L'oxydo-réduction

« Le processus se déroule en deux étapes : Fe203 est d'abord réduit en Fe304 à une température d'environ soo •c dans la partie supérieure du fourneau .

Fe304 est un autre oxyde de fer, mais qui contient proportionnellement moins d'oxygène et plus de fer que Fe203• Puis l 'oxyde de fer Fe304 , descendu au milieu du haut-fourneau , dans des températures de 600 à 900 •c, est de nouveau réduit par le monoxyde de carbone en un nouvel oxyde FeO .

Nous n'avons toujours pas de fer, mais la proportion Fer/Oxygène a encore diminué .

Enfin , dans la partie basse du fourneau, à une température d'environ 1 000 •c, FeO est réduit par le monoxyde de carbone pour donner le fer Fe recherché .

Chacune des étapes de la formation du fer est une réaction d'oxydo-réduction.

Elles sont écrites explicitement ici : 3 Fe203 + co -co, + 2 Fe304 Fe,o, + co co, + 3 FeO FeO +CO --+ C02 +Fe LES PILfS ÉLfCT ROC:HI MIQUE S L'électrochimie est la science des transformations réciproque s de l'énergie chimique et de l'énergie électrique.

Elle traite en particulier des réactions d'oxydo-réduction.

la pile électrochimique est une des applications les plus immédiates de l'oxydo-réduction .

En elfe~ par sa définition même , l'oxydo-réduction est une réaction qui met en jeu un transfert d'électron entre deux espèces chimiques .

Si l'on sépare physiquement ces deux espèces chimiques en n 'autorisant une interface que par un pont conducteur permettant le passage des ions et des électrons de l'une à l'autre des espèces chimiques, il y a alors circulation d'électrons, et donc de courant électrique: nous sommes en présence d'une pile électrique ! Plus précisément, une pile électrique est composée de deux compartiments séparés appelés demi-piles contenant un matériau conducteur et une solution dite électrolytique, c 'est-à-dire contenant des ions mais électriquement neutre .

Le matériau conducteur de la demi-pile est appelé électrode .

Elle est en général en métal ou en carbone.

Chaque demi-pile contient un couple oxydanVréducteur, qui peut être sous forme de métal solide ou d'ion.

Souvent le couple est constitué d'un ion métallique dans la solution électrolytique et du métal correspondant (l'électrode).

Si on relie les électrodes de la pile par un ampèremètre , on observe le passage d'un courant électrique.

Pour mieux comprendre, prenons l'exemple de la pile appelée pile Daniell qui utilise les couples Zn''/Zn (de potentiel d'oxydo-réduction- 0 ,76) et Cu'•fCu (de potentiel d'oxydo­ réduction +0,34) .

Il s'agit d'une demi-pile constituée d'une électrode de cuivre plongée dans une solution de Cu''.

reliée par un pont salin à une deuxième demi-pile constituée d'une électrode de Zinc plongée dans une solution de Zn'• .

Quand on relie les deux demi-piles à une résistance en série avec un ampèremètre , on observe le passage d'un courant.

On observe aussi que l'électrode de Zinc est attaquée et disparaît progressivement.

Dans le même temps , des dépôts de cuivre se forment sur l'électrode en cuivre.

Que s'est-il donc passé? En utilisant la règle du gamma expliquée plus haut , on pouvait prédire que l'ion Cu'• allait réagir avec Zn pour former l 'ion Zn'• et le métal Cu.

La réaction d 'oxydo-réduction finale est la combinaison de deux demi-réactions : Cu2 • + 2e· --+ Cu Zn --+ Zn'• + 2e· la réaction globale est la suivante : Cu'• + Zn --+ Cu + Zn'• On a donc bien disparition progressive du zinc et apparition de cuivre .

La réaction s'arrête quand le métal zinc a complètement disparu .

Les électrons circulent de la demi-pile Zn''/Zn à la demi-pile Cu''/Cu.

le couran~ dont le sens est l'opposé du sens de circulation des électrons , circule donc de la demi-pile Cu'•jCu à la demi ­ pile Zn''/Zn.

L'électrode de cuivre constitue donc la borne positive de la pile électrochimique tandis que l'électrode de zinc constitue la borne négative de la pile.

Les piles vendues sur le marché utilisent le même principe, avec des couples oxydanVréducteur différents selon l'utilisation que l'on en fait.

Par son principe même , les piles électrochimiques ne sont pas rechargeables car il y a disparition progressive des réactifs .

Ce qu'on appelle pile rechargeable est en réalité un accumulateur , qui fonctionne sur un principe légèrement différent.

Il est important de noter que l'expérience décrite ci-dessus a permis de fabriquer du métal cuivre à partir de l 'ion cuivre.

C'est ce qu'on appelle une électrosynthèse .

En pratique , l'obtention de métaux par électrosynthèse est utilisée dans l'industrie pour la fabricat ion de l'aluminium.

LA CORROSIO N DES MÉTAUX Qu'est ce q ue c'est ? Pour quoi apparaît-el le ? e t où ? La corro sion est l'altération et la dégradation progressive d 'un matériau, qui peut aller jusqu 'à sa destruction , s uite à une action chimique (et non mécanique ) exercée à sa surface par le milieu ambiant.

Ce phénomène est un problème important dans l'industrie car il peut être à l'origine de la rupture de pièces .

Il touche principalement les métaux et le béton, mais pas seulement car la corrosion existe aussi pour les polymères ou les céramiques.

La corrosion est fréquemment observée sur les statues de cuivre , qui se colorent en vert sous l'action de l'air, ou sur les pièces de fer ou d'acier qui se rouillent.

En réalité , les conséquences de la corrosion peuvent être plus ou moins nuisibles selon la nature de l 'oxyde de métal.

la rouill e du fer ou de l'acier est friable et poreuse et l'oxydation se répand a lors en profondeur dans toute la pièce métallique , ce qui la fragilise.

Au contraire, le chrome a la particularité d'avoir un oxyde qui forme une couche p rotectrice, étanche et transparente qui protège le métal , d'où sa réputation d'être inoxydable .

La vitesse et l'emplacement de la corrosion dépendent de divers facteurs, dont notamment la façon dont la pièce a été usinée et si elle est fabriquée dans ------------- ....

------------ -l un métal uniforme.

Le phénomène de La pile Daniell électrode corrosion a tendance à s'accélérer dans des zones de contact entre des métaux de compositions différentes ou dans des interstices .

Il arrive fréquemment que la jonction de deux pièces fabriquées dans des alliages différents subisse une corrosion accélérée .

Par exemple, on observe souvent de la corrosion à la jonction entre un écrou et une vis.

Le phénomène de corrosion a un impact économique important puisqu 'on estime le coût de la corrosion en France à environ 4 % de son Pl B.

Comment éviter la conosi on ? Il existe différentes techniques de protection contre la corrosion faisant intervenir deux méthodes différentes : le traitement de surface et la protection Zn -Z n2+ + 2e- c __ u_2+_+_2_e_-_-_c_u_~ __ _..

cathodique.

• Parmi les techniques de traitement de surfaces , plusieurs possibilités sont offertes.

-L'isolation par revêtement étanche de peinture et de vernis.

-la protection par un métal résistant à l'oxydation, et qui est moins réducteur que le métal à protéger (généralement le fer).

C'est le cas du chrome.

Les aciers chromés ont cependant un inconvénient majeur car en cas de rayure dans le revêtement , le métal qu'on cherchait à protéger s'oxyde très rapidement.

-La protection par un métal plus réducteur que le métal à protéger mais dont les oxydes sont étanches.

Le fer galvanisé, c 'est-à-dire recouvert par une pellicule de zinc, en est un exemple.

Comme le zinc est plus réducteur que le fer, c'est lui qui va s'oxyder en priorité dans le cas où le fer serait en contact avec le milieu ambiant.

Pour les techniques de traitement de la surface par un autre métal , différents procédés existent, parmi lesquels la chromatation , la phosphatation , la galvanisation.

Le choix du procédé dépend du métal , de la pièce à protéger et de son utilisation .

• La deuxième méthode consiste à mettre au contact du matériau à protéger , une pièce protectrice qui va s'oxyder à la place du métal qu'on cherche à protéger : c'est ce qu'on appelle la protection cathodique.

Cette méthode est largement utilisée pour la protection des pièces en contact constant avec de l'eau, donc notamment des navires , des piles métalliques des jetées , des canalisations d'eau ou encore des structures en bétons armés .

Le principe de la protection cathodique se comprend aisément à l'aide des potentiels d'oxydo-réduction.

L'espèce chimique généralement respon sable de la plupart des réactions d'oxydo-réduction est l'oxygène , contenue dans l'air ou dans l'eau.

C'est donc au couple 02 1 H20 , de potentiel d'oxydo-réduction égal à+ 1, 23 V qu'il faut s'intéresser .

Pour protéger du fer, on utilise généralement une protection cathodique avec des anodes sacrificielles en zinc, aluminium , ou manganèse .

Regardons l'échelle des potentiel s d'oxydo-réduction pour mieux comprendre : o , H20 +1,23 Fe'• Fe -Q,44 Zn'• Zn -Q,76 Mn'• Mn -1,18 Al'' Al -1,60 En appliquant la règle du gamma expliquée plus hau~ on voit que le fer, en présence d'oxygène, va s'oxyder en ions fer Il.

Cependan~ lorsque le fer est mis contact avec une pièce de zinc, d 'aluminium ou de manganèse , ce n 'est pas la réaction d'oxydation du fer qui se déroule en priorité.

En effet , le zinc, l'aluminium et le manganèse ont tous les trois la part icularité d'avoir des potentiels d 'oxydo-réduction plus faibles que le fer, ils sont donc plus oxydables.

L'oxygène va corroder en prior ité la pièce en zinc, aluminium ou manganè se qui est en contact avec le fer jusqu 'à ce que la pièce ait disparue .

Quand les anodes sacrificielles auront été entièrement corrodées, l'oxygène va commencer à s'attaquer au fer.

Une protection cathodique se remplace donc régulièrement.

Le fer et l'acier étant des métaux particulièrement oxydables, qu'est-ce qui se cache derrière le terme d'acier inoxydable ? Comment explique-t-on qu'un acier , c'est-à-dire un alliage essen tiellement à base de fer avec une faible quantité de carbone , ne puisse pas s'oxyder? En réalité, ce qu'on appelle 11cier inoxyd t~ble est un acier qui contient un pourcentage de nickel et de chrome variable selon les utilisations que l 'on veut en faire.

Ce matériau, très largement utilisé dans l'industrie , a une très grande résistance à la corrosion.

Les propriétés de résistance à la corro sion sont e ssentiellement dues au chrome qui se corrode en formant une mince couche protectrice transpa rente et qui est donc considéré comme inoxydable.

Cependant, comme tous les métau x, l'acier inoxydable , malgré son nom, est oxydable sous certaines condit ions.

E T ENCORE ••• La fabrication de métaux , les piles électr ochimiques , la corrosion ne sont pas les seuls domaines faisant intervenir des réactions d'oxydo­ réduct ion.

Dans le corps humain aussi, la resp iration cellulaire, c'est-à-dire la production d 'énergie des cellules sous forme de glucides, est une réaction d'oxyda-réduction.

Les réactions de combustion sont un type de réactions d'oxydo-réduction qui dégag ent de la chaleur .

Une réaction de combustion ne se produit que si un oxydant (le comburant) et un réducteur (le combustible) se trouvent en présence, et seulement si on leur soumet une énergie d 'activation suffisante.

Par exemple , dans le cas d'un feu de cheminée , l'oxydant (le comburant) est l'oxygène contenu dans l'air tandis que le réducteur (le combu stible ) va être le bois ou le charbon, c'est -à-dire globalement du carbone.

La flamme d'une allumette apport e l'énergie suffisante pour provoquer la réaction.

L'eau de javel doit ses propriétés désinf ectantes et décolorantes au caract ère oxydant de l 'ion hypochlorite CIO- , qui tue microbes et bactéries.

L'eau oxygénée a également des propri étés puissamment oxydantes , ce qui explique ses propriétés antiseptiques.

Les exemples de réactions d'oxydo­ réduction dans la vie quotidienne foisonnent , et c'est bien ce qui donne à l'étude de ces réactions tout leur intérêt.. »