Karamö, le prof virtuelLeçon 14 sur 22
La corrosion des métaux
Je sais expliquer ce qu'est la corrosion, quelles conditions font rouiller le fer et comment protéger les métaux.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir la corrosion et la rouille
- Identifier par l'expérience les conditions de formation de la rouille (eau et dioxygène)
- Comparer la corrosion du fer à celle de l'aluminium, du zinc et du cuivre
- Citer et expliquer les principaux moyens de protection des métaux
Avant de commencer : Les métaux et leurs usages, les alliages ; la composition de l'air (environ 21 % de dioxygène) ; écrire une équation-bilan simple.
1Je découvre
Mamadou habite à Kamsar, au bord de la mer. Il y a trois ans, son père a construit un portail en fer. Aujourd'hui, le portail est couvert de taches brun-orangé qui s'effritent sous les doigts. Son cousin Ousmane, qui habite à Mamou, dans le Fouta-Djallon, a un portail du même âge, bien peint : il n'a presque rien.
Pendant la saison des pluies, Mamadou remarque aussi que les clous oubliés dehors rouillent en quelques jours, alors que ceux qui restent dans la boîte fermée, dans la maison, gardent leur couleur grise. Et la marmite en aluminium de sa mère, qui passe pourtant tous les jours dans l'eau, ne rouille jamais.
Il se pose plusieurs questions : « Qu'est-ce que la rouille ? Pourquoi le fer rouille-t-il plus vite au bord de la mer et sous la pluie ? Et pourquoi l'aluminium ne rouille-t-il pas ? »
Qu'est-ce que la corrosion, qu'est-ce qui la provoque, et comment protéger les métaux ?
2Je comprends
1. La corrosion : une transformation chimique
La corrosion est la détérioration d'un métal par une réaction chimique avec son environnement (dioxygène de l'air, eau, sel, acides). Le métal se transforme en un autre corps qui n'a plus ses propriétés : il n'est plus brillant, plus solide, ni conducteur.
La corrosion la plus connue est celle du fer : la rouille. C'est un solide brun-orangé, poreux et friable (il s'effrite). La rouille est un oxyde de fer hydraté : elle contient du fer, de l'oxygène et de l'eau.
C'est bien une transformation chimique : de nouvelles substances apparaissent, et on ne peut pas retrouver le fer simplement en séchant ou en grattant la rouille.
2. L'expérience des trois tubes
Pour savoir ce qui fait rouiller le fer, on place trois clous en fer propres dans trois tubes à essais, pendant une semaine.
| Tube | Contenu | Présence d'eau | Présence de dioxygène | Résultat |
|---|---|---|---|---|
| A | clou dans de l'air sec (avec un produit desséchant, bouché) | non | oui | pas de rouille |
| B | clou dans de l'eau bouillie (sans air dissous), recouverte d'une couche d'huile | oui | non | pas de rouille |
| C | clou à moitié dans l'eau, tube ouvert à l'air | oui | oui | rouille |
Conclusion : le fer ne rouille que s'il y a à la fois de l'eau et du dioxygène. Il suffit de supprimer l'un des deux pour empêcher la rouille.
- eau + dioxygène présents ensemble
- air humide, pluie, rosée
- air marin chargé de sel (plus rapide)
- fer nu, rayé, non entretenu
- air sec, sans eau
- eau sans dioxygène
- métal recouvert de peinture ou de graisse
- fer recouvert de zinc ou d'étain
3. Les facteurs qui accélèrent la corrosion
- L'humidité : pendant la saison des pluies, le fer rouille beaucoup plus vite qu'en saison sèche.
- Le sel : l'air marin et l'eau salée accélèrent fortement la rouille. C'est pourquoi les objets en fer rouillent plus vite à Conakry, Kamsar ou Boffa qu'à l'intérieur du pays.
- Les acides et certaines fumées industrielles.
- La chaleur, qui accélère la plupart des réactions chimiques.
4. Pourquoi la rouille est-elle si grave ?
La rouille est poreuse : elle laisse passer l'eau et l'air jusqu'au fer situé dessous. La corrosion continue donc en profondeur, jusqu'à ronger complètement l'objet : tôles trouées, fers à béton qui gonflent et font éclater le béton, ponts et véhicules fragilisés.
On peut écrire une équation simplifiée de la formation de l'oxyde de fer (sans l'eau) :
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3
Vérifions la conservation des atomes : à gauche, 4 atomes de fer et 3 × 2 = 6 atomes d'oxygène ; à droite, 2 × 2 = 4 atomes de fer et 2 × 3 = 6 atomes d'oxygène. L'équation est équilibrée.
Comme le fer fixe de l'oxygène de l'air, un objet qui rouille devient plus lourd : c'est la conservation de la masse. Les mesures montrent que 7 g de fer se combinent à 3 g de dioxygène pour donner 10 g d'oxyde de fer Fe2O3.
Exemple
Un morceau de fer de 28 g se transforme entièrement en oxyde de fer Fe₂O₃. Sachant que 7 g de fer se combinent à 3 g de dioxygène, calcule la masse de dioxygène fixée et la masse d'oxyde obtenue.
28 g, c'est 4 fois 7 g (28 ÷ 7 = 4).
Masse de dioxygène : 4 × 3 = 12 g.
Masse d'oxyde : 28 + 12 = 40 g (conservation de la masse), ce qui correspond bien à 4 × 10 = 40 g.
L'objet a gagné 12 g.
5. Tous les métaux ne se corrodent pas de la même façon
L'aluminium réagit lui aussi avec le dioxygène. Mais il se forme à sa surface une couche très fine, imperméable et adhérente d'oxyde d'aluminium (l'alumine Al2O3). Cette couche protège le métal qui est dessous : la corrosion s'arrête. On dit que l'aluminium est protégé par sa couche d'oxyde. C'est pourquoi la marmite ne « rouille » pas. Elle peut cependant être attaquée par le sel ou les produits très acides ou très basiques.
Le zinc se couvre aussi d'une couche protectrice grisâtre.
Le cuivre se couvre lentement, à l'air humide, d'une couche verte appelée vert-de-gris, qui protège en partie le métal. Le vert-de-gris est toxique : il ne faut pas cuisiner dans un récipient en cuivre qui en porte.
L'or ne se corrode pratiquement pas : c'est pour cela qu'il garde son éclat pendant des siècles.
6. Protéger les métaux contre la corrosion
L'idée est toujours la même : empêcher l'eau et le dioxygène d'atteindre le métal, ou utiliser un métal qui ne rouille pas.
| Moyen de protection | Principe | Exemple |
|---|---|---|
| Peinture, vernis | couche qui isole le fer de l'air et de l'eau | portails, grilles, véhicules |
| Graisse, huile | film qui isole le métal | outils, pièces de moteur, chaînes de vélo |
| Galvanisation | on recouvre le fer d'une couche de zinc | tôles de toiture, seaux, fils de clôture |
| Étamage | on recouvre le fer d'une couche d'étain | boîtes de conserve |
| Chromage, nickelage | on dépose une couche de chrome ou de nickel | pièces de vélos, robinets |
| Alliage inoxydable | on remplace le fer par de l'acier inoxydable | couverts, éviers |
| Métal sacrifié | on fixe des blocs de zinc qui se corrodent à la place du fer | coques de bateaux, canalisations |
Le zinc a un avantage : même si la tôle galvanisée est rayée, c'est le zinc qui se corrode à la place du fer. On dit que le zinc est « sacrifié ».
Méthode
Pour expliquer la corrosion d'un objet et proposer une protection :
- J'identifie le métal et l'environnement (eau, air, sel, acide).
- Je vérifie si l'eau et le dioxygène sont présents ensemble.
- Je dis si la couche formée est protectrice (aluminium, zinc) ou non (rouille poreuse du fer).
- Je propose un moyen adapté pour isoler le métal (peinture, graisse, zinc…) ou un matériau inoxydable.
Exemple
Kadiatou veut protéger la brouette en fer de son père, qui sert au champ. Que lui conseilles-tu ?
- Métal : fer. Environnement : pluie, terre humide, engrais.
- Eau et dioxygène sont réunis : le fer va rouiller.
- La rouille est poreuse : elle va ronger la brouette.
- Il faut gratter la rouille déjà formée, passer une peinture antirouille puis une peinture de finition, et ranger la brouette à l'abri de la pluie.
3Je retiens
Je retiens
La corrosion est la détérioration d'un métal par réaction chimique avec son environnement.
La rouille (oxyde de fer hydraté) est brun-orangé, poreuse et friable : elle ronge le fer en profondeur.
Le fer rouille seulement en présence d'eau ET de dioxygène ; le sel accélère la rouille.
Équation simplifiée : 4 Fe + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃ ; un objet qui rouille devient plus lourd.
L'aluminium et le zinc se couvrent d'une couche d'oxyde imperméable qui les protège ; le cuivre se couvre de vert-de-gris.
Protections : peinture, graisse, galvanisation (zinc), étamage (étain), chromage, acier inoxydable, métal sacrifié.
4Erreurs fréquentes
- Croire que l'eau seule fait rouiller le fer : dans l'eau privée de dioxygène, le fer ne rouille pas. Il faut l'eau ET le dioxygène.
- Penser qu'un objet rouillé a perdu de la masse : il en a gagné, car il a fixé de l'oxygène de l'air (seuls les morceaux de rouille qui tombent font perdre de la masse à l'objet).
- Dire que l'aluminium ne réagit pas avec l'air : il réagit, mais la couche d'alumine formée le protège.
- Confondre la corrosion (transformation chimique) avec la simple saleté ou l'usure (phénomènes physiques).
5Je m’exerce
1Exercice 1
Définis : a) la corrosion ; b) la rouille ; c) la galvanisation.
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a) La corrosion est la détérioration d'un métal par une réaction chimique avec son environnement (dioxygène, eau, sel, acides).
b) La rouille est le produit de la corrosion du fer : un oxyde de fer hydraté, brun-orangé, poreux et friable.
c) La galvanisation consiste à recouvrir le fer d'une couche de zinc pour le protéger de la corrosion.
2Exercice 2
On réalise l'expérience des trois tubes décrite dans la leçon.
a) Dans quel tube le clou rouille-t-il ?
b) Pourquoi fait-on bouillir l'eau du tube B, et pourquoi la recouvre-t-on d'huile ?
c) Quelle conclusion tires-tu de cette expérience ?
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a) Le clou rouille dans le tube C, où il y a à la fois de l'eau et de l'air.
b) On fait bouillir l'eau pour chasser le dioxygène dissous ; l'huile empêche le dioxygène de l'air de se dissoudre à nouveau dans l'eau.
c) Le fer ne rouille qu'en présence simultanée d'eau et de dioxygène.
3Exercice 3
Explique pourquoi :
a) les voitures rouillent plus vite à Conakry qu'à Kankan ;
b) une marmite en aluminium ne se détruit pas comme un seau en fer non protégé ;
c) il est dangereux de cuisiner dans une marmite en cuivre couverte d'une couche verte.
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a) Conakry est au bord de la mer : l'air y est humide et chargé de sel, ce qui accélère la rouille. Kankan, à l'intérieur des terres, a un air sans sel et une saison sèche marquée.
b) L'aluminium se couvre d'une couche d'alumine imperméable qui protège le métal ; la rouille du fer est poreuse et laisse la corrosion continuer en profondeur.
c) La couche verte est du vert-de-gris, qui est toxique : il pourrait passer dans les aliments.
4Exercice 4
Recopie et équilibre l'équation : … Fe + … O2 → … Fe2O3. Vérifie en comptant les atomes de chaque sorte.
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4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3.
Fer : 4 à gauche, 2 × 2 = 4 à droite. Oxygène : 3 × 2 = 6 à gauche, 2 × 3 = 6 à droite. L'équation est équilibrée.
5Exercice 5
(Type BEPC) Un clou en fer de 14 g est laissé dehors pendant la saison des pluies. On admet qu'une partie du fer se transforme en oxyde de fer Fe2O3 et que 7 g de fer se combinent à 3 g de dioxygène.
a) Au bout d'un mois, 3,5 g de fer se sont transformés. Calcule la masse de dioxygène fixée.
b) Quelle est alors la masse du clou rouillé (en supposant que la rouille reste accrochée) ?
c) Cite deux moyens pour empêcher ce clou de rouiller et explique le principe de chacun.
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a) 3,5 g est la moitié de 7 g (3,5 ÷ 7 = 0,5). Masse de dioxygène fixée : 0,5 × 3 = 1,5 g.
b) Le clou a fixé 1,5 g d'oxygène : sa masse devient 14 + 1,5 = 15,5 g.
c) Peindre le clou (ou le graisser) : la couche isole le fer de l'eau et du dioxygène. Utiliser un clou galvanisé : la couche de zinc protège le fer, et même rayée, c'est le zinc qui se corrode à la place du fer.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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