La rouille sur l'acier : Les raisons de son apparition et les moyens efficaces de l'éliminer

L'acier fait partie intégrante de notre vie quotidienne et de notre production, mais la quantité d'acier perdue chaque année dans le monde à cause de la rouille est immense. La protection de l'acier contre la corrosion revêt donc une importance considérable.

Quel est le principe de la rouille de l'acier ?

Nous pouvons explorer ce phénomène par le biais d'une petite expérience, comme le montre la figure ci-dessous : Dans le premier tube à essai, nous ajoutons une petite quantité de chlorure de calcium (qui absorbe la vapeur d'eau contenue dans l'air, jouant ainsi un rôle d'assèchement) et nous insérons un clou, fermant ainsi hermétiquement le tube à essai.

Dans le deuxième tube à essai, nous insérons un clou, nous l'immergeons dans de l'eau distillée bouillie et rapidement refroidie, puis nous versons de l'huile végétale pour former une couche d'huile à la surface de l'eau.

Dans le troisième tube à essai, nous insérons un clou et ajoutons une petite quantité d'eau distillée de manière à ce qu'une partie du clou soit immergée. Nous observons et notons les phénomènes dans les trois tubes à essai régulièrement pendant une semaine.

Les résultats de l'expérience montrent que les clous de la première et de la deuxième éprouvette n'ont pas rouillé, mais que le clou de la troisième éprouvette a rouillé et qu'une rouille rouge-brun est apparue à la surface du clou. Cela montre que la rouille du fer nécessite l'intervention de l'eau et de l'oxygène.

Le processus de corrosion des produits en fer et en acier est une réaction chimique complexe. La rouille, généralement de couleur brun-rougeâtre, prend différentes formes dans diverses conditions. Elle se compose principalement d'oxyde de fer (III) hydraté (Fe2O3-nH2O) et d'hydroxyde de fer (III) [Fe(OH)3]. La structure lâche de la rouille à la surface de l'acier n'empêche pas le fer interne d'être exposé à l'oxygène et à la vapeur d'eau, ce qui conduit finalement à une rouille complète du fer.

Savez-vous comment enlever la rouille d'une surface en fer ?

Les méthodes courantes d'élimination de la rouille se divisent en deux catégories : les méthodes physiques et les méthodes chimiques. Les méthodes physiques font généralement appel à des techniques abrasives, utilisant du papier de verre, des meules, des brosses métalliques et de la laine d'acier pour éliminer la rouille. Les méthodes chimiques impliquent une réaction entre un acide et la rouille, dans le but d'éliminer la rouille.

En fait, le fait d'isoler les produits en acier de l'eau et de l'oxygène peut empêcher la rouille. Par conséquent, la méthode la plus simple pour éviter la rouille consiste à maintenir une surface propre et sèche sur les produits en acier. La prévention de la rouille peut également être obtenue en formant une couche protectrice sur la surface, en utilisant de l'huile, de la peinture, de l'émail ou un revêtement plastique.

Dans la vie quotidienne, des mesures telles que la peinture sont fréquemment appliquées sur des objets tels que les carrosseries de voitures et les seaux, tandis que les machines nécessitent un revêtement d'huile minérale.

En outre, des méthodes telles que la galvanisation ou le revêtement par immersion à chaud peuvent être utilisées pour appliquer une couche de métal résistant à la rouille, comme le zinc, l'étain, le chrome ou le nickel, sur la surface de l'acier. Ces méthodes métaux créent une couche dense d'oxyde qui empêche le fer de rouiller en l'isolant de l'eau et de l'air.

En outre, l'acier peut être allié pour modifier sa structure interne, par exemple en ajoutant du chrome ou du nickel à de l'acier ordinaire pour produire de l'acier inoxydable, ce qui améliore efficacement la résistance à la rouille des produits en acier.

Les produits antirouille courants dans la vie quotidienne contiennent principalement de l'acide chlorhydrique et de l'acide sulfurique dilué, qui peuvent réagir avec l'oxyde de fer. Les équations de réaction sont les suivantes :

Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

Les décapants pénètrent la surface de l'acier par les fissures dans les couches de rouille et d'impuretés, provoquant la dissolution et le décollement de ces couches, ce qui permet d'éliminer la rouille, les impuretés et la peau d'oxyde de la surface de l'acier. Toutefois, les acides ayant des propriétés corrosives, il est nécessaire de porter des vêtements de protection pendant le dérouillage.

En outre, la réaction entre l'acide et le fer produit de l'hydrogène, qui peut exploser s'il est exposé à des flammes nues, c'est pourquoi il est strictement interdit de fumer pendant les opérations de dérouillage.

L'acide chlorhydrique et l'acide sulfurique dilué peuvent tous deux réagir avec l'oxyde de fer, mais lequel est le plus approprié pour l'élimination de la rouille industrielle ?

Les principales considérations sont l'efficacité du dérouillage, le coût de production de l'acide, le transport et le stockage de l'acide, ainsi que la sécurité et la protection de l'environnement.

Quel est le meilleur moyen d'éliminer la rouille, l'acide chlorhydrique ou l'acide sulfurique ? En plaçant des clous rouillés dans des volumes et des concentrations d'ions hydrogène égaux d'acide chlorhydrique et d'acide sulfurique, nous avons constaté que l'acide chlorhydrique est plus efficace pour éliminer la rouille. Les expériences montrent également que, toutes choses étant égales par ailleurs, la vitesse de réaction de l'acide sulfurique dilué avec les oxydes métalliques est plus lente que celle de l'acide chlorhydrique.

En termes de production, de transport et de sécurité d'utilisation, quel est l'avantage de l'acide chlorhydrique ou de l'acide sulfurique ? La préparation industrielle de l'acide chlorhydrique implique l'électrolyse d'une saumure saturée pour produire de l'hydrogène et des gaz chlorés. Les gaz réagissent pour former du chlorure d'hydrogène, qui est absorbé par l'eau pour former de l'acide chlorhydrique.

Le chlorure d'hydrogène ne peut pas se dissoudre indéfiniment dans l'eau, de sorte que l'acide chlorhydrique concentré a une fraction massique de soluté d'environ 37% au maximum. L'acide sulfurique, quant à lui, est obtenu en grillant de la pyrite à haute température pour produire du dioxyde de soufre, qui réagit avec l'oxygène pour former du trioxyde de soufre. Le trioxyde est absorbé par de l'acide sulfurique concentré pour former de l'oléum, qui est ensuite converti en acide sulfurique en ajoutant de l'eau.

Par conséquent, en termes de matières premières, de processus de préparation et d'impact sur l'environnement, l'acide chlorhydrique est supérieur à l'acide sulfurique. L'acide chlorhydrique concentré doit être stocké dans des bouteilles en verre ou des fûts en plastique scellés, et transporté dans des camions-citernes en acier spécialement conçus à cet effet et recouverts de caoutchouc.

L'acide sulfurique concentré peut avoir une fraction de masse allant jusqu'à 98%, et son stockage et son transport peuvent être facilités par l'utilisation de conteneurs en acier ou en aluminium. À cet égard, l'acide sulfurique est plus puissant que l'acide chlorhydrique.

L'acide chlorhydrique ayant une fraction massique de soluté plus importante est volatil, et le chlorure d'hydrogène gazeux évaporé a un fort effet irritant et corrosif sur le corps humain, tandis que l'acide chlorhydrique ayant une fraction massique de soluté plus faible est relativement stable.

L'acide sulfurique concentré doit être dilué avant d'être utilisé. Cette dilution produit une chaleur importante qui peut facilement provoquer des brûlures. De plus, la corrosivité de l'acide sulfurique concentré est beaucoup plus forte que celle de l'acide chlorhydrique concentré. On peut donc en déduire que l'utilisation de l'acide chlorhydrique est plus sûre.

Sur la base des informations ci-dessus, il est évident que l'acide chlorhydrique offre de meilleurs effets d'élimination de la rouille, des coûts moins élevés et une utilisation plus sûre.

En outre, nous pouvons également fabriquer un produit antirouille relativement écologique dans un laboratoire de chimie. La première étape consiste à mettre 18 g d'acide citrique, 0,8 g de dextrine, 3 g de molybdate de sodium, 1,1 g d'acide phosphorique et 60 g d'eau dans une cuve de mélange et à remuer régulièrement à température ambiante pendant 30 minutes.

Dans la deuxième étape, 8 g de glycérine sont ajoutés à la solution mélangée et agités régulièrement à température ambiante pendant 10 minutes à une vitesse d'agitation de 25r/min. Dans la troisième étape, 0,06 g d'iodure de sodium est ajouté à la solution mélangée et agité régulièrement à température ambiante pendant 30 minutes à une vitesse d'agitation de 25r/min.

Le remplacement de l'acide chlorhydrique et de l'acide sulfurique dilué par de l'acide citrique peut résoudre le problème actuel de la pollution de l'environnement par les produits antirouille. La glycérine peut renforcer l'adhérence du produit antirouille à la surface du métal. En outre, ce produit antirouille n'élimine pas seulement la rouille, mais possède également des propriétés antirouille.

Si la rouille de l'acier entraîne une perte de ressources métalliques, ce processus présente également des avantages. Par exemple, la poudre de fer, un ingrédient clé des absorbeurs d'oxygène que l'on trouve fréquemment dans les emballages de pâtisseries, exploite le principe de la rouille pour consommer de l'oxygène, empêchant ainsi la détérioration des aliments.

De plus, la rouille du fer est une réaction exothermique. Ce phénomène a été exploité pour produire des "patchs chauffants". Les principaux composants d'un patch chauffant sont la poudre de fer, la vermiculite, le charbon actif, les sels inorganiques (comme le sel de table) et l'eau. Dans des conditions naturelles, la réaction d'oxydation du fer est lente.

Pour accélérer cette réaction, on utilise une fine poudre de fer à grande surface. Le rôle du charbon actif est de former une cellule primaire pour favoriser la réaction, tandis que sa forte capacité d'adsorption stocke l'eau dans sa structure souple. Les sels inorganiques travaillent avec le charbon actif pour former une cellule primaire et favoriser la réaction. La vermiculite, un minéral aluminosilicate de fer et de magnésium, sert de support de stockage thermique.

Dans un laboratoire de chimie, nous pouvons fabriquer nous-mêmes ces patchs chauffants. En mélangeant de la poudre de fer, du charbon actif, du sel de table et de la vermiculite dans un rapport de masse de 5:2:2:2. Ce mélange (la vermiculite est facultative) est versé dans un bécher, quelques gouttes d'eau sont ajoutées et le tout est bien mélangé à l'aide d'une tige de verre.

Il est ensuite emballé dans un sac en tissu non tissé et scellé dans un sac auto-scellant (ou à l'aide d'une soudeuse en plastique). En cas de besoin, il peut être sorti pour être utilisé. Il est à noter que plus les particules de poudre de fer et de charbon actif sont fines (idéalement 100 mesh pour la poudre de fer et 150 mesh pour le charbon actif), plus la réaction est rapide et plus l'augmentation de la température est sensible.