Définition de la corrosion

De façon générale, la corrosion correspond à l'altération d'un matériau par le biais d'une réaction chimique mettant en jeu un oxydant tels que le dioxygène et le proton.

Comment se développe la rouille ?
L'oxydation que l'on rencontre le plus souvent est la rouille. En effet, en présence d'eau, le fer s'oxyde et une couche de rouille se développe sur ce dernier.

Quand on parle de corrosion, on exclu les altérations ayant un origine purement mécanique telle que la rupture du matériau suite à un effet de choc. Cependant, la notion de corrosion peut englober une combinaison d'effets mécaniques qui va provoquer une corrosion sous contrainte ainsi que de la fatigue-corrosion. On peut également parler de corrosion lorsque l'on évoque l'usure de surface ayant pour origine une cause physicochimique et mécanique à la fois.

Les exemple de corrosion les plus connus sont la rouille du fer et de l'acier ainsi que la formation d'une patine de vert-de-gris sur le cuivre et ses différents alliages comme le bronze et le laiton. Mais, de façon plus générale, la corrosion peut toucher toute sorte de matériaux que ce soient des métaux, de la céramique ou encore des polymère et cette corrosion peut avoir lieu dans des milieux très différents comme un milieu aqueux ou encore à milieu présentant une température élevée.

Dans l'industrie, la corrosion constitue un problème majeur. En effet, la corrosion peut coûter cher à une entreprise, que ce soit pour protéger les matériaux de la corrosion ou encore pour remplacer les différentes pièces ou ouvrages ayant souffert de cette corrosion. Sans parler des conséquences, qu'elles soient directes ou non, de la corrosion. Ce coût est alors estimé à 2% du produit brut mondial. En effet, toutes les secondes, il y a environ cinq tonnes d'acier qui se retrouvent, par le biais de la corrosion, transformées en oxydes de fer.

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Protéger de la corrosion : l'électrolyse

Comment utiliser un bain à électrolyse ?
Une application connue de l'électrolyse est le bain à l'électrolyse. Il s'agit d'un petit appareil dans lequel on met une solution conductrice qui va se faire traverser par un courant. En plongeant des bijoux dans ce bain, on pourra leur redonner leur éclat.

Pour obtenir une électrolyse, il faut imposer une tension électrique entre deux électrodes plongées dans une solution dite électrolytique. Ainsi, on peut forcer un transfert d'électron d'un oxydant vers un réducteur. L'électrolyse permet alors de provoquer des transformations dites forcées.

Un oxydant, également appelé agent d'oxydation, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique.

Un réducteur, également appelé agent de réduction, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, cède un ou plusieurs électrons à une autre espèce chimique.

Une réaction d'oxydoréduction, également appelée réaction redox, correspond à une réaction chimique au cours de laquelle à lieu un transfert d'électron. C'est-à-dire une réaction durant laquelle une espèce chimique dite oxydant reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique dite réducteur.

Ce procédé est régulièrement utilisé afin de purifier les métaux tels que le cuivre ou encore pour protéger le fer de la corrosion par électrozingage. Vous pouvez également utiliser cette technique pour embellir votre service de couvert en les argentant ou pour récupérer différentes substances telles que de l'aluminium ou du dichlore.

L'électrozingage repose sur le dépôt d'électrolyte de zinc sur le fer afin de le protéger grâce à l'obtention d'un revêtement protecteur. On dit alors du fer qu'il est électrozingué.

Dans l'industrie, afin d'affiner du cuivre brut, on utilise le cuivre en tant qu'anode dans un bain de sulfate de cuivre afin de procéder à une électrolyse. Ainsi, du cuivre pur jusqu'à un pourcentage de 99,95% se fixera sur la cathode alors que les impuretés resteront dans le bain de sulfate de cuivre.

La corrosion de l'acier : les structures en béton armé

Les causes de la corrosion

Pour fabriquer du béton, il est nécessaire d'introduire un certaine quantité d'eau afin d'hydrater le ciment. Or, cette quantité d'eau doit toujours être supérieur à la quantité stœchiométrique nécessaire. C'est pourquoi un ciment hydraté correspondra toujours à un milieu poreux dont les pores sont remplis d'eau. Cela permet alors un transfert d'ion permettant le respect de l'équilibre chimique du matériau avec les hydrates du ciment comme la portlandite. Cependant, lorsque le matériau cimentaire sèche à l'air libre, il y a alors une désaturation en eau et les pores sont donc se remplir partiellement d'air.

Lorsque les pores sont remplis d'air, le CO2 présent dans l'atmosphère peut alors diffuser dans le béton via la phase gazeuse présente dans le ciment. En effet, on considère que la diffusion dans la phase liquide est négligeable car il a été constaté que les ciments, lorsqu'ils sont totalement saturés en eau, ne présentent une carbonatation que sur leur couche limite puisqu'il y a un colmatage des pores qui se fait immédiatement grâce à la formation de calcite.

Ainsi, le CO2 qui est présent dans la phase gazeuse des pores va se dissoudre dans la solution interstitielle ce qui va permettre alors la formation d'ions carbonates qui vont réagir de façon majoritaire avec les ions calcium Ca2+. Il va donc, par la réaction d'hydroxyde de calcium (également appelé portlandite) de formule Ca(OH)2 - qui sont formés lors du durcissement du béton par l'hydratation des silicates de calcium bicalciques et tricalciques comme (SiO2, 2 CaO) et (SiO2, 3 CaO) - et du dioxyde de carbone y avoir formation de carbonate de calcium de formule CaCO3.

En résultera donc une modification de l'équilibre chimique entre les hydrates de la matrice cimentaire et la solution interstitielle qui va entraîner une dissolution des hydrates : le nouvel équilibre chimique instauré correspondra alors à une solution beaucoup plus acide que ce qui était mis en place initialement. En effet, au lieu de la valeur de départ de 13 dans une zone non carbonatée, ce qui permet alors la passivation de l'acier, on se retrouve avec une valeur qui sera inférieure à 9 dans les zones dégradée. La corrosion des armatures en acier commencera alors lorsque la zone de carbonatation va atteindre les armatures en acier, cette corrosion va alors commencer en produisant des espèces qui seront plus volumineuses que les espèces présentes initialement dans le béton armé. On a donc un éclatement du béton qui sa se produire autour des armatures corrodées. Cependant, la carbonatation d'un béton permet d'augmenter l'imperméabilité de celui-ci grâce au colmatage des pores par la carbonates, de ce fait l'absorption capillaire est réduite et la résistance mécanique est meilleure.

L'un des facteurs qui influence la vitesse de carbonatation est l'humidité relative de l'air. En effet, pour les bétons les plus courant, la vitesse de carbonatation atteint son maximum lorsque l'humidité relative avoisine les 60% mais est presque nulle lorsque l'atmosphère est sèche ou saturée en eau. De façon logique, la carbonatation touche de façon plus importante les zones exposées à la pluie.

Un autre des facteurs influençant la vitesse de carbonatation est la concentration en dioxyde de carbone et donc la température car celui-ci se solubilise plus facilement lorsque la température est basse (c'est pour ça que vous gardez votre limonade ou votre soda au frais pour le conserver après ouverture !). En effet, la cinétique de carbonatation est régie par la concurrence de l'effet thermique sur les transferts hydrique mais aussi sur la solubilité rétrogrades des réactifs.

Il y a cependant une température limite aux profondeurs carbonatées correspondant au cas où le facteur rétrograde des réactifs devient un facteur limitant.

Il est alors possible de déterminer cette profondeur de carbonatation en effectuant une coupe fraîche de béton. Après un dépoussiérage, on va procéder à la pulvérisation d'un colorant sensible au pH qui est la phénolphtaléine (bien souvent surnommée φφ par les chimiste, mais attention, c'est un colorant cancérigène et mutagène et donc à manipuler avec précautions) ou encore la thymolphtaléine. Ainsi, si la phénolphtaléine devient rouge violacé au contact du béton, cela signifie que la zone présente un pH supérieur ) 9,2 et donc que la zone n'est pas affectée par la carbonatation. Au contraire, si le colorant reste incolore, cela signifie que l'on est en présence du zone carbonaté et donc aux pH à valeurs faibles.

Les conséquences de la corrosion

Comment le béton peut s’abîmer ?
Le béton aussi peut être abîmé par la corrosion. Cela cause une fragilité de ce dernier et du coup de la stabilité du bâtiments.

La carbonatation du béton correspond à une carbonatation qui va provoquer la dégradation des bétons armés. En effet, cette réaction est la première responsable de la mise à nu des armatures en acier des bétons armés.

Lorsque l’on parle de carbonatation, on y associe un phénomène de retrait que l’on appelle retrait de carbonatation. Cette réaction entraîne alors des problèmes de durabilité puis de résistance sur les structures construites avec du béton armé. En effet, les barres d’acier qui permettent de garantir la résistance de la structure vont se mettre à gonfler sous l’effet de la corrosion et vont provoquer l’éclatement de l’enrobage. En plus de cela, le matériau va subir un retrait causé par la carbonatation. On peut alors observer une mise à nu de l’acier qui va commencer à se corroder.

La corrosion du zinc : les gouttières

Le zinc est un métal ayant la propriété de ne pas souffrir de la corrosion lorsqu'il se trouve dans un milieu froid et sec. En effet, en présence d'une humidité relative, ce métal peut se ternir à cause de la présence de dioxyde de carbone ainsi que de vapeur d'eau. Lorsque le zinc réagit avec la vapeur d'eau, l'humidité, un condensat aqueux, de l'oxygène, du dioxyde de carbone ou encore un carbonate basique issu d'un milieu aqueux, il va former une patine de couleur blanche qui va recouvrir sa surface. Cette patine, qui est insoluble, adhérente et protectrice, correspond alors à l'un des principaux constituant du carbonate basique de zinc.

Cette patine, anciennement appelée hydrocarbonate d'oxyde de zinc, permet alors de limiter de façon drastique la corrosion superficielle provoqué par l'humidité de l'air.

Ce sont grâce à ses propriétés stables dans les milieux salés et acide tout en gardant un coefficient de dilatation proche du métal que le zinc est utilisé sous la forme de feuille mince pour la couverture des toits ou encore afin de former des gouttières destiner à évacuer les eaux.

Lorsque le zinc est mis en contact direct avec de l'eau stagnante, celui-ci va subir la formation de taches blanche, essentiellement constituées d'hydroxyde et d'oxyde de zinc. Contrairement à la patine blanche, ces taches sont peu adhérentes et ne permettent pas la protection du métal. On les appelle alors parfois "rouille blanche".

Les gouttières en zinc sont aussi sujettes à la corrosion. Celle-ci se manifeste par des tâches blanches sur le métal.

Exercice : La Corrosion du fer

Les conditions de formation de la rouille

Air sec

→ 15 jours : Le fer ne rouille pas dans l'air sec.

Air humide

→15 jours : Le fer rouille dans l'air humide

Eau privée d'air

→ 15 jours : Le fer ne rouille

Eau avec de l'air

  1. Fer + Air = Ne rouille pas.
  2. Fer + Air + Eau = Rouille.
  3. Fer + Eau = Ne rouille pas.

Remarque : Si l'eau n'est pas bouillie, le fer rouille.

→ 15 jours : Le sel favorise et accélère la formation de la rouille.

Conclusion : L'eau et l'air favorise la formation de la rouille.

L'air correspond à un mélange de gaz.

  •  20% Dioxygène (O2).
  •  80% Diazote ( N2).

Exercice : Le rôle du dioxygène de l'air

L'eau monte dans la totalité de l'éprouvette.

→15 jours plus tard : Le fer est rouillé. L'eau monte et occupe un cinquième de l'éprouvette.

- L'eau remplace le dioxygène disparu. Les 4 cinquième de l'éprouvette sont occupé par le diazote restant.

Conclusion : C'est le dioxygène de l'air et non le diazote qui intervient dans la formation de la rouille.

La réaction chimique de la formation de la rouille

Elle s'écrit : Fer + Dioxygène + eau → Oxydes de fer.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.