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Etudier la corrosion d'un matériau métallique

La corrosion désigne l'altération d'un matériau par réaction chimique avec un oxydant (le dioxygène et le cation \(\displaystyle{\ce{H+}}\) en majorité). Les exemples les plus connus sont les altérations chimiques des métaux à l'air ou dans l'eau telles que la rouille du fer et de l'acier. En écrivant les réactions d'oxydation du métal avec le dioxygène, on explique la corrosion.

Le fer, en présence d'air humide, s'oxyde pour former de la rouille \(\displaystyle{\ce{Fe2O3}}\). À l'aide des couples en présence, écrire la réaction chimique de cette corrosion.

Données : couples rédox

  • \(\displaystyle{\ce{Fe2O3/Fe}}\)
  • \(\displaystyle{\ce{O2/H2O}}\)
Etape 1

Écrire la demi-équation d'oxydation

On écrit la demi-équation d'oxydation du métal à l'aide du couple en présence en équilibrant les espèces et les charges à l'aide des ions \(\displaystyle{\ce{H+}}\), des électrons et de la molécule d'eau.

La demi-équation d'oxydation qui transforme le fer \(\displaystyle{\ce{Fe}}\) en \(\displaystyle{\ce{Fe2O3}}\) est :

\(\displaystyle{\ce{2Fe +3H2O\ce{->}Fe2O3 + 6H+ + 6e-}}\)

Etape 2

Écrire la demi-équation de réduction

On écrit la demi-équation de réduction du dioxygène à l'aide du couple \(\displaystyle{\ce{O2/H2O}}\) en équilibrant les espèces et les charges à l'aide des ions \(\displaystyle{\ce{H+}}\) et des électrons.

La demi-équation de réduction du dioxygène est :

\(\displaystyle{\ce{O2 + 4H+ + 4e- \ce{->}2H2O}}\)

Etape 3

Déterminer le nombre d'électrons communs échangés

Afin d'équilibrer une réaction chimique d'oxydoréduction, le même nombre d'électrons doit être échangé. On recherche à l'aide des demi-équations rédox le nombre commun d'électrons à échanger. On multiplie alors toutes les demi-équations rédox pour obtenir le même nombre d'électrons échangés.

Le nombre commun d'électrons échangés est un multiple de 6 et de 4, soit 12 :

  • La réaction d'oxydation sera multipliée par 2 : \(\displaystyle{\ce{4Fe +6H2O\ce{->}2Fe2O3 + 12H+ + 12e-}}\).
  • La réaction de réduction sera multipliée par 3 : \(\displaystyle{\ce{3O2 + 12H+ + 12e- \ce{->}6H2O}}\).
Etape 4

En déduire la réaction de corrosion

On en déduit la réaction de corrosion qui est la réaction d'oxydoréduction entre le métal et le dioxygène. On additionne les deux demi-équations rédox précédentes. Si des espèces sont présentes de chaque côté de la réaction, on effectuera les simplifications nécessaires.

La réaction de corrosion est la somme des deux demi-équations rédox précédentes, soit :

\(\displaystyle{\ce{4Fe +6H2O\ce{->}2Fe2O3 + 12H+ + 12e-}}\)

\(\displaystyle{\ce{3O2 + 12H+ + 12e- \ce{->}6H2O}}\)

D'où :

\(\displaystyle{\ce{4Fe +6H2O + 3O2 + 12H+\ce{->}2Fe2O3 + 12H+ + 6H2O}}\)

On peut simplifier de part et d'autre par \(\displaystyle{\ce{H+}}\) et \(\displaystyle{\ce{H2O}}\) :

\(\displaystyle{\ce{4Fe + 3O2 \ce{->}2Fe2O3 }}\)

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