Un portail qui s’effrite à Dakar, une carrosserie percée à Bruxelles, une tôle ondulée devenue brune à Yaoundé : partout, le fer perd la bataille contre l’air et l’eau. Chaque année, la corrosion détruit dans le monde l’équivalent de plusieurs pour cent de la richesse produite. Comprendre pourquoi le fer rouille — et pourquoi l’aluminium, lui, ne rouille pas — c’est savoir comment protéger les objets qui nous entourent.

1Ce qu’ont en commun tous les métaux

Il existe environ quatre-vingts métaux, du plus banal (le fer) au plus rare (le rhodium). Malgré leurs différences, ils partagent un petit nombre de propriétés, toutes conséquences d’une même particularité : dans un métal, une partie des électrons n’appartient à aucun atome en particulier et peut se déplacer librement dans tout le morceau.

Définition — propriétés communes des métaux

Conducteurs électriques : les électrons libres transportent le courant. C’est pourquoi tous les fils électriques sont métalliques.
Conducteurs thermiques : ils transmettent très vite la chaleur — d’où la cuillère brûlante dans la casserole.
Éclat métallique : une surface fraîchement polie réfléchit fortement la lumière ; elle est brillante.
Ductiles : on peut les étirer en fils sans les casser.
Malléables : on peut les aplatir en feuilles minces au marteau ou au laminoir.
Solides à température ambiante, sauf le mercure, qui est liquide.

Ductile ou malléable ? : Les deux mots se ressemblent mais ne décrivent pas la même déformation. Ductile vient de « conduire, tirer » : on étire le métal en un fil. Malléable vient de malleus, le marteau : on aplatit le métal en une feuille. L’or est champion des deux : un gramme d’or s’étire en un fil de plus d’un kilomètre.

1.1 Identifier un métal

Au laboratoire, trois tests simples suffisent souvent à reconnaître un métal courant.

Le test de l’aimant. Seuls le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages (dont l’acier) sont attirés par un aimant. L’aluminium, le cuivre, le zinc et l’argent ne le sont pas.
Le test de la couleur. Le cuivre est rouge-orangé, l’or est jaune ; tous les autres métaux courants sont gris ou blancs.
Le test de la masse volumique. On mesure la masse $m$ et le volume $V$ d’un échantillon, puis on calcule $\rho = \dfrac{m}{V}$ et on compare aux valeurs de référence.

Métal	Symbole	Masse volumique $\rho$ (en $\mathrm{g/cm^3}$ )	Attiré par l’aimant ?	Couleur
Aluminium	$\mathrm{Al}$	$2{,}7$	non	gris clair
Zinc	$\mathrm{Zn}$	$7{,}1$	non	gris bleuté
Fer	$\mathrm{Fe}$	$7{,}9$	oui	gris
Cuivre	$\mathrm{Cu}$	$8{,}9$	non	rouge-orangé
Argent	$\mathrm{Ag}$	$10{,}5$	non	blanc brillant
Plomb	$\mathrm{Pb}$	$11{,}3$	non	gris terne
Or	$\mathrm{Au}$	$19{,}3$	non	jaune

Exemple — reconnaître un échantillon inconnu

Un morceau de métal gris, non attiré par l’aimant, a une masse $m = 54{,}0\ \mathrm{g}$ et un volume $V = 20{,}0\ \mathrm{cm^3}$ .

$\rho = \dfrac{m}{V}$ formule littérale
$=$ $\dfrac{54{,}0}{20{,}0}$ remplacement par les valeurs
$=$ $2{,}70\ \mathrm{g/cm^3}$ résultat avec son unité

Cette valeur correspond à celle de l’aluminium, ce que confirme le test de l’aimant (négatif) et la couleur grise.

2Les alliages

Définition

Un alliage est un matériau métallique obtenu en mélangeant, à l’état fondu, un métal de base avec un ou plusieurs autres éléments (métalliques ou non).

Pourquoi se donner cette peine ? Parce qu’un métal pur est presque toujours trop mou, trop fragile ou trop corrodable pour l’usage qu’on veut en faire. En ajoutant quelques pour cent d’un autre élément, on change radicalement ses propriétés.

Figure 1 — Les alliages les plus courants : quelques pour cent d’un autre élément suffisent à tout changer.

L’acier (fer + moins de $2\ \%$ de carbone) est bien plus dur et plus résistant que le fer pur : c’est le matériau des poutres, des rails et des carrosseries.
La fonte (fer + $2$ à $4\ \%$ de carbone) est très dure mais cassante ; elle se coule facilement dans un moule : marmites, plaques d’égout, radiateurs.
L’inox (acier + chrome et nickel) résiste à la corrosion grâce au chrome, qui forme une couche protectrice invisible : couverts, éviers, matériel médical.
Le laiton (cuivre + zinc) est doré, facile à usiner et résiste à l’eau : robinetterie, instruments de musique, douilles.
Le bronze (cuivre + étain) est dur et sonore ; c’est le premier alliage de l’humanité : cloches, statues, médailles.
Le duralumin (aluminium + cuivre et magnésium) est presque aussi résistant que l’acier pour un tiers de sa masse : aéronautique, cadres de vélo.

Un alliage n’est pas un composé : Ne confonds pas un alliage et un composé chimique. Dans

\mathrm{H_2O}

, les proportions sont fixées par la nature : toujours deux hydrogènes pour un oxygène. Dans un alliage, on choisit les proportions librement, et un acier à

0{,}2\ \%

de carbone n’a pas les mêmes qualités qu’un acier à

0{,}8\ \%

3La corrosion et la rouille

Définition

La corrosion est la dégradation lente d’un métal par les espèces chimiques qui l’entourent, en particulier le dioxygène de l’air et l’eau. Dans le cas du fer, le produit de la corrosion s’appelle la rouille.

La rouille est une poudre brun-orangé, friable, poreuse. Contrairement à la couche qui protège l’aluminium, elle n’adhère pas au métal : elle s’écaille, laisse le fer à nu, et la corrosion recommence en profondeur jusqu’à percer la pièce.

Exemple — activité expérimentale — les quatre tubes témoins

Matériel

quatre tubes à essai identiques, avec bouchons, numérotés A, B, C, D ;
quatre clous en fer neufs, décapés au papier de verre ;
de l’eau distillée que l’on aura fait bouillir dix minutes (l’ébullition chasse le dioxygène dissous) ;
de l’eau du robinet, de l’eau salée, de l’huile de table ;
un déshydratant solide (chlorure de calcium anhydre ou gel de silice) ;
un portoir et une étiqueteuse.

Protocole

Tube A : place un clou, recouvre-le entièrement d’eau bouillie refroidie, puis verse une fine couche d’huile en surface et bouche. L’huile empêche le dioxygène de l’air de se redissoudre : le clou est en présence d’eau sans dioxygène.
Tube B : place un clou et une bonne quantité de déshydratant, puis bouche hermétiquement. Le clou est en présence d’air sec, sans eau.
Tube C : place un clou et de l’eau du robinet à mi-hauteur, sans boucher. Le clou est en présence d’eau et de dioxygène.
Tube D : idem au tube C, mais avec de l’eau salée.
Range les quatre tubes côte à côte et observe-les chaque jour pendant une semaine.

Observations

Tube A : le clou reste brillant, aucune trace de rouille au bout de huit jours.
Tube B : le clou reste brillant lui aussi.
Tube C : des taches brunes apparaissent dès le deuxième jour, surtout à la surface de l’eau ; au bout d’une semaine, le clou est nettement rouillé.
Tube D : la rouille apparaît encore plus vite et en plus grande quantité que dans le tube C.

Interprétation

Les tubes A et B sont des témoins : dans chacun, il manque un seul des deux ingrédients suspectés. Comme aucun des deux ne rouille, ni l’eau seule ni le dioxygène seul ne suffisent. Le tube C, qui réunit les deux, rouille : la corrosion du fer exige donc la présence simultanée d’eau et de dioxygène.

Le tube D montre en plus que les ions dissous (ici $\mathrm{Na^{+}}$ et $\mathrm{Cl^{-}}$ ) accélèrent nettement le phénomène, parce qu’ils rendent l’eau bien meilleure conductrice.

Figure 2 — Les tubes A et B, privés chacun d’un ingrédient, ne rouillent pas : c’est la conjonction de l’eau et du dioxygène qui provoque la rouille.

Propriété — conditions de la corrosion du fer

Le fer ne rouille que si l’eau et le dioxygène sont présents en même temps. La présence de sels dissous ou d’un air chaud et humide accélère la corrosion.

3.1 L’équation-bilan simplifiée

Le fer cède des électrons au dioxygène : la corrosion est donc une réaction d’oxydoréduction. Sous forme simplifiée, on écrit la formation de l’oxyde de fer :

$\mathrm{4\,Fe + 3\,O_2 \longrightarrow 2\,Fe_2O_3}$

La rouille véritable est un oxyde hydraté, que l’on note $\mathrm{Fe_2O_3,\ n\,H_2O}$ : elle contient de l’eau piégée, ce qui explique sa texture poreuse. Au niveau des électrons, deux demi-réactions se produisent :

$\mathrm{Fe \longrightarrow Fe^{2+} + 2\,e^{-}}$ oxydation du fer
$\mathrm{O_2 + 2\,H_2O + 4\,e^{-} \longrightarrow 4\,OH^{-}}$ réduction du dioxygène dissous dans l’eau

On comprend alors le rôle de l’eau : elle est à la fois réactif et milieu conducteur. Sans elle, les électrons ne peuvent pas circuler entre les zones du métal, et la réaction s’arrête.

4Protéger les métaux de la corrosion

Deux stratégies existent, et elles ne se valent pas : isoler le métal de son environnement, ou lui fournir un métal plus réducteur qui se sacrifiera à sa place.

4.1 Isoler : peinture, vernis, graisse

Une couche de peinture, de vernis ou de graisse empêche l’eau et le dioxygène d’atteindre le fer. C’est simple et bon marché — mais fragile : la moindre rayure ouvre une brèche, et la corrosion s’installe précisément sous la peinture, invisible, jusqu’à faire cloquer la surface.

4.2 Galvaniser : recouvrir de zinc

On plonge la pièce d’acier dans un bain de zinc fondu, vers $450\ \mathrm{°C}$ . En ressortant, elle porte une pellicule de zinc solidement liée au métal. C’est le procédé des tôles ondulées, des glissières d’autoroute et des poteaux de clôture.

Figure 3 — La galvanisation protège deux fois : la couche de zinc isole, et le zinc mis à nu s’oxyde à la place du fer.

L’intérêt du zinc, par rapport à la peinture, est décisif : le zinc est plus réducteur que le fer. Même si la tôle est rayée et que l’acier est à nu, c’est encore le zinc qui cède ses électrons. La protection continue de fonctionner malgré la blessure.

4.3 Sacrifier une anode

On boulonne sur la pièce à protéger des blocs d’un métal plus réducteur — zinc, magnésium ou aluminium. Ces blocs, appelés anodes sacrificielles, s’oxydent à la place de l’acier ; il suffit de les remplacer tous les quelques années.

Figure 4 — Coques de bateaux, cuves enterrées, chauffe-eau : partout où l’on ne peut pas repeindre, on sacrifie du zinc.

Math & Co — Humphry Davy et les coques de la Royal Navy (1824)

Au début du XIXᵉ siècle, la marine britannique double la coque de ses navires de plaques de cuivre pour les protéger des vers de mer. Problème : le cuivre se corrode au contact des clous et des ferrures en fer, et les plaques se détachent.

En 1824, le chimiste anglais Humphry Davy (1778-1829) — le même qui avait isolé le sodium et le potassium par électrolyse — propose une solution étonnante : fixer sur la coque de petits blocs de zinc ou de fer, métaux plus réducteurs que le cuivre. Ces blocs s’oxydent à la place du cuivre, qui reste intact.

C’est la première application connue de la protection cathodique, aujourd’hui universelle sur les pipelines, les cuves et les navires. L’ironie de l’histoire : le cuivre ainsi protégé cessa de se dissoudre lentement… et les algues et coquillages, que cette dissolution éloignait, se remirent à coloniser les coques. La Royal Navy abandonna le procédé, qui ne fut redécouvert qu’un siècle plus tard.

4.4 Choisir un métal qui se protège tout seul

Certains métaux forment spontanément une couche d’oxyde mince, compacte et adhérente qui les isole du milieu. Ils sont dits passivés.

Figure 5 — L’aluminium s’oxyde très vite, mais sa couche d’alumine adhère au métal et bloque la suite : elle le protège au lieu de le détruire.

C’est le cas de l’aluminium : il est bien plus réducteur que le fer, donc bien plus réactif, et pourtant une casserole en aluminium dure des décennies. La différence tient tout entière à la qualité de la couche d’oxyde : l’alumine $\mathrm{Al_2O_3}$ est dure, imperméable et collée au métal, tandis que la rouille est poreuse et s’écaille. L’anodisation est un traitement électrique qui épaissit encore cette couche.

L’inox fonctionne sur le même principe : le chrome qu’il contient forme une couche d’oxyde de chrome invisible qui se reconstitue toute seule après une rayure.

Procédé	Principe	Résiste à une rayure ?	Exemple courant
Peinture, vernis	isoler de l’eau et de l’air	non	carrosserie, portail
Graissage	isoler de l’eau et de l’air	non	chaîne de vélo
Galvanisation	isoler et sacrifier du zinc	oui	tôle ondulée, glissière
Anode sacrificielle	oxyder un métal plus réducteur	oui	coque de bateau, chauffe-eau
Inox	couche d’oxyde de chrome auto-réparante	oui	couverts, évier
Anodisation	épaissir la couche d’alumine	oui	châssis de fenêtre, téléphone

Attention

Ne mets jamais en contact direct deux métaux différents dans un endroit humide : par exemple une vis en acier sur une gouttière en zinc, ou un raccord en cuivre sur un tuyau en acier. Il se forme alors une véritable pile miniature, et le métal le plus réducteur des deux se ronge à toute vitesse. C’est la corrosion galvanique, responsable de bien des fuites. On intercale une rondelle isolante.

5Recycler les métaux

Un métal a un immense avantage sur le plastique ou le papier : on peut le fondre et le refondre indéfiniment sans qu’il perde ses qualités. Un atome de fer reste un atome de fer.

Figure 6 — Le métal recyclé rejoint le cycle au stade de la refonte : on économise l’extraction minière et l’essentiel de l’énergie.

Économie d’énergie. Produire de l’aluminium à partir du minerai (la bauxite) demande une électrolyse extrêmement gourmande en électricité. Refondre de l’aluminium usagé n’en consomme qu’environ $5\ \%$ : le recyclage épargne à peu près $95\ \%$ de l’énergie.
Économie de matière. Les gisements de minerai ne se reconstituent pas. Chaque tonne recyclée est une tonne qu’on n’extrait pas.
Moins de déchets et de pollution. L’extraction minière produit d’énormes volumes de stériles et consomme beaucoup d’eau.
C’est facile à trier. L’acier se sépare des autres déchets d’un simple coup d’électroaimant ; l’aluminium se sépare par courants de Foucault. L’acier est aujourd’hui le matériau le plus recyclé au monde.

Le tri commence chez toi : Une canette en aluminium jetée à la poubelle ordinaire finit enfouie ; la même canette, déposée dans le bac de tri, sera refondue et redeviendra une canette. À Genève, Bruxelles, Dakar comme à Abidjan, les filières de collecte des métaux existent — souvent, pour la ferraille, sous la forme d’un métier artisanal très efficace.

Fiche mémo

Les métaux sont conducteurs (électricité et chaleur), brillants, ductiles et malléables.
Tests d’identification : aimant (fer, nickel, cobalt et aciers), couleur (cuivre rouge, or jaune), masse volumique $\rho = \dfrac{m}{V}$ .
Un alliage = métal de base + autres éléments : acier et fonte (fer + carbone), inox (+ chrome), laiton (cuivre + zinc), bronze (cuivre + étain), duralumin (aluminium + cuivre).
La corrosion du fer exige eau ET dioxygène simultanément ; le sel l’accélère.
Équation simplifiée : $\mathrm{4\,Fe + 3\,O_2 \longrightarrow 2\,Fe_2O_3}$ ; la rouille réelle est hydratée.
La rouille est poreuse et s’écaille : elle ne protège pas.
Protections : peinture (fragile), galvanisation, anode sacrificielle, inox, anodisation.
Le zinc protège le fer parce qu’il est plus réducteur que lui.
L’aluminium se couvre d’une couche d’alumine $\mathrm{Al_2O_3}$ compacte et adhérente : il se protège tout seul.
Les métaux se recyclent à l’infini ; recycler l’aluminium économise environ $95\ \%$ de l’énergie.

Niveau 1 — Application directe

Cite quatre propriétés communes à tous les métaux, et donne pour chacune un exemple d’objet qui l’exploite.

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Conduction électrique : le fil de cuivre d’une rallonge.
Conduction thermique : le fond d’une casserole en aluminium.
Ductilité : le fil de fer d’une clôture, étiré à froid.
Malléabilité : la feuille d’aluminium de cuisine, laminée très mince.

On aurait aussi pu citer l’éclat métallique, exploité par les miroirs et les bijoux.

Un échantillon métallique gris n’est pas attiré par l’aimant. Sa masse est $m = 71{,}0\ \mathrm{g}$ et son volume $V = 10{,}0\ \mathrm{cm^3}$ . De quel métal s’agit-il ?

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$\rho = \dfrac{m}{V}$ formule littérale
$=$ $\dfrac{71{,}0}{10{,}0}$ remplacement par les valeurs
$=$ $7{,}10\ \mathrm{g/cm^3}$ résultat avec son unité

Cette valeur est celle du zinc. Le test de l’aimant, négatif, confirme qu’il ne s’agit pas de fer (dont la masse volumique, $7{,}9$ , est d’ailleurs plus élevée).

Associe chaque alliage à sa composition : acier, fonte, laiton, bronze, duralumin.

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Acier : fer $+$ moins de $2\ \%$ de carbone.
Fonte : fer $+$ $2$ à $4\ \%$ de carbone.
Laiton : cuivre $+$ zinc.
Bronze : cuivre $+$ étain.
Duralumin : aluminium $+$ cuivre et magnésium.

Quelles sont les deux conditions nécessaires à la formation de la rouille ? Quel facteur l’accélère nettement ?

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Il faut la présence simultanée d’eau et de dioxygène. Si l’un des deux manque, le fer ne rouille pas — c’est ce que montrent les tubes témoins A et B.

La présence de sels dissous (eau de mer, embruns, sel de déneigement) accélère nettement la corrosion, car les ions rendent l’eau bien plus conductrice.

Écris l’équation-bilan simplifiée de la formation de l’oxyde de fer, puis vérifie qu’elle est bien ajustée.

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Équation :

$\mathrm{4\,Fe + 3\,O_2 \longrightarrow 2\,Fe_2O_3}$

Vérification, élément par élément :

fer à gauche : $4$ les $4$ atomes de $\mathrm{Fe}$
fer à droite : $2 \times 2 = 4$ $2$ molécules contenant chacune $2$ fers
oxygène à gauche : $3 \times 2 = 6$ $3$ molécules de $\mathrm{O_2}$
oxygène à droite : $2 \times 3 = 6$ $2$ molécules contenant chacune $3$ oxygènes
$\Rightarrow$ l’équation est bien ajustée

Pourquoi la galvanisation protège-t-elle mieux qu’une simple couche de peinture ?

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La peinture ne fait qu’isoler : dès qu’elle est rayée, l’eau et le dioxygène atteignent l’acier, qui rouille sous la peinture.

Le zinc de la galvanisation isole aussi, mais il apporte en plus une seconde protection : comme il est plus réducteur que le fer, c’est lui qui cède ses électrons, même là où l’acier est mis à nu. La protection survit donc à la rayure.

Vrai ou faux ? Justifie. a) L’aluminium ne s’oxyde pas. b) L’acier est un métal pur. c) Un métal recyclé est de moins bonne qualité.

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a) Faux. L’aluminium s’oxyde au contraire très vite. Mais l’alumine $\mathrm{Al_2O_3}$ qu’il forme est compacte et adhérente : elle bloque la suite de la réaction. Il s’oxyde, puis s’arrête.

b) Faux. L’acier est un alliage de fer et de carbone.

c) Faux. Après refonte, un atome de fer reste un atome de fer : le métal recyclé a exactement les mêmes propriétés. C’est pourquoi les métaux se recyclent indéfiniment.

Niveau 2 — Approfondissement

Dans l’expérience des quatre tubes, explique précisément à quoi servent : a) le fait d’avoir fait bouillir l’eau du tube A ; b) la couche d’huile du tube A ; c) le déshydratant du tube B.

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a) L’eau du robinet contient du dioxygène dissous. En la faisant bouillir dix minutes, on chasse ce gaz : l’eau du tube A ne contient donc pratiquement plus de dioxygène.

b) Sans l’huile, le dioxygène de l’air se redissoudrait immédiatement dans l’eau et tout le travail serait perdu. La couche d’huile, insoluble et plus légère que l’eau, forme un bouchon étanche au gaz.

c) Le déshydratant absorbe la vapeur d’eau contenue dans l’air du tube. Le clou du tube B se retrouve ainsi en présence de dioxygène mais sans aucune trace d’eau, même sous forme de vapeur.

Chacun de ces deux tubes ne diffère du tube C que par un seul facteur : c’est ce qui permet de conclure.

Un plombier raccorde un tuyau en acier à un tuyau en cuivre dans une salle de bains humide. Quelques mois plus tard, une fuite apparaît. a) Explique ce qui s’est passé. b) Lequel des deux tuyaux a été percé ? c) Que fallait-il faire ?

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a) Deux métaux différents en contact, en présence d’eau, forment une pile : c’est la corrosion galvanique. L’eau joue le rôle d’électrolyte, et les électrons circulent d’un métal à l’autre.

b) Le fer est plus réducteur que le cuivre : c’est donc le fer qui cède ses électrons et qui se ronge.

$\mathrm{Fe \longrightarrow Fe^{2+} + 2\,e^{-}}$ oxydation du fer

C’est le tuyau en acier qui a été percé, et la corrosion a été bien plus rapide que celle d’un tuyau d’acier isolé.

c) Il fallait interposer un raccord isolant (manchon diélectrique) entre les deux métaux, pour empêcher les électrons de passer.

Une plaque d’acier de dimensions $2{,}0\ \mathrm{m} \times 1{,}0\ \mathrm{m}$ et d’épaisseur $1{,}0\ \mathrm{mm}$ doit être galvanisée. On dépose une couche de zinc de $20\ \mathrm{\mu m}$ d’épaisseur sur chacune de ses deux faces. Calcule le volume de zinc déposé, puis sa masse, avec $\rho_{\mathrm{Zn}} = 7{,}1\ \mathrm{g/cm^3}$ .

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On convertit tout en centimètres : la plaque mesure $200\ \mathrm{cm} \times 100\ \mathrm{cm}$ , et $20\ \mathrm{\mu m} = 0{,}0020\ \mathrm{cm}$ .

Volume de zinc sur une face :

$V_1 = L \times \ell \times e$ formule littérale
$=$ $200 \times 100 \times 0{,}0020$ remplacement par les valeurs
$=$ $40\ \mathrm{cm^3}$ résultat avec son unité

Volume total sur les deux faces :

$V = 2 \times V_1$ formule littérale
$=$ $2 \times 40$ remplacement par les valeurs
$=$ $80\ \mathrm{cm^3}$ résultat avec son unité

Masse de zinc :

$m = \rho \times V$ formule littérale
$=$ $7{,}1 \times 80$ remplacement par les valeurs
$=$ $568\ \mathrm{g}$ résultat avec son unité

Il faut donc un peu moins de $0{,}6\ \mathrm{kg}$ de zinc pour protéger cette plaque.

On propose quatre métaux pour fabriquer une anode sacrificielle destinée à protéger une cuve en acier enterrée : le magnésium (plus réducteur que l’aluminium), l’aluminium, le cuivre et l’argent. a) Lesquels conviennent ? b) Pourquoi choisit-on en pratique le magnésium plutôt que l’aluminium pour une cuve enterrée ?

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a) Une anode sacrificielle doit être plus réductrice que le métal à protéger, ici le fer.

magnésium : plus réducteur que l’aluminium, donc que le ferconvient
aluminium : au-dessus du fer dans la classificationconvient
cuivre : en dessous du ferne convient pas, il aggraverait la corrosion
argent : en dessous du ferne convient pas non plus

b) Le magnésium est le plus réducteur des deux : il « pousse » les électrons avec plus de force, ce qui est nécessaire dans un sol où l’eau conduit assez mal le courant. De plus, l’aluminium se passive en formant sa couche d’alumine, qui finirait par l’isoler et arrêter la protection.

Compare, en trois arguments, l’intérêt de recycler l’aluminium plutôt que de l’extraire de la bauxite.

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L’énergie. L’extraction de l’aluminium se fait par électrolyse à très haute température : c’est l’un des procédés industriels les plus gourmands en électricité. La refonte d’aluminium usagé n’en consomme qu’environ $5\ \%$ : le recyclage économise donc à peu près $95\ \%$ de l’énergie.
La ressource. La bauxite est un minerai non renouvelable, dont l’extraction détruit des surfaces importantes et produit des boues rouges difficiles à stocker.
La qualité. Contrairement au plastique ou au papier, le métal ne se dégrade pas au recyclage : un atome d’aluminium reste un atome d’aluminium, et la canette refondue redevient une canette de même qualité.

Explique pourquoi une casserole en aluminium dure des années alors que l’aluminium est plus réducteur que le fer, qui rouille en quelques mois.

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La réactivité n’est qu’une partie de l’histoire : ce qui compte, c’est la nature de la couche d’oxyde formée.

L’aluminium s’oxyde effectivement très vite, en quelques secondes, selon :

$\mathrm{4\,Al + 3\,O_2 \longrightarrow 2\,Al_2O_3}$

Mais l’alumine formée est dure, imperméable et parfaitement adhérente : elle recouvre le métal d’un film continu de quelques nanomètres qui empêche l’air et l’eau d’atteindre l’aluminium en dessous. La réaction s’arrête d’elle-même.

La rouille, au contraire, est poreuse et friable : elle s’écaille, remet le fer à nu, et la corrosion repart en profondeur. C’est cette différence — et non la réactivité — qui explique tout.

Niveau 3 — Défi

Une pièce de laiton a une masse $m = 250\ \mathrm{g}$ et un volume $V = 29{,}8\ \mathrm{cm^3}$ . On donne $\rho_{\mathrm{Cu}} = 8{,}9\ \mathrm{g/cm^3}$ et $\rho_{\mathrm{Zn}} = 7{,}1\ \mathrm{g/cm^3}$ . a) Calcule la masse volumique du laiton. b) En supposant que les volumes s’ajoutent, détermine le volume de cuivre et le volume de zinc de la pièce. c) Quel est le pourcentage massique de cuivre ?

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a) Masse volumique du laiton :

$\rho = \dfrac{m}{V}$ formule littérale
$=$ $\dfrac{250}{29{,}8}$ remplacement par les valeurs
$\approx$ $8{,}39\ \mathrm{g/cm^3}$ résultat avec son unité

b) On note $V_{\mathrm{Cu}}$ le volume de cuivre et $V_{\mathrm{Zn}}$ celui de zinc.

$V_{\mathrm{Cu}} + V_{\mathrm{Zn}} = 29{,}8$ les volumes s’ajoutent
$8{,}9\,V_{\mathrm{Cu}} + 7{,}1\,V_{\mathrm{Zn}} = 250$ les masses s’ajoutent
$V_{\mathrm{Zn}} = 29{,}8 - V_{\mathrm{Cu}}$ on isole $V_{\mathrm{Zn}}$
$8{,}9\,V_{\mathrm{Cu}} + 7{,}1\,(29{,}8 - V_{\mathrm{Cu}}) = 250$ substitution
$8{,}9\,V_{\mathrm{Cu}} + 211{,}58 - 7{,}1\,V_{\mathrm{Cu}} = 250$ on développe
$1{,}8\,V_{\mathrm{Cu}} = 38{,}42$ on réduit
$\Rightarrow$ $V_{\mathrm{Cu}} \approx 21{,}3\ \mathrm{cm^3}$
$\Rightarrow$ $V_{\mathrm{Zn}} \approx 8{,}5\ \mathrm{cm^3}$

c) Masse de cuivre :

$m_{\mathrm{Cu}} = \rho_{\mathrm{Cu}} \times V_{\mathrm{Cu}}$ formule littérale
$=$ $8{,}9 \times 21{,}3$ remplacement par les valeurs
$\approx$ $190\ \mathrm{g}$ résultat avec son unité

Pourcentage massique :

$p = \dfrac{m_{\mathrm{Cu}}}{m} \times 100$ formule littérale
$=$ $\dfrac{190}{250} \times 100$ remplacement par les valeurs
$=$ $76\ \%$ résultat

Ce laiton contient donc environ $76\ \%$ de cuivre — une composition tout à fait courante.

Un chauffe-eau contient une anode en magnésium de masse initiale $m_0 = 900\ \mathrm{g}$ . Le fabricant indique qu’elle se consomme au rythme de $130\ \mathrm{g}$ par an et qu’il faut la remplacer lorsqu’il en reste moins du quart. a) Au bout de combien d’années faut-il la changer ? b) Que se passe-t-il si le propriétaire l’oublie ?

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a) Masse à ne pas dépasser :

$m_{\text{limite}} = \dfrac{m_0}{4}$ formule littérale
$=$ $\dfrac{900}{4}$ remplacement par les valeurs
$=$ $225\ \mathrm{g}$ résultat avec son unité

Masse consommable avant remplacement :

$\Delta m = m_0 - m_{\text{limite}}$ formule littérale
$=$ $900 - 225$ remplacement par les valeurs
$=$ $675\ \mathrm{g}$ résultat avec son unité

Durée correspondante :

$t = \dfrac{\Delta m}{v}$ formule littérale
$=$ $\dfrac{675}{130}$ remplacement par les valeurs
$\approx$ $5{,}2\ \text{ans}$ résultat avec son unité

Il faut donc changer l’anode au bout d’environ 5 ans.

b) Une fois l’anode entièrement consommée, plus rien ne se sacrifie à la place de la cuve. C’est alors l’acier de la cuve qui s’oxyde, d’autant plus vite que l’eau y est chaude. Le chauffe-eau se perce en quelques années : remplacer une anode à quelques euros évite de remplacer un appareil entier.

Une tôle d’acier de $1\ \mathrm{m^2}$ perd $0{,}12\ \mathrm{mm}$ d’épaisseur par an en bord de mer. On donne $\rho_{\mathrm{Fe}} = 7{,}9\ \mathrm{g/cm^3}$ . a) Quelle masse de fer disparaît chaque année par mètre carré ? b) Une tôle de $1{,}5\ \mathrm{mm}$ d’épaisseur, corrodée sur une seule face, tiendra-t-elle dix ans ? c) Propose deux solutions concrètes.

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a) On convertit : $1\ \mathrm{m^2} = 10\,000\ \mathrm{cm^2}$ et $0{,}12\ \mathrm{mm} = 0{,}012\ \mathrm{cm}$ .

$V = S \times e$ formule littérale
$=$ $10\,000 \times 0{,}012$ remplacement par les valeurs
$=$ $120\ \mathrm{cm^3}$ résultat avec son unité

$m = \rho \times V$ formule littérale
$=$ $7{,}9 \times 120$ remplacement par les valeurs
$=$ $948\ \mathrm{g}$ résultat avec son unité

Près d’un kilogramme de fer par mètre carré et par an : c’est considérable.

b) Épaisseur perdue en dix ans :

$e_{10} = 10 \times 0{,}12$ remplacement par les valeurs
$=$ $1{,}2\ \mathrm{mm}$ résultat avec son unité

$1{,}5 - 1{,}2 = 0{,}3\ \mathrm{mm}$
$\Rightarrow$ il ne reste que $0{,}3\ \mathrm{mm}$ de tôle saine

La tôle ne sera pas percée, mais il ne lui restera qu’un cinquième de son épaisseur : elle n’aura plus aucune solidité et devra être remplacée bien avant dix ans.

c) Deux solutions : utiliser d’emblée une tôle galvanisée (la couche de zinc protège même en cas de rayure), ou fixer des anodes sacrificielles en zinc sur la structure et les remplacer périodiquement. Une peinture marine de qualité, refaite tous les deux ans, constitue une solution intermédiaire.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante

La toiture de Monsieur Traoré (Abidjan). Sa maison est couverte de tôles ondulées en acier ordinaire, simplement peintes. En trois ans, sous le climat chaud et humide et à trois kilomètres de la lagune, les tôles sont percées par endroits. Son voisin, dont les tôles sont galvanisées, n’a aucun problème après douze ans.

Cite les trois facteurs du climat d’Abidjan qui accélèrent la corrosion.
Explique pourquoi la peinture n’a pas suffi.
Explique le mécanisme qui protège les tôles du voisin, même là où elles sont rayées par les clous de fixation.
Monsieur Traoré trouve des tôles galvanisées $30\ \%$ plus chères. Sachant qu’elles durent quatre fois plus longtemps, est-ce un bon investissement ? Justifie par un calcul sur une base de $100\,000$ F CFA pour une toiture ordinaire.

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1. L’humidité très élevée de l’air (l’eau est toujours présente), la chaleur (qui accélère toutes les réactions chimiques) et les embruns salés venus de la lagune et de l’océan, qui apportent des ions chlorure.

2. La peinture n’isole que tant qu’elle est intacte. Or elle est percée par les clous de fixation, rayée à la pose, craquelée par la dilatation due au soleil. Sous chaque défaut, l’eau et le dioxygène atteignent l’acier, et la rouille progresse sous la peinture, invisible, jusqu’à percer la tôle.

3. Le zinc de la galvanisation est plus réducteur que le fer. Là où la tôle est rayée, le zinc voisin cède ses électrons à la place du fer :

$\mathrm{Zn \longrightarrow Zn^{2+} + 2\,e^{-}}$ le zinc s’oxyde

Le fer, qui reçoit ces électrons, ne peut pas s’oxyder. La protection continue de fonctionner malgré la blessure : c’est le principe de l’anode sacrificielle, appliqué à toute la surface.

4. Coût de la toiture galvanisée :

$P = 100\,000 \times 1{,}30$ remplacement par les valeurs
$=$ $130\,000$ F CFArésultat

Sur douze ans, la toiture ordinaire doit être refaite quatre fois :

$4 \times 100\,000 = 400\,000$ F CFAcoût de la solution ordinaire
$1 \times 130\,000 = 130\,000$ F CFAcoût de la solution galvanisée
$\Rightarrow$ économie $= 400\,000 - 130\,000 = 270\,000$ F CFA

C’est donc un excellent investissement : Monsieur Traoré économise $270\,000$ F CFA sur douze ans, sans compter le travail de repose et les dégâts causés par les fuites.

Le vélo de Léa (Bruxelles). Léa laisse son vélo dehors toute l’année. Elle constate que la chaîne en acier rouille, que le cadre en aluminium reste intact, et que le guidon chromé se ternit mais ne se perce pas. En hiver, la commune répand du sel sur les pistes cyclables.

Pourquoi le cadre en aluminium ne rouille-t-il pas ?
Pourquoi la chaîne rouille-t-elle plus vite que le reste du vélo ?
Quel est l’effet du sel de déneigement ? Que conseiller à Léa en hiver ?
Propose trois gestes d’entretien concrets et justifie chacun.

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1. L’aluminium s’oxyde immédiatement à l’air, mais l’alumine $\mathrm{Al_2O_3}$ qu’il forme est dure, imperméable et adhère parfaitement au métal. Ce film de quelques nanomètres empêche l’eau et le dioxygène d’atteindre le métal en dessous : la corrosion s’arrête d’elle-même. Le mot « rouille » ne s’applique d’ailleurs qu’au fer.

2. Parce que la chaîne réunit tous les facteurs défavorables : elle est en acier nu (on ne peut pas la peindre, elle doit glisser), elle est frottée en permanence, ce qui décape toute protection, elle retient l’eau entre ses maillons et rouleaux, et elle est directement exposée aux projections de la roue.

3. Le sel de déneigement se dissout en ions $\mathrm{Na^{+}}$ et $\mathrm{Cl^{-}}$ , qui rendent l’eau beaucoup plus conductrice. Les électrons circulent alors bien plus facilement entre les zones du métal, et la corrosion est fortement accélérée. Conseil : rincer le vélo à l’eau claire après chaque sortie hivernale, puis l’essuyer.

4. Trois gestes utiles :

Graisser ou huiler la chaîne régulièrement : le film de lubrifiant isole l’acier de l’eau et du dioxygène — c’est le principe de la protection par isolation.
Ranger le vélo à l’abri ou sous une housse : moins d’eau liquide sur le métal, donc moins de corrosion, puisque l’eau est une condition nécessaire.
Retoucher immédiatement les éclats de peinture du cadre ou des garde-boue en acier : une rayure suffit à ouvrir une porte à la rouille, qui progresserait ensuite sous la peinture.

La ferraille d’Amadou (Dakar). Amadou est récupérateur de métaux à Pikine. Il collecte chaque jour de la ferraille et des canettes. Un après-midi, il rapporte $46\ \mathrm{kg}$ de mélange. Pour le trier, il passe un électroaimant au-dessus du tas : $38\ \mathrm{kg}$ sont attirés.

Quel métal est attiré par l’aimant ? Quelle masse représente-t-il ?
Le reste est essentiellement de l’aluminium. Quelle masse d’aluminium a-t-il récupérée ?
La fonderie lui achète l’acier $110$ F CFA le kilogramme et l’aluminium $650$ F CFA le kilogramme. Quelle somme touche-t-il ?
Amadou hésite à jeter les canettes, moins lourdes. Explique-lui pourquoi il aurait tort, en parlant du prix et de l’énergie.

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1. Seuls le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages sont attirés par un aimant. Ici, il s’agit de l’acier (alliage de fer), pour une masse de $38\ \mathrm{kg}$ .

2. Masse d’aluminium :

$m_{\mathrm{Al}} = m_{\text{total}} - m_{\text{acier}}$ formule littérale
$=$ $46 - 38$ remplacement par les valeurs
$=$ $8\ \mathrm{kg}$ résultat avec son unité

3. Recette de l’acier :

$R_1 = 38 \times 110$ remplacement par les valeurs
$=$ $4\,180$ F CFArésultat

Recette de l’aluminium :

$R_2 = 8 \times 650$ remplacement par les valeurs
$=$ $5\,200$ F CFArésultat

Recette totale :

$R = R_1 + R_2$ formule littérale
$=$ $4\,180 + 5\,200$ remplacement par les valeurs
$=$ $9\,380$ F CFArésultat

4. Les canettes ne pèsent que $8\ \mathrm{kg}$ sur $46$ , soit à peine $17\ \%$ de la masse — mais elles lui rapportent $5\,200$ F CFA sur $9\,380$ , c’est-à-dire plus de la moitié de sa recette. L’aluminium se paie près de six fois le prix de l’acier au kilogramme.

La raison est énergétique : extraire l’aluminium de la bauxite exige une électrolyse extrêmement coûteuse en électricité, alors que refondre de l’aluminium usagé n’en consomme qu’environ $5\ \%$ . Chaque kilogramme qu’Amadou rapporte évite donc une énorme dépense d’énergie — et c’est pour cela que la fonderie le paie si cher.

Métaux, alliages et corrosion

Ce que tu sauras faire à la fin

1Ce qu’ont en commun tous les métaux

1.1 Identifier un métal

2Les alliages

3La corrosion et la rouille

Matériel

Protocole

Observations

Interprétation

3.1 L’équation-bilan simplifiée

4Protéger les métaux de la corrosion

4.1 Isoler : peinture, vernis, graisse

4.2 Galvaniser : recouvrir de zinc

4.3 Sacrifier une anode

4.4 Choisir un métal qui se protège tout seul

5Recycler les métaux

Fiche mémo

Teste-toi gratuitement

Atome, ions et classification périodique