Oxydoréduction et protection contre la corrosion — Terminale Bac Pro ICCER
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
a) Une oxydation est une ... d'électrons.
b) Une réduction est un ... d'électrons.
c) Dans le couple Cu²⁺/Cu, quelle espèce est l'oxydant ? Quelle espèce est le réducteur ?
a) Perte d'électrons.
b) Gain d'électrons.
c) Cu²⁺ est l'oxydant (il capte des électrons). Cu est le réducteur (il peut céder des électrons).
a) Écrire la demi-équation de réduction du couple Fe²⁺/Fe.
b) Écrire la demi-équation d'oxydation du zinc (couple Zn²⁺/Zn).
a) \(\mathrm{Fe^{2+} + 2\,e^- \longrightarrow Fe}\)
b) \(\mathrm{Zn \longrightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}\)
a) Quel gaz de l'air est responsable de la corrosion du fer ?
b) La rouille protège-t-elle le fer de la corrosion ? Pourquoi ?
a) Le dioxygène O₂ (en présence d'eau).
b) Non, la rouille (Fe₂O₃·nH₂O) est poreuse et friable → l'eau et l'oxygène continuent à atteindre le fer → la corrosion se poursuit.
a) Dans un ballon d'eau chaude, quel métal est utilisé comme anode sacrificielle ?
b) Ce métal se corrode-t-il à la place du fer ? Pourquoi ?
a) Le magnésium (Mg).
b) Oui, car le magnésium est plus réducteur que le fer (E°(Mg²⁺/Mg) = −2,37 V < E°(Fe²⁺/Fe) = −0,44 V). Il s'oxyde en premier.
a) L'aluminium résiste bien à la corrosion. Quel phénomène l'explique ?
b) Quel est le nom de la couche protectrice qui se forme sur l'aluminium ?
a) La passivation.
b) La couche d'alumine Al₂O₃ (dense, adhérente, imperméable).
Barème : 20 points
a) Un atome qui perd des électrons subit une ...
b) Un ion qui gagne des électrons subit une ...
c) Dans le couple Zn²⁺/Zn, quelle espèce est l'oxydant ? Quelle espèce est le réducteur ?
a) Oxydation.
b) Réduction.
c) Zn²⁺ est l'oxydant (il peut capter des électrons). Zn est le réducteur (il peut céder des électrons).
a) Écrire la demi-équation de réduction du couple Cu²⁺/Cu.
b) Écrire la demi-équation d'oxydation du fer (couple Fe²⁺/Fe).
a) \(\mathrm{Cu^{2+} + 2\,e^- \longrightarrow Cu}\)
b) \(\mathrm{Fe \longrightarrow Fe^{2+} + 2\,e^-}\)
a) Quels deux éléments sont nécessaires pour que le fer rouille ?
b) Le cuivre rouille-t-il ? Que forme-t-il en vieillissant à l'air humide ?
a) De l'eau et du dioxygène O₂.
b) Non, le cuivre ne rouille pas. Il forme du vert-de-gris (carbonate de cuivre) qui est une couche protectrice.
a) Quel métal utilise-t-on pour galvaniser l'acier ?
b) Ce revêtement protège-t-il le fer même s'il est rayé ? Pourquoi ?
a) Le zinc (Zn).
b) Oui, car le zinc est plus réducteur que le fer (E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V < E°(Fe²⁺/Fe) = −0,44 V). Même rayé, le zinc s'oxyde en premier (anode sacrificielle).
a) Quel élément ajouté à l'acier le rend inoxydable ?
b) Quel phénomène protège l'acier inoxydable de la corrosion ?
a) Le chrome (Cr) (au moins 10,5 %).
b) La passivation : le chrome forme une couche d'oxyde de chrome Cr₂O₃ dense et adhérente qui protège l'acier.
Barème : 20 points
On plonge une lame de zinc dans une solution de sulfate de cuivre (Cu²⁺). On observe un dépôt rougeâtre sur la lame.
a) Écrire la demi-équation de réduction de Cu²⁺.
b) Écrire la demi-équation d'oxydation du Zn.
c) Écrire l'équation bilan.
a) \(\mathrm{Cu^{2+} + 2\,e^- \longrightarrow Cu}\)
b) \(\mathrm{Zn \longrightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}\)
c) \(\mathrm{Zn + Cu^{2+} \longrightarrow Zn^{2+} + Cu}\)
Données : E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V ; E°(Fe²⁺/Fe) = −0,44 V.
Dans une installation de plomberie, un raccord en cuivre est soudé à une canalisation en acier (fer).
a) D'après la règle du gamma, quel métal se corrode spontanément ?
b) Ce phénomène est-il souhaitable ? Comment l'éviter ?
a) Le fer se corrode (réducteur le plus fort, E° le plus faible).
b) Non, c'est indésirable (corrosion galvanique). Solutions : raccord isolant (manchon diélectrique), utiliser un seul type de métal, traiter l'eau.
Un technicien chauffagiste remplace l'anode sacrificielle d'un ballon ECS. L'anode en magnésium (Mg) protège la cuve en acier (Fe).
a) Écrire la demi-équation d'oxydation du magnésium.
b) Pourquoi le magnésium protège-t-il mieux le fer que le zinc ? (Données : E°(Mg²⁺/Mg) = −2,37 V ; E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V ; E°(Fe²⁺/Fe) = −0,44 V.)
a) \(\mathrm{Mg \longrightarrow Mg^{2+} + 2\,e^-}\)
b) E°(Mg) = −2,37 V est très inférieur à E°(Fe) = −0,44 V → le magnésium est beaucoup plus réducteur que le zinc (E° = −0,76 V), il a donc une plus grande tendance à s'oxyder et protège plus efficacement.
Expliquer pourquoi la galvanisation (zinc sur acier) offre une double protection contre la corrosion.
1. Protection barrière : le zinc forme une couche physique qui isole l'acier de l'air et de l'humidité.
2. Protection électrochimique : même si le revêtement est rayé, le zinc (plus réducteur que le fer) s'oxyde en premier et protège le fer exposé par effet d'anode sacrificielle.
Citer trois conditions qui favorisent la corrosion des métaux.
1. Présence simultanée d'eau et de dioxygène (milieu humide).
2. Milieu acide (pH faible).
3. Présence d'ions chlorure Cl⁻ (eau de mer, eau saline). On peut aussi citer : contact entre deux métaux différents, températures élevées.
Barème : 20 points
On plonge une lame de fer dans une solution de sulfate de cuivre (Cu²⁺). On observe un dépôt rougeâtre sur la lame de fer.
a) Écrire la demi-équation de réduction de Cu²⁺.
b) Écrire la demi-équation d'oxydation du Fe.
c) Écrire l'équation bilan.
a) \(\mathrm{Cu^{2+} + 2\,e^- \longrightarrow Cu}\)
b) \(\mathrm{Fe \longrightarrow Fe^{2+} + 2\,e^-}\)
c) \(\mathrm{Fe + Cu^{2+} \longrightarrow Fe^{2+} + Cu}\)
Données : E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V ; E°(Fe²⁺/Fe) = −0,44 V.
Un installateur thermique raccorde un tuyau en acier galvanisé (zinc) à un tuyau en acier nu (fer).
a) D'après la règle du gamma, quel métal se corrode spontanément ?
b) Ce phénomène est-il gênant pour l'installation ? Justifier.
a) Le zinc se corrode (réducteur le plus fort, E° le plus faible).
b) Ce n'est pas gênant : le zinc se sacrifie pour protéger l'acier nu. C'est le principe même de la galvanisation (protection cathodique).
Un technicien de maintenance énergétique contrôle l'anode sacrificielle d'un chauffe-eau solaire. L'anode en zinc (Zn) protège la cuve en acier (Fe).
a) Écrire la demi-équation d'oxydation du zinc.
b) L'aluminium (E°(Al³⁺/Al) = −1,66 V) serait-il une meilleure anode sacrificielle que le zinc pour protéger le fer ? Justifier.
a) \(\mathrm{Zn \longrightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}\)
b) Oui, E°(Al) = −1,66 V est très inférieur à E°(Fe) = −0,44 V → l'aluminium est plus réducteur que le zinc et a une plus grande tendance à s'oxyder, protégeant plus efficacement le fer.
Expliquer pourquoi la peinture anti-corrosion offre une protection limitée comparée à la galvanisation.
La peinture offre uniquement une protection barrière : elle isole le fer de l'air et de l'humidité. Mais si la peinture est rayée ou écaillée, le fer est directement exposé et la corrosion se développe rapidement. La galvanisation offre en plus une protection électrochimique : même si le revêtement est endommagé, le zinc (plus réducteur) se corrode à la place du fer.
Citer trois méthodes de protection contre la corrosion et donner un exemple concret pour chacune.
1. Revêtement protecteur (barrière) : peinture, vernis, émaillage d'un radiateur en fonte.
2. Anode sacrificielle (protection cathodique) : anode en magnésium dans un ballon d'eau chaude.
3. Passivation : utilisation d'acier inoxydable (chrome) pour les canalisations d'eau potable.
Barème : 20 points
Écrire l'équation bilan de la corrosion du fer par le dioxygène en milieu acide.
Données : couples Fe²⁺/Fe et O₂/H₂O.
Oxydation : \(\mathrm{2\,Fe \longrightarrow 2\,Fe^{2+} + 4\,e^-}\)
Réduction : \(\mathrm{O_2 + 4\,H^+ + 4\,e^- \longrightarrow 2\,H_2O}\)
Bilan : \(\mathrm{2\,Fe + O_2 + 4\,H^+ \longrightarrow 2\,Fe^{2+} + 2\,H_2O}\)
Écrire l'équation bilan de la réaction de l'anode sacrificielle en magnésium avec le dioxygène (couples Mg²⁺/Mg et O₂/H₂O).
Oxydation (×2) : \(\mathrm{2\,Mg \longrightarrow 2\,Mg^{2+} + 4\,e^-}\)
Réduction : \(\mathrm{O_2 + 4\,H^+ + 4\,e^- \longrightarrow 2\,H_2O}\)
Bilan : \(\mathrm{2\,Mg + O_2 + 4\,H^+ \longrightarrow 2\,Mg^{2+} + 2\,H_2O}\)
Un ballon ECS de 300 L est équipé d'une anode en magnésium de masse m₀ = 420 g. La consommation est estimée à 80 g/an.
a) Calculer la durée de vie théorique de l'anode.
b) La maintenance préconise de remplacer l'anode quand elle est consommée à plus de 50 %. Au bout de combien d'années faut-il la remplacer ?
a) \(t = \dfrac{420}{80} = \mathbf{5{,}25}\) ans
b) 50 % de 420 g = 210 g consommés → \(t = \dfrac{210}{80} = \mathbf{2{,}6}\) ans. Remplacement à la visite de 3 ans (ou 4 ans si la consommation réelle est plus lente).
Écrire la réaction de passivation de l'aluminium et expliquer pourquoi la couche d'alumine protège le métal, contrairement à la rouille du fer.
Réaction : \(\mathrm{4\,Al + 3\,O_2 \longrightarrow 2\,Al_2O_3}\)
La couche d'alumine Al₂O₃ est dense, adhérente et imperméable → elle isole l'aluminium du milieu corrosif et stoppe la réaction. La rouille Fe₂O₃·nH₂O est poreuse, friable et se détache → l'eau et O₂ continuent à atteindre le fer.
On dispose des couples suivants : Au³⁺/Au (E° = +1,50 V), Cu²⁺/Cu (E° = +0,34 V), Fe²⁺/Fe (E° = −0,44 V), Al³⁺/Al (E° = −1,66 V).
a) Quel est le réducteur le plus fort ? Quel est l'oxydant le plus fort ?
b) Pour protéger une canalisation en fer contre la corrosion, peut-on utiliser l'or comme anode sacrificielle ? Justifier.
c) Quel métal parmi ceux proposés conviendrait comme anode sacrificielle pour le fer ?
a) Réducteur le plus fort : Al (E° le plus faible = −1,66 V). Oxydant le plus fort : Au³⁺ (E° le plus élevé = +1,50 V).
b) Non, l'or a un E° (+1,50 V) supérieur à celui du fer (−0,44 V). L'or est moins réducteur → c'est le fer qui s'oxyderait, pas l'or. L'or ne peut pas servir d'anode sacrificielle.
c) L'aluminium (E° = −1,66 V < −0,44 V) → il est plus réducteur que le fer et pourrait servir d'anode sacrificielle.
Barème : 20 points
Écrire l'équation bilan de la corrosion du zinc par le dioxygène en milieu acide.
Données : couples Zn²⁺/Zn et O₂/H₂O.
Oxydation : \(\mathrm{2\,Zn \longrightarrow 2\,Zn^{2+} + 4\,e^-}\)
Réduction : \(\mathrm{O_2 + 4\,H^+ + 4\,e^- \longrightarrow 2\,H_2O}\)
Bilan : \(\mathrm{2\,Zn + O_2 + 4\,H^+ \longrightarrow 2\,Zn^{2+} + 2\,H_2O}\)
Écrire l'équation bilan de la réaction de l'anode sacrificielle en aluminium avec le dioxygène (couples Al³⁺/Al et O₂/H₂O en milieu acide).
Oxydation : \(\mathrm{4\,Al \longrightarrow 4\,Al^{3+} + 12\,e^-}\)
Réduction (×3) : \(\mathrm{3\,O_2 + 12\,H^+ + 12\,e^- \longrightarrow 6\,H_2O}\)
Bilan : \(\mathrm{4\,Al + 3\,O_2 + 12\,H^+ \longrightarrow 4\,Al^{3+} + 6\,H_2O}\)
Un ballon ECS de 200 L est équipé d'une anode en magnésium de masse m₀ = 350 g. La consommation est estimée à 70 g/an.
a) Calculer la durée de vie théorique de l'anode.
b) La maintenance préconise de remplacer l'anode quand elle est consommée à plus de 60 %. Au bout de combien d'années faut-il la remplacer ?
a) \(t = \dfrac{350}{70} = \mathbf{5{,}0}\) ans
b) 60 % de 350 g = 210 g consommés → \(t = \dfrac{210}{70} = \mathbf{3{,}0}\) ans. Remplacement à la visite de 3 ans.
Expliquer pourquoi l'acier inoxydable (chrome) résiste à la corrosion, même en milieu humide, et comparer avec le comportement de l'acier ordinaire.
L'acier inoxydable contient du chrome (≥ 10,5 %) qui se passive : il forme une couche d'oxyde de chrome Cr₂O₃ dense, adhérente et auto-réparatrice. Si la surface est rayée, la couche se reforme spontanément. L'acier ordinaire forme de la rouille Fe₂O₃·nH₂O qui est poreuse et friable → la corrosion se poursuit en profondeur.
On dispose des couples suivants : Ag⁺/Ag (E° = +0,80 V), Cu²⁺/Cu (E° = +0,34 V), Zn²⁺/Zn (E° = −0,76 V), Mg²⁺/Mg (E° = −2,37 V).
a) Quel est le réducteur le plus fort ? Quel est l'oxydant le plus fort ?
b) Pour protéger une canalisation en cuivre contre la corrosion, peut-on utiliser l'argent comme anode sacrificielle ? Justifier.
c) Quel métal parmi ceux proposés conviendrait comme anode sacrificielle pour le cuivre ?
a) Réducteur le plus fort : Mg (E° le plus faible = −2,37 V). Oxydant le plus fort : Ag⁺ (E° le plus élevé = +0,80 V).
b) Non, l'argent a un E° (+0,80 V) supérieur à celui du cuivre (+0,34 V). L'argent est moins réducteur → c'est le cuivre qui s'oxyderait, pas l'argent.
c) Le magnésium (E° = −2,37 V) ou le zinc (E° = −0,76 V) → tous deux plus réducteurs que le cuivre et peuvent servir d'anode sacrificielle.