Réaction entre l'air et les métaux

I. Introduction

Nous savons tous par expérience personnelle que si nous laissons un objet en fer au contact de l'air, il rouille quelques temps après. Qu'arrive-t-il au fer? Qu'a-t-il subit?
Nous savons aussi que d'autres métaux se recouvrent d'une pellicule ou se ternissent, par exemple, le cuivre se recouvre de " vert-de-gris ", le zinc est recouvert d'une pellicule blanchâtre.
Une grande majorité des métaux réagissent avec l'air ambiant.
On dit qu'ils subissent une corrosion.
Ils perdent leur éclat métallique. Que se passe-t-il réellement?

II. Un responsable: le dioxygène

1. Mise en évidence.

L'air contient 1/5 de dioxygène et 4/5 d'azote. Lequel de ces deux gaz est responsable de la corrosion?
 

Mode opératoire :

Observation:

• Sur la paille de fer il s'est formé un dépôt rougeâtre : c'est de la rouille.
• Dans le tube � l'eau est montée de quelques centimètres cubes.
• Dans le tube ‚ l'eau est montée jusqu'au niveau de la paille.

Interprétation:

• La formation de la rouille a eu lieu dans les cas � et ‚
• La présence de dioxygène dans les deux cas est donc la cause de la formation de la rouille.
• Dans le cas ‚ 1/5 du volume d'air a disparu, ce qui correspond exactement à la proportion de dioxygène dans l'air.

Conclusion :
La disparition du dioxygène dans ces deux tubes montre que celui-ci est responsable de la formation de la rouille.
Cependant, la corrosion est un phénomène complexe dans lequel l'eau joue un rôle essentiel dans la formation de la rouille.
La rouille est le produit formé à froid par la réaction chimique entre le fer, le dioxygène de l'air. La couche qu'elle forme sur le fer est perméable et ne protège pas le métal d'une corrosion profonde.

En règle générale, nous appellerons " corrosion d'un métal " l'action chimique du dioxygène de l'air sur ce métal, à température ambiante (à froid).

2. Action du dioxygène sur le fer à chaud: la combustion du fer.

Expérience:
On enflamme de la laine d'acier dans l'air puis on la plonge dans un récipient rempli de dioxygène.

Observation:
la combustion du fer (acier) est beaucoup plus violente dans le dioxygène pur que dans l'air.

Interprétation:
Plus la proportion de dioxygène est importante plus la combustion du fer est violente.

Conclusion:
Comme pour la corrosion, c'est le dioxygène qui est responsable de la combustion du fer (acier).

Définition:

On appellera " combustion d'un métal " l'action chimique du dioxygène sur ce métal à chaud.

3. Oxydation des métaux.

Définition

La corrosion et la combustion des métaux sont en fait des réactions d'oxydation:
Tout métal qui réagit au contact du dioxygène (à chaud ou à froid) subit une oxydation pour devenir un oxyde métallique.
Nous détaillerons ces termes dans le prochain chapitre.

Métal + Dioxygène à Oxyde métallique
 
Expérience:
Combustion du magnésium : on procède comme pour la combustion du fer mais on utilise cette fois-ci un morceau de magnésium en ruban.
 

Observation:
Le magnésium (métal) s'oxyde au contact du dioxygène en produisant une lumière intense. On récupère un produit blanchâtre: l'oxyde de magnésium.

Magnésium + Dioxygène à Oxyde de magnésium (blanc)

Un même métal peut donner plusieurs oxydes métalliques en réagissant sur le dioxygène, cela dépend des conditions d'oxydation:

Exemple:

Fer + Dioxygène à oxyde ferrique (couleur rouille) à froid Fer + Dioxygène à oxyde magnétique (Noir) à chaud

Conséquence sur l'état naturel des métaux.

1. La plupart des métaux s'oxydent au contact du dioxygène (voir figures 2a, 2b, 2c, et 2d " Sciences Physiques 3^è " Collection Durandeau p80).
    
2. C'est pour cela que la plupart des métaux existent à l'état naturel sous forme d'oxydes métalliques.
   Il faut traiter chimiquement ces oxydes métalliques pour fabriquer les métaux: Exemple: Utilisation des hauts fourneaux pour la fabrication des aciers.
3. Certains métaux comme l'or et l'argent ne s'oxydent pas avec le dioxygène. On les trouve donc sous formes métalliques dans la nature:
   exemple: les pépites d'or (voir document p 84 " Sciences Physiques 3^è " Collection Durandeau)

III. Protection des métaux contre la corrosion.

Un objet en acier peut complètement disparaître à cause de la corrosion: y-a-t-il un moyen de protéger les métaux contre la corrosion?

1. Une protection naturelle?

Certains métaux comme l'aluminium ou le zinc s'oxyde très facilement au contact du dioxygène, mais la couche d'oxyde métallique qui se forme alors est imperméable au dioxygène:

Comparaison de la couche de rouille d'un objet en fer et de la couche d'alumine (oxyde d'aluminium) d'un objet en aluminium:

Lorsque la couche d'oxyde métallique, protège le métal on dit que ce métal est " Passivé ".

On parlera alors de " Passivation " du métal.

2. Une protection artificielle'

1. Utilisation de peinture ou de vernis.
   Pour isoler un métal du dioxygène de l'air on utilise fréquemment des peintures ou vernis imperméable.
   
   
2. Fabrication d'alliages résistants à la corrosion.

   Définition préliminaire:
   On appelle " Alliage " un mélange homogène de plusieurs corps purs dont un au moins est un métal.

   Exemples:
    

   Alliage	Composition	Utilisation
   Acier	fer + carbone (< 2%)	poutres, tôles, câbles, clous, etc.
   Fonte	fer + carbone (2 à 6%)	radiateurs, cocottes
   Laiton	cuivre + zinc (10 à 40%)	matériel électrique, robinetterie
   Bronze	cuivre + étain (5 à 25%)	statues, cloches
   Duralumin	aluminium + cuivre (4%) + magnésium(1%)	fenêtres, portes, cadres de bicyclette

3. Traitement de surface des métaux par électrochimie.

Cette opération consiste à déposer un revêtement métallique sur le métal à protéger par un procédé électrochimique (opération qui nécessite l'utilisation d'un courant électrique important). Ce traitement de surface permet de protéger de la corrosion.

Exemples:

• La galvanisation: dépôt de zinc sur des pièces en acier (Tôle galvanisée).
  
• Le nickelage: dépôt de nickel sur des pièces en acier (Outils, couverts).
  
• Le chromage: dépôt de chrome sur des pièces en acier (enjoliveurs).