Exercice corrigé Ancien programme

Corrosion et protection du fer

La corrosion touche le fer et l'acier contenant moins de 2 % de carbone. L'oxydation du fer (formation d'un oxyde de fer, autrement dit de la rouille) est accentuée dans les milieux humides et salés.

On désire étudier ce phénomène et trouver des moyens d'y pallier.

On dispose des tests suivants :

  •  On met en évidence les ions fer II à l'aide du réactif hexacyanoferrate de potassium, qui forme avec les ions Fer II un complexe bleu.
  •  On met en évidence les ions zinc II à l'aide du réactif hexacyanoferrate de potassium qui forme avec les ions zinc II un précipité blanc.
  •  On met en évidence les ions hydroxydes à l'aide de la phénolphtaléine, qui colore la solution en rose en présence d'ions hydroxyde.

1. Dans une première expérience on plonge un morceau de fer solide dans de l'eau chaude et salée dans laquelle on a ajouté de l'hexacyanoferrate de potassium et de la phénophtaléine ainsi qu'un gélifiant (agar-agar). Après quelques dizaines de minutes, lorsque l'ensemble est solidifié, on observe une coloration bleue aux deux extrémités de la tige de fer, et une coloration rose au centre.

a. Interpréter les observations.

b. On s'intéresse à la partie centrale de la tige de fer. L'eau contient du dioxygène O2 dissous. La demi-équation électronique rendant compte du phénomène s'écrit :

Justifier la coloration observée.

c. Quel ion est apparu aux extrémités de la tige ? Le fer a-t-il été oxydé ou réduit ?

d. Écrire l'équation de la réaction d'oxydoréduction qui permet de rendre compte de l'expérience.

e. À la lumière des questions précédentes, que peut-on dire du rôle joué par la tige de fer ? Que permet le gélifiant d'un point de vue ionique ?

2. Dans une deuxième expérience on plonge un morceau de fer solide au contact d'une plaque de zinc, dans de l'eau chaude et salée dans laquelle on a ajouté de l'hexacyanoferrate de potassium et de la phénophtaléine ainsi qu'un gélifiant. Après quelques dizaines de minutes, lorsque l'ensemble est solidifié, on observe une coloration rose tout autour de la tige de fer, et une coloration blanche autour de la plaque de zinc.

a. Préciser quelles sont les espèces oxydées et réduites.

b. Écrire les demi-équations électroniques rendant compte des phénomènes observés.

c. Déduire de la question précédente l'équation bilan qui modélise les phénomènes observés.

d. En déduire une méthode de protection du fer contre la corrosion.

3. La galvanisation est un procédé qui consiste à recouvrir de l'acier par une fine couche de zinc.

a. Justifier que la galvanisation permet de protéger l'acier contre la corrosion.

b. On dépose le zinc sur une plaque de fer par électrolyse. On suppose que la plaque de fer a une surface et que l'épaisseur de zinc est (sur les deux faces). Expliquer simplement comment on peut réaliser cette électrolyse.

c. Écrire l'équation bilan de l'électrolyse.

d. Calculer la masse de zinc solide à déposer sur l'acier.

e. Si l'intensité du courant d'électrolyse vaut , quelle sera la durée de l'électrolyse ?

Données.

  •  Masse volumique du zinc : 7,1 g/cm3.
  •  Masse molaire du zinc : 65,4 g/mol.
  •  Charge de 1 mole d'électrons : .

La notion d'oxydoréduction est un préalable à la résolution de cet exercice. On peut se référer au programme de 1re S.

1. a. La coloration bleue est due au complexe et signale la présence d'ions
fer II. La coloration rose signale la présence d'ions hydroxyde (réactif phénolphtaléine) .

b. La demi-équation montre la présence d'ions qui se forment au milieu de la tige, l'indicateur coloré sera donc rose. Ici le dioxygène dissous O2 est réduit.

c. Aux extrémités de la tige, la coloration bleue indique que le fer métal est oxydé : , les ions sont apparus et se sont complexés avec le réactif hexacyanoferrate de potassium (complexe bleu).

d. On doit faire le bilan des deux demi-équations :

e. La tige de fer se comporte comme une pile, avec un pôle où se produit une réduction et un pôle (en fait deux : les deux extrémités !) où se produit une oxydation. Le gélifiant permet la migration des ions, ce qui permet la conservation de la charge électrique.

2. a. L'expérience montre clairement que le métal zinc est oxydé (précipité blanc, du fait de la présence du réactif hexacyanoferrate de potassium) et que le dioxygène est réduit comme précédemment.

b. On retrouve la première demi-équation :

Ainsi que :

c. On en déduit : .

d. Les deux expériences proposées montrent que le zinc est oxydé préférentiellement au fer dans de l'eau salée chaude en présence de dioxygène dissous. Cela signifie que si on recouvre du fer par une fine couche de zinc le fer sera protégé de la corrosion car c'est d'abord le zinc qui sera entièrement oxydé.

3. a. Comme on vient de le voir, des deux métaux c'est le zinc qui sera oxydé en premier. Sa présence empêche donc l'oxydation du fer.

b. On peut utiliser la plaque de fer comme électrode dans une solution contenant des ions (par exemple du sulfate de zinc ZnSO4) et une tige de zinc comme seconde électrode. On branche un générateur aux deux électrodes, l'électrolyse permettra alors le zingage. On veut zinguer la plaque de fer (dépôt de zinc solide) cela implique que l'électrode de fer sera le siège de la réduction :

L'autre électrode verra l'oxydation du zinc :

.

L'électrode de fer sera donc le pôle (-) (réduction) et l'électrode de zinc sera le

pôle  : oxydation. On peut dire aussi que l'électrode de fer sera la cathode (réduction) et l'électrode de zinc l'anode (oxydation).

c. L'équation bilan est : (transfert de matière d'une électrode à l'autre).

d. À la fin de l'électrolyse on aura déposé une masse de zinc , avec soit de zinc.

e. Les demi-équations montrent que 1 mole de zinc réduite (ou oxydée) nécessite 2 moles d'électrons. La charge électrique totale permettant le zingage sera donc :

.

Ce qui correspond à une intensité moyenne de , d'où :

.

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