Oxydoréduction et protection des métaux — Terminale Bac Pro ERA-MA
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter les phrases :
a) L'espèce qui perd des électrons est appelée le ...
b) L'espèce qui gagne des électrons est appelée l'...
c) L'oxydation est la ... (perte / gain) d'électrons.
a) Le réducteur
b) L'oxydant
c) L'oxydation est la perte d'électrons.
Dans le couple Cu²⁺/Cu :
a) Qui est l'oxydant ? ...
b) Qui est le réducteur ? ...
c) Écrire la demi-équation de réduction : Cu²⁺ + ... → ...
a) L'oxydant est Cu²⁺
b) Le réducteur est Cu
c) \(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)
a) Quel est le nom courant de la corrosion du fer ? ...
b) Quels sont les deux éléments nécessaires pour que le fer rouille ? ... et ...
a) La rouille
b) L'eau (humidité) et l'oxygène (air)
Citer deux méthodes de protection des métaux contre la corrosion :
a) ...
b) ...
Deux méthodes parmi : galvanisation (couche de zinc), peinture anticorrosion, anode sacrificielle, passivation (aluminium, inox).
Voici deux couples : Zn²⁺/Zn (E° = -0,76 V) et Fe²⁺/Fe (E° = -0,44 V).
a) Lequel est le réducteur le plus fort : Zn ou Fe ?
b) Si on fixe un bloc de zinc sur une structure en acier, lequel se corrode en premier ?
a) Le zinc (Zn) est le réducteur le plus fort car son E° est le plus faible (-0,76 V < -0,44 V).
b) Le zinc se corrode en premier (il est « sacrifié » pour protéger l'acier).
Barème : 20 points
Compléter les phrases :
a) La réduction est le ... (perte / gain) d'électrons.
b) L'espèce qui gagne des électrons s'appelle l'...
c) L'espèce qui perd des électrons s'appelle le ...
a) La réduction est le gain d'électrons.
b) L'oxydant
c) Le réducteur
Dans le couple Fe²⁺/Fe :
a) Qui est l'oxydant ? ...
b) Qui est le réducteur ? ...
c) Écrire la demi-équation de réduction : Fe²⁺ + ... → ...
a) L'oxydant est Fe²⁺
b) Le réducteur est Fe
c) \(\text{Fe}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Fe}\)
a) Qu'est-ce que la corrosion d'un métal ?
b) Citer deux conditions nécessaires pour que l'acier se corrode.
a) La corrosion est la dégradation d'un métal par réaction chimique avec son environnement.
b) L'eau (humidité) et l'oxygène (air)
Citer deux méthodes de protection des métaux contre la corrosion :
a) ...
b) ...
Deux méthodes parmi : peinture anticorrosion, galvanisation (couche de zinc), chromage, anode sacrificielle, vernissage.
Voici deux couples : Fe²⁺/Fe (E° = -0,44 V) et Cu²⁺/Cu (E° = +0,34 V).
a) Lequel est le réducteur le plus fort : Fe ou Cu ?
b) Si on place un clou en fer dans une solution bleue de sulfate de cuivre, que se passe-t-il ?
a) Le fer (Fe) est le réducteur le plus fort car son E° est le plus faible (-0,44 V < +0,34 V).
b) Le fer s'oxyde et les ions Cu²⁺ se réduisent : un dépôt de cuivre rouge apparaît sur le clou et la solution bleue se décolore.
Barème : 20 points
Un menuisier métallier installe des garde-corps en acier sur une terrasse exposée aux intempéries. Il choisit de les faire galvaniser.
a) En quoi consiste la galvanisation ?
b) Pourquoi le zinc protège-t-il l'acier même si la couche est rayée ?
a) La galvanisation consiste à déposer une couche de zinc sur l'acier (par immersion dans un bain de zinc fondu).
b) Le zinc est un réducteur plus fort que le fer (E° plus faible). Même si la couche est rayée, le zinc se corrode à la place du fer (protection cathodique active, protection sacrificielle).
Écrire les demi-équations et l'équation bilan de la réaction entre le zinc et les ions cuivre Cu²⁺.
Couples : Cu²⁺/Cu (E° = +0,34 V) et Zn²⁺/Zn (E° = -0,76 V).
Réduction : \(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)
Oxydation : \(\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-\)
Bilan : \(\mathbf{\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}}\)
Un installateur d'agencement hésite entre des profilés en acier et des profilés en aluminium pour des menuiseries extérieures.
a) Pourquoi l'aluminium ne rouille-t-il pas comme l'acier ?
b) Quel est le nom du procédé qui épaissit artificiellement la couche protectrice de l'aluminium ?
a) L'aluminium forme naturellement une couche d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) très fine, adhérente et imperméable qui protège le métal de la corrosion. C'est la passivation.
b) L'anodisation (épaississement artificiel de la couche d'oxyde).
Dans le couple Fe²⁺/Fe :
a) Écrire la demi-équation de réduction.
b) Écrire la demi-équation d'oxydation.
c) Identifier l'oxydant et le réducteur.
a) Réduction : \(\text{Fe}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Fe}\)
b) Oxydation : \(\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-\)
c) L'oxydant est Fe²⁺, le réducteur est Fe.
Citer deux facteurs qui accélèrent la corrosion de l'acier et expliquer brièvement pourquoi.
1) L'eau salée (bord de mer) : le sel augmente la conductivité de l'eau, ce qui facilite le transfert d'électrons et accélère la réaction de corrosion.
2) Le contact entre métaux différents : il se forme une pile galvanique (le métal le plus réducteur se corrode plus vite).
Autres réponses acceptées : chocs mécaniques (qui détériorent les revêtements), milieu acide.
Barème : 20 points
Un poseur de cuisines doit fixer des équerres en acier sous un plan de travail proche d'un évier. Il hésite entre des équerres en acier brut et des équerres en acier inoxydable.
a) Pourquoi l'acier brut risque-t-il de se corroder près de l'évier ?
b) Expliquer pourquoi l'acier inoxydable résiste mieux à la corrosion.
a) L'acier brut se corrode car il est en contact avec l'eau (humidité, projections) et l'oxygène de l'air. Ces deux éléments déclenchent la réaction de corrosion (rouille).
b) L'acier inoxydable contient du chrome (≥ 10,5 %) qui forme une couche d'oxyde de chrome (Cr₂O₃) très fine, adhérente et auto-cicatrisante. Cette couche passive protège l'acier de la corrosion.
Écrire les demi-équations et l'équation bilan de la réaction entre le fer et les ions cuivre Cu²⁺.
Couples : Cu²⁺/Cu (E° = +0,34 V) et Fe²⁺/Fe (E° = -0,44 V).
Réduction : \(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)
Oxydation : \(\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-\)
Bilan : \(\mathbf{\text{Fe} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu}}\)
Un ébéniste remarque que les vis en acier de ses assemblages extérieurs rouillent, alors que les vis en laiton (alliage cuivre-zinc) ne rouillent pas.
a) Pourquoi l'acier rouille-t-il et pas le laiton ?
b) Quel problème peut survenir si on associe une vis en laiton et une plaque en acier ?
a) L'acier contient du fer qui s'oxyde facilement en présence d'eau et d'oxygène. Le laiton contient du cuivre, métal plus noble (E° plus élevé) qui résiste mieux à la corrosion.
b) Le contact entre deux métaux différents crée une pile galvanique : le métal le plus réducteur (l'acier) se corrode encore plus vite que s'il était seul.
Dans le couple Zn²⁺/Zn :
a) Écrire la demi-équation de réduction.
b) Écrire la demi-équation d'oxydation.
c) Identifier l'oxydant et le réducteur.
a) Réduction : \(\text{Zn}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Zn}\)
b) Oxydation : \(\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-\)
c) L'oxydant est Zn²⁺, le réducteur est Zn.
Citer deux facteurs qui ralentissent la corrosion de l'acier et expliquer brièvement pourquoi.
1) La peinture anticorrosion : elle crée une barrière physique qui empêche l'eau et l'oxygène d'atteindre le métal.
2) Le milieu sec : sans eau (humidité), la réaction de corrosion ne peut pas se produire. C'est pourquoi les structures métalliques à l'intérieur des bâtiments rouillent beaucoup moins.
Autres réponses acceptées : galvanisation, utilisation d'inhibiteurs de corrosion, anode sacrificielle.
Barème : 20 points
On met en contact du fer (Fe) avec une solution contenant des ions argent (Ag⁺). Couples : Ag⁺/Ag (E° = +0,80 V) et Fe²⁺/Fe (E° = -0,44 V).
a) Prévoir si la réaction est spontanée en appliquant la règle gamma.
b) Identifier l'oxydant et le réducteur de la réaction.
a) E°(Ag⁺/Ag) = +0,80 V > E°(Fe²⁺/Fe) = -0,44 V. La réaction entre Ag⁺ (oxydant du couple à E° élevé) et Fe (réducteur du couple à E° faible) est spontanée.
b) L'oxydant est Ag⁺, le réducteur est Fe.
Écrire l'équation bilan complète de la réaction entre le fer (Fe) et les ions argent (Ag⁺). Attention : équilibrer le nombre d'électrons.
Couples : Ag⁺/Ag et Fe²⁺/Fe.
Réduction : \(\text{Ag}^{+} + e^- \rightarrow \text{Ag}\) (× 2 pour équilibrer)
Oxydation : \(\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-\)
On multiplie la réduction par 2 pour avoir 2 e⁻ de chaque côté :
\(2\text{Ag}^{+} + 2e^- \rightarrow 2\text{Ag}\)
Bilan : \(\mathbf{\text{Fe} + 2\text{Ag}^{+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}}\)
Dans le béton armé, les armatures en acier sont protégées par le milieu alcalin du béton (pH ≈ 13).
a) Expliquer pourquoi la pénétration d'eau salée (chlorures) dans le béton provoque la corrosion des armatures.
b) Quelles sont les conséquences mécaniques de cette corrosion sur le béton ?
a) Les chlorures abaissent le pH localement et détruisent la couche passive protectrice du fer. L'acier est alors exposé à l'humidité et à l'oxygène, ce qui déclenche la corrosion.
b) La rouille (Fe(OH)₃) occupe un volume environ 3 fois supérieur au fer initial. Ce gonflement exerce des contraintes internes qui fissurent puis font éclater le béton (éclatement d'enrobage).
Un architecte d'intérieur doit choisir entre trois solutions pour un escalier extérieur :
a) Classer ces solutions de la moins durable à la plus durable face à la corrosion.
b) Expliquer pourquoi l'inox résiste à la corrosion.
a) Du moins au plus durable : A < B < C (acier brut < acier galvanisé peint < inox).
b) L'inox contient du chrome qui forme une couche d'oxyde de chrome (Cr₂O₃) très adhérente et auto-cicatrisante. Cette couche passive protège l'acier de la corrosion sans traitement supplémentaire.
On plonge une lame de cuivre dans une solution de sulfate de zinc (contenant des ions Zn²⁺). Couples : Cu²⁺/Cu (E° = +0,34 V) et Zn²⁺/Zn (E° = -0,76 V).
Observe-t-on une réaction ? Justifier en utilisant la règle gamma.
La réaction envisagée serait : Cu + Zn²⁺ → Cu²⁺ + Zn. Cela nécessiterait que Cu (réducteur du couple à E° élevé) réduise Zn²⁺ (oxydant du couple à E° faible).
Or la règle gamma dit que c'est l'oxydant du couple à E° le plus élevé (Cu²⁺) qui réagit avec le réducteur du couple à E° le plus faible (Zn). Ici on a l'inverse.
Non, aucune réaction ne se produit. Le cuivre ne réagit pas avec les ions zinc.
Barème : 20 points
On plonge une lame de zinc dans une solution contenant des ions plomb (Pb²⁺). Couples : Pb²⁺/Pb (E° = -0,13 V) et Zn²⁺/Zn (E° = -0,76 V).
a) Prévoir si la réaction est spontanée en appliquant la règle gamma.
b) Identifier l'oxydant et le réducteur de la réaction.
a) E°(Pb²⁺/Pb) = -0,13 V > E°(Zn²⁺/Zn) = -0,76 V. La réaction entre Pb²⁺ (oxydant du couple à E° élevé) et Zn (réducteur du couple à E° faible) est spontanée.
b) L'oxydant est Pb²⁺, le réducteur est Zn.
Écrire l'équation bilan complète de la réaction entre le zinc (Zn) et les ions plomb (Pb²⁺). Équilibrer le nombre d'électrons.
Couples : Pb²⁺/Pb et Zn²⁺/Zn.
Réduction : \(\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}\)
Oxydation : \(\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-\)
Les électrons sont déjà équilibrés (2 de chaque côté).
Bilan : \(\mathbf{\text{Zn} + \text{Pb}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Pb}}\)
Un menuisier agenceur installe une pergola en acier dans un jardin en bord de mer.
a) Expliquer pourquoi la corrosion sera plus rapide en bord de mer qu'en zone rurale.
b) Quelles sont les conséquences mécaniques de la corrosion sur la structure de la pergola ?
a) En bord de mer, l'air contient des embruns salés. Le sel (NaCl) augmente la conductivité de l'eau sur les surfaces métalliques, ce qui facilite le transfert d'électrons et accélère la réaction de corrosion.
b) La corrosion réduit l'épaisseur des profils en acier, ce qui diminue leur résistance mécanique. Les assemblages peuvent se fragiliser, les soudures se dégrader, et la structure risque de s'affaiblir ou de s'effondrer à terme.
Un technicien d'agencement doit choisir entre trois solutions pour des fixations extérieures :
a) Classer ces solutions de la moins durable à la plus durable face à la corrosion.
b) Expliquer le principe de protection des vis galvanisées.
a) Du moins au plus durable : A < B < C (acier brut < acier zingué < inox).
b) Les vis galvanisées sont recouvertes d'une couche de zinc. Le zinc est un réducteur plus fort que le fer (E° plus faible). Si la couche est rayée, le zinc se corrode à la place du fer (protection sacrificielle). Le zinc joue le rôle d'anode sacrificielle.
On plonge une lame d'argent dans une solution de sulfate de fer (contenant des ions Fe²⁺). Couples : Ag⁺/Ag (E° = +0,80 V) et Fe²⁺/Fe (E° = -0,44 V).
Observe-t-on une réaction ? Justifier en utilisant la règle gamma.
La réaction envisagée serait : Ag + Fe²⁺ → Ag⁺ + Fe. Cela nécessiterait que Ag (réducteur du couple à E° élevé) réduise Fe²⁺ (oxydant du couple à E° faible).
Or la règle gamma dit que c'est l'oxydant du couple à E° le plus élevé (Ag⁺) qui réagit avec le réducteur du couple à E° le plus faible (Fe). Ici on a l'inverse.
Non, aucune réaction ne se produit. L'argent ne réagit pas avec les ions fer(II).