Corrosion du fer et du zinc

1. Introduction

On se propose d'étudier la corrosion du fer et du zinc en milieu aqueux neutre en présence de chlorure de sodium (similaire à l'eau de mer). On étudiera tout particulièrement le couplage galvanique entre ces deux métaux.

Matériel et solution :

• Plaques de fer et de zinc sur leur support, nettoyées à l'acide chlorhydrique concentré.
• Bécher haut de 500 mL.
• 500 mL de solution de NaCl à 30 g⋅L^-1.
• Multimètre portable.
• Potentiostat avec carte SysamSP5.
• Électrode de référence AgCl.
• 4 fils.
• Agitateur magnétique et barreau aimanté.
• Double décimètre.

Données

• $E_{F{e}^{2+}/Fe}^0=-0,44V$
• $E_{Z{n}^{2+}/Zn}^0=-0,76V$
• M(Zn) = 65,4 g⋅mol^-1
• M(Fe) = 55,8 g⋅mol^-1
• ρ(Zn) = 7,1 g⋅cm^-3
• ρ(Fe) = 7,9 g⋅cm^-3

2. Montage expérimental

Le montage comporte deux plaques métalliques, l'une en fer, l'autre en zinc. Ces deux électrodes sont immergées dans une solution aqueuse de chlorure de sodium de même concentration que l'eau de mer (30 g⋅L^-1). Le courant de corrosion du couplage galvanique Fer-Zinc est mesuré soit sommairement à l'aide d'un ampèremètre, soit plus précisément à l'aide du montage suivant, qui comporte un amplificateur linéaire intégré :

Les deux électrodes sont mises à la masse, ce qui revient à les court-circuiter. L'intensité du courant de court-circuit i traverse la résistance R = 100 Ω. La tension mesurée en sortie est U=Ri, ce qui permet d'obtenir l'intensité i.

Pour le tracé des courbes courant-potentiel, une électrode de référence au chlorure d'argent est placée entre les deux plaques. Dans un premier temps, on utilise le potentiostat pour obtenir la courbe de polarisation du fer. L'électrode de travail est la plaque de fer, la contre-électrode est la plaque de zinc.

Pour tracer les courbes courant-potentiel, on utilisera le script suivant (à compléter) :

import numpy
import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure()
[E,I,U] = numpy.loadtxt("polarisation-Fer.txt",unpack=True,skiprows=1)
plt.plot(E,I,"k-")
plt.xlabel("E (V)")
plt.ylabel("I (mA)")

plt.show()
                 

3. Couplage galvanique

4. Courbes courant-potentiel

On fait tout d'abord l'enregistrement de la courbe courant-potentiel avec l'électrode de travail en fer et la contre-électrode en zinc. L'agitation sera réglée au maximum.

On réalise dans un second temps l'enregistrement de la courbe courant-potentiel avec l'électrode de travail en zinc et la contre-électrode en fer.

5. Interprétation

On s'intéresse tout d'abord au cas d'une pièce en fer plongée dans l'eau salée. La courbe de polarisation du fer résulte de la somme de deux courbes courant-potentiel faisant intervenir deux couples différents. Pour cette raison, on parle de potentiel mixte.

Une analyse similaire est faite dans le cas d'une pièce en zinc plongée dans l'eau salée.

On s'intéresse à présent au couplage galvanique entre le fer et le zinc, qui se produit lorsque la pièce en fer et la pièce en zinc sont plongées dans l'eau salée tout en étant reliées par un court-circuit (ou une résistance plus ou moins grande).

6. Mesure d'un potentiel de corrosion

Le contrôle de la corrosion d'une pièce en fer est fait en mesurant son potentiel à l'aide d'une électrode de référence.

7. Exercice

Lorsque les plaques de fer et de zinc sont reliées par un court-circuit, calculer la masse de zinc perdue pendant 1 heure puis l'épaisseur de zinc perdue sur la plaque.

8. Résultats

Voici les courbes de polarisation obtenues pour une surface immergée S = 70 cm³.

import numpy
from matplotlib.pyplot import *

figure()
[E,I,U] = numpy.loadtxt("polarisation-Fer.txt",unpack=True,skiprows=1)
plot(E,I,"b-",label="Fe")
[E,I,U] = numpy.loadtxt("polarisation-Zinc.txt",unpack=True,skiprows=1)
plot(E,I,"r-",label="Zn")
xlabel("E (V)")
ylabel("I (mA)")
grid()
legend(loc='upper left')
            

Le courant de corrosion du zinc lorsque les deux pièces sont reliées par un fil, c'est-à-dire le courant de court circuit, est obtenue en cherchant le potentiel qui réalise deux courant opposés : un courant positif sur la pièce en zinc (oxydation du zinc) et un courant négatif sur la pièce en fer (réduction de l'oxygène et de l'eau). Ce potentiel peut être obtenue en traçant l'opposé d'une des deux courbes :

figure()
[E,I,U] = numpy.loadtxt("polarisation-Fer.txt",unpack=True,skiprows=1)
plot(E,I,"b-",label="Fe")
[E,I,U] = numpy.loadtxt("polarisation-Zinc.txt",unpack=True,skiprows=1)
plot(E,-I,"r-",label="Zn")
plot([-0.81],[-16],"ko")
xlabel("E (V)")
ylabel("I (mA)")
grid()
legend(loc='upper left')
            

On obtient ainsi Ic = 16 mA et Ec = -0,81 V. Le potentiel de corrosion est beaucoup plus bas que celui de la pièce de fer non reliée au zinc, ce qui indique une corrosion du fer très faible. La densité de courant de corrosion du zinc est jc = 0,23 mA⋅cm^-2.