Pourquoi ne faut-il pas ranger un produit acide dans une boîte en aluminium, et pourquoi le fer rouille-t-il plus vite sous la pluie acide ? Les acides attaquent certains métaux : on observe une effervescence, la solution se transforme et le métal disparaît peu à peu. Ce chapitre explique ce qui se passe, ion par ion.
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Les acides et les métaux : ce qu’on observe
Plaçons un clou de fer dans un tube à essais contenant de l’acide chlorhydrique dilué, solution contenant des ions hydrogène H+ et des ions chlorure Cl−. On observe aussitôt une effervescence : des bulles se forment à la surface du clou. Au bout d’un moment, le clou est plus fin et la solution devient légèrement verdâtre. Avec un morceau de zinc ou d’aluminium, on observe aussi des bulles ; avec un fil de cuivre, rien ne se passe.
Reconnaître les produits formés
Pour comprendre la transformation, il faut identifier ce qui se forme. Deux tests suffisent.
Test du gaz : on recueille le gaz dans un tube à essais retourné et on approche une flamme de l’ouverture. Une petite détonation (un « pop » ou aboiement) caractérise le dihydrogène H2, gaz très léger et inflammable. Test des ions métalliques : on ajoute quelques gouttes de soude à la solution obtenue. Avec le fer, on obtient un précipité vert (ions Fe2+) ; avec le zinc, un précipité blanc (ions Zn2+) ; avec l’aluminium, un précipité blanc (ions Al3+).
Ainsi, après la réaction, la solution contient des ions métalliques (Fe2+, Zn2+, Al3+) et toujours les ions chlorure Cl−. Le métal solide a donc été transformé en ions.
Le bilan de la réaction
acide chlorhydrique + fer → dihydrogène + solution de chlorure de fer (II). Le fer (solide) et les ions H+ sont les réactifs ; le dihydrogène et les ions Fe2+ sont les produits.
Le cuivre, lui, ne réagit pas avec l’acide chlorhydrique dilué : tous les métaux n’attaquent pas les acides. Le fer, le zinc et l’aluminium sont attaqués ; le cuivre, l’argent et l’or ne le sont pas.
L’équation de réaction avec les ions
Les ions chlorure Cl− sont présents avant et après la réaction, sans changer : on dit que ce sont des ions spectateurs. On ne les écrit pas dans l’équation, qui ne comporte que les espèces qui se transforment.
Fer : Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2
Zinc : Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2
Aluminium : 2 Al + 6 H+ → 2 Al3+ + 3 H2
Vérifions l’équation du fer. Atomes : à gauche, 1 Fe et 2 H ; à droite, 1 Fe et 2 H. Charges : à gauche, 0 + 2 × (+1) = +2 ; à droite, +2 + 0 = +2. Les atomes et les charges sont conservés : l’équation est ajustée. Pour l’aluminium : à gauche 2 Al, 6 H, charge +6 ; à droite 2 Al, 6 H, charge 2 × (+3) = +6.
Ce qui se passe à l’échelle des ions
Un atome de métal perd des électrons et devient un cation ; des ions H+ captent ces électrons et forment du dihydrogène. Il y a donc un transfert d’électrons du métal vers les ions H+.
Évolution de la solution et fin de la réaction
Les ions H+ sont consommés : le pH augmente au cours du temps. La réaction s’arrête quand l’un des réactifs a entièrement disparu : si le métal est en excès, ce sont les ions H+ qui manquent ; si l’acide est en excès, c’est le métal qui disparaît.
Un morceau de zinc est plongé dans un excès d’acide chlorhydrique. À la fin, le zinc a disparu et la solution a toujours un pH inférieur à 7. On en déduit que les ions H+ étaient en excès : le zinc était le réactif limitant. Si, au contraire, il reste du zinc et que le dégagement s’arrête, l’acide était le réactif limitant.
Une expérience dégage 370 mL de dihydrogène à partir de 1,0 g de zinc. Avec 2,0 g de zinc (acide en excès), le volume de gaz est proportionnel à la masse de métal : 2 × 370 = 740 mL.
Le gaz formé n’est pas du dioxygène ni de l’air : c’est du dihydrogène, reconnu par la détonation à la flamme. Autre erreur : écrire Fe3+ au lieu de Fe2+ dans cette réaction (le précipité est vert, pas orangé).
Le dihydrogène est très inflammable. On ne le teste qu’en petite quantité, à distance, avec lunettes et sous la conduite du professeur. Les acides, même dilués, doivent être manipulés avec lunettes, gants et blouse.
Applications et conséquences dans la vie courante
L’attaque des métaux par les acides explique la corrosion des gouttières en zinc sous les pluies acides, le décapage des métaux avant peinture, la détérioration d’une casserole en aluminium par des aliments très acides (vinaigre, citron) et le choix de matériaux résistants (plastique, verre, inox) pour stocker les acides.
L’essentiel à retenir
- Les acides attaquent certains métaux (fer, zinc, aluminium) mais pas le cuivre.
- Il se forme du dihydrogène H2 (détonation à la flamme) et des ions métalliques (Fe2+ précipité vert, Zn2+ et Al3+ précipité blanc).
- Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2 ; Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2 ; 2 Al + 6 H+ → 2 Al3+ + 3 H2.
- Les ions chlorure sont spectateurs.
- Une équation doit conserver les atomes et les charges.
- Le pH augmente car les ions H+ sont consommés.