Chapitre n° 3 : Oxydations du fer, du cuivre, du zinc et de l’aluminium








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titreChapitre n° 3 : Oxydations du fer, du cuivre, du zinc et de l’aluminium
date de publication19.05.2017
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Chapitre n° 3 : Oxydations du fer, du cuivre, du zinc et de l’aluminium
Objectifs :

_ Connaître quelques réactions des métaux avec l’air et le dioxygène ;

_ Savoir qu’il se forme des oxydes métalliques ;

_ Savoir que la masse se conserve au cours d’une réaction chimique ;

_ Savoir équilibrer les équations-bilans des différentes combustions.


I _ Oxydation à froid
1°) Corrosion du fer
a ) Formation de la rouille : rôle du dioxygène


De la laine de fer est introduite dans une éprouvette humidifiée retournée sur une cuve à eau .
Au bout de quelques jours :

¤ Dans l’expérience 1 , le niveau de l’eau a monté et occupe un volume de 50 cm3 . De plus , le morceau de laine de fer est partiellement rouillé .

¤ Dans l’expérience 2, le niveau de l’eau a monté et occupe la totalité de l’éprouvette. De plus le morceau de laine de fer est rouillé.
Interprétation :

Dans l’expérience 2 , tout le dioxygène réagit avec la laine de fer pour donner la rouille .

L’eau remplace le dioxygène disparu .

Dans l'expérience 1, l’eau n’a monté que de 50 cm3 . Or , l’obtention de la rouille signifie que la laine de fer a réagi avec du dioxygène . Donc l’air ne contient qu’environ 1/5 de dioxygène . Le gaz qui reste correspond au diazote ( 4/5).
Le fer se rouille quand il est en contact avec l’air humide .C’est le dioxygène de l’air et non le diazote qui intervient dans la formation de la rouille.



Remarque : L’air contient environ 1/5 ( ou 20% ) de dioxygène et 4/5 ( 80% ) de diazote.
B ) Les facteurs accélérant le formation de la rouille
Un clou est introduit dans chacun des cinq tubes à essais. Quelques jours plus tard, on observe que:

¤ des traces de rouille apparaissent dans les tubes à essais 1 et 2 .

¤ Les clous des deux derniers tubes sont intacts .

¤ La quantité de rouille est plus importante dans le tube 1 que dans le tube 2 .
La formation de rouille n’est possible que si le fer est en contact avec de l’air et de l’eau ou plus simplement avec de l’air humide . De plus, la présence de certaines substances ( par exemple le sel ) accélère la formation de le rouille.
C ) Conclusion
La formation de la rouille est une réaction chimique qui nécessite trois réactifs : fer , dioxygène et eau. La rouille est le produit d’une corrosion, c’est-à-dire une oxydation à froid ; elle contient essentiellement de l’oxyde ferrique Fe2O3 .
Bilan de la réaction : Fer + dioxygène oxyde ferrique

Equation-bilan : 4 Fe + 3 O2  Fe2O3
Remarque : La couche de rouille formée ne protège pas le fer et la corrosion se poursuit jusqu’à la disparition totale du fer.
2°) corrosion des autres métaux
a) L’aluminium
Si on observe deux lames d’aluminium : l’une décapée et l’autre exposée à l’air depuis quelques semaines , on constate que celle décapée présente un éclat métallique alors que l’autre est terne .

En effet, au contact de l’air, le métal s'est recouvert d’une fine couche blanche d’oxyde d’aluminium appelé alumine. Mais contrairement au fer, la corrosion ne progresse pas en profondeur pour détruire le métal : cet oxyde protège le métal .
La corrosion de l’aluminium conduit à la formation de l’oxyde d’aluminium de formule Al2O3 . La couche d’alumine imperméable protège l’aluminium.

Le bilan de la réaction s’écrit :

Aluminium + Dioxygène  Oxyde d’aluminium

L’équation-bilan s’écrit :

4 Al + 3 O2  Al2O3
b) Le zinc et le cuivre
Au contact de l’air humide et du dioxyde de carbone, le zinc et le cuivre se recouvrent lentement d’une couche superficielle terne pour le zinc et d’une couche superficielle de couleur verte pour le cuivre . Cette couche superficielle d’oxyde de zinc et d’oxyde de cuivre appelé vert-de gris les protège d’une corrosion en profondeur .

Bilans des réactions :

Zinc + Dioxygène Oxyde de zinc

Cuivre + Dioxygène  Oxyde de cuivre

II _ Oxydation à chaud
1°) Rappel 4° : Combustion du fer dans le dioxygène

On porte à incandescence un morceau de laine de fer attaché à un fil de fer. On l’introduit rapidement dans un flacon contenant du dioxygène pur. On constate alors :

_ que la réaction se poursuit avec des étincelles;

_ que le fil de fer disparaît progressivement ;

_ L’apparition ,au fond du flacon, de boules “ gris-bleu” ;

_ et que le fond du flacon est fendu .
En brûlant, le fer consomme le dioxygène contenu dans le flacon. Il se produit un solide gris-bleu appelé oxyde de fer III ou oxyde magnétique de fer .
Le fer brûle dans le dioxygène. Cette réaction chimique est une oxydation ( ou combustion ) au cours de laquelle du fer et du dioxygène disparaissent pour produire de l’oxyde magnétique de fer .



Bilan de la réaction : chaleur

Fer + dioxygène  Oxyde magnétique de fer

3 Fe + 4 O2  Fe3O4
Remarques:

1°) La combustion du fer dans le dioxygène n’a lieu qu’à température élevée ( il faut chauffer préalablement la laine de fer )

2°) La réaction dégage de la chaleur : on dit qu’elle est exothermique .

2°) Combustion de quelques métaux en poudre

On introduit dans une paille de la poudre métallique ( aluminium , cuivre ou zinc ) que l’on projette dans la flamme d’un bec bunsen .
On observe alors :

_ pour la poudre d’aluminium des étincelles et l’apparition d’une poudre blanche .

_ pour la poudre de zinc, quelques étincelles et l’apparition d’une poudre blanche .

_ pour la poudre de cuivre , des étincelles , l’apparition d’une poudre noire et que la flamme est devenue verte .
Interprétation :
La combustion d’un métal en poudre dans l’air est une réaction chimique entre le métal et le dioxygène de l’air . Ces deux réactifs disparaissent pour former de l’oxyde métallique .
Bilan des réactions :

Aluminium + Dioxygène  Oxyde d’aluminium ou alumine

Cuivre + Dioxygène  Oxyde de cuivre

Zinc + Dioxygène  Oxyde de zinc
Remarque : Un métal brûle mieux s’il est en poudre

III _ Réaction chimique
1°) Les oxydes métalliques
Les oxydes métalliques sont des corps solides constitués d’atomes de métal liés à des atomes d’oxygène. Les principaux oxydes métalliques obtenus lors des combustions sont désignés par des formules chimiques


Nom du métal

Symbole du métal

Nom de l’oxyde métallique

Formule chimique de l’oxyde métallique

Fer

Fe

Oxyde fer IIIOxyde magnétique de fer


Fe2O3

Aluminium

Al

Oxyde d’aluminiumAlumine

Al2O3

Cuivre

Cu

Oxyde de cuivre II

CuO

Zinc

Zn

Oxyde de zinc

ZnO

2°) Conservation de la masse


On réalise la combustion du fer dans le dioxygène sur une balance électronique . On relève la masse indiquée par la balance : m = .........................g .

On enflamme la paille de fer à l’aide d’une pile plate . A la fin de la combustion, on constate que la balance indique une nouvelle masse supérieure à celle initiale, c’est-à-dire m’ = ......................g .

Cette augmentation est dûe à la formation de l’oxyde métallique formé et correspond à la quantité de dioxygène ayant réagi .

Ainsi , lors d’une réaction chimique, la masse se conserve : la somme des masses des réactifs est égale à la masse (ou à la somme des masses) du (ou des) produit(s).

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