Verse un peu de vinaigre sur une vieille pièce de monnaie, ou regarde un clou de fer oublié sous la pluie : au bout de quelques jours, il se couvre d'une poudre orangée, la rouille. Ce n'est pas un hasard : les acides et les métaux « se parlent » chimiquement, et cette conversation dégage un gaz bien particulier que tu vas apprendre à reconnaître. Dans les garages, les ateliers de gravure ou les usines de décapage, cette réaction est utilisée tous les jours — et elle explique aussi pourquoi les toitures en tôle rouillent si vite en bord de mer ou sous une pluie acide.
Tu sais déjà qu'une solution est acide lorsque son pH est inférieur à : le vinaigre, le jus de citron, l'acide chlorhydrique du suc gastrique en sont des exemples. Ce chapitre va plus loin : il te montre ce qui se passe réellement, à l'échelle des atomes, quand un acide rencontre un métal — et te donne les outils pour écrire l'équation complète de cette transformation.
Tu vas apprendre à reconnaître le gaz produit grâce à un test caractéristique, à écrire et équilibrer une équation-bilan, puis à comprendre un phénomène que tu croises chaque jour sans forcément le nommer : la corrosion des métaux, et les moyens simples de s'en protéger.
1Action de l'acide chlorhydrique sur le fer et le zinc
1.1 Rappel : les solutions acides
Une solution est acide lorsque son pH est strictement inférieur à . Plus le pH est petit, plus la solution est acide. L'acide chlorhydrique (formule ) utilisé en classe est toujours dilué dans l'eau : c'est ce qui le rend maniable en toute sécurité.
Le vinaigre (pH ), le jus de citron (pH ) et l'acide chlorhydrique dilué (pH à ) sont tous des acides usuels. Dans ce chapitre, on utilise principalement l'acide chlorhydrique dilué, noté , présent dans toutes les paillasses de sciences — et aussi, à très faible dose, dans ton estomac !
1.2 L'expérience : fer et zinc dans l'acide
On plonge un clou de fer décapé (ou de la limaille de fer) dans un tube à essai contenant de l'acide chlorhydrique dilué. On observe :
- un dégagement de bulles à la surface du métal (effervescence) ;
- le métal qui diminue de taille peu à peu, voire disparaît s'il est en petite quantité ;
- la solution qui prend une teinte vert pâle, signe qu'une nouvelle espèce chimique s'est formée en solution.
Avec un morceau de zinc, les mêmes observations apparaissent, mais l'effervescence est plus vive : les bulles se forment plus rapidement. Le zinc réagit donc plus vite que le fer avec le même acide, dans les mêmes conditions.
Dans les deux cas, un métal solide et un acide en solution réagissent ensemble : on parle de réaction chimique. Les espèces présentes au départ (le métal, l'acide) sont les réactifs ; les espèces formées (le gaz, la nouvelle solution colorée) sont les produits de la réaction.
1.3 Tous les métaux ne réagissent pas de la même façon
Si l'on recommence l'expérience avec un morceau de cuivre, il ne se passe rien : aucune bulle, aucun changement de couleur, même après plusieurs heures. Le cuivre n'est pas attaqué par l'acide chlorhydrique dilué. Ce tableau résume le comportement des métaux les plus courants face à cet acide.
| Métal | Fer (Fe) | Zinc (Zn) | Aluminium (Al) | Cuivre (Cu) | Argent (Ag) | Or (Au) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Avec HCl dilué | Attaqué | Attaqué (vif) | Attaqué | Non attaqué | Non attaqué | Non attaqué |
Le cuivre, l'argent et l'or sont des métaux dits peu réactifs (ou « nobles ») : c'est justement pour cela qu'on les utilise en bijouterie, en électricité et en plomberie, car ils résistent à l'attaque des acides usuels.
1.4 Sécurité avec les acides
Un acide, même dilué, reste dangereux pour la peau et les yeux : il faut donc respecter des règles précises dès que tu en manipules, en classe comme à la maison (débouche-évier, détartrant…).
- Toujours porter des lunettes de protection et des gants.
- Ne jamais goûter, ni sentir directement une solution acide.
- En cas de projection sur la peau ou dans les yeux, rincer immédiatement et abondamment à l'eau, puis prévenir un adulte.
- Pour diluer un acide concentré, toujours verser l'acide dans l'eau, jamais l'inverse : la dissolution dégage de la chaleur, et un jet d'eau versé dans l'acide peut provoquer des projections brûlantes.
2Dégagement de dihydrogène
Les bulles observées lors de la réaction ne sont pas de simples bulles d'air : c'est un gaz nouveau, produit par la réaction elle-même. Ce gaz s'appelle le dihydrogène.
Le dihydrogène, de formule , est un gaz :
- incolore et inodore (sans couleur ni odeur) ;
- beaucoup plus léger que l'air — c'est le gaz le plus léger qui existe ;
- inflammable : mélangé à l'air, il peut s'enflammer très rapidement.
C'est justement cette légèreté qui permet de le recueillir facilement, en le laissant s'accumuler dans un tube retourné, comme tu le verras dans la section suivante.
2.1 La vitesse du dégagement dépend du métal
Dans deux tubes à essai contenant le même volume d'acide chlorhydrique à la même concentration, on place un morceau de zinc dans l'un, un morceau de fer de même masse dans l'autre. On chronomètre le temps nécessaire pour recueillir un même volume de gaz.
Résultat : le tube contenant le zinc se remplit environ deux à trois fois plus vite que celui contenant le fer. Le zinc est donc plus réactif que le fer face à l'acide chlorhydrique.
Le physicien anglais Henry Cavendish isole ce gaz dès 1766, en faisant réagir des métaux avec des acides, et remarque qu'il est extrêmement léger et inflammable — il l'appelle alors « air inflammable ». C'est le chimiste français Antoine Lavoisier qui, en 1783, lui donne son nom actuel : « hydrogène », du grec hudôr (l'eau) et gennan (engendrer), car en le brûlant dans l'air, ce gaz produit de l'eau. La formule rappelle que chaque molécule est formée de deux atomes d'hydrogène : d'où le préfixe « di » de « dihydrogène ».
3Test du dihydrogène
Un gaz incolore et inodore, ça ne suffit pas pour l'identifier avec certitude : il faut un test caractéristique, une expérience simple dont le résultat prouve, sans erreur possible, que le gaz est bien du dihydrogène.
On recueille le gaz produit dans un tube à essai retourné (le gaz, plus léger que l'air, s'accumule vers le fond fermé du tube). On approche ensuite une allumette enflammée de l'ouverture du tube, sans la mettre à l'intérieur.
Si le gaz est du dihydrogène, on entend une détonation aiguë, un petit « pan ! » caractéristique que les élèves surnomment souvent « l'aboiement ». C'est le signe que le dihydrogène vient de brûler très rapidement au contact du dioxygène de l'air.
On approche l'allumette de l'ouverture du tube, jamais à l'intérieur, et on retire aussitôt la main : la petite explosion, bien que sans danger si l'on respecte cette distance, est soudaine et bruyante. On ne fait jamais ce test près du flacon d'acide ouvert.
Cette combustion très rapide correspond elle-même à une réaction chimique, entre le dihydrogène recueilli et le dioxygène de l'air : elle produit de la vapeur d'eau (c'est d'ailleurs cette réaction, en sens inverse, qui a donné son nom à l'hydrogène — voir l'encadré de la section précédente).
4Équation-bilan
Décrire une réaction avec des mots est utile, mais un chimiste préfère un langage plus court et plus précis : l'équation-bilan. Elle indique, avec des formules chimiques, quels réactifs disparaissent et quels produits apparaissent.
4.1 Écrire l'équation de la réaction
Une équation-bilan s'écrit sous la forme :
Elle doit être équilibrée : le nombre d'atomes de chaque élément chimique doit être le même avant et après la flèche, car les atomes ne disparaissent jamais au cours d'une réaction chimique — ils se réorganisent seulement.
Pour la réaction du fer avec l'acide chlorhydrique, on obtient du chlorure de fer II (, responsable de la teinte vert pâle) et du dihydrogène.
On écrit d'abord l'équation avec les bonnes formules, sans coefficient. Puis on compte les atomes de chaque élément de part et d'autre de la flèche, et on ajoute des coefficients entiers devant les formules jusqu'à ce que les nombres correspondent exactement. On ne modifie jamais une formule chimique elle-même.
- équation non équilibrée : 1 seul Cl et 1 seul H à gauche, 2 à droite
- on double HCl pour avoir 2 Cl et 2 H de chaque côté
- vérification : 1 Fe, 2 Cl, 2 H à gauche — 1 Fe, 2 Cl, 2 H à droite
L'équation est bien équilibrée.
Le zinc réagit de façon très semblable au fer, en formant du chlorure de zinc :
On retrouve bien atome de zinc, atomes de chlore et atomes d'hydrogène de chaque côté de la flèche.
Le piège le plus fréquent : écrire au lieu de . Le coefficient se place devant la formule, jamais en indice à l'intérieur : changer un indice change la nature même de la substance !
4.2 Mettre en évidence les ions fer II produits
L'équation prévoit la formation de , c'est-à-dire d'ions fer II () et d'ions chlorure () dissous dans l'eau. On peut vérifier expérimentalement la présence des ions grâce à un test caractéristique : l'ajout de soude.
Lorsqu'on ajoute quelques gouttes de solution de soude (hydroxyde de sodium, ) à une solution contenant des ions fer II, il se forme un précipité vert : c'est le test caractéristique des ions .
Faire réagir un acide sur un métal pour le nettoyer n'a rien de nouveau : dès l'Antiquité, les forgerons utilisaient des solutions acides (vinaigre concentré, urine fermentée…) pour ôter la couche d'oxyde qui recouvre le métal avant de le souder ou de le peindre. Aujourd'hui, le décapage à l'acide chlorhydrique dilué est encore utilisé dans l'industrie pour préparer des pièces d'acier avant galvanisation ou peinture, et la gravure à l'acide permet de creuser des motifs précis dans une plaque de métal, une technique déjà maîtrisée par les orfèvres européens du XVe siècle.
5Corrosion des métaux
Un clou de fer laissé dehors n'a pourtant pas trempé dans un bain d'acide chlorhydrique ! Et pourtant, lui aussi finit par se couvrir de rouille. C'est que l'air humide contient de quoi attaquer lentement les métaux, sans même la présence d'un acide fort : c'est la corrosion.
5.1 Qu'est-ce que la rouille ?
La corrosion est la dégradation progressive d'un métal au contact de son environnement (air, eau, sol). Pour le fer, ce phénomène produit la rouille, un solide orangé et friable, formé d'oxyde de fer hydraté.
On place trois clous de fer identiques dans trois tubes : le premier dans de l'eau bouillie (sans air dissous) puis bouché ; le deuxième dans de l'air sec (avec un dessicant) ; le troisième simplement dans de l'eau au contact de l'air. Après une semaine :
- clou 1 (eau sans air) : pas de rouille ;
- clou 2 (air sans eau) : pas de rouille ;
- clou 3 (eau et air) : rouille abondante.
La rouille du fer nécessite la présence simultanée de deux ingrédients : l'eau (ou l'humidité de l'air) et le dioxygène de l'air. En l'absence de l'un des deux, le fer ne rouille pas.
5.2 Les pluies acides accélèrent la corrosion
Dans les grandes villes et près des zones industrielles, l'air contient parfois des polluants (dioxyde de soufre, oxydes d'azote) qui se dissolvent dans les gouttes de pluie et forment de véritables acides dilués. On parle de pluies acides : leur pH peut descendre jusqu'à , parfois moins.
Ces pluies attaquent directement les métaux exposés — toitures en tôle, gouttières, portails — de la même façon que l'acide chlorhydrique attaque le fer et le zinc en classe : la réaction produit un sel métallique et du dihydrogène, et le métal s'amincit peu à peu jusqu'à se percer.
Une toiture en zinc ou en tôle non protégée, exposée à des pluies acides répétées, peut se corroder en quelques années seulement — un coût de réparation important pour les habitants. C'est pourquoi la protection des métaux, étudiée dans la section suivante, est essentielle dès la construction.
L'expression « pluie acide » (acid rain) est utilisée pour la première fois en 1852 par le chimiste anglais Robert Angus Smith, qui étudie l'air pollué de Manchester en pleine révolution industrielle. Il montre que la fumée des usines, riche en dioxyde de soufre, rend la pluie nettement plus acide que la normale et abîme bâtiments et végétation. Aujourd'hui encore, les pluies acides continuent d'endommager les toitures métalliques et les monuments en calcaire dans de nombreuses régions du monde, y compris certaines zones industrielles d'Afrique de l'Ouest et d'Afrique centrale.
6Protection
Puisque la corrosion demande de l'eau, du dioxygène — parfois rendus plus agressifs par l'acidité — il suffit d'empêcher le métal d'être en contact direct avec eux pour le protéger. Plusieurs techniques, simples ou plus élaborées, permettent d'y parvenir.
6.1 Les méthodes de protection
- Peinture ou vernis : crée une barrière étanche entre le métal et l'air humide. Simple et peu coûteux, mais à renouveler dès que la couche est rayée.
- Huile ou graisse : utilisée sur les outils et pièces mécaniques, empêche l'eau d'atteindre le métal.
- Galvanisation : on recouvre le fer ou l'acier d'une fine couche de zinc. Le zinc, moins noble, se corrode à la place du fer : c'est une anode sacrificielle.
- Acier inoxydable : un alliage de fer contenant du chrome, qui forme spontanément une fine couche protectrice invisible et très résistante.
Sur une tôle galvanisée, si la couche de zinc est rayée et que le fer est mis à nu, c'est encore le zinc environnant qui continue à se corroder en priorité, protégeant le fer exposé pendant un certain temps. On dit que le zinc joue le rôle d'anode sacrificielle : il « se sacrifie » chimiquement à la place du métal qu'il protège.
Construite en 1889 par l'ingénieur Gustave Eiffel, la tour parisienne est en fer puddlé, un métal qui rouille facilement. Depuis son inauguration, elle a déjà reçu une vingtaine de campagnes de peinture, à raison d'environ 60 tonnes de peinture appliquées tous les sept ans par une équipe de peintres spécialisés. Sans cet entretien constant contre la corrosion, la structure métallique se dégraderait en quelques décennies seulement.
Fiche mémo
- Solution acide : pH . L'acide chlorhydrique dilué attaque le fer et le zinc.
- Réaction : métal + acide → sel métallique + dihydrogène (effervescence).
- Certains métaux ne réagissent pas avec HCl dilué : cuivre, argent, or (métaux « nobles »).
- Le dihydrogène est incolore, inodore, très léger et inflammable.
- Test du dihydrogène : une allumette enflammée approchée du tube produit une détonation aiguë (« aboiement »).
- Équations à connaître : ; .
- Une équation-bilan est toujours équilibrée : même nombre d'atomes de chaque élément avant et après la flèche.
- Test des ions Fe²⁺ : ajout de soude → précipité vert.
- Corrosion du fer (rouille) : nécessite eau et dioxygène ensemble.
- Les pluies acides (pollution) accélèrent fortement la corrosion des toitures métalliques.
- Protection : peinture, huile, galvanisation (zinc, anode sacrificielle), acier inoxydable (chrome).
- Sécurité : lunettes, gants, jamais d'acide dans les yeux, toujours acide dans l'eau pour diluer.
7Exercices corrigés
Voici quatre pH mesurés : eau pure (), vinaigre (), jus de citron (), eau savonneuse (). Range ces solutions de la plus acide à la moins acide, et précise lesquelles sont réellement acides.
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Plus le pH est petit, plus la solution est acide. Du plus acide au moins acide : jus de citron (), vinaigre (), eau pure (), eau savonneuse (). Seules les solutions de pH sont acides : le jus de citron et le vinaigre. L'eau pure est neutre, l'eau savonneuse est basique.
Complète et équilibre l'équation-bilan de la réaction entre le fer et l'acide chlorhydrique : .
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- on compte : à droite, atomes de Cl et atomes de H
- doncil faut à gauche pour fournir ces Cl et ces H
- ⇒
Même exercice avec le zinc : complète et équilibre .
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Le raisonnement est identique à celui du fer : contient atomes de chlore, il faut donc .
Vérification : Zn, Cl, H de chaque côté. L'équation est équilibrée.
Décris, en trois phrases, le protocole du test caractéristique du dihydrogène et le résultat attendu si le gaz recueilli en est bien.
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On recueille le gaz dans un tube à essai retourné. On approche une allumette enflammée de l'ouverture du tube, sans l'introduire à l'intérieur. Si le gaz est du dihydrogène, on entend une détonation aiguë (« aboiement ») : c'est le résultat positif du test.
D'après le tableau de la section 1, réponds par vrai ou faux : a) le zinc est attaqué par HCl dilué ; b) le cuivre est attaqué par HCl dilué ; c) l'or est un métal peu réactif ; d) l'aluminium n'est pas attaqué par HCl dilué.
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a) Vrai (attaque même vive). b) Faux, le cuivre n'est pas attaqué. c) Vrai, l'or est un métal noble. d) Faux, l'aluminium est attaqué par HCl dilué.
L'aluminium réagit lui aussi avec l'acide chlorhydrique dilué, en formant du chlorure d'aluminium et du dihydrogène. Écris et équilibre cette équation-bilan.
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- équation de départ, non équilibrée
- contient atomes de Cl : il faut pour
- ⇒ HCl apportent H, donc
- vérification : Al, Cl, H à gauche — Al, Cl, H à droite
On fait réagir g de fer avec un excès d'acide chlorhydrique dilué (). Calcule la quantité de matière de dihydrogène formée.
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- mol
- d'après , mol de Fe donne mol de H₂coefficients égaux à 1 devant Fe et H₂
- ⇒ mol
Classe le fer, le zinc, l'aluminium et le cuivre du métal le plus réactif face à l'acide chlorhydrique au moins réactif, en t'appuyant sur les observations de ce chapitre. Explique pourquoi le cuivre se comporte différemment.
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D'après les expériences décrites, le zinc réagit plus vite que le fer et l'aluminium ; le cuivre, lui, ne réagit pas du tout. Classement du plus réactif au moins réactif : zinc > fer ≈ aluminium > cuivre (le cuivre n'est en fait pas du tout attaqué). Le cuivre fait partie des métaux dits « nobles » ou peu réactifs, qui résistent à l'attaque des acides usuels dilués — c'est pourquoi on l'utilise pour les fils électriques et la plomberie, sans crainte de corrosion rapide.
On ajoute quelques gouttes de soude à un échantillon de solution issue d'une expérience acide-métal. Un précipité vert apparaît immédiatement. Quelle conclusion peux-tu en tirer sur la solution et sur le métal utilisé ?
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Le précipité vert est le résultat du test caractéristique des ions fer II () à la soude. On en conclut que la solution contient des ions , donc que le métal utilisé au départ était bien du fer (et non du zinc, par exemple, qui donnerait un précipité différent).
On verse un excès d'acide chlorhydrique dilué sur g de fer (). On donne le volume molaire .
- Écris l'équation-bilan équilibrée de la réaction.
- Calcule la quantité de matière de fer introduite.
- En déduire la quantité de matière de dihydrogène formée.
- Calcule le volume de dihydrogène formé.
- Propose un protocole simple pour vérifier expérimentalement la nature de ce gaz.
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1.
2. Quantité de fer :
- mol
3. D'après les coefficients et de l'équation, :
- mol
4. Volume de dihydrogène :
- L, soit mL
5. On recueille le gaz dans un tube à essai retourné, puis on approche une allumette enflammée de son ouverture : une détonation aiguë confirmerait qu'il s'agit bien de dihydrogène.
On mène deux expériences avec la même masse de métal et le même volume d'acide chlorhydrique : l'une avec du zinc, l'autre avec du fer. Le graphique ci-dessous représente le volume de dihydrogène recueilli en fonction du temps pour chacune.
- Quelle courbe correspond au zinc ? Justifie à partir de ce que tu sais de la réactivité de ce métal.
- Détermine graphiquement le volume de gaz obtenu au bout de minutes pour chaque métal (points marqués sur le graphique).
- Comment évolue la vitesse de la réaction au cours du temps ? Propose une explication.
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1. La courbe supérieure (la plus « haute » à un instant donné) correspond au zinc : on sait que le zinc réagit plus vite que le fer, il produit donc plus de gaz en moins de temps.
2. Au bout de minutes (points marqués sur le graphique) : environ mL pour le zinc, environ mL pour le fer.
3. Les deux courbes montent d'abord rapidement, puis de plus en plus lentement, jusqu'à devenir presque horizontales (palier proche de mL) : la vitesse de la réaction diminue au cours du temps. C'est parce que l'acide chlorhydrique est peu à peu consommé par la réaction : sa concentration diminue, la réaction ralentit, jusqu'à s'arrêter lorsque tout l'acide (ou tout le métal) a été consommé.
Un élève rédige ce compte-rendu : « Pour mon expérience, j'ai versé de l'eau dans un bécher d'acide chlorhydrique concentré, sans gants ni lunettes. J'ai ensuite plongé un clou de cuivre dans la solution, et j'ai attendu un dégagement de gaz que j'ai testé en approchant une allumette juste à l'intérieur du tube. »
- Relève trois erreurs (de sécurité ou scientifiques) dans ce compte-rendu.
- Pour chacune, explique le risque ou l'erreur, et propose la bonne pratique.
- Quel résultat l'élève aurait-il réellement dû observer avec un clou de cuivre ? Pourquoi ?
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1. et 2. Trois erreurs principales :
- Verser l'eau dans l'acide au lieu de l'acide dans l'eau : risque de projections brûlantes. Bonne pratique : toujours verser l'acide dans l'eau, lentement.
- Absence de gants et de lunettes : risque de brûlure chimique de la peau ou des yeux. Bonne pratique : porter systématiquement des équipements de protection (voir les pictogrammes du chapitre).
- Allumette approchée à l'intérieur du tube au lieu de son ouverture : risque de brûlure au moment de la détonation. Bonne pratique : approcher la flamme uniquement de l'ouverture, puis retirer la main.
3. Le cuivre n'étant pas attaqué par l'acide chlorhydrique dilué, l'élève n'aurait dû observer ni bulle, ni dégagement de gaz : le clou de cuivre reste intact et la solution ne change pas de couleur.
Décapage à Bamako. Un artisan métallier de Bamako doit décaper une grille en fer avant de la repeindre. Il utilise de l'acide chlorhydrique dilué vendu en bidons de L à F CFA le bidon, et il lui en faut bidons pour l'ensemble du chantier.
- Calcule le volume total d'acide utilisé.
- Calcule le coût total de l'acide pour ce chantier.
- Écris l'équation-bilan de la réaction entre le fer de la grille et l'acide chlorhydrique.
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1. L d'acide.
2. Coût : F CFA.
3.
Toiture à Douala. Une toiture en tôle de fer non protégée, installée à Douala où le climat est humide et les pluies parfois acides, se perce et doit être remplacée tous les ans, pour F CFA à chaque fois. Une toiture galvanisée (recouverte de zinc), plus chère à l'achat ( F CFA), dure ans sans avoir besoin d'être changée.
- Calcule le coût total sur ans avec la tôle non protégée, changée tous les ans.
- Compare avec le coût de la tôle galvanisée sur la même durée.
- Quelle solution est la plus économique ? Explique en une phrase pourquoi le zinc protège le fer.
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1. Sur ans, il faut acheter la tôle non protégée fois (à , , et ans) :
- coût
- F CFA
2. La tôle galvanisée n'est achetée qu'une seule fois : coût F CFA.
3. La tôle galvanisée est bien plus économique : elle fait économiser F CFA sur ans. Le zinc protège le fer car il joue le rôle d'anode sacrificielle : c'est lui qui se corrode en priorité, à la place du fer.
Démonstration à Ndjamena. Pour illustrer ce chapitre devant sa classe à Ndjamena, un professeur veut produire exactement mL de dihydrogène () en faisant réagir du fer avec un excès d'acide chlorhydrique. Le fer est vendu F CFA le kilogramme ().
- Calcule la quantité de matière de dihydrogène à obtenir.
- En déduire la quantité de matière de fer nécessaire.
- Calcule la masse de fer correspondante, puis son coût.
Voir le corrigé détaillé
- mol
- d'après l'équation,
- ⇒ mol
- g, soit kg
- coût
- F CFA, arrondi à F CFA
Il ne faut donc que g de fer pour cette démonstration — un coût quasiment nul. Cela illustre bien qu'une réaction chimique en classe ne consomme que de très petites quantités de matière, même si l'on achète en réalité un morceau de fer bien plus grand par commodité.