Karamö, le prof virtuelLeçon 11 sur 17
La combustion du fer
Je sais décrire la combustion de la paille de fer dans l'air et dans le dioxygène, identifier l'oxyde magnétique de fer formé et expliquer pourquoi la masse du solide augmente.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Savoir que le fer brûle quand il est très divisé
- Décrire la combustion de la paille de fer dans le dioxygène et les précautions à prendre
- Identifier l'oxyde magnétique de fer et écrire le bilan
- Expliquer l'augmentation de masse du solide grâce à la conservation de la masse
- Distinguer la combustion du fer et la formation de la rouille
Avant de commencer : Les leçons « Étude générale des combustions dans l'air » (oxydes, conservation de la masse) et « La combustion du soufre ».
1Je découvre
Dans l'atelier d'un forgeron de Kankan, Lansana regarde le travail : le forgeron sort du foyer une barre de fer rouge vif et la frappe sur l'enclume. De petites écailles noires se détachent et tombent par terre. Plus loin, un soudeur meule un portail en fer : une gerbe d'étincelles jaillit du disque.
Lansana est surpris : « Je croyais que le fer ne brûlait pas ! Une marmite en fer reste sur le feu pendant des heures sans prendre feu. Alors, d'où viennent ces étincelles ? Et ces écailles noires, qu'est-ce que c'est ? »
Le fer peut-il brûler ? Si oui, dans quelles conditions, et que devient-il ?
2Je comprends
1. Le fer brûle-t-il ?
Un clou, une marmite ou une barre de fer chauffés dans une flamme deviennent rouges, mais ne brûlent pas : ils sont trop massifs. La chaleur se répartit dans tout le métal, et le dioxygène de l'air ne touche que la surface.
En revanche, le fer très divisé (en fils très fins ou en minuscules grains) peut brûler :
- la paille de fer (laine d'acier très fine, utilisée pour récurer les marmites) chauffée dans l'air rougeoie et lance quelques étincelles ;
- les étincelles de la meule du soudeur sont de minuscules grains de fer arrachés et chauffés, qui brûlent dans l'air ;
- la limaille de fer jetée dans une flamme produit des étincelles brillantes.
Tu retrouves une idée de la leçon sur la combustion : plus un combustible est divisé, plus il présente de surface au contact du dioxygène, et plus il brûle facilement.
2. L'expérience de la combustion du fer dans le dioxygène
Matériel. Un flacon rempli de dioxygène, avec au fond une couche de sable ou d'eau ; de la paille de fer accrochée à un fil de fer ; une allumette ou un bec à gaz.
Expérience. On porte au rouge l'extrémité de la paille de fer, puis on la plonge rapidement dans le flacon de dioxygène.
Observations.
- La paille de fer brûle vivement, sans flamme mais avec un éclat éblouissant et de nombreuses étincelles qui jaillissent.
- Des gouttelettes incandescentes tombent au fond du flacon.
- Après refroidissement, on recueille des grains gris-noir, durs et cassants, parfois en petites boules.
Pourquoi le sable ou l'eau au fond du flacon ? Les gouttelettes sont très chaudes. Sans cette protection, elles feraient éclater le verre du flacon.
- 1On remplit un flacon de dioxygène et on met du sable ou de l'eau au fond.
- 2On porte au rouge l'extrémité de la paille de fer.
- 3On plonge la paille de fer dans le flacon : elle brûle avec des étincelles éblouissantes.
- 4Des gouttelettes incandescentes tombent sur le sable et refroidissent.
- 5On recueille des grains gris-noir : c'est l'oxyde magnétique de fer.
3. Le produit : l'oxyde magnétique de fer
Les grains gris-noir formés sont attirés par un aimant : on les appelle oxyde magnétique de fer. Ils ne ressemblent plus au fer : ils ne sont ni brillants ni souples, ils sont cassants et s'écrasent en poudre noire.
Bilan de la réaction :
fer + dioxygène → oxyde magnétique de fer
C'est une transformation chimique : le fer et le dioxygène disparaissent, un solide nouveau apparaît, avec dégagement de chaleur et de lumière.
Les petites écailles noires qui se détachent du fer rouge frappé par le forgeron (on les appelle des battitures) sont elles aussi faites d'oxydes de fer : à haute température, la surface du fer réagit avec le dioxygène de l'air.
- métal gris et brillant
- souple, se plie
- conduit bien le courant
- attiré par un aimant
- solide gris-noir, terne
- dur et cassant
- ne ressemble plus à un métal
- aussi attiré par un aimant
4. La masse du solide augmente
Expérience de la balance. On suspend une touffe de paille de fer à un fléau de balance et on équilibre avec des masses marquées. On chauffe la paille de fer : elle rougeoie et noircit. Après quelques instants, la balance penche du côté de la paille de fer : le solide est devenu plus lourd.
Pourquoi ? Le fer s'est uni au dioxygène de l'air : l'oxyde formé contient le fer et l'oxygène. Sa masse est donc plus grande que celle du fer de départ. Cela confirme la conservation de la masse :
m(fer) + m(dioxygène) = m(oxyde magnétique de fer)
Des mesures précises montrent que 21 g de fer réagissent avec 8 g de dioxygène et donnent 29 g d'oxyde magnétique de fer : 21 + 8 = 29 g.
Ce résultat est différent de celui du bois ou du charbon : quand le bois brûle à l'air libre, la masse des cendres est plus petite, parce que les produits (dioxyde de carbone, vapeur d'eau) sont des gaz qui s'échappent. Avec le fer, le produit est un solide qui reste sur place.
Méthode
Pour calculer une masse dans la combustion du fer :
- J'écris le bilan : fer + dioxygène → oxyde magnétique de fer.
- J'écris la conservation de la masse : m(fer) + m(dioxygène) = m(oxyde).
- Si deux masses sont connues, je calcule la troisième par addition ou soustraction.
- Si une seule masse est connue, j'utilise la proportion 21 g + 8 g → 29 g (tableau de proportionnalité).
- Je vérifie en additionnant.
Exemple
On brûle complètement 42 g de fer. Quelle masse de dioxygène est consommée ? Quelle masse d'oxyde obtient-on ?
42 g, c'est le double de 21 g.
Dioxygène : 8 × 2 = 16 g. Oxyde : 29 × 2 = 58 g.
Vérification par conservation de la masse : 42 + 16 = 58 g. C'est juste.
Exemple
Une touffe de paille de fer de 10,5 g brûle complètement. Quelle est la masse du solide obtenu ? La balance penche-t-elle ?
10,5 g, c'est la moitié de 21 g.
Dioxygène consommé : 8 ÷ 2 = 4 g. Oxyde formé : 10,5 + 4 = 14,5 g (ou 29 ÷ 2 = 14,5 g).
Le solide passe de 10,5 g à 14,5 g : sa masse augmente de 4 g, la balance penche du côté de la paille de fer.
5. Combustion du fer ou formation de la rouille ?
Le fer réagit aussi lentement avec le dioxygène de l'air, à température ordinaire, quand il y a de l'humidité : il rouille. La saison des pluies abîme ainsi les tôles, les portails et les outils.
| Combustion du fer | Formation de la rouille | |
|---|---|---|
| Conditions | fer très divisé, chauffé, dioxygène (pur de préférence) | fer, dioxygène de l'air et eau (humidité) |
| Vitesse | très rapide (quelques secondes) | très lente (jours, mois) |
| Phénomènes | étincelles, chaleur, lumière | aucune flamme, aucune lumière |
| Produit | oxyde magnétique de fer, gris-noir, attiré par l'aimant | rouille, brun-rouge, friable |
Dans les deux cas, le fer s'unit au dioxygène et il se forme un oxyde de fer. Pour protéger le fer de la rouille, on le peint, on le graisse ou on le recouvre d'une autre couche de métal (tôle galvanisée).
6. Réponses aux questions de Lansana
La marmite ne brûle pas parce que le fer massif ne peut pas brûler dans l'air. Mais les minuscules grains arrachés par la meule sont très divisés et chauds : ils brûlent dans le dioxygène de l'air, ce sont les étincelles. Les écailles noires du forgeron sont des oxydes de fer, formés quand le fer très chaud réagit avec le dioxygène de l'air.
3Je retiens
Je retiens
Le fer massif ne brûle pas dans l'air ; le fer très divisé (paille de fer, limaille) peut brûler.
Dans le dioxygène pur, la paille de fer brûle vivement avec des étincelles éblouissantes ; on met du sable ou de l'eau au fond du flacon pour qu'il ne casse pas.
Bilan : fer + dioxygène → oxyde magnétique de fer (solide gris-noir, cassant, attiré par un aimant).
Masses : 21 g de fer + 8 g de dioxygène → 29 g d'oxyde magnétique de fer.
La masse du solide augmente, car le fer s'unit au dioxygène (conservation de la masse).
La rouille est un autre oxyde de fer, brun-rouge, formé lentement en présence de dioxygène et d'eau.
4Erreurs fréquentes
- Dire que la paille de fer « perd du poids » en brûlant comme le bois : au contraire, le solide devient plus lourd, car il gagne l'oxygène.
- Croire que les grains noirs sont encore du fer parce qu'ils sont attirés par l'aimant : c'est une substance nouvelle, l'oxyde magnétique de fer, qui est dur, cassant et terne.
- Confondre l'oxyde magnétique de fer (noir, combustion rapide) et la rouille (brun-rouge, oxydation lente avec de l'eau).
- Oublier la couche de sable ou d'eau au fond du flacon : les gouttes incandescentes feraient éclater le verre.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète : « Le fer massif ne … pas dans l'air. La paille de fer brûle dans le dioxygène en produisant des …. Le produit formé est l'…, de couleur …, attiré par un …. »
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« Le fer massif ne brûle pas dans l'air. La paille de fer brûle dans le dioxygène en produisant des étincelles. Le produit formé est l'oxyde magnétique de fer, de couleur gris-noir, attiré par un aimant. »
2Exercice 2
Pourquoi une marmite en fer posée sur le feu ne brûle-t-elle pas, alors que les grains de fer arrachés par une meule brûlent ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
La marmite est en fer massif : la chaleur se répartit dans tout le métal et seule sa surface touche le dioxygène, elle ne peut pas brûler. Les grains arrachés par la meule sont minuscules (fer très divisé) et très chauds : ils ont une grande surface au contact du dioxygène de l'air et brûlent, ce qui produit les étincelles.
3Exercice 3
a) Écris le bilan de la combustion du fer. b) Pourquoi met-on du sable ou de l'eau au fond du flacon de dioxygène ? c) Comment vérifier que le produit n'est pas du fer, alors qu'il est lui aussi attiré par un aimant ?
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a) fer + dioxygène → oxyde magnétique de fer.
b) Les gouttelettes incandescentes qui tombent sont très chaudes : le sable ou l'eau empêche le fond du flacon d'éclater.
c) On observe ses autres propriétés : il est terne, gris-noir, dur et cassant (il s'écrase en poudre), alors que le fer est brillant et souple. Ses propriétés sont différentes : c'est une autre substance.
4Exercice 4
Calcule :
a) la masse d'oxyde magnétique de fer obtenue en brûlant complètement 63 g de fer ;
b) la masse de dioxygène consommée ;
c) la masse de fer qu'il faut brûler pour obtenir 87 g d'oxyde.
Voir le corrigéCacher le corrigé
On utilise 21 g de fer + 8 g de dioxygène → 29 g d'oxyde.
a) 63 = 21 × 3, donc la masse d'oxyde est 29 × 3 = 87 g.
b) Dioxygène : 8 × 3 = 24 g. Vérification : 63 + 24 = 87 g.
c) 87 = 29 × 3, donc il faut 21 × 3 = 63 g de fer.
5Exercice 5
Kadiatou suspend une touffe de paille de fer à l'un des plateaux d'une balance et l'équilibre. Elle chauffe la paille de fer avec une flamme.
a) Qu'observe-t-elle sur la paille de fer ?
b) De quel côté la balance penche-t-elle après la combustion ? Explique.
c) Son camarade Alpha dit : « Quand on brûle du bois, les cendres pèsent moins que le bois. Donc ta balance devrait monter du côté de la paille de fer. » Réponds-lui en expliquant la différence.
d) Donne deux différences entre la combustion du fer et la formation de la rouille.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) La paille de fer rougeoie, lance quelques étincelles et devient gris-noir.
b) La balance penche du côté de la paille de fer : le fer s'est uni au dioxygène de l'air, et l'oxyde formé est plus lourd que le fer de départ (masse du fer + masse du dioxygène).
c) Quand le bois brûle, la plupart des produits (dioxyde de carbone, vapeur d'eau) sont des gaz qui s'échappent dans l'air : les cendres qui restent pèsent moins. Pour le fer, le produit est un solide qui reste sur la balance et contient en plus l'oxygène : il pèse plus lourd. Dans les deux cas, la masse totale se conserve.
d) La combustion est rapide, avec des étincelles et de la lumière, et donne un oxyde gris-noir ; la rouille se forme lentement, sans lumière, en présence d'eau, et elle est brun-rouge.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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