L'oxydo-réduction

« Le proce ssus se déroule en deux étape s : Fe,o , est d'abord réduit en Fe304 à une température d'environ 500 •c dans la partie supérieur e du fourneau.

Fe304 est un autre oxyde de fer, mais qui contient proportionnellement moin s d 'oxygè ne et plus d e fer que Fe203• Puis l'oxy de de fer Fe304 , descendu au milie u du haut -fourneau , dans des temp érature s de 600 à 900 •c , est de nouv eau r éduit par le monoxyde de carbone en un nouvel oxyde FeO.

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

Enfin , dans la parti e basse du fourn eau , à une températur e d'environ 1 000 •c , FeO est réduit par le monoxyde de carbone pour donner le fer Fe recherché .

Chacune des étapes d e la formation du fe r est une réaction d'oxydo -réduction .

Elles sont écrites explicitement ici : 3 Fe, o , + co -co , + 2 Fe,04 Fe ,o , + co co, + 3 Fe O F eO +CO -CO, + Fe LES PILES ELECTR OCH IMIQUES L'électroc himie est la science des transformations réciproques de l'énergie chimique et d e l'énergie électrique.

Elle traite en particulier des réactions d'oxydo-ré duction .

L a pile électrochimique est une des applications les plus immédiates de l'oxydo-ré duct ion.

En effet, par sa d éfinition même , l'oxy do-réduction est une réaction qui met e n jeu un tran sfert d'électron entre deux espèce s chimi ques.

Si l'on sépare physiquement ces deux espèces chimique s e n n 'autori sant une interface que par un pont conducteur perm ettant le passage des ions et des électrons de l'une à l 'autre des espèces chimiques, i l y a alors circulation d'électrons , et donc de courant électrique: nous somm es en présence d 'une pile électrique ! Plus précisémen~ une pile élect rique est composée de deux compartiments séparés appelés demi-pil es contenant un matériau conduct eu r et une solutio n dite électrolytique, c'est-à-dire contenant des ions mais é lectriquement neutre.

Le matériau conducteur d e la demi-pile est appelé électrode.

Elle est en gén éral en m étal ou en carbone.

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

Souvent le couple est constitué d'un ion métallique d ans la solution électro lytiqu e et du métal correspondant (l'électrode ).

Si on reli e les électrodes d e la pile par un ampèremètre , on observe le passage d 'un courant élect rique .

Pour mieu x comprendre , prenons l'exemple de la pile appelée pile Daniell qui utilise les couple s Zn''/Zn (de potentie l d 'oxydo-réduction- 0,76} et Cu,./Cu (de potentie l d'oxy do­ réduction +0,34}.

Il s'ag it d'une demi-pil e constituée d'une électrode de cuivre plo ngée dans une solution de Cu' reliée par un p ont salin à une deuxième demi-pile constituée d 'une électrode de Zinc plon gée dans une solution de Zn'• .

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

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

Dan s le m êm e temp s, des dé pôts de c uivre se form ent sur l'électrod e en cuivr e .

Que s'est-i l donc passé? En utilisan t la règle du gamma expliquée plus haut , on pouvait prédire que l'ion C u'· allait réagir avec Zn pour form er l'io n Zn'• e t le méta l Cu.

La réaction d'oxy do-r éduction final e est la combinaison de deux demi -réactions : Cu'• + 2e· - Cu Zn -Zn'' + 2e· La réactio n globale est la suiva nte : Cu,.

+ Zn -Cu + Zn'• On a donc bien dispari tio n progressive du zinc et apparition de cuivre.

L a r éactio n s'arrête quand le m étal zinc a complètement disparu.

Les élect rons circulent de la demi-pile Zn''/Zn à la demi-pil e Cu''/Cu.

Le courant, dont le sen s est l'opposé du sens de circulation des électro ns, c ircule donc de la demi-pi le Cu' '/Cu à la demi­ pile Zn' ' /Zn.

L'électrode de cuivre constitue d o nc la born e positive d e la pile électrochimique tandi s que l'é lectrode de zin c constitue la borne négative de la pile .

Les pile s vendues sur le mar c h é utilisent le m ême principe , avec des couples oxydant/réducteur différents selon l'utilisation que l'on en fait.

Par son principe m ême, les piles électr ochimiqu es ne sont pas rechargeab le s car il y a disparition progressive des réactifs .

Ce qu'o n appelle pile rechargeable est en réalité un accumul ateur, qui fonctionn e sur un prin cipe légère m e nt différent.

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

C'est ce qu'on appe lle une éledrosynthèse .

En pratiqu e, l'obtention d e m étaux par électrosynthèse est utilisée dans l'industrie p our la fabrication d e l'alum inium .

lA CORROSIO N DES METAU X Qu'est ce que c ' est? Pourquoi appara ît-elle ? et où ? La corrosion est l'altération et la dégra d ation progressive d'un m até ria u, qui peut aller jusqu'à sa destruct ion, s uite à une actio n chimique (et non mécaniqu e ) exercée à sa surface par le milieu ambiant.

Ce phénomène est un problème important dans l'indust rie car il peut être à l'origi n e de la rupture de pièce s .

Il to u ch e prin cipalem ent les m étaux et le béton, mais pas seu le m e nt car la corros io n existe a u ssi pour les polymères ou les céramiqu es.

La corrosion est fréquemment observée sur les statues de cuivre , qui se colorent en vert sou s l'action d e l'air , ou sur les pièces de fe r ou d'acier qui se rouillent.

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

La rou ille du fer ou d e l'acier est friabl e et poreuse et l'oxydation se répand alors e n profondeur dans tout e la pièce métallique , ce qui la fragilis e .

Au contraire , le chrome a la particularité d 'avoir un oxyde qui forme une couch e protectrice , étanch e e t tran sparen te qui protège le métal, d 'où sa réputation d'être inoxydable.

L a vitesse et l'empla cem ent de la corrosion dépendent de divers fadeu r s , dont notamment la façon dont l a pièce a été u sinée et si elle est fabriqu ée dans 1-------------...i.------------ ~ un métal uniform e .

Le phé nomène de La pile Daniell électro de Z n -Z n2+ + 2e- Cu 2+ + 2e - -Cu corrosion a tendance à s'accélérer dans des zones d e contact entre des m é taux de compositions différente s ou dans des interstices.

Il arrive fréquemm ent que la jonct ion de deux pièces fabriqu ées dans des a lliages 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 économi que important puisqu'on estime le coût de la corrosion e n France à environ 4 % de son Pl B.

Comment éviter la corro sion ? Il existe différent es techniques de protection contre la corrosion faisant interv enir deux méthodes différentes : le traitement de surface et la protection cathodique.

• Parm i les techniques d e traitement de surfaces, plusieurs possibilité s sont offertes.

-L'isolation par revêtement étanch e de peinture et de vernis .

-La protection par un métal résistant à l ' oxydation , e t qui e st moins réduct eur que le m étal à protéger (généralem ent 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 m é tal qu'on cherchait à protéger s'oxyde très rapidement.

-La protection p a r un métal plus réducteur que le m éta l à proté ger mais dont les oxydes sont étanches .

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

Comme le zinc est plus réducteur que le f e r, c' est lui qui va s'oxyde r en prior ité dans le cas où le fer sera it e n contact avec le milie u ambiant.

Pour les techniqu es de trait ement d e la surface par un autre métal, différents procédés existe nt, parmi lesquel s la chromatat ion, la phosphatation, la galvani sation.

Le choix du procédé dépend du métal, d e la pièce à prot éger et de son utilisation.

• La deux iè m e m é thod e consiste à mettre au contact du matériau à protéger, une pièce protectrice qui va s'oxy d er à la place du m éta l qu'on cherche à protéger :c'est ce qu'on appe lle la protection cathodique .

Cette méthode est largement utilisée pour la protection des pièces en contact constant avec d e l'eau, donc notamment des navires , des piles métalli ques des jetées , des canalisations d'eau o u e ncor e des structures en b éton s armés .

Le principe de la protection cathodique se comprend aiséme nt à l'aide des potenti els d'oxydo-réduction.

L'es pèce chimique généralement respon sable d e la plupart des réaction s d ' oxydo-réduction est l'oxygène , contenue dans l'air o u dans l'eau.

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

P our protéger du fer, on utilise gén éralement une protection cathodiqu e avec des anodes sacrificielle s en zinc, aluminium, ou manganèse.

Regardon s l'éche lle des potentiel s d'oxy do-r éduct ion pour mieux comprendre : o , H20 +1,23 Fe'· Fe -0,44 Zn'· Zn -0,76 Mn'• Mn - 1,1 8 Al'• Al - 1,60 En appliquant la règle du gamma expliquée plus haut , on voit que le fer, en présence d 'oxygè ne, va s'oxyde r en ions fer Il.

Cependant , lorsque le fer est mis contact avec une pièce de zinc, d 'aluminium ou de man ganèse, ce n 'est pas la réaction d'oxydation du fe r qui se déroule en priorité .

En effet, le zinc, l 'aluminium e t le manganèse ont tous l e s trois la particularité d'avoir des potentiels d 'oxydo-ré duct ion plus faibles que le fer, ils sont donc plus oxydables .

L'oxygène va corrod e r en priorité la pièce en zinc, aluminium ou man ganèse qui est en contact avec le fer jusqu 'à ce que la pièce ait dis parue .

Quand les anodes sacri ficielle s auront été entièrement corrodées, l'oxygè ne va commencer à s'attaquer au fer.

Une protection cathodique se remplace donc régulièrement.

L e fer et l'acier étant des métaux particu lièreme nt oxydables , qu'est-ce qui se cache derri ère le t erme d'acier inoxydable ? Comment explique-t-on qu'un acie r, c'est-à-dire un a lliage esse ntiellement à base d e fe r avec une faible quantit é de carbone, ne puiss e pas s'oxyder? En réalité , ce qu'on appelle 11cie r inoxy d11ble est un acier qui contient un pourcentage de nickel et de chrome variable selon les utilisation s que l'on veut en faire.

Ce matéri a u, très larg em ent utilisé d a ns l'industrie , a une très grande résistance à la corrosion .

L es propriétés d e r ésista nce à la corrosio n sont essentiellement dues au chrome qui se corrode en formant une mince couche protectrice tran sparente et qui est donc considéré comme inoxydable .

Cependant , comme tous les métaux, l'acier inoxydable, malg ré son nom, est oxydable sous certaine s conditions.

Er ENCORE ...

La fabrication de métau x , les piles é l ectroc himiqu es, la corrosion ne sont pas les seuls dom aines faisa nt intervenir des réactio n s d' oxydo­ réduction.

Dan s le corps humain aussi, la respiration cellulaire, c'est-à-di re la production d'énergie des cellules sous forme de glucides, est une réaction d'oxydo-réduction.

Les r éactions de combu stion sont un type de réaction s d'oxydo-réduction qui dégagent de la chaleur .

Une réaction de comb ustion ne se produit que si un oxydant (le comburant) e t un réducteur (le combu stible ) se trouvent en présence, et seulement si on leur soume t une énerg ie d' activation suffisante.

Par exemple, dans le cas d'un feu de chemin ée, l'oxydant (le " comb urant ) est l'oxygè ne contenu dans l'air tandis que le réducteur (le combustible) va être le bois ou le charbon, c 'est-à-dire globalement du carbo n e.

La flamm e d'une allumette apporte l'énergie suffisant e pour provoquer la r éaction.

L'eau de javel doit ses propri étés désinfectante s et décolorante s au caractère oxydant de l 'ion hypo chlorite CIO- , qui tue micr obes et bactéries.

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

Les exemples de réact ions d'oxy do­ réduction dans la vie quotidienne fo isonnen t , et c'est bien ce qui donn e à l'étud e de ces réactions tout leur intérêt.. »