Aussi étrange que cela puisse paraître, un simple problème comme la rouille sur votre voiture peut faire l'objet d'une recherche scientifique élaborée portant sur deux phénomènes chimiques bien distincts. Dans cette recherche, nous traiterons de deux sujets qui, à première vue, semblent très différents, mais qui, vous le verrez, entretiennent des liens subtils et précis. En premier lieu, nous vous expliquerons la galvanoplastie et son histoire, ses principales utilités ainsi qu'un aperçu des différents procédés utilisés. Par la suite, nous traiterons des comburants. Que sont-ils, quels sont leurs adversaires et quelle place ont-ils dans le triangle de feu ?
Il y a près de trois mille ans, au temps des pyramides, les Égyptiens recouvraient certains objets par une mince couche de cuivre afin de les enjoliver. Beaucoup plus tard, vers les années 1830-1840, les frères Elkington et le comte Henri de Ruolzmontchal découvraient le principe de la galvanoplastie. Les scientifiques ne peuvent expliquer comment les Égyptiens, avec le peu de ressources qu'ils avaient à leur disposition, ont pu réaliser de tels exploits. La technique de galvanisation, est à présent considérée par plusieurs comme un art, en raison du raffinement et de la précision qu'elle exige. De nos jours, elle est utilisée à plusieurs fins, notamment dans les secteurs industriel et informatique. Le procédé de galvanisation s'étale sur plusieurs étapes très précises et complexes et fait appel à plusieurs principes chimiques. Il consiste à recouvrir un métal d'un autre métal, soit à l'aide d'un bain de zinc, soit par électrolyse.
Un peu d'histoire…
Au cours de l'année 1741, un chimiste français constata, sans
trop savoir le principe sur lequel se baser, qu'en recouvrant l'acier par
une fine couche de zinc, on l'empêchait de se corroder. Ce n'est qu'une
décennie plus tard qu'on démontra le procédé de
manière scientifique et que la galvanisation apparut dans les livres
de sciences, sous le nom de son précurseur, l'ingénieur français
Sorel.
Sa place dans nos vies...
La découverte
de ce procédé n'est pas récente, mais demeure la méthode
la plus sûre contre la corrosion des métaux. Elle constitue une
activité économique très importante, car elle représente
48 pour cent de l'utilisation mondiale du zinc. On utilise la galvanoplastie
dans trois principales spécialités: les appareils ménagers,
les automobiles et les bâtiments. Elle se démarque particulièrement
dans le secteur automobile, car en moyenne, 90 pour cent des véhicules
en Amérique du Nord possèdent au moins une pièce galvanisée.
Comment procéder…
Pour galvaniser un métal, comme l'acier par exemple, nous pouvons utiliser
un procédé à chaud ou l'électrolyse. Initialement,
la pièce métallique doit soigneusement être nettoyée
afin de permettre une complète réaction. Tout d'abord, la pièce
d'acier est immergée dans une solution de carbonate de sodium et de
détergents à une température variant de 60 à 80
°C. Le dégraissage terminé, elle est ensuite décapée
par de l'acide chlorhydrique complétée d'un inhibiteur, ce qui
assure l'élimination de certains oxydants. Pour terminer, l'acier est
baigné dans une solution aqueuse double de chlorure d'ammonium et de
zinc à une température d'environ 60°C, afin d'éviter
la réoxydation de l'acier. Toutes ces étapes achevées,
il est maintenant temps de commencer la galvanisation à chaud, qui
consiste à plonger l'acier dans un bain de zinc en fusion, à
une température allant de 440 à 460 °C. Cette étape,
qui dure de trois à quinze minutes, selon la grosseur de la pièce,
nécessite une très grande exactitude et beaucoup de minutie
quant à la durée de l'immersion et à la vitesse à
laquelle la pièce doit être retirée du bain.
Une autre méthode de galvanisation s'effectue par électrolyse.
Ce procédé consiste à immerger la pièce à
galvaniser dans une solution comportant le sel du métal à appliquer,
et à l'aide d'une charge électrique, à soumettre cette
même pièce à un courant chargé négativement.
Étant donné la nature positive des ions métalliques du
sel, ces derniers sont attirés vers la cathode. Lors de la collision,
les électrons changeront les ions positifs en métal qui recouvrira
la pièce d'origine.
Les
hommes préhistoriques ont été les premiers sur Terre
à découvrir le feu. C'est vers la fin du 18e siècle,
à la suite d'une étude scientifique sérieuse que Lavoisier
a confirmé que la combustion résultait bien d'une combinaison
entre une substance donnée et du dioxygène. Dans une réaction
de combustion, un comburant s'unit avec un combustible et produit un dégagement
de chaleur qui peut nous être parfois très pratique. Il existe
de multiples comburants, mais le plus utilisé est l'oxygène.
Par exemple, dans la vie de tous les jours, nos moyens de transports fonctionnent
grâce à l'oxygène qui permet la combustion du carburant
dans les moteurs des automobiles. De toute évidence, le comburant est
la source d'alimentation de la combustion. Certaines substances peuvent éliminer
le comburant lors d'un feu, facilitant ainsi son extinction. L'eau est très
populaire chez les pompiers parce qu'elle est économique. Elle abaisse
la température de la matière rendant impossible sa combustion.
La mousse est utilisée pour les feux de liquides inflammables. Elle
est composée d'eau et de substances mousseuses qui étouffent
la matière, empêchant tout contact avec le comburant. Dans le
cas de feux d'équipements électriques et de conductibilité
d'eau, on emploie un gaz, le dioxyde de carbone(CO2). Sa masse
volumique est plus lourde que l'air, donc il écrase le dioxygène
et éteint le feu en moins deux. La poudre elle quant à elle
fabriquée à base de deux éléments chimiques, le
potassium et le sodium. Elle se retrouve dans les extincteurs domestiques.
Lorsque cette poudre est projetée sur un feu, le potassium (ou le sodium)
inactive la réaction de combustion. Finalement, la dernière
substance est le halon, reconnu pour sa propreté, mais qui a un grand
désavantage, son effet néfaste pour la couche d'ozone. Il est
excellent pour contrer les incendies d'appareils informatiques et sa fonction
pour éteindre un feu est similaire à celle de la poudre.
Par ailleurs, le mécanisme de combustion est représenté
par le triangle de feu dont les trois éléments sont le combustible,
le comburant et la chaleur. La soustraction d'un seul de ces trois éléments
entraîne l'extinction immédiate du feu. Lors d'un incendie, seuls
les gaz brûlent et non la matière. Ainsi, l'augmentation de la
matière solide, liquide ou gazeuse le fera passer de son état
initial à celui de gazeux en dégageant de la chaleur et de la
lumière. En somme, toute combustion nécessite un comburant,
c'est-à-dire le plus fréquemment l'oxygène.
À première vue, les deux sujets semblent assez distincts l'un de l'autre, mais il y a pourtant un lien qui les unit. Venant d'une famille nombreuse, il est le 8e d'une lignée de 105, et il est un élément important du tableau périodique. Vous avez sans doute reconnu l'oxygène. Celui-ci, généralement retrouvé sous forme diatomique (O2), est un élément présent dans plusieurs composés chimiques.
Il provoque une réaction chimique avec à peu près tous les éléments qui est appelé oxydation. Il entre en relation directe avec les comburants, car une combustion est en quelque sorte une oxydation mais à très courte durée et avec une enthalpie très grande qui dégage beaucoup de chaleur. De ce fait, l'oxygène représente le principal oxydant dans quasiment toutes les réactions de combustion (oxydation), sauf dans certains cas ou l'oxydant peu être le chlore, le fluor ou parfois l'acide nitrique. Il est donc primordial dans le procédé de combustion d'une substance.
L'oxygène est à la fois à l'origine de la galvanisation
puisqu'il est un oxydant et il provoque sur la majorité des métaux
de la corrosion. Pour contrer cette réaction chimique produite par
en majeure partie par l'oxygène, nous avons recours à la galvanisation.
Ce procédé permet de donner une plus longue existence aux pièces
métalliques.
En conclusion, nous pouvons constater que l'oxygène est très
présente autant dans la galvanoplastie que dans les comburants et qu'il
tisse un lien important bien que petit.
Développement du lien : L'oxygène
Depuis des milliards d'années, l'oxygène est présent
dans la composition gazeuse de l'atmosphère. Carl Scheele, un chimiste
suédois, a été le premier à découvrir son
existence, lors d'une expérience sur la décomposition thermique
du nitrate de potassium et de l'oxyde mercurique. Pendant plus de cinq ans,
il garda sa découverte secrète et malheureusement, au même
moment, un autre chimiste en découvrit l'existence. Trois ans plus
tard, Lavoisier décida de lui donner le nom qu'on lui connaît
maintenant: oxygène.
À des températures élevées, lors d'une réaction
chimique, l'oxygène réagit beaucoup et se mélange avec
les autres molécules. Il est donc le plus souvent présent dans
les réactions endothermiques. L'atome de l'oxygène possède
un état d'oxydation de -2. Cet élément chimique se combine
parfois avec une ou plusieurs molécules pour former des composés.
Par exemple, il s'associe avec le dihydrogène pour former de l'eau
(H2O), qui est un produit essentiel à la survie des êtres
humains. Comme on peut le voir dans le tableau périodique, il a une
masse molaire de 15,9994 u. L'oxygène est le principal comburant dans
la réaction de combustion. Il est un gaz et n'a aucun goût, aucune
odeur et est invisible.
Cet élément est souvent employé en grande quantité
dans plusieurs types d'industries comme la métallurgie, la sidérurgie
et la pétrochimie. Ces dernières l'utilisent généralement
à l'état liquide plutôt que gazeux. La photosynthèse
est également une réaction chimique qui comprend l'oxygène.
C'est le processus par lequel les plantes captent le dioxyde de carbone de
l'air et rejettent de l'oxygène. De plus, les humains inhalent l'oxygène
qui par le processus de la respiration descend dans nos poumons pour ensuite
rejeter du dioxyde de carbone. L'oxygène compose environ soixante pour
cent du corps humain. Il est donc un élément chimique essentiel
et important à la survie des humains, des animaux et des végétaux.
Dans le système de la santé, utilisé dans le domaine
d'oxygénothérapie, il est très pratique pour assurer
la respiration artificielle de certains patients.
Dans la combustion, ce comburant dégage de la chaleur, ce qui est utile
par temps froid pour le chauffage, l'électricité et la locomotion.
Il est également essentiel dans la composition de l'atmosphère.
Après avoir élargit nos connaissances sur le principe de la galvanoplastie et sur ce qu'est un comburant, nous pouvons facilement constater le lien qui se tisse entre ces deux notions, c'est-à-dire l'oxygène. Maintenant, avec un peu d'imagination et d'esprit créatif, nous pourrions peut-être imaginer un jour inventer un principe de galvanisation à grande échelle qui permettrait d'éviter l'oxydation des métaux. Pour ce faire, nous pourrions modifier l'atome de l'oxygène, un peu comme on le fait avec les aliments génétiquement modifiés, dans le but de prévenir, ou du moins réduire, l'intensité de la réaction de combustion qu'il entretient avec la plupart des métaux. Il est possible que vous trouviez cette idée un peu farfelue, mais peut-être serez-vous surpris de voir cette recherche comme introduction à une expérience scientifique qui aura porté fruit dans une douzaine d'années.
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Recherche : Jessica Charland-Bélanger et Sara Lemieux, Centre Le Goéland, Sherbrooke (Québec), CANADA.
Validation du contenu : Marc Richard
Révision linguistique : Alisson Gallagher
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