Thème 3 : Matériaux L’acier : production, corrosion ...

1 Th me 3 : Mat riaux Sous-th me 1 : Cycle de vie S ance L acier : production, corrosion , protection Vues ses tr s int ressantes propri t s m caniques, le fer, pur ou sous forme d alliages, est le m tal le plus utilis dans l industrie et le b timent. labor partir de minerais principalement constitu s d oxyde de fer, il s oxyde naturellement l air s il n est pas prot g . D marrer la partie exp rimentale, puis revenir ensuite l analyse de documents. Analyse de documents scientifiques Document n 1 : laboration du fer, de la fonte et de l acier. En Europe, la fabrication du fer date de 1700 ans av. : on superposait plusieurs couches successives de minerai de fer et de bois et on chauffait ces chafaudages ; le m tal fondu tait travaill sur place. Actuellement, coexistent deux fili res d laboration de l acier : la fili re fonte et la fili re ferraille.

2 Dans la fili re fonte, apr s broyage, le minerai est introduit dans le haut fourneau avec du coke (constitu essentiellement de carbone). Le coke br le : la chaleur d gag e fait fondre le minerai ; le monoxyde de carbone, CO(g), form par la combustion, r duit en fer les oxydes de fer constituant le minerai. On obtient alors de la fonte en fusion. Elle est ensuite achemin e vers un convertisseur o elle est vers e sur de la ferraille. Du dioxyg ne est introduit : il br le une partie du carbone et les r sidus ; on obtient de l acier. Dans la fili re ferraille, la ferraille, tri e et broy e ou l tat brut, est introduite dans un four lectrique : de l acier en fusion est obtenu. Du dioxyg ne est ventuellement introduit. La production d une tonne d acier par la fili re fonte s accompagne du d gagement de deux tonnes de dioxyde de carbone.

3 D apr s Documents visibles sur le PC Document n 2 : Fer, fonte acier, ne pas confondre. Ces trois produits diff rent par leur teneur en carbone. Le fer est un mat riau mou et mall able, dont la teneur en carbone est infime. L acier a une teneur en carbone pouvant varier de 0,03 % 2 % maximum ; il est la fois mall able et r sistant. L inox est un acier compos de 75 % de fer, de 8 % de nickel, de 17 % de chrome et d un peu de carbone. La fonte, avec une teneur lev e de carbone (de 2 % jusqu 6 %), existe en plusieurs qualit s : de mall able et ductile(*) tr s dure et r sistante. (*) ductile : qui peut tre tir , tendu sans se rompre. Document n 3 : corrosion de l acier. Le ph nom ne de corrosion correspond la d gradation d un m tal, ou d un alliage m tallique, par des r actifs gazeux ou en solution.

4 L chelle de la plan te, chaque seconde, cinq tonnes d acier sont oxyd es en rouille, m lange complexe d oxydes et d hydroxydes de fer plus ou moins hydrat s. La corrosion est un fl au industriel. On estime en effet que 20 % de la production mondiale d'acier sont perdus chaque ann e sous forme de rouille. La corrosion de l acier est favoris e lorsque l atmosph re est humide et contient des esp ces ioniques dissoutes. La corrosion est dite uniforme lorsque toute la surface du m tal en contact avec cette solution est attaqu e de la m me fa on, diff rentielle si ce n est que partiellement. Document n 4 : Protection de l acier contre la corrosion . La corrosion a des cons quences importantes au niveau conomique. La lutte contre la corrosion permet de rallonger la dur e de vie des objets en acier. On peut : -incorporer du chrome et du nickel l acier pour obtenir un acier inoxydable ; - recouvrir l acier d une couche protectrice imperm able (peinture, vernis, plastique) ; - recouvrir l acier d un autre m tal : en plongeant la pi ce d acier dans un bain de zinc fondu (galvanisation) ou par lectrozingage ( lectrolyse); - relier un bloc de zinc l objet en acier prot ger : le zinc est alors oxyd et le dioxyg ne est r duit la surface du fer ou de l acier, qui n est alors pas corrod (anode sacrificielle sur la coque des navires : voir photo dans le diaporama).

5 Document n 5 : Recyclage des aciers. M me prot g s, les aciers se corrodent lentement. Les objets en acier corrod peuvent ensuite tre recycl s. Les exigences en mati re de taux de recyclage des v hicules automobiles sont lev es : actuellement 54 % de l acier pr sent dans une voiture est de l acier recycl . Avec un taux de recyclage qui d passe les 62 %, l acier est le mat riau le plus recycl en Europe. Le recyclage de l acier permet de pr server les ressources naturelles, de r duire l utilisation d nergie et de diminuer l mission de gaz effet de serre. Questions relatives aux documents : Q1. Justifier l utilisation du bois par les premiers m tallurgistes. Q2. Comment obtient-on de la fonte ? Comment est-elle transform e en acier ? Q3. Quel environnement favorise la corrosion de l acier ? Q4. Justifier la derni re phrase du document n 5.

6 Pratique exp rimentale On a vu que l'oxydation du fer par le dioxyg ne tait accentu e en milieu humide et sal . Pour comprendre ce ph nom ne, on propose de r aliser quelques exp riences simples. Comment identifier des ions ? Ions tester R actif test Observations Tube 1 ion fer (II) Fe2+(aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN)6] 3 Tube 2 ion zinc (ll) Zn2+(aq) ion hexacyanoferrate (III) [Fe(CN)6] 3 Tube 3 ion hydroxyde HO (aq) Ph nolphtal ne l aide des solutions disponibles au bureau et votre paillasse, r aliser trois exp riences permettant d identifier les ions propos s. Q5. Compl ter le tableau. Mise en vidence de la corrosion en milieu maritime Pr paration de la solution corrosive g lifi e sal e : Dans un grand becher, verser 100 mL d eau distill e, introduire 3 g de chlorure de sodium, 5 mL de solution d hexacyanoferrate de potassium.

7 Porter ce m lange 90 C en agitant. Couper le chauffage et verser 3 g d agar-agar et quelques gouttes de ph nolphtal ine. Agiter fortement, puis verser dans la boite de p tri. Pr paration de la solution corrosive g lifi e douce : Renouveler les op rations pr c dentes sans introduire de chlorure de sodium NaCl. Donn es pour interpr ter les exp riences : Ces exp riences n cessitent au moins 30 minutes avant d tre v ritablement exploitables. Le tableau ci-dessus est n cessaire. Le clou en fer peut se comporter comme une micropile, car l'oxydation et la r duction se produisent dans des zones distinctes. Comme dans toute pile classique, l' lectroneutralit du milieu est assur e par le d placement des ions, ici dans le gel. Les couples oxydant/r ducteur mis en jeu sont : O2(g) / HO (aq) ; Fe2+(aq) / Fe(s) ; Zn2+(aq) / Zn(s) Q6. R aliser des sch mas l gend s afin de rendre compte de vos observations dans les trois boites de p tri.

8 Q7. Interpr ter les r sultats exp rimentaux afin de mettre en vidence : - les r actions d oxydor duction mises en jeu lors de la corrosion du clou en fer, - l int r t de la galvanisation (consiste recouvrir l acier de zinc), - l influence de la salinit de l eau, - l int r t de fixer des blocs de zinc sur la coque des navires. grenaille de zinc Zn(s) en contact avec un clou en fer d cap Bo te de P tri (1) Bo te de P tri (3) Bo te de P tri (2) clou en fer Fe(s) d cap solution corrosive sal e solution corrosive douce clou en fer galvanis solution corrosive sal e