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Fiche explicative de la leçon : Corrosion Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les méthodes permettant de prévenir la formation de rouille du fer et à identifier les métaux moins sensibles à la formation d’oxydes.

La corrosion est un processus naturel qui peut causer de grands dommages à des objets fabriqués par la main humaine.

La corrosion peut être bénigne et même belle, comme la couleur verte de la Statue de la Liberté (à l’origine de couleur cuivre).

Symbole américain

La corrosion peut également causer des dégâts mineurs, comme la rouille sur un couteau.

vieux couteau rouillé

Mais parfois, la corrosion peut être fatale. En 1967, le pont d’argent qui surplombe la rivière Ohio (Ohio, États-Unis) s’est effondré. Une combinaison de contraintes et de corrosion a affaibli une partie du pont, causant sa rupture sous la charge de la circulation. 46 personnes ont perdu la vie.

pont en fer

Ce nombre paraît incroyable, mais environ 25% de la production annuelle de fer est nécessaire pour compenser les quantités de fer perdues à cause de la corrosion.

Avant d’examiner les impacts de la corrosion plus en détail, cherchons à comprendre en quoi consiste ce phénomène.

La corrosion est un processus subi par de nombreux métaux au cours du temps, où le métal est transformé en un composé métallique. Le mot corrosion est généralement employé lorsque le processus est lent, naturel et touche un objet solide en métal. Une pièce métallique s’affaiblit à mesure qu’elle se corrode:les zones corrodées n’adhèrent pas aussi bien que le métal, et peuvent se désagréger complètement. C’est pour cette raison que la corrosion est généralement considérée comme néfaste.

Définition : La corrosion

La corrosion est un processus irréversible et destructif au cours duquel un métal réagit avec d’autres substances pour former des composés plus stables.

La plupart des métaux purs sont suffisamment réactifs pour former des composés plus stables avec les substances courantes. Les substances courantes le plus souvent impliquées dans la corrosion ou la rouille sont le dioxygène et l’eau.

Réaction : Le métal avec le dioxygène

Métaldioxygèneoxydemétallique+

Réaction : Le métal avec le dioxygène et l’eau

Métaldioxygèneeauhydroxydemétallique++

La corrosion est initiée à la surface d’une pièce métallique et peut devenir plus profonde au cours du temps.

Le fer est le métal le plus utilisé pour la fabrication des équipements industriels et les objets du commerce. En présence d’oxygène et d’eau, une pièce en fer pur rouille assez rapidement. Les aciers sont des alliages de fer avec d’autres éléments, le plus souvent avec du carbone. Le fer de l’acier rouille en général plus lentement, et certains aciers sont dits « inoxydables » s’ils rouillent très lentement ou pas du tout. Les aciers inoxydables courants sont des alliages de fer et de chrome, avec souvent du carbone et du nickel.

Lorsque certains métaux et alliages de métaux réagissent avec le dioxygène et l’eau, les composés formés se craquèlent et se décollent de la surface, exposant ainsi plus de métal. Les couches continuent de réagir et de se décoller jusqu’à ce que tout le métal soit corrodé.

Cependant, certains métaux et alliages forment une couche de passivation;c’est une couche d’un composé métallique ayant une bonne adhésion sur le métal, qui ne craquelle pas ou ne se décolle pas. Cette couche de passivation ralentit ou empêche le dioxygène et l’eau d’atteindre le reste du métal. Tant que la couche de passivation n’est pas rayée, fissurée ou cassée, le métal se corrodera beaucoup plus lentement que si elle n’existait pas.

La passivation est un phénomène naturel pour certains métaux comme l’aluminium et le chrome, car ce sont deux métaux réactifs se liant facilement avec le dioxygène. Des traitements chimiques spéciaux peuvent cependant être appliqués à d’autres métaux pour créer différents types de couches de passivation.

Les composants électriques sensibles sont parfois passivés chimiquement;cela permet de ralentir la corrosion sans rajouter d’épaisseur au composant.

Définition : La passivation

La passivation est le processus de traitement chimique d’une pièce métallique pour former une barrière de protection sur sa surface.

Comme nous l’avons vu avec l’acier inoxydable, le processus d’alliage est parfois suffisant pour transformer un métal réactif et corrodé en une matière qui reste solide et brillante. Par conséquent, l’alliage est un autre moyen de ralentir ou d’arrêter la corrosion.

Définition : L’alliage

L’alliage est le processus consistant à mélanger un métal avec d’autres éléments pour produire un nouveau matériau aux propriétés uniques;les autres éléments sont souvent d’autres métaux.

Comme les alliages sont souvent un mélange de métaux, on peut constater des différences en termes de vitesse et d’ordre de corrosion au niveau atomique. Cette hétérogénéité signifie que dans un alliage donné, par exemple un alliage d’aluminium et de fer, l’aluminium se corrodera avant que le fer ne rouille. Cette différence est due à une plus grande réactivité de l’aluminium et à son incapacité à former une couche d’oxyde de protection une fois mélangé dans un alliage.

Il y a une alternative simple à l’utilisation de produits chimiques pour former une barrière physique:on peut créer un revêtement protecteur sur les pièces métalliques de plusieurs façons. Certaines de ces méthodes produisent des revêtements physiques, tandis que d’autres fournissent également une protection électrochimique.

Le moyen le plus simple de former une barrière contre la corrosion peut être d’enduire une pièce métallique d’huile ou de graisse. Cela constitue une barrière temporaire peu coûteuse à réappliquer. Enduire des mécanismes mobiles avec de l’huile est souvent plus efficace que de les peindre;par exemple, l’huile est la meilleure option pour la protection des engrenages de vélo. Une peinture appliquée sur une pièce mobile comme une roue dentée craquerait et se décollerait rapidement de la pièce. Au contraire, l’huile et la graisse tiendront sur la surface beaucoup plus longtemps.

Pour les pièces non fonctionnelles, la peinture est souvent un excellent choix. Une couche de peinture est une barrière physique à plus long terme contre la corrosion, et permet également d’améliorer l’apparence de l’objet;on peint les carrosseries pour ces deux raisons.

L’inconvénient de ces revêtements est que l’apparition d’une rayure permet la corrosion du métal exposé.

Alors que la peinture, l’huile et la graisse (ou du vernis ou un apprêt) peuvent être efficaces dans de nombreuses circonstances, il existe certains cas qui nécessitent un revêtement plus durable.

Exemple 1: Identifier la raison principale de l’utilisation de l’huile par rapport au plastique pour protéger une chaîne de vélo

Quelle est la raison principale pour préférer l’huile au plastique comme revêtement de protection pour une chaîne de vélo en acier?

  1. L’huile est moins susceptible de réagir avec la chaîne en acier.
  2. L’huile peut s’étaler pour assurer un revêtement uniforme pendant le mouvement de la chaîne.
  3. L’huile est moins lourde que le plastique, donc moins susceptible d’entraver le mouvement de la chaîne.
  4. La couche d’huile réduit l’oxydation en agissant comme un revêtement sacrificiel.
  5. L’huile est moins chère qu’un revêtement en plastique.

Réponse

Une chaîne de vélo en acier fonctionne grâce au déplacement de ses maillons. Elle fonctionne également car elle épouse parfaitement les dents des engrenages.

Si une chaîne de vélo en acier rouille, sa forme est modifiée, les pièces s’usent plus vite et les maillons peuvent adhérer entre eux à tel point que la chaîne cesse de fonctionner. C’est ce qu’on essaie d’empêcher en appliquant une protection.

On pourrait utiliser de l’acier inoxydable, mais cela coûte cher. Il est plus simple d’appliquer un enduit sur le métal.

Les options proposées sont l’huile et le plastique. L’huile, qui est un liquide collant, va très bien recouvrir la chaîne, mais finira par disparaître ou s’évaporer.

La peinture s’enlève moins facilement car elle est solide, mais l’engrenage se déplace en permanence et sa forme évolue au cours de son fonctionnement. La peinture se craquèle et se détache rapidement, et ne reste pas dans les interstices entre les pièces.

Les inconvénients de la peinture ne sont pas aussi importants que les avantages de l’huile.

Les zones en contact d’une pièce mécanique huilée seront automatiquement recouvertes d’huile, protégeant ainsi les pièces les plus sollicitées contre la corrosion.

Par conséquent, la bonne réponse est que l’huile peut se propager pour assurer un revêtement uniforme pendant le mouvement de la chaîne, réponse B.

La galvanisation est le processus de revêtement d’une pièce métallique avec du zinc. La pièce en fer ou en alliage de fer est généralement plongée dans du zinc en fusion pour former la couche de protection.

Galvanisation ou galvaniser

Définition : La galvanisation

La galvanisation est le processus de revêtement par du zinc d’une pièce en métal ferreux.

La protection galvanique a deux fonctions:la couche de zinc forme une barrière physique contre la corrosion et si le revêtement de zinc est incomplet, il forme avec le métal une cellule galvanique. Le zinc est plus réactif que le fer, il réagit donc à la place du fer.

Normalement, la réaction du fer avec le dioxygène et l’eau entraîne son oxydation:FeFe+2eouFeFe+3e2+3+

Une pièce avec un revêtement de zinc est globalement plus stable si les électrons proviennent du zinc plutôt que du fer:ZnZn+2e2+

Le revêtement de zinc se corrode à la place du fer et permet de prévenir la rouille. Comme les électrons proviennent du zinc, on appelle ce phénomène un don d’électrons sacrificiel. Lorsque les électrons quittent le zinc et pénètrent la partie métallique, le zinc est l’anode et la pièce métallique la cathode. C’est pourquoi le revêtement de zinc est également connu sous le nom d’anode sacrificielle.

La galvanisation est souvent choisie pour des pièces métalliques à base de fer exposées aux intempéries, par exemple des clôtures en acier.

C’est une forme de protection sacrificielle où un métal est sacrifié afin d’empêcher la corrosion d’un autre métal.

L’intérêt de cette méthode est qu’elle est efficace même si le revêtement de zinc n’est pas complet. Si un bloc de zinc est en contact électrique avec la pièce métallique, toute la partie métallique sera protégée. Le bloc de zinc sera progressivement corrodé et devra éventuellement être remplacé. Le magnésium peut être employé aux mêmes fins pour protéger les tuyaux de fer enterrés dans des sols humides et les coques de bateaux dans l’eau de mer salée.

Définition: La protection sacrificielle

La protection sacrificielle signifie qu’un métal plus réactif protège un métal moins réactif contre la corrosion.

On peut utiliser la série de réactivité pour identifier quels métaux fonctionneront pour protéger le fer contre la corrosion.

Le zinc, l’aluminium et le magnésium sont plus réactifs que le fer (ils seront oxydés à la place du fer). Le calcium, le lithium, le sodium et le potassium sont plus réactifs que le fer, mais ils le sont tellement qu’ils vont réagir violemment avec l’eau - ce qui n’est pas adapté pour cette application.

Le cuivre, l’argent et l’or étant moins réactifs que le fer, ils ne peuvent pas être utilisés pour la protection des pièces en métaux ferreux.

Le zinc se distingue des autres métaux:il est économique, facile à appliquer, abondant, et se corrode à une vitesse qui garantit une bonne protection.

La peinture ne suffit généralement pas pour protéger les pièces métalliques dans l’eau de mer, étant donné que le sel qu’elle contient augmente la vitesse de corrosion. Les blocs de zinc sont souvent fixés aux coques des navires et aux structures des plates-formes de forage pétrolier. Les blocs de zinc sont régulièrement remplacés, ce qui permet de limiter la corrosion de la structure. Les tuyaux d’acier enterrés sont également dans un environnement propice à la corrosion, et un câble électrique en contact avec un bloc de zinc placé à la surface suffit pour les protéger.

Arrière d'un grand moteur

Exemple 2: Identifier le métal qui ne peut pas être utilisé comme métal sacrificiel pour l’étain

Lequel des éléments suivants ne peut-il pas être utilisé comme métal sacrificiel pour empêcher la corrosion de l’étain?

  1. le plomb
  2. le magnésium
  3. le fer
  4. le zinc
  5. l’aluminium

Réponse

Un métal sacrificiel est un métal plus réactif qui se corrode à la place du métal à protéger moins réactif. Le métal sacrificiel fournit une protection sacrificielle au métal le moins réactif en s’oxydant à sa place.

L’étain se corrode en réagissant avec le dioxygène de l’air:Sn()+O()SnO()sgs22

Un métal sacrificiel n’est utile que s’il est plus réactif que le métal qu’il protège. Pour répondre à la question, observons la série de réactivité suivante.

Le magnésium, l’aluminium, le zinc et le fer sont plus réactifs que l’étain, ils peuvent donc théoriquement être utilisés comme métaux sacrificiels pour l’étain. Le plomb est le seul métal moins réactif que l’étain. Le plomb ne fonctionnerait pas comme métal sacrificiel pour l’étain car il a tendance à s’oxyder moins facilement.

Par conséquent, parmi les métaux proposés, le seul qui ne peut pas être utilisé comme métal sacrificiel pour l’étain est le plomb, réponse A.

Exemple 3: Identifier la méthode qui ne permet pas de réduire la vitesse de formation de la rouille

Lequel des choix suivants n’est-il pas une méthode pour réduire la vitesse de formation de la rouille?

  1. le soudage
  2. le graissage
  3. l’alliage
  4. la galvanisation
  5. l’électrodéposition

Réponse

La rouille apparaît sur les pièces métalliques qui contiennent une forte proportion de fer;la rouille est une forme de corrosion. Pour protéger une pièce métallique contre la corrosion, il faut ralentir ou empêcher le dioxygène et l’eau d’atteindre le fer.

Le soudage est une technique et un procédé de connexion de pièces métalliques. Il en existe de nombreux types, mais ils impliquent tous la fusion de métal dans une petite zone afin de coller une partie métallique à une autre. Une soudure est généralement composée des mêmes matériaux que le reste des pièces métalliques, il est donc peu probable que le soudage modifie la vitesse de formation de la rouille.

Le graissage signifie ajouter une couche de graisse sur une pièce métallique. On réduit ainsi le frottement entre les pièces, mais on fournit également une barrière physique contre le dioxygène et l’eau, ralentissant la formation de rouille.

L’alliage est simplement le processus consistant à mélanger un élément métallique avec d’autres éléments (généralement des métaux) à l’échelle atomique. L’alliage produit possède souvent des propriétés très différentes des éléments purs qui le composent. Certains alliages de fer sont significativement plus résistants à la rouille que le fer pur. Par exemple, les aciers inoxydables sont des alliages à base de fer et de chrome;le chrome permet à l’alliage de former une couche protectrice de passivation qui empêche le dioxygène et l’eau d’atteindre le fer. Par conséquent, l’alliage est une méthode qui pourrait être utilisée pour réduire la vitesse de formation de la rouille sur des pièces contenant du fer.

La galvanisation consiste à revêtir une pièce métallique de zinc, généralement en la plongeant dans du zinc fondu. Ce revêtement arrête la rouille, même s’il est rayé. Un revêtement rayé agira comme une anode sacrificielle, se corrodant à la place de la pièce métallique.

L’électrodéposition peut produire les mêmes effets que la galvanisation. Les métaux moins réactifs que le fer peuvent empêcher la rouille à condition que le revêtement électrolytique soit complet. Les métaux plus réactifs que le fer peuvent arrêter la rouille du fer même si le revêtement électrolytique est incomplet, exposant une partie de la surface de fer.

Par conséquent, la seule méthode qui n’est pas utilisée pour réduire la vitesse de formation de la rouille sur des pièces à base de fer est le soudage, réponse A.

Points clés

  • De nombreux éléments métalliques sont réactifs à l’état pur.
  • Les objets fabriqués à partir de métaux réactifs peuvent se corroder avec le temps.
  • La corrosion est un processus irréversible et destructif où les métaux réagissent avec d’autres substances pour former des composés plus stables.
  • Il existe quelques moyens courants d’empêcher ou de ralentir la corrosion:
    • L’alliage est un processus qui consiste à mélanger un métal avec d’autres éléments (généralement des métaux) pour produire un nouveau matériau avec des propriétés uniques.
    • L’hétérogénéité des différents alliages affecte la vitesse de corrosion selon les métaux dont ils sont composés.
    • Un revêtement de surface peut signifier une galvanisation, une peinture, un graissage ou un huilage.
      • La galvanisation est le processus de revêtement d’une pièce de métal ferreux ou un alliage avec du zinc.
    • La protection sacrificielle implique un métal plus réactif, protégeant un métal moins réactif contre la corrosion.
    • La passivation consiste en un traitement chimique d’une pièce métallique afin de former une barrière de protection sur sa surface.
  • Le méthodes de prévention ou de ralentissement de la corrosion peuvent agir de différentes manières:
    • en réduisant la réactivité de la surface du métal (alliage et passivation),
    • en empêchant certaines substances d’atteindre la surface métallique à l’aide d’une barrière physique (revêtement),
    • en utilisant une autre substance qui s’oxydera à la place du métal (protection sacrificielle).
  • La galvanisation fournit à la pièce métallique à la fois une barrière physique et si elle est rayée, une protection sacrificielle.

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