Karamö, le prof virtuelLeçon 7 sur 26
La formation de la rouille
Je sais expliquer dans quelles conditions le fer rouille, écrire l'équation de la formation de la rouille et choisir un moyen de protéger un objet en fer.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Déterminer par l'expérience les conditions de formation de la rouille
- Décrire la rouille et expliquer pourquoi elle ne protège pas le fer
- Interpréter la formation de la rouille comme une oxydoréduction et écrire son équation
- Connaître et justifier les principaux moyens de protection du fer
Avant de commencer : L'oxydoréduction (gain et perte d'oxygène, transfert d'électrons), la classification des couples Zn²⁺/Zn et Fe²⁺/Fe, le test des ions fer à la soude, les calculs de quantités de matière.
1Je découvre
À Dubréka, près de la mer, Alpha remarque que les tôles du toit de la maison familiale sont couvertes de taches brun-rouge, alors que celles de la maison de son oncle, à Mamou, en altitude et loin de la côte, semblent en meilleur état, même si elles ont le même âge.
Pendant la saison des pluies, il voit aussi que sa bicyclette, laissée dehors, se couvre de rouille en quelques semaines, surtout la chaîne et le guidon là où la peinture s'est écaillée. Le vieux vélo de son grand-père, lui, soigneusement graissé et rangé à l'abri, brille encore.
Alpha se pose plusieurs questions : pourquoi le fer rouille-t-il plus vite au bord de la mer ? Est-ce l'eau, l'air ou le sel qui le ronge ? Et pourquoi la graisse et la peinture le protègent-elles ?
Dans quelles conditions le fer rouille-t-il, que se passe-t-il chimiquement, et comment l'en empêcher ?
2Je comprends
1. Une expérience pour trouver les conditions de la rouille
On place quatre clous en fer bien décapés (sans rouille ni graisse) dans quatre tubes à essai, et on les observe pendant une semaine.
| Tube | Conditions | Observation après une semaine |
|---|---|---|
| 1 | Air sec (un produit desséchant, le chlorure de calcium anhydre, absorbe l'humidité ; tube bouché) | pas de rouille |
| 2 | Eau bouillie (sans air dissous), recouverte d'une couche d'huile | pas de rouille |
| 3 | Eau du robinet au contact de l'air | rouille |
| 4 | Eau salée au contact de l'air | beaucoup de rouille, plus rapidement |
Interprétation :
- tube 1 : il y a du dioxygène mais pas d'eau, le fer ne rouille pas ;
- tube 2 : il y a de l'eau mais pas de dioxygène (l'ébullition l'a chassé et l'huile empêche l'air d'entrer), le fer ne rouille pas ;
- tube 3 : eau et dioxygène sont présents, le fer rouille ;
- tube 4 : le sel accélère la formation de la rouille.
Conclusion : le fer rouille en présence simultanée d'eau et de dioxygène. Le sel (et les milieux acides) accélèrent la corrosion.
Voilà pourquoi les tôles rouillent plus vite à Dubréka : l'air marin est humide et contient de fines gouttelettes d'eau salée. La saison des pluies accélère aussi le phénomène.
2. Qu'est-ce que la rouille ?
La rouille est un oxyde de fer III hydraté, de formule Fe2O3, nH2O (n est un nombre variable de molécules d'eau). Elle est brun-rouge, friable et poreuse : elle laisse passer l'air et l'eau.
C'est ce qui la rend dangereuse : la couche de rouille ne protège pas le fer situé en dessous. La corrosion continue en profondeur, jusqu'à percer la tôle ou fragiliser une poutre.
Comparaison avec l'aluminium : l'aluminium s'oxyde aussi à l'air, mais il se couvre d'une couche très fine, compacte et imperméable d'alumine Al2O3, qui arrête la corrosion. On dit que l'aluminium est protégé par son oxyde ; le fer, lui, ne l'est pas.
3. La rouille, une oxydoréduction lente
La formation de la rouille est une oxydation lente du fer. On peut la décrire en plusieurs étapes simplifiées :
- 1Au contact de l'eau, le fer est oxydé : Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻.
- 2Les électrons sont captés par le dioxygène dissous dans l'eau : O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻.
- 3Les ions Fe²⁺ et OH⁻ forment de l'hydroxyde de fer II : Fe²⁺ + 2 OH⁻ → Fe(OH)₂ (vert).
- 4Le dioxygène oxyde ensuite le fer II en fer III : on obtient de l'hydroxyde de fer III Fe(OH)₃ (rouille).
- 5En perdant de l'eau, il se transforme en oxyde de fer III hydraté Fe₂O₃, n H₂O : c'est la rouille.
Le fer est le réducteur (il cède des électrons, il est oxydé), le dioxygène est l'oxydant (il capte des électrons, il est réduit). L'eau est indispensable : elle permet aux ions de se déplacer. Le sel augmente le nombre d'ions dans l'eau et accélère donc la réaction.
Équation-bilan globale
4Fe + 3O2 + 2nH2O → 2(Fe2O3, nH2O)
Pour les calculs, on utilise souvent l'équation simplifiée, sans l'eau d'hydratation : 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3.
Vérification de l'équation complète : Fe : 4 et 2 × 2 = 4 ; O : 3 × 2 + 2n = 6 + 2n et 2 × (3 + n) = 6 + 2n ; H : 4n et 2 × 2n = 4n. Elle est équilibrée.
Exemple
Une barre de fer de 11,2 g rouille complètement. Quelle masse d'oxyde de fer III (Fe₂O₃, sans compter l'eau) se forme ? Quel volume de dioxygène a été consommé ? (Fe = 56 ; O = 16 ; Vm = 22,4 L/mol)
Équation simplifiée : 4 Fe + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃.
n(Fe) = 11,2 / 56 = 0,200 mol.
n(Fe₂O₃) = n(Fe) / 2 = 0,100 mol ; M(Fe₂O₃) = 2 × 56 + 3 × 16 = 160 g/mol ; m = 0,100 × 160 = 16,0 g.
n(O₂) = 3 × n(Fe) / 4 = 3 × 0,200 / 4 = 0,150 mol ; V(O₂) = 0,150 × 22,4 = 3,36 L.
Contrôle : masse de O₂ = 0,150 × 32 = 4,8 g ; 11,2 + 4,8 = 16,0 g. La masse de l'objet a augmenté de 4,8 g.
4. Protéger le fer contre la rouille
Pour empêcher la rouille, il faut empêcher le contact du fer avec l'eau et l'air, ou bien « sacrifier » un autre métal à sa place.
a) Isoler le fer par un revêtement
- Peinture, vernis, peinture antirouille : portails, grilles, carrosseries, ponts métalliques.
- Graisse ou huile : outils, chaînes de vélo, pièces de moteur.
- Matière plastique : grillages et fils plastifiés.
- Un métal qui ne rouille pas : étamage (couche d'étain des boîtes de conserve), chromage, nickelage.
Si le revêtement est rayé, le fer à nu recommence à rouiller. Avec l'étain, c'est même pire : le fer, plus réducteur que l'étain, rouille plus vite à l'endroit de la rayure.
b) La galvanisation (revêtement de zinc)
On recouvre le fer d'une couche de zinc : c'est le cas des tôles galvanisées qui couvrent beaucoup de toits en Guinée, des seaux et des fils de fer galvanisés. Le zinc est un réducteur plus fort que le fer (il est placé plus bas dans la classification). Même si la couche est rayée, c'est le zinc qui s'oxyde à la place du fer : il le protège jusqu'à ce qu'il soit lui-même consommé. Voilà pourquoi une tôle neuve ne rouille pas pendant plusieurs années, puis rouille quand le zinc est usé, plus vite au bord de la mer.
c) L'anode sacrificielle
Sur les coques des bateaux ou les canalisations enterrées, on fixe des blocs de zinc ou de magnésium reliés au fer. Ces métaux s'oxydent à la place du fer ; on les remplace régulièrement.
d) Changer de matériau
L'acier inoxydable est un alliage de fer contenant notamment du chrome (et souvent du nickel) : il se couvre d'une couche protectrice et ne rouille pratiquement pas. On l'utilise pour les couverts, les éviers, le matériel médical.
Méthode
Pour choisir une protection contre la rouille :
- Je repère le milieu : humide, salé (bord de mer), acide, enterré ?
- Je repère l'usage : l'objet bouge-t-il (chaîne, outil) ou est-il fixe (portail, toit) ?
- Objet mobile : graisse ou huile. Objet fixe : peinture ou galvanisation. Grande structure en milieu salé : galvanisation ou anode sacrificielle.
- Je justifie par la chimie : empêcher le contact eau + dioxygène, ou faire oxyder un métal plus réducteur que le fer.
Exemple
Pourquoi un seau galvanisé rayé ne rouille-t-il pas à l'endroit de la rayure, alors qu'une boîte de conserve étamée rayée rouille ?
Dans la classification : Zn²⁺/Zn est placé sous Fe²⁺/Fe, donc le zinc est un réducteur plus fort que le fer. C'est lui qui cède ses électrons : Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻. Le fer n'est pas oxydé.
L'étain est un réducteur plus faible que le fer : à la rayure, c'est le fer qui s'oxyde, et plus vite que s'il était seul. La boîte rouille.
3Je retiens
Je retiens
Le fer rouille en présence simultanée d'eau et de dioxygène ; le sel et les acides accélèrent la corrosion.
La rouille est un oxyde de fer III hydraté, Fe₂O₃, n H₂O : poreuse et friable, elle ne protège pas le fer.
C'est une oxydoréduction lente : le fer (réducteur) est oxydé, le dioxygène (oxydant) est réduit.
Équation : 4 Fe + 3 O₂ + 2n H₂O → 2 (Fe₂O₃, n H₂O) ; simplifiée : 4 Fe + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃.
L'aluminium, lui, est protégé par sa couche compacte d'alumine.
Protections : peinture, graisse, plastique, étamage, chromage ; galvanisation (zinc) et anode sacrificielle (zinc, magnésium) ; acier inoxydable.
4Erreurs fréquentes
- Dire que le fer rouille « à cause de l'eau » seulement : sans dioxygène (tube 2), il ne rouille pas. Il faut les deux.
- Croire que la couche de rouille protège le fer comme l'alumine protège l'aluminium : la rouille est poreuse, la corrosion continue dessous.
- Penser que le zinc protège seulement comme une peinture : il protège aussi quand il est rayé, parce qu'il s'oxyde à la place du fer.
- Oublier que la masse augmente quand le fer rouille : l'objet gagne la masse de l'oxygène fixé.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie en complétant : « Le fer rouille en présence d'…… et de …… . La rouille est un …… de fer III hydraté. Elle est …… et ne protège pas le fer. »
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« Le fer rouille en présence d'eau et de dioxygène. La rouille est un oxyde de fer III hydraté. Elle est poreuse (friable) et ne protège pas le fer. »
2Exercice 2
Fatoumata place un clou dans chacun des tubes suivants : A (eau bouillie + couche d'huile) ; B (air sec avec chlorure de calcium) ; C (eau salée à l'air libre) ; D (eau du puits à l'air libre).
a) Dans quels tubes le clou rouille-t-il ? Dans lequel rouille-t-il le plus vite ?
b) Quel est le rôle de l'ébullition et de l'huile dans le tube A ?
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a) Le clou rouille dans C et D, car ils contiennent de l'eau et du dioxygène. Il rouille le plus vite dans C, car le sel accélère la corrosion. Dans A (pas de dioxygène) et B (pas d'eau), il ne rouille pas.
b) L'ébullition chasse le dioxygène dissous dans l'eau ; l'huile empêche l'air de s'y dissoudre à nouveau. Le tube A montre donc que l'eau seule ne suffit pas.
3Exercice 3
Propose, en la justifiant, une protection adaptée pour : a) la chaîne d'une moto ; b) le portail d'une école ; c) les tôles d'une maison au bord de la mer ; d) la coque en acier d'une pirogue motorisée ou d'un bateau de pêche.
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a) Graisse ou huile : la chaîne bouge, une peinture s'écaillerait ; la graisse isole le fer de l'eau et de l'air.
b) Peinture antirouille : elle isole le fer ; il faut la refaire quand elle s'écaille.
c) Tôles galvanisées (éventuellement peintes) : le zinc s'oxyde à la place du fer, même en cas de rayure, dans un air salé très corrosif.
d) Anodes sacrificielles en zinc ou en magnésium fixées sur la coque, en plus de la peinture : ces métaux, plus réducteurs que le fer, s'oxydent à sa place.
4Exercice 4
Écris la demi-équation de l'oxydation du fer en ion fer II. Précise quel est l'oxydant et quel est le réducteur dans la formation de la rouille.
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Fe → Fe2+ + 2e^-. Le fer est le réducteur (il cède des électrons, il est oxydé) ; le dioxygène est l'oxydant (il capte des électrons, il est réduit).
5Exercice 5
(Type BEPC) Une pièce de fer de 5,6 g rouille entièrement. On utilise l'équation simplifiée 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3. On donne : Fe = 56 ; O = 16 ; Vm = 22,4 L/mol.
a) Calcule la masse d'oxyde de fer III formé.
b) Calcule le volume de dioxygène consommé.
c) L'air contient environ un cinquième de dioxygène en volume. Quel volume d'air a été nécessaire ?
d) Ibrahima dit : « Un objet rouillé est plus léger qu'avant, car la rouille l'a rongé. » Qu'en penses-tu ?
e) Explique pourquoi une tôle galvanisée résiste mieux à la rouille, même rayée.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) n(Fe) = 5,656 = 0,100 mol. n(Fe2O3) = 0,1002 = 0,050 mol. M(Fe2O3) = 160 g/mol ; m = 0,050 × 160 = 8,0 g.
b) n(O2) = 34 × 0,100 = 0,075 mol ; V(O2) = 0,075 × 22,4 = 1,68 L.
c) V(air) = 5 × 1,68 = 8,4 L.
d) Il se trompe : le fer fixe de l'oxygène, la masse augmente (ici de 5,6 g à 8,0 g, sans compter l'eau d'hydratation). En revanche, la rouille friable finit par se détacher : c'est alors que l'objet perd de la matière et s'affaiblit.
e) Le zinc est un réducteur plus fort que le fer : il s'oxyde à la place du fer (Zn → Zn2+ + 2e^-), même là où la couche est rayée. Le fer reste protégé tant qu'il reste du zinc.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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