grange-Reynas