Question:
Pourquoi la rouille ne peut-elle pas se former sans eau?
user1638
2013-05-29 06:02:31 UTC
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L'oxyde de fer ne devrait-il pas se former sans eau? Il n'est que du fer et de l'oxygène. Je ne comprends pas vraiment ce que signifie le point suivi du $ \ ce {H2O} $. Je lisais sur wikipedia, mais j'ai une compréhension assez terrible de la chimie. À quoi sert l'eau dans la formation de la rouille et qu'est-ce que cela signifie pour une molécule d'être hydratée - en quoi est-ce différent d'être simplement entouré de molécules d'eau?

Six réponses:
#1
+22
Jerry
2013-05-29 12:55:40 UTC
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Nous pourrions l'expliquer du point de vue électrolytique.

Le fer a une certaine tendance à se dissoudre dans l'eau selon l'équation suivante:

$ \ ce {Fe (s ) -> Fe ^ 2 + (aq) + 2e ^ -} $

La libération d'électrons fait passer un petit courant dans le métal (rappelez-vous que les métaux sont conducteurs d'électricité). Cela transforme le point où le fer se dissout en anode, et la région autour de cette zone devient riche en électrons, une cathode. Maintenant, nous devons nous rappeler que l'eau se dissocie dans de petites proportions selon:

$ \ ce {H2O (l) < = > H ^ + (aq) + OH ^ - (aq)} $

S'il s'agissait d'un acide, le $ \ ce {H ^ +} $ aurait rapidement pris tous les électrons libérés de la dissolution du fer plus tôt, mais la concentration en ions hydrogène n'est pas assez grande dans l'eau, donc que nous obtenions une autre réaction à la cathode [les ions hydrogène «s'accumulent» près de la surface mais ne peuvent rien faire, créant une fine couche protectrice d'ions hydrogène autour de la cathode, mais pas assez forte pour empêcher une réaction ultérieure]. Cette réaction implique de l'oxygène et d'autres molécules d'eau:

$ \ ce {2H2O (l) + O2 (g) + 4e ^ - -> 4OH ^ - (aq)} $

Maintenant c'est le $ \ ce {OH ^ -} $ qui réagit avec les ions fer (ou ferreux) libérés plus tôt:

$ \ ce {Fe ^ 2 + (aq) + 2OH ^ - (aq ) ->Fe (OH) 2 (aq)} $

Maintenant, plus d'oxygène réagira pour oxyder l'hydroxyde de fer (II) ...

$ \ ce {Fe (OH) 2 (aq) \ xrightarrow [O] Fe (OH) 3 (aq) \ xrightarrow [O] Fe2O3 (s)} $

Vous pouvez probablement reconnaître le dernier produit.

Au fur et à mesure que les $ \ ce {Fe ^ 2 +} $ sont consommés, plus de fer se dissout (principe de Le Chatelier) et continue tout le processus.

Peut-être une petite image pour accompagner ça :)

enter image description here

Notez que l'eau n'est pas nécessaire si la température du fer et de l'oxygène est suffisamment élevée. Je ne connais pas la température précise, mais par expérience du soudage, je peux dire que des quantités notables d'oxyde de fer de couleur orange commencent à se former à mesure que l'acier approche de son point de fusion, qui est d'environ 1370 degrés C (2500 ° F). Cette oxydation à haute température dans l'air, sans eau, est similaire à ce que nous appelons habituellement la carbonisation ou la combustion.
@RalphDratman Cela semble exact. La chaleur incite essentiellement le fer à réagir avec l'oxygène, donnant d'abord FeO, et avec plus d'oxygène dans la mêlée, Fe2O3 (rouille). Nous pourrions dire que c'est la façon dont la rouille se forme et que l'eau agit comme un catalyseur (rend la même réaction possible avec un besoin d'énergie (chaleur) moindre.
#2
+7
KeithS
2013-05-29 23:46:20 UTC
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Le point signifie que le composé est un hydrate du produit chimique parent; le composé parent forme une structure faiblement liée avec une ou plusieurs molécules d'eau par molécule mère, car soit les atomes d'hydrogène de l'eau, soit la région partiellement chargée positivement de la molécule d'eau causée par sa forme moléculaire "courbée", est attirée aux régions partiellement négatives de la molécule mère. Ce n'est pas une liaison ionique traditionnelle «complète», mais cela fonctionne de manière quelque peu similaire. Sous forme solide, ce mélange du composé parent et des molécules d'eau forme une structure cristalline comme la glace (il n'est pas nécessaire qu'il s'agisse d'un cristal bien ordonné comme vous obtenez généralement avec des sels), avec des propriétés qui diffèrent d'une forme de la substance qui a plus, moins ou pas d'eau dans sa structure.

Un exemple quotidien de la différence entre un composé déshydraté et hydraté est le ciment Portland, utilisé dans le béton. Sous sa forme brute, il s'agit de carbonate de calcium «déshydraté» avec quelques autres composants, fabriqués en chauffant du calcaire jusqu'à ce que l'eau soit libérée de la structure de la roche. Le solide restant forme une poudre fine qui ne peut pas tenir beaucoup de forme. Ajoutez de nouveau l'eau tout en mélangeant le béton, et les molécules d'eau sont réincorporées dans une structure solide avec le carbonate de calcium pour reformer essentiellement une roche dans la forme souhaitée.

Quant à savoir pourquoi la rouille ne se forme qu'en présence d'eau, la nature "polaire" de l'eau est également à l'œuvre ici. Étant un solvant polaire, il a une certaine affinité pour les électrons, qui sont facilement abandonnés par le fer comme métal de transition et sont attirés par les atomes d'hydrogène de l'eau. Si un atome d'hydrogène «capture» avec succès un électron, il équilibre sa propre charge électrique et est «libéré» de la liaison qu'il a avec l'oxygène de la molécule d'eau, s'associant à la place à un autre hydrogène libéré pour former un gaz diatomique. Maintenant, cette molécule d'hydrogène gazeux n'ira pas loin, car l'eau contient généralement de l'oxygène «dissous», et il y a plus d'oxygène juste au-delà de l'eau, attendant de réoxyder cet hydrogène gazeux dans l'eau. Le résultat net est un atome de fer chargé positivement (typiquement dans les états d'oxydation +2 ou +3, ayant donné respectivement 2 ou 3 électrons à l'eau), des ions hydroxyde chargés négativement ($ \ ce {OH -} $ ), et de l'eau. Ceux-ci forment un mélange d'hydroxydes de fer:

$$ \ ce {2 (Fe - 2e ^ {-}) + 4 (H_2O + e ^ +) + O_2 \\ \ to 2Fe ^ {2+ } + 4OH ^ - + 2H_2 + O_2 \\ \ à 2Fe (OH) _2 + 2H_2O} \\ $$$$ \ ce {4 (Fe - 3e ^ {-}) + 12 (H_2O + e ^ +) + 3O_2 \\ \ à 4Fe ^ {3+} + 12OH ^ - + 6H_2 + 3O_2 \\ \ à 4Fe (OH) _3 + 6H_2O} $$

Cette deuxième équation se produit généralement "par étapes", vous remarquerez que beaucoup d'électrons et d'ions flottent à la fois. Typiquement, l'hydroxyde de fer (II) est formé en premier, et le fer s'oxydera ensuite facilement à son état +3, soit en prenant un hydroxyde supplémentaire pour former de l'hydroxyde de fer (III), soit en libérant un hydrogène qui s'oxydera pour former de l'eau résultant en le monohydrate d'oxyde-hydroxyde de fer (III):

$$ \ ce {4 (Fe (OH) 2 - e ^ {-}) + 2H_2O + O_2 \ à 4FeO (OH) * H_2O} $$

L'hydroxyde de fer (III) se réorganisera facilement dans le même état (ce n'est pas tellement une décomposition, car l'eau reste faiblement liée à l'oxyde-hydroxyde pour former le monohydrate):

$$ \ ce {Fe (OH) 3 \ à FeO (OH) * H_2O} $$

Enfin, deux de ces molécules d'oxyde-hydroxyde de fer sont généralement considérées comme «partageant» un oxygène de l'un des ions hydroxyde entre elles, l'hydrogène se liant à l'oxygène de l'autre hydroxyde, reformant l'eau sous forme d'hydrate ( éventuellement avec une partie de celui-ci en cours de publication):

$$ \ ce {2FeO (OH) * H_2O \ to Fe_2O_3 * xH_2O + yH_2O} $$

Diverses structures hydratées de ce fer l'oxyde existe, ce qui entraîne des couleurs différentes du composé du brun foncé au rouge foncé en passant par le rouge-orange. D'autres oxydes sont également possibles par une action plus directe de l'oxygène sur le fer lui-même, comme l'oxyde de fer (II) ($ \ ce {FeO} $). La rouille chauffante libère l'eau et force les oxydes de fer à se réorganiser, ce qui peut également produire le troisième oxyde de fer, l'oxyde de fer (II, III) (connu sous forme minérale sous le nom de magnétite).

Vous remarquerez que l'eau participe à la réaction globale sans être réellement consommée par elle pour former le produit; il est détruit puis re-formé en quantités égales, créant des intermédiaires dans le processus. En tant que telle, l'eau est un catalyseur de ces réactions. Espérons que vous remarquerez également que cette chaîne de réaction «idéale» n'est qu'une des possibilités; «rouille» est un terme mal défini en chimie, le composé courant étant constitué d'un mélange de divers hydrates des trois oxydes de fer, qui sont tous produits en fonction de subtiles différences localisées de température et de rapports entre l'eau, l'oxygène et le fer .

#3
+2
user2617804
2013-10-31 04:47:44 UTC
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Par définition, la rouille inclut l'eau dans sa structure. Ce n'est pas de la rouille s'il ne contient pas d'eau.
La rouille est poreuse - elle a des trous, donc la corrosion du fer persiste beaucoup plus longtemps si elle rouille plutôt qu'elle forme un oxyde droit.

Le fer forme instantanément des oxydes qui sont plus protecteurs que la rouille - pas beaucoup plus. Le fer chaud dans les environnements oxygénés se corrode en formant de l'oxyde de fer.

#4
+1
AJKOER
2017-12-14 20:41:38 UTC
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À quoi sert l'eau dans la formation de rouille? "

Tout d'abord, il faut se demander quelle est la température de l'eau et la source de l'eau? Froid d'un robinet impliquant une éventuelle teneur en oxygène avec dire $ \ ce {Cl2} $ ou même $ \ ce {NH2Cl} $ , ou des eaux gazeuses naturelles contenant des sels de métaux de transition (y compris ceux de $ \ ce {Fe, Mn} $ , certains $ \ ce {Cu} $ ,…), avec éventuellement des gaz autres que $ \ ce {O2} $ comme $ \ ce { N2O} $ provenant de la décomposition des nitrates (présents dans l'eau de puits), ou peut-être de l'eau distillée bouillie sans gaz ni minéraux dissous. La composition de l'alliage de fer, je vais ignorer et supposer pure $ \ ce {Fe} $ , ainsi qu'une plage de pH pour $ \ ce {H2O} $ comprise entre 6 et 8.

Je vais atteindre mpt une brève description de la chimie qui pourrait effectivement se produire dans quelques scénarios pour donner une perspective plus proche de la chimie du monde réel. Pour les eaux naturelles, pour commencer, la chimie décrite ci-dessous est certainement pertinente. Cependant, avec l'eau distillée en contact à l'air libre avec du fer en poudre immergé, je m'attendrai à une période d'induction comparativement beaucoup plus longue jusqu'à ce que la rouille soit observée selon les réactions décrites ci-dessus. Cela est dû à la nature électrochimique sous-jacente du processus de corrosion et à l'absence d'électrolyte (à partir de sels dissous, mais en attente de particules de poussière) et à l'absence de $ \ ce {O2} $ dissous ou un acide (source de $ \ ce {H +} $ pourrait arriver par voie aérienne contenant $ \ ce {CO2} $ ). La rouille du fer se produit donc beaucoup plus rapidement dans les cas contenant de l'oxygène dissous, une source d'acide (chlore libre) et une teneur élevée en minéraux (électrolyte).

Il y a aussi une possible action directe de l'eau sur le fer via le chemin suivant sans aucune présence d'oxygène:

$$ \ begin {align} \ ce { 2 [H2O &< = > H + + OH-]} \\ [1.3em] \ ce {Fe + 2 OH- &-> Fe (OH) 2 + 2 e -} \\ [1.3em] \ ce {2 [ H + + e- &< = > H ^. ]} \\ [1.3em] \ ce {H ^. + H ^. &-> H2} \ end {align} $$

$$ \ begin {align} \ text {Net:} && \ ce { Fe + 2 H2O -> Fe (OH) 2 + H2} && \ end {align} $$

Cela pourrait alors être suivi de la réaction dite de Schikorr, qui détaille la conversion de hydroxyde de fer (II) en oxyde mixte de fer (II, III), également écrit Fe3O4 (voir Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Schikorr_reaction).

Fait intéressant, il y a aussi une action possible sur tout ferreux formé dans l'eau contenant $ \ ce {N2O} $ en présence supplémentaire de cuivrique (voir Chemical Reduction of Nitrite and Nitrous Oxide by Ferrous Iron , par JT Moraghan et RJ Buresh, dans SSSAJ, Vol. 41 No. 1, p. 47–50, 1976.).

La raison de mentionner une source d'acide est due à la réaction suivante de conversion du ferreux en ferrique en présence d'oxygène:

$$ \ ce { 4 F e ^ {II} (aq) + 4 H + + O2 -> 4 Fe ^ {III} + 2 H2O} $$

(voir http: // corrosion-doctor .org / Experiments / rust-chemistry.htm)

Donc, en fonction des différentes sources d'eau, en plus du mécanisme avec l'eau et l'oxygène décrit ci-dessus, la chimie pourrait être un peu plus complexe.

#5
  0
Dustin L.
2013-05-29 09:27:56 UTC
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L'eau est le catalyseur du processus de rouille, donc vous ne pouvez pas obtenir de rouille sans eau.

Tiré de http://www.chemicalformula.org/rust:

L'équation chimique globale pour la formation de la rouille est

Fer + eau + oxygène -> rouille

$$ \ ce {4 Fe ( s) + 6 H2O (l) + 3 O2 (g) -> 4 Fe (OH) 3 (s)} $$

Hydroxyde de fer (III), $ \ ce {Fe (OH) 3 } $ se déshydrate ensuite pour produire $ \ ce {Fe2O3.nH2O (s)} $ ou rouille

Cela n'aide pas beaucoup ma compréhension. Tout ce que vous avez fait, c'est introduire un nouveau mot.
Permettez-moi de le dire de cette façon - la réaction qui provoque la rouille nécessite du fer, de l'oxygène et de l'eau.
Le PO le savait déjà; la question était * pourquoi *.
#6
  0
blacksmith37
2017-12-15 03:32:11 UTC
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La "rouille" peut se former sans eau, si par rouille vous entendez un oxyde de fer. Fe2 O3 (l'oxyde rouge) peut se former dans l'air à température ambiante. Le seul exemple que je connaisse est la corrosion par frottement où la poudre rouge caractéristique se forme autour de deux surfaces de frottement acier / fer. Bien sûr, vous pouvez fabriquer toutes sortes d'oxydes de fer à des températures élevées.



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