La corrosion est un fléau industriel. On estime en effet que 20% de ...

Amérique du Sud 2007- EXERCICE III. Corrosion et protection des métaux (4
points)
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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 l'oxydation du fer par le dioxygène
était accentuée en milieu humide et salé.

Pour comprendre ce phénomène, un professeur de chimie propose à ses élèves
de réaliser quelques expériences simples.

- Pour commencer, les élèves effectuent en tubes à essai, des tests
caractéristiques dont les résultats sont rassemblés dans te tableau suivant
:

| |Ions à tester |Réactif test |Observations|Résultat du test |
|Tube |Ion fer II: |ion |Coloration |Mise en évidence des ions |
|1 |Fe2+(aq) |hexacyanoferrate |bleue |Fe2+(aq) |
| | |(III) [Fe(CN)6] 3-| | |
|Tube |Ion zinc ll : |ion |Précipité |Mise en évidence des ions |
|2 |Zn2+(aq) |hexacyanoferrate |blanc |Zn2+(aq) |
| | |(III) [Fe(CN)6] 3-| | |
|Tube |ion hydroxyde : HO|Phénolphtaléïne |Coloration |Mise en évidence des ions |
|3 |-(aq) | |rose |HO -(aq) |

- Ensuite, ils disposent dans deux boîtes de Pétri, des clous en fer selon
le protocole suivant :

Boîte de Pétri (1) Boîte de Pétri (2)




Clou en fer seul Clou en fer en contact avec
une lame de zinc

Ils préparent à chaud un mélange d'eau salée, de solution aqueuse
d'hexacyanoferrate III de potassium, de phénolphtaléïne et de gélifiant.
Ils versent ce mélange dans les deux boîtes de Pétri et laissent refroidir
une heure jusqu'à ce que le gel fige.

1. Exploitation de l'expérience réalisée dans la boîte de Pétri (1).

1.1. On observe que les parties extrêmes du clou (pointe et tête) sont
entourées d'une zone bleue alors que la partie centrale est entourée d'une
zone rose.
Quels sont les ions apparus dans les parties extrêmes et dans la partie
centrale du clou ?

Écrire la demi-équation électronique traduisant la transformation du métal
fer aux extrémités du clou.

La demi-équation électronique traduisant la transformation qui a lieu dans
la partie centrale du clou s'écrit :

O2 (dissous) + 2 H2O (l) + 4 e - = 4 HO - (aq)

En déduire l'équation de la réaction d'oxydoréduction modélisant la
transformation chimique se produisant à la surface du clou.

1.4. Pour interpréter les observations faites dans la boîte de Pétri (1),
on suppose que le clou se comporte comme une micropile, puisque l'oxydation
et la réduction se produisent dans des zones distinctes (pour simplifier,
on étudiera la partie centrale et une seule des deux extrémités). Comme
dans toute pile classique, l'électroneutralité
du milieu est assurée par le déplacement des ions, ici dans le gel salin.

Compléter la figure 1, de L'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE, en indiquant :

- Les zones d'oxydation et de réduction.
- Les zones anodique et cathodique.
2. Exploitation de l'expérience réalisée dans la boîte de Pétri n°2

2.1. Le clou est entouré quasi uniformément d'une zone rose alors que la
lame de zinc est entourée d'une zone blanche.
Quel est, des deux métaux, celui qui est oxydé ? Justifier.


Utiliser les résultats de cette expérience pour expliquer pourquoi les
constructeurs de bateaux fixent des blocs de zinc sur la coque en acier des
navires.

Un marin veut s'assurer de la bonne protection de la coque de son bateau
par ce procédé. Pour cela, il branche un voltmètre, en mode continu, entre
la coque en acier et le bloc de zinc. La borne COM du voltmètre étant relié
à la coque en acier et la borne V au bloc de zinc, le voltmètre indique -
320 mV.
2.3.1. En admettant que l'association {coque en acier, eau de mer, bloc
de zinc} forme une pile, déduire de cette mesure les polarités de cette
pile.
2.3.2. La protection est-elle assurée ? Justifier.


3. Protection par revêtement métallique : Electrozincage.


L'un des procédés utilisé pour protéger l'acier de la corrosion est de
l'isoler de l'atmosphère en le recouvrant d'un revêtement métallique. Des
plaques d'acier sont ainsi recouvertes d'une fine couche de zinc, on dit
qu'elles sont « galvanisées ».


Pour cela, on procède à l'électrolyse d'une solution aqueuse de sulfate de
zinc (II) (Zn2+(aq) + SO42-(aq)). Dans ce bain électrolytique, on plonge
une plaque à recouvrir et on utilise une lame de zinc comme seconde
électrode.


3.1. Compléter le schéma de la figure 2 de L'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE,
en indiquant :


- où se forme le dépôt de zinc ;
- la demi équation électronique traduisant la transformation ayant lieu
sur la plaque de fer ;
- le sens de déplacement des électrons dans les conducteurs métalliques
;
- les polarités du générateur ;
- la demi équation électronique traduisant la transformation ayant lieu
sur la lame de zinc.


3.2. La plaque d'acier a une surface totale de 10 m². On veut déposer une
couche de zinc de 0,10 mm d'épaisseur, ce qui correspond à un volume de
zinc égal à 1,0 ( 10 3 cm3. L'intensité du courant est maintenue constante
et égale à 1,0 kA.
1. Calculer la masse de zinc à déposer.
2. En déduire la quantité d'électrons (en mol) devant traverser le
circuit.
3. En déduire la durée de l'électrolyse.


Données: Masse volumique du zinc : ( = 7,14 g.cm-3
Masse molaire du zinc : M = 65,4 g. mol-1
Constante d'Avogadro : NA = 6,02 ( 1023 mol-1
Charge élémentaire : e = 1,60 ( 10 -19 C
Faraday : F = 96500 C .mol -1
ANNEXE DE L'EXERCICE III


À RENDRE AVEC LA COPIE



-----------------------
Clou en fer (Fe(s))

Clou en fer (Fe(s))

Lame de zinc (Zn(s))


Zone





Zone




Figure 1

Clou

Tête

Figure 2

Demi-équation électronique :

Demi-équation électronique :

Solution aqueuse de sulfate de zinc

Lame de zinc

Plaque de fer

générateur

E