Vie et mort du zinc - Académie de Lyon

Terminale spécialité Chimie
3ère thème : Matériaux (Cohésion et transformations de la matière) Cycle de vie
Mots clés : Elaboration, vieillissement, corrosion, protection,
recyclage, élimination.
Déroulement : 2 séances sont nécessaires :
( La première permet : - de comprendre la précipitation sélective
afin d'éliminer les ions inopportuns
obtenus après les étapes de grillage et lixiviation de la
blende (I-) ;
- de mettre en évidence le phénomène de corrosion (II-1-) ;
- de rechercher des expériences sur la rouille (paramètre et
protection) (II-2-a-). ( La deuxième permet : - d'interpréter les expériences (II-2-a-)
;
- de montrer qu'une pile a été formée (II-2-b-) ;
- de montrer l'intérêt de réaliser une électrolyse (II-3-). Terminale spécialité Chimie
3ère thème : Matériaux (Cohésion et transformations de la matière) Vie et mort du zinc
I- Extraction du zinc : précipitation sélective (partie non traitée)
Dans le minerai, l'élément zinc n'est par directement exploitable, il
est sous forme d'ion dans le solide ionique ZnS (appelé blende). On
doit l'obtenir sous forme de métal Zn afin de l'utiliser à grande
échelle.
Proposer un protocole expérimentale mettant en évidence la séparation
des ions zinc des autres ions en
choisissant le pH approprié (domaine de prédominance vu en
enseignement spécifique). II- Utilisation du zinc contre la corrosion
1- Étude documentaire
|Document 1 : Un fait historique de corrosion |Document 2 : Protéger l'acier de la |
|galvanique |corrosion |
|Il n'est pas inhabituel d'entendre des plaisanciers|La coque de nombreux bateaux est |
|et parfois même des professionnels raconter |fabriquée en acier. L'acier étant |
|d'horribles histoires de destruction du métal d'une|essentiellement composé de fer, la |
|hélice, d'embase ou pire encore d'une coque en |coque peut être exposée à la rouille. |
|aluminium par un mystérieux mal souvent appelé à |Pour éviter cette corrosion de la |
|tort électrolyse. Il s'agit en effet de la |coque des bateaux, des plaques de zinc|
|corrosion, un phénomène électrochimique [...]. A |sont réparties sur la coque (traits |
|titre anecdotique, les plaisanciers actuels ne sont|gris sur l'image ci-contre). En effet,|
|pas les premiers à découvrir avec surprise les |le zinc est un métal plus réducteur |
|effets de la corrosion. En 1761, les responsables |que le fer et sera oxydé |
|de l'amirauté britannique dont les navires |prioritairement. On dit qu'il y a |
|naviguant dans les eaux tropicales eurent la |protection cathodique par anode |
|géniale idée de doubler, à titre expérimental les |sacrificielle (le zinc). |
|?uvres vives* du HMS ALARM, de plaques de cuivre. |Barrières, glissières de sécurités, |
|Ce doublage devait permettre de lutter contre les |ossatures métalliques, pièces |
|tarets** qui attaquaient le bois des éléments de |automobiles,...sont en aciers |
|la coque. La protection s'avéra efficace mais la |galvanisés. Les aciers sont recouverts|
|surprise fut grande de constater que les ferrures |de zinc. Tant que la couche de zinc ou|
|de gouvernail et les clous en fer utilisés pour les|d'oxyde de zinc est intacte, elle |
|assemblages étaient totalement corrodés au point |forme une pellicule imperméable |
|que le navire perdit sa fausse quille. Le cuivre a |protégeant ainsi l'acier de la |
|pour effet d'attaquer et de détruire le fer lorsque|corrosion. |
|les deux métaux sont plongés dans l'eau de mer. Il | |
|se crée alors un couple galvanique. |Extrait du mensuel « Info CST |
|par Eric Ogden |lorraine » Numéro 80 Mai 2011 |
| | |
|*Les ?uvres vives d'un navire sont la partie | |
|immergée de la coque, par opposition aux « ?uvres | |
|mortes », qui sont tout ce qui dépasse de l'eau. | |
|**Les tarets sont des mollusques qui s'attaquent | |
|aux bois immergés dans l'eau de mer ou l'eau | |
|saumâtre. | |
| | |
|Extrait du dossier technique « Les phénomènes de | |
|corrosion » - http://www.ogdenmarinesurveyors.com/ | |
Questions
1- Citer les deux types de corrosions dont il est fait mention
dans les documents 1 et 2 précédents.
Dans quelles conditions ces deux types de corrosions se
produisent-ils ?
2- Quel est le constituant principal de l'acier ?
3- Comment peut-on protéger l'acier de la corrosion ? Pourquoi
parle-t-on d'anode sacrificielle ?
2- Anode sacrificielle en zinc
Document 1 : Test de mise en évidence
- Diagramme de prédominance de la phénolphtaléine :
La forme acide incolore La forme basique de
couleur
prédomine 8,5 rose prédomine
pH - Diagramme de prédominances de l'hélianthine :
La forme acide de couleur La forme basique de
couleur
jaune prédomine 3,0 rouge prédomine
pH
- Les ions fer II forment un complexe de couleur bleue en présence
d'une solution de ferricyanure de
potassium.
Document 2 : Données scientifiques
- Couples d'oxydo-réduction rencontrés : Fe2+ / Fe O2/ HO-
Zn2+ / Zn
- La rouille Fe2O3,3H2O est un solide obtenu à partir de la réaction
entre le solide Fe(OH)2 avec l'air
et l'eau (le solide Fe(OH)2 provient de la réaction entre les ions
Fe2+ et HO-).
Document 3 : Matériel mis à votre disposition
- Tube(s) à essai - eau distillée -
hélianthine
- Clou - chlorure de sodium -
solution de ferricyanure
- Fine plaque de zinc - phénolphtaléine
de potassium
- Gel agar-agar permettant la diffusion (ou migration) d'espèces
chimique tout en évitant
une homogénéisation accidentelle du milieu par agitation.
a- Formation de la rouille
( À partir des documents précédents, rédiger un protocole
expérimental accompagné de schémas permettant
de valider :
- le mécanisme de corrosion par aération différentielle dans
l'attaque des parties immergées d'un navire.
- 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 faisant apparaître le résultat des
expériences (des schémas peuvent être utilisés) ainsi
qu'une conclusion claire.
b-Interprétation : pile à aération différentielle
Rappeler les conditions nécessaires à la formation d'une pile
électrochimique.
L'expérience réalisée dans le II-2-a- est appelée pile à aération
différentielle ou pile Evans. Expliquer ce
nom à partir de l'expérience et de la question précédente.
Cette expérience ne permet pas de récupérer l'énergie électrique
fournie par la pile. Pour cette raison, on dispose d'une expérience
sur le bureau du professeur.
On cherche à montrer que la pile délivre bien un courant électrique. Description de l'expérience (schéma ci-après avec résultat) :
Un tube en U est séparé en deux compartiments (tube avec verre fritté
ou avec un morceau de laine de verre). Dans le compartiment 1, on
introduit quelques gouttes de ferricyanure de potassium dans une
solution bouillie de chlorure de sodium à 3 % . Dans le compartiment
2, on ajoute de la phénolphtaléine et on fait barboter du dioxygène
dans la même solution de chlorure de sodium.
On introduit dans chaque compartiment deux clous en fer préalablement
décapés.
3- a- Quel instrument de mesure permet de montrer qu'il y a bien
une circulation électrique ? Comment
brancher cet appareil dans le montage ?
b- Quels sont les porteurs de charge dans les différentes
parties du montage ?
4- À partir de vos observations et du document 2 :
a- Écrire l'équation de la réaction se produisant à l'électrode
se trouvant en zone non aérée.
b- Cette électrode, appelée anode, constitue-t-elle le pôle
positif ou négatif de la pile ? Justifier votre
réponse.
c- Est-ce une réaction d'oxydation ou de réduction ?
d- Écrire l'équation de la réaction se produisant à l'électrode
se trouvant en zone aérée.
e- Cette électrode, appelée cathode, constitue-t-elle le pôle
positif ou négatif de la pile ? Justifier votre
réponse.
f- Est-ce une réaction d'oxydation ou de réduction ?
5- En déduire l'équation générale de la pile.
6- Quel(s) est(sont) le(s) rôle(s) de la solution de chlorure de
sodium ?
7- Mettre en place sur le schéma l'instrument
de mesure permettant de montrer qu'il y a bien
une circulation de charges électriques.
Indiquer ses bornes, le sens de circulation du
courant et de tous les porteurs de charge. ( Vous disposez du matériel et des produits suivants :
- deux béchers ; - une bandelette de papier filtre ;
- une coupelle ; - lames en fer et en zinc ;
- solutions de chlorure de potassium, solution contenant les
ions fer (