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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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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)