Oxydoréduction et protection des métaux | Terminale Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Capacités et connaissances du programme :
C1 – Identifier oxydant et réducteur dans une réaction redox
C2 – Écrire et équilibrer une demi-équation redox
C3 – Écrire l'équation globale d'une réaction d'oxydoréduction
C4 – Expliquer la corrosion des métaux utilisés en menuiserie métallique
C5 – Identifier les méthodes de protection (peinture, galvanisation, traitement de surface)
C6 – Classer des couples redox ; prévoir le sens d'une réaction
C1 — Identifier oxydant et réducteur
Oxydant : capte des électrons (il est réduit). Réducteur : cède des électrons (il est oxydé).
Moyen mnémotechnique : LEO dit GER (Loss of Electrons = Oxidation ; Gain of Electrons = Reduction).
Exercice 1
Dans la réaction de rouille simplifiée : \(\text{Fe} + \text{O}_2 \rightarrow \text{FeO}\), identifier l'oxydant et le réducteur.
Le fer (Fe) passe de 0 à +2 : il cède des électrons → c'est le réducteur.
L'oxygène (O₂) passe de 0 à −2 : il capte des électrons → c'est l'oxydant.
Exercice 2
Un menuisier agenceur observe la corrosion d'une ferrure en acier exposée à la pluie. Dans la réaction : \(\text{Fe} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{H}_2\), identifier l'oxydant et le réducteur.
Le fer (Fe) passe de 0 à +2, il cède 2 électrons : c'est le réducteur.
Les ions H⁺ captent chacun 1 électron pour former H₂ (degré 0) : c'est l'oxydant.
Exercice 3
Dans la réaction entre le zinc (Zn) et une solution de sulfate de cuivre (CuSO₄) : \(\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}\), identifier l'oxydant et le réducteur. Quel métal est le plus facilement corrodé ?
Zn passe de 0 à +2, il cède 2 électrons : réducteur.
Cu²⁺ capte 2 électrons et devient Cu (0) : oxydant.
Le zinc est le plus facilement corrodé (il est plus réducteur). C'est le principe utilisé dans la galvanisation : le zinc se corrode à la place de l'acier.
C2 — Écrire et équilibrer une demi-équation redox
Méthode :
1. Écrire oxydé et réduit (couple redox)
2. Équilibrer les atomes
3. Équilibrer O avec H₂O, H avec H⁺
4. Équilibrer les charges avec des électrons e⁻
Exercice 1
Écrire la demi-équation d'oxydation du fer en ions Fe²⁺ (couple Fe²⁺/Fe).
\[\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-\]
Le fer cède 2 électrons. C'est une oxydation.
Exercice 2
Écrire la demi-équation de réduction de O₂ en H₂O en milieu acide (couple O₂/H₂O). Cette réaction intervient dans la corrosion des ferrures et quincailleries.
Écrire la demi-équation de réduction des ions Fe³⁺ en Fe²⁺ (couple Fe³⁺/Fe²⁺).
\[\text{Fe}^{3+} + \text{e}^- \rightarrow \text{Fe}^{2+}\]
Un électron est capté. C'est une réduction.
C3 — Écrire l'équation globale d'une réaction d'oxydoréduction
Méthode :
1. Écrire la demi-équation d'oxydation
2. Écrire la demi-équation de réduction
3. Multiplier pour égaliser les électrons
4. Additionner et simplifier
Exercice 1
Écrire l'équation globale de la corrosion acide du fer.
Demi-équations : \(\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-\) et \(2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2\)
Les deux demi-équations ont 2 électrons : addition directe.
\[\text{Fe} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{H}_2\]
Exercice 2
Écrire l'équation globale de la corrosion du zinc en milieu acide (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ et 2H⁺ + 2e⁻ → H₂).
\[\text{Zn} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{H}_2\]
Cette réaction explique pourquoi les couches de galvanisation (zinc) se dissolvent en milieu très acide (pluie acide).
Exercice 3
Écrire l'équation globale de la réaction entre le fer et les ions Fe³⁺ (réaction galvanique).
Demi-équations : \(\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-\) et \(\text{Fe}^{3+} + \text{e}^- \rightarrow \text{Fe}^{2+}\)
Multiplier la réduction par 2 (pour 2e⁻) : \(2\text{Fe}^{3+} + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Fe}^{2+}\)
Addition :
\[\text{Fe} + 2\text{Fe}^{3+} \rightarrow 3\text{Fe}^{2+}\]
C4 — Expliquer la corrosion des métaux en menuiserie métallique
En menuiserie métallique, les ferrures, cornières et profilés en acier sont exposés à l'humidité et à des polluants (sel marin en bord de mer, CO₂, acides). La corrosion électrochimique est accélérée par :
– le contact entre deux métaux différents (couple galvanique)
– l'humidité et l'oxygène dissous
– les milieux acides ou salins
Exercice 1
Un artisan menuisier fixe une charnière en acier sur une menuiserie en aluminium dans une installation extérieure. Expliquer pourquoi la charnière en acier risque de se corroder rapidement.
L'acier (Fe) et l'aluminium sont deux métaux de natures différentes. En présence d'humidité (électrolyte), ils forment un couple galvanique : le métal le plus réducteur se corrode préférentiellement. Selon la série des potentiels, l'acier est moins noble que l'aluminium oxydé ; il joue le rôle d'anode et se corrode. La proximité des deux métaux en milieu extérieur humide accélère fortement ce phénomène.
Exercice 2
Dans un appartement en bord de mer, des profilés en acier d'une baie vitrée présentent des traces de rouille après 2 ans. Expliquer le rôle du chlorure de sodium (NaCl) dans ce processus.
Le sel marin (NaCl) se dissout dans l'humidité de l'air pour former une solution saline. Cette solution est un électrolyte très conducteur qui facilite la circulation des ions entre les zones anodiques (oxydation du fer) et cathodiques. Plus l'électrolyte est conducteur, plus la corrosion électrochimique est rapide. Les chlorures attaquent également la couche passive d'oxyde de fer, exposant du métal neuf à la corrosion. La combinaison humidité + sel accélère drastiquement la rouille.
Exercice 3
Un poseur de cuisines utilise des vis en acier inoxydable (inox) pour fixer des crédences en aluminium. Pourquoi ce choix de matériau est-il approprié pour éviter la corrosion galvanique ?
L'acier inoxydable possède un potentiel électrochimique proche de celui de l'aluminium oxydé. Le couple galvanique formé est donc faible : la différence de potentiel entre les deux métaux est minime, ce qui limite les courants galvaniques responsables de la corrosion. De plus, l'inox est protégé par une couche d'oxyde de chrome (Cr₂O₃) très résistante qui s'autorépare en milieu oxydant. Ce choix réduit significativement le risque de corrosion par rapport à des vis en acier ordinaire.
C5 — Identifier les méthodes de protection contre la corrosion
Principales protections en menuiserie métallique :
– Peinture / laque : barrière physique contre l'humidité et l'O₂
– Galvanisation : dépôt de zinc (protection cathodique sacrificielle)
– Thermolaquage (poudre époxy) : couche plastique résistante
– Anodisation (aluminium) : couche d'alumine protectrice électrolytique
– Traitement de surface (phosphatation, chromatation) : couche de conversion chimique
Exercice 1
Un menuisier agenceur pose des cornières en acier galvanisé dans une cuisine. Expliquer le principe de la galvanisation et pourquoi elle protège même si le zinc est rayé.
La galvanisation dépose une couche de zinc (Zn) sur l'acier par immersion dans du zinc fondu ou par électrodeposition. Le zinc est plus réducteur que l'acier : si la couche est rayée, le zinc exposé joue le rôle d'anode sacrificielle et se corrode préférentiellement, laissant l'acier intact. La protection reste efficace même en cas de rayure, tant qu'il reste du zinc.
Exercice 2
Les fenêtres en aluminium sont souvent livrées avec une finition thermolaquée. Expliquer l'intérêt de ce traitement par rapport à une peinture classique.
Le thermolaquage consiste à déposer une poudre de résine époxy sur l'aluminium, puis à la cuire à haute température (environ 200°C). Avantages par rapport à la peinture liquide classique :
– Couche plus uniforme et sans coulures.
– Résistance mécanique supérieure (rayures, chocs).
– Absence de solvants (procédé propre).
– Excellente résistance aux UV et à l'humidité, durée de vie supérieure.
– Large choix de couleurs et finitions RAL.
Exercice 3
Un artisan installe une menuiserie extérieure en aluminium anodisé. Expliquer ce qu'est l'anodisation et en quoi elle améliore la résistance à la corrosion.
L'anodisation est un traitement électrolytique qui fait croître une couche d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) en surface, bien plus épaisse que la couche naturelle. Cette couche d'alumine est :
– Très dure et résistante à l'abrasion.
– Chimiquement inerte (résiste aux acides faibles et aux alcalins dilués).
– Poreuse, ce qui permet une coloration dans la masse (anodisation colorée).
Elle forme une barrière physique et chimique qui empêche l'oxygène et l'humidité d'atteindre l'aluminium sous-jacent, améliorant considérablement la tenue à la corrosion en milieu extérieur.
C6 — Classification électrochimique ; sens d'évolution spontané
À retenir
Les métaux sont classés par pouvoir réducteur croissant (classification électrochimique) :
Au < Ag < Cu < Pb < Fe < Zn < Al < Mg Règle : un métal situé après un autre dans la classification peut réduire les ions de celui situé avant.
Exemple : le zinc (après le fer) peut réduire les ions Fe²⁺ → le fer se dépose, le zinc se dissout.
Exercice 16
On plonge une lame de zinc dans une solution de sulfate de cuivre (Cu²⁺). On observe un dépôt rouge sur la lame.
Quel métal est le plus réducteur : Zn ou Cu ? Justifier avec la classification.
Écrire les demi-équations puis l'équation globale.
Un menuisier plonge un clou en fer dans la même solution. Prévoir ce qui se passe.
Zn est plus réducteur que Cu (Zn est après Cu dans la classification). Zn peut réduire Cu²⁺.
Fe est aussi après Cu dans la classification → le fer peut réduire Cu²⁺. On observera un dépôt de cuivre rouge sur le clou et la solution deviendra verdâtre (ions Fe²⁺).
Exercice 17
Un agenceur se demande pourquoi les vis en acier (fer) rouillent plus vite au contact de plaques de cuivre dans un environnement humide.
D'après la classification, quel métal est le plus réducteur : Fe ou Cu ?
En présence d'humidité, quel métal va se corroder en priorité ?
Proposer une solution : quel type de vis utiliser pour éviter ce problème ?
Fe est plus réducteur que Cu (Fe est après Cu dans la classification).
Le fer se corrode en priorité : il s'oxyde (\(\text{Fe} \to \text{Fe}^{2+} + 2e^-\)) au profit du cuivre qui reste intact. C'est un couple galvanique.
Utiliser des vis en inox (acier inoxydable résistant à la corrosion) ou des vis en laiton (alliage cuivre-zinc, compatible avec le cuivre).