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La vie des aciers Thème : Les matériaux Chap. 1 Cycle de vie des matériaux

TS spé – TP : Identification des ions – Modélisation de la corrosion 1 C. Grange-Reynas

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 : Fe2+

Ion hexacyanoferrate (III) :

[Fe(CN)6]3-

Tube 2 Ion Zinc II : Zn2+ Ion hexacyanoferrate (III) :

[Fe(CN)6]3-

Tube 3 Ion hydroxyde :

HO- Phénolphtaléine



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 K3[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 :

O2(g) / HO–(aq) ; Fe2+(aq) / Fe(s) ; Zn2+(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



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.



CORRECTION

EXPERIENCES (durée conseillée : 60 min)

I - Identifications d’ions

Matériel :

Sulfate de fer II : (Fe2+ + SO42-) (transparent légèrement verdâtre)

Sulfate de zinc : (Zn2+ + SO42-) (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 : Fe2+

Ion hexacyanoferrate (III) : [Fe(CN)6]3-

Précipité bleu

Tube 2 Ion Zinc II : Zn2+

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- 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



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 K3[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°3 n°2



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

Fe2+(aq).

La coloration rose au centre atteste de la formation d’ions hydroxyde HO- (aq).

Oxydation

Anode Réduction

Cathode



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) Fe2+(aq) + 2 e– Fe2+ / Fe

La coloration rose au centre montre que le dioxygène est réduit en ion hydroxyde :

O2(g) + 2 H+ (aq) + 4 e– 2 HO– (aq) O2 / HO–

Ou

Par addition membre à membre de 2 OH- en tenant compte que H+(aq) + HO– (aq) H2O (l)

O2(g) + 2 H+ (aq) + 4 e– + 2 HO– (aq) 2 HO– (aq) + 2 HO– (aq)

Et après simplification O2(g) + 4 e– + 2 H2O(l) 4 HO– (aq)

Équation globale :

2 Fe (s) + O2 (g) + 2 H2O (l) 2 Fe2+ (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 O2(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 ?



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 Fe2+. Le contact du zinc l’a protégé de

l’oxydation. On comprend ainsi l’intérêt des anodes sacrificielles évoquées dans le document n°4



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)

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