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 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  www.acier.org/lacier/comment-­‐fabrique-­‐t-­‐on-­‐lacier.html  

 

Document  n°2  :    Fer,  fonte  acier,  ne  pas  confondre    

   

Document  n°3  :    Fonctionnement  d’un  haut-­‐fourneau  

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.    

D'après  le  site  www.Rohr.frlferraill.htm    (*)  ductile  :  qui  peut  être  étiré,  étendu  sans  se  rompre.                              

Le  principal  oxyde  de  fer  dans  un  minerai  de  fer  est  l’hématite  ou  oxyde  de  fer  (III)  Fe2O3(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  O2(g)  pour  donner  du  dioxyde  de  carbone  CO2(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  CO2(g)  en  CO(g).    Le  CO(g)  produit  réduit  les  oxydes  de  fer  en  trois  étapes:      -­‐  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).  

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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    

 

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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)  +  O2(g)  è  CO2(g)    (2)  C(s)  +  CO2(g)  è  2  CO(g)    (3)  3  Fe2O3(s)  +  CO(g)  è  2  Fe3O4(s)  +  CO2(g)    (4)  Fe3O4(s)  +  CO(g)  è  3  FeO(s)  +  CO2(g)    (5)  FeO(s)  +  CO(g)  è  Fe(s)  +  CO2(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  Fe2O3(s)  +  3  C(s)  è4  Fe(s)  +  3  CO2(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    

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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  

 

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 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)  Fe2+(aq)    

ion  hexacyanoferrate  (III)  [Fe(CN)6]  3-­‐   Précipité  bleu  

Tube  2    

ion  zinc  (ll)  Zn2+(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  Fe2+(aq)  Le  fer  est  oxydé  en  ion  fer  II  

Fe(s)  è  Fe2+(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  

O2(g)  +2H+  (aq)+  4e–  è  2HO–  (aq)+    Ou  par  addition  membre  à  membre  de  2OH-­‐      en  tenant  compte  que  H+(aq)+HO–  (aq)è  H2O  (l)  

O2(g)  +2H+  (aq)+  4e–+2HO–  (aq)  è  2HO–  (aq)+  2HO–(aq)  et  après  simplification  

O2(g)  +  4e–+2  H2O(l)  è  4HO–  (aq)      Il  se  produit  une  réaction  d’oxydo-­‐réduction  entre  le  réducteur  Fe  de  la  plaque  d’acier  et  l’oxydant  O2(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)  +  

  O2(g)  +  2  H2O(l)  +  4  e-­‐   è     4  HO-­‐(aq)      (x1)     2  Fe(s)  +  O2(g)  +  2  H2O(l)  è  2  Fe2+(aq)  +  4  HO-­‐(aq)