Fiche explicative de la leçon : Rouille Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à expliquer les conditions nécessaires à la formation de la rouille, et à écrire des équations équilibrées pour les réactions clés impliquées.

La rouille est une substance brun rougeâtre que l’on trouve souvent à la surface d’un métal ancien ou abandonné, tel qu’une vieille voiture, une boîte de conserve ou un clou.

Vieille voiture

La rouille est une forme de corrosion qui s’accumule au fil du temps sur le fer ou ses alliages lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène et à l’eau. Avant de découvrir la formation chimique de la rouille, examinons ses propriétés physiques.

Propriétés physiquesFerRouille
RobustesseSolideFragile
DurabilitéDurableCassant et friable (il s’écaille)
DensitéDenseMoins dense (il se dilate lors de sa formation)

La formation de rouille peut réduire la robustesse et la stabilité d’un objet en fer en raison de la différence des propriétés physiques entre le fer et la rouille. Un ingénieur qui utilise une poutre en fer dans une structure voudra qu’elle reste une poutre solide, durable et dense au lieu d’une poutre qui se dilate, se fissure et s’écaille.

Afin d’éviter la formation de la rouille, les ingénieurs peuvent utiliser des revêtements tels que de l’huile, de la peinture ou d’autres métaux pour empêcher la surface du métal d’entrer en contact avec l’eau et l’oxygène environnant. Ils peuvent également choisir des alliages antirouille tels que l’acier inoxydable.

Exemple 1: Identifier les méthodes qui empêchent la formation de la rouille

Laquelle des propositions suivantes n’est pas une méthode efficace pour ralentir ou empêcher la formation de la rouille?

  1. la peinture
  2. le placage d’étain
  3. l’immersion dans de l’eau salée
  4. le recouvrement de plastique
  5. le revêtement de graisse

Réponse

La plupart de ces options de réponse ralentissent ou empêchent la formation de la rouille. Dans cette question, on nous demande de trouver la seule option qui ne ralentit pas ou n’empêche pas la formation de la rouille.

La rouille se forme lorsque le fer est exposé à l’oxygène et à l’eau. Afin d’éviter la formation de la rouille, nous devons éviter l’exposition du fer à l’oxygène et à l’eau.

En sachant cela, une option se présente comme différente:l’immersion dans de l’eau salée ne limite certainement pas l’exposition à l’eau. De plus, étant donné que l’oxygène est dissous dans l’eau, cela ne limite pas non plus l’exposition à l’oxygène.

Les quatre autres options (peinture, placage, recouvrement et revêtement) impliquent toutes des couches de protection qui empêchent le fer d’entrer en contact avec l’eau et l’oxygène.

La bonne réponse est l’option C, l’immersion dans de l’eau salée.

Définition : La rouille

La rouille est un oxyde de fer (III) hydraté de couleur brun rougeâtre formé par oxydation du fer en présence d’oxygène et d’eau. Elle a la formule chimique FeOHO232𝑛.

Définition : La corrosion

La corrosion est la destruction ou l’endommagement progressif causé par une réaction d’oxydo-réduction (réaction redox) lente, irréversible et spontanée entre la surface d’une substance et l’environnement.

Notez que la rouille est une corrosion, mais que toute corrosion n’est pas de la rouille. D’autres métaux peuvent s’oxyder ou se corroder formant divers composés, mais seul le fer formera le composé que nous appelons la « rouille ».

Chimiquement, la rouille est de l’oxyde de fer (III) hydraté, ayant la formule chimique FeOHO232𝑛. Le « 𝑛 » signifie que le nombre de molécules d’eau dans le composé peut varier.

La réaction simplifiée de la formation de rouille est la suivante:4Fe+3O+2HO2FeO2HO22232𝑛𝑛

Cette réaction globale montre que le fer réagit avec l’oxygène et l’eau pour former un oxyde hydraté. Cependant, pour comprendre le processus chimique plus en détail, regardons les réactions intermédiaires.

La première étape est l’oxydation du fer en ions fer (II), comme le montre la demi-réaction suivante. L’oxydation est la perte d’électrons, et cette formation d’ions se produit lorsque l'élément chimique de fer solide passe en solution aqueuse:Fe()Fe()+2esaq2+

Dans la demi-réaction correspondante, l’oxygène est réduit, acceptant les électrons de la réaction ci-dessus en présence d’ions hydrogène pour former de l’eau:4e+4H()+O()2HO()+22aqgl

En plus de réagir pour former de l’eau, les ions hydrogène et l’oxygène dissous dans l’eau oxydent d’avantage les ions fer (II) en ions fer (III):4Fe()+4H()+O()4Fe()+2HO()2++23+2aqaqaqaql

Les ions fer (III) réagissent avec l’eau pour former de l’hydroxyde de fer (III):Fe()+3HO()Fe(OH)()+3H()3+23+aqlsaq

Enfin, l’hydroxyde de fer (III) se déshydrate pour former de l’oxyde de fer (III) hydraté dont la formule chimique est FeOHO232𝑛.

En résumé, le fer se dissout dans l’eau pour former des ions fer (II) qui sont ensuite oxydés en ions fer (III). Les ions hydrogène sont absorbés et de l’eau est produite au cours de la réaction. Les ions fer (III) réagissent ensuite avec l’eau pour former de l’hydroxyde de fer (III), qui forme ensuite de l’oxyde de fer (III) hydraté.

En gardant ce processus à l’esprit, nous pouvons examiner certains des facteurs qui pourraient augmenter la vitesse de formation de la rouille sur un morceau de fer. Le moyen le plus simple d’affecter la vitesse de réaction est de modifier l’exposition aux deux principaux réactifs, l’eau et l’oxygène. Par exemple, si nous enduisons le fer de graisse pour que l’eau et l’oxygène ne puissent pas l’atteindre, aucune rouille ne se formera. Inversement, si nous laissons un objet en fer à l'extérieur sous la pluie pendant plusieurs jours, il rouillera plus rapidement que s'il était maintenu au sec.

Le fer dans les objets près de la mer, tels que les bateaux et les chaînes, a également tendance à rouiller assez rapidement, comme on peut le voir sur la photo ci-dessous. Fait intéressant, l’exposition à l’eau salée augmente la vitesse de formation de la rouille par rapport à l’eau douce. La réaction d’oxydoréduction au début du processus de formation de la rouille nécessite le déplacement des électrons. Les ions présents dans l’eau salée en font un électrolyte plus efficace que l’eau douce, permettant aux électrons d’être transférés plus facilement et à la rouille de se former plus rapidement.

épave

Il convient de noter que même le fer sous-marin peut rouiller car il y a de l’oxygène dissous dans l’eau. La rouille est clairement visible sur la photo suivante d’une hélice d’un bateau japonais qui a été coulé pendant la seconde guerre mondiale.

Photo sous–marine de l'épave Heian Maru

Cependant, si nous prenons de l’eau et la faisons bouillir pour retirer l’oxygène dissous, cette eau ne fera pas rouiller un morceau de fer.

Les autres réactifs dans ce processus sont les ions hydrogène. Lors de la réduction de l’oxygène et lors de la formation d’ions fer (III), les ions hydrogène sont captés, de sorte qu’une augmentation de la concentration en ions hydrogène accélérera ces processus. De plus, les ions hydrogène augmentent la conductivité électrique de la solution, de sorte que le transfert d’électrons dans la réaction d’oxydoréduction a lieu plus rapidement.

Les pluies acides peuvent également éroder les revêtements de protection, permettant au processus de formation de la rouille de commencer sur le fer situé en dessous. Pour ces raisons, un environnement acide avec un pH bas fera rouiller le fer plus rapidement.

Exemple 2: Décrire l’effet du sel sur le processus de formation de la rouille

La rouille du fer est un exemple de réaction redox. La vitesse à laquelle le fer se rouille dans l’eau varie avec l’augmentation de la concentration en sel.

  1. Quelles particules sont éliminées d’un métal lors d’une réaction d’oxydation?
    1. les électrons
    2. les protons
    3. les atomes d’oxygène
    4. les atomes d’hydrogène
    5. les neutrons
  2. Comment et pourquoi la vitesse à laquelle le fer se rouille dans l’eau varie avec l’augmentation de la concentration en sel?
    1. La vitesse augmente car les ions dissous favorisent la désintégration des noyaux métalliques.
    2. La vitesse augmente car les ions dissous favorisent le déplacement des électrons.
    3. La vitesse diminue car les ions dissous favorisent l’ionisation de l’eau.
    4. La vitesse diminue car les ions dissous réagissent avec l’oxygène dissous.
    5. La vitesse augmente car les ions dissous réagissent avec les atomes du métal.
  3. Quel terme décrit le mieux le rôle de la solution saline dans le processus de formation de la rouille?
    1. acide
    2. base
    3. agent oxydant
    4. agent réducteur
    5. électrolyte

Réponse

Partie 1

Cette question se réfère au processus d’oxydation. Les réactions d'oxydoréduction impliquent le transfert d'électrons d'un composé ou d'un élément à un autre. L’oxydation implique une perte d’électrons, tandis que la réduction implique un gain d’électrons. Pendant l’oxydation, le fer perd des électrons pour former des ions fer 2+. Ainsi, la bonne réponse à cette partie de la question est « les électrons ».

Partie 2

Dans cette question, on nous demande comment et pourquoi le sel modifie la vitesse de réaction de la formation de la rouille. Pour répondre à cette question, nous devons déterminer si elle augmente ou diminue la vitesse de réaction et le mécanisme sous-jacent à ce changement.

Une partie de la bonne réponse est que l’augmentation de la concentration en sel accélère la formation de la rouille. Le fer qui se trouve soit près de l’eau salée, soit dans des zones où les routes sont salées, rouille relativement rapidement par rapport aux métaux qui se trouvent dans d’autres environnements. Nous pouvons éliminer les options C et D.

Ensuite, pourquoi le sel augmente-t-il la vitesse de réaction de la formation de la rouille?Comme nous l’avons signalé dans la première partie de cette question, la réaction d’oxydoréduction qui se produit au début de la formation de la rouille implique un transfert d’électrons. Plus ces électrons peuvent se déplacer rapidement, plus la réaction se produira rapidement. Dans une solution saline, les électrons peuvent se déplacer plus vite. Si l’on considère les options de réponse, cela correspond à l’option B, la vitesse augmente car les ions dissous favorisent le déplacement des électrons.

L’option A décrit la désintégration des noyaux métalliques, mais la désintégration radioactive n’est pas impliquée dans le processus de formation de la rouille. L’option E suggère que la vitesse augmente en raison d’une réaction entre les atomes de métal et les ions des sels, mais pendant la formation de la rouille, les atomes de métal réagissent avec l’eau et l’oxygène de la solution, et non avec les ions des sels.

Donc, la bonne réponse est l’option B, la vitesse augmente car les ions dissous favorisent le déplacement des électrons.

Partie 3

Dans cette question, on nous demande de définir le rôle du sel dans le processus de formation de la rouille.

Le sel ne peut pas être l’agent oxydant ou l’agent réducteur, car il n’accepte ni ne donne d’électrons dans la réaction d’oxydoréduction.

Alors que certaines solutions salines peuvent être acides ou basiques, la fonction du sel dans ce cas n’est pas celle d’un acide ou d’une base. Tous les sels augmenteront la vitesse, pas seulement ceux qui se dissolvent en ions hydrogène ou en ions hydroxyde.

Dans la partie précédente de cette question, nous avons déterminé que l’utilité du sel est d’aider le déplacement des particules chargées à travers la solution. Une substance qui permet le mouvement des particules chargées s’appelle un électrolyte. L’option E, « d’un électrolyte », est la bonne réponse.

L’industrie et les fabricants sont très préoccupés par le risque de formation de la rouille. Cette préoccupation est due à l’utilisation répandue de l’acier et aux effets néfastes de la rouille sur les propriétés du fer. Ces effets négatifs ont une répercussion sur les propriétés du métal beaucoup plus significativement que la corrosion de nombreux autres métaux.

La rouille est le nom spécifique de l’oxyde de fer (III) hydraté formé lors de la corrosion du fer, mais il y a aussi d’autres métaux qui se corrodent pour former des oxydes. Par exemple, l’aluminium se corrode en présence d’oxygène comme indiqué dans la réaction suivante:4Al()+3O()2AlO()sgs223

L’aluminium peut se corroder de différentes manières, par exemple en présence d’un chlorure qui est la manière la plus courante. Nous pouvons comparer et contraster la rouille avec l’oxyde d’aluminium pour mieux comprendre les effets négatifs de la rouille.

Des plaques de rouille peuvent facilement s’écailler après leur formation, exposant d’avantage le fer à la rouille;cependant, l’oxyde d’aluminium ne s’écaille pas facilement. Le revêtement d’oxyde sur l’aluminium se forme très rapidement, refermant l’aluminium si la surface est rayée ou écaillée.

Un autre effet négatif de la rouille est le fait que le fer se dilate lorsqu’il se corrode en rouille, tandis que l’aluminium se contracte lors de la formation d’oxyde d’aluminium. Ces deux caractéristiques physiques font de la rouille un oxyde beaucoup plus perturbateur pour les machines et les structures. L’oxyde d’aluminium formera une couche mince et dense à l’extérieur du métal qui n’affectera pas de façon notoire son volume. Cependant, la rouille se dilate à mesure que le métal fraîchement exposé commence à rouiller, puis continue à rouiller plus profondément dans le métal.

La rouille a un effet beaucoup plus important sur les propriétés du fer que la corrosion d’autres métaux. Le fait que la rouille puisse s’écailler, provoquer l’expansion de l’objet et pénétrer profondément dans le morceau de métal montre les effets négatifs importants qui doivent être atténués. En fonction de l’utilisation du morceau de fer, du temps et de la sévérité de la rouille, la résistance du morceau de fer peut être compromise, ce qui le rend inutilisable.

Exemple 3: Identifier les différences entre l’oxydation du fer et de l’aluminium

Pourquoi la rouille affecte-t-elle le fer plus que l’aluminium?

  1. Les oxydes d’aluminium sont moins solubles que les oxydes de fer.
  2. L’aluminium est moins réactif que le fer.
  3. Les oxydes d’aluminium sont moins stables que les oxydes de fer.
  4. L’aluminium est protégé par une couche d’oxyde de surface.
  5. L’aluminium se lie moins fortement à l’eau.

Réponse

Dans cette question, on nous demande d’identifier une différence essentielle entre l’oxydation du fer et celle de l’aluminium. Ce processus d’oxydation peut se produire lorsque le métal est exposé à l’eau et à l’air. L’une des raisons pour lesquelles l’oxydation du fer provoque des changements importants est que la rouille peut s’écailler. Lorsqu’elle s’écaille, le fer est plus exposé pouvant alors également rouiller.

La raison pour laquelle l’aluminium n’est pas autant affecté par l’oxydation est que l’oxyde d’aluminium ne s’écaille pas. Il forme plutôt une fine couche sur l’extérieur du métal. L’aluminium est plus apte à conserver sa forme et sa résistance lorsqu’il s’oxyde. La bonne réponse est l’option D, l’aluminium est protégé par une couche d’oxyde de surface.

Pour être plus précis, nous pouvons également examiner les autres options. L’oxyde d’aluminium et la rouille sont tout autant insolubles, de sorte que l’option A est incorrecte. L’aluminium est plus réactif que le fer et ses composés sont plus stables, de sorte que les options B et C sont également incorrectes. L’option E est insignifiante, car les molécules d’aluminium ne se lient pas facilement avec les molécules d’eau en raison de la résistante couche d'oxyde.

Différents ensembles de conditions provoquent la formation de rouille à des vitesses différentes. Nous pouvons utiliser une expérience simple pour montrer quelles combinaisons de conditions provoquent une accélération de la formation de la rouille.

Démonstration: Effet de différentes conditions sur la formation de la rouille et sa vitesse d’apparition

Étapes

  1. Placez un clou de fer dans cinq tubes à essais différents.
  2. Configurez des conditions différentes pour chaque tube à essai comme le montre l’illustration ci-dessous.

Observation

Le clou de fer dans le tube à essai E commence à rouiller en premier, suivi par les clous de fer dans les tubes à essai C, B et A. Le clou de fer dans le tube à essai D devrait être le dernier à commencer à rouiller.

Explication

La rouille se produit lorsque le fer est exposé à la fois à l’eau et à l’oxygène. Dans le tube à essai D, le clou de fer est placé dans de l’air sec où il n’y a pas d’oxygène. Le chlorure de calcium anhydre élimine toute eau restante qui pourrait être présente. Les clous de fer placés dans les tubes à essais A et B contiennent ou de l’eau ou de l’oxygène, mais pas les deux. Donc, ici, la rouille sera lente à se former. Les clous de fer des tubes à essais C et E sont exposés à la fois à l’oxygène et à l’eau. Cependant, le tube à essai E contient de l’eau salée, et comme la présence d’ions augmente la vitesse de formation de la rouille, le clou de fer C rouille plus lentement que le clou de fer E.

Conclusion

  1. La rouille se forme plus rapidement lorsque le fer est exposé à l’eau salée et à l’oxygène.
  2. La rouille est plus lente lorsque le fer n'est pas exposé à l'eau et à l'oxygène.

Exemple 4: Identifier les conditions nécessaires à la formation de la rouille du fer

Les clous de fer sont placés dans trois bouteilles scellées contenant différentes substances, comme le montre la figure.

  1. Dans laquelle/lesquelles de ces trois bouteilles la rouille se formera-t-elle?
    1. 1 seulement
    2. 1;2 et 3
    3. 3 seulement
    4. 1 et 2
    5. 1 et 3
  2. Quel terme décrit le mieux la fonction du CaCl2 dans la bouteille 3?
    1. oxydant
    2. réducteur
    3. agent de déshydratation
    4. catalyseur
    5. électrolyte

Réponse

Partie 1

La rouille se produit lorsque le fer est exposé à la fois à l’eau et à l’oxygène. Afin de répondre à cette question, nous devons identifier les différentes conditions dans chacune des bouteilles. Les bouteilles sont toutes les trois scellées;cependant, il y a encore de l’air, qui contient de l’oxygène, à l’intérieur.

Dans la bouteille 1, le clou de fer est placé dans de l’eau bouillie avec de l’air. L'importance d'utiliser de l'eau bouillie est que l'ébullition réduira la quantité d'oxygène gazeux présent dans l'eau. Cependant, l’oxygène de l’air se dissout dans l’eau, de sorte que le clou de fer sera probablement exposé à l’oxygène et à l’eau. Donc, de la rouille est susceptible de se former.

Dans la bouteille 2, le clou de fer est à nouveau placé dans de l’eau bouillie. Cependant, l’eau est recouverte d’une couche d’huile qui empêchera l’oxygène de l’air de se dissoudre dans l’eau. Bien que le clou de fer soit dans l’eau, le manque d’oxygène signifie qu’il est peu probable que de la rouille se forme.

Dans la bouteille 3, il n’y a pas d’eau, seulement de l’air et du chlorure de calcium. L’air peut contenir à la fois de l’oxygène et de la vapeur d’eau;cependant, le chlorure de calcium éliminera l’humidité de l’air. En conséquence, le clou de fer de la bouteille 3 est exposé à l’oxygène de l’air, mais pas à l’eau. Par conséquent, il est peu probable que de la rouille se forme.

Comme la rouille est susceptible de se former uniquement dans la bouteille 1, la bonne réponse est l’option A.

Partie 2

Le chlorure de calcium dans la bouteille 3 éliminera toute humidité présente dans l’air. Au cours de ce processus, le chlorure de calcium anhydre formera un sel hydraté selon l’équation suivante:CaCl()+HO()CaClHO()2222sls𝑛𝑛

Cette réaction n’est ni une oxydation ni une réduction, nous pouvons donc exclure les options A et B. Le chlorure de calcium ne se dissout pas dans un solvant et n’agit donc pas comme un électrolyte, ce qui permet de conclure que l’option E est incorrecte.

Le chlorure de calcium n’est pas impliqué dans le processus de formation de la rouille et, comme il n’existe aucune autre réaction chimique, il n’agit pas en tant que catalyseur.

Cela signifie que le chlorure de calcium agit comme un agent de déshydratation. Un agent de déshydratation est une substance qui peut induire un état de sécheresse, souvent en absorbant de l’eau. La bonne réponse est l’option C, un agent de déshydratation.

Points clés

  • La rouille est une substance brun rougeâtre qui se forme lorsque le fer est exposé à l’eau et à l’oxygène.
  • La rouille est plus fragile, plus cassante et moins dense que le fer, de sorte que la formation de rouille peut avoir un impact négatif sur les objets et les structures en fer.
  • La formule chimique de la rouille est FeOHO232𝑛.
  • La formation de la rouille est un processus en plusieurs étapes où les ions de fer dissous réagissent avec l’eau pour former de l’hydroxyde de fer (III), qui se déshydrate ensuite en rouille.
  • La rouille se forme plus rapidement en cas d'une augmentation de l’exposition à l'oxygène ou à l'eau. Cela se produit également plus rapidement lorsque le fer est exposé à de l’eau salée ou à une solution acide.
  • La rouille est particulièrement nuisible comparée aux autres oxydes, tels que l’oxyde d’aluminium, car elle se dilate et se fissure plus, et s’écaille également, exposant le fer qui se corrode davantage.

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