📐 Le diagramme potentiel-pH (Pourbaix)
Pourquoi un clou rouille-t-il dans l'eau, alors qu'une coque de bateau peut être protégée ? Le diagramme potentiel-pH répond d'un coup d'œil : il indique, pour chaque pH et chaque potentiel, la forme la plus stable du fer. Promène le point d'état, regarde le clou réagir dans son bécher, et superpose les domaines pour prévoir les réactions.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- En bas, le fer métallique est stable : c'est le domaine d'immunité. Plus haut, il s'oxyde en ions Fe²⁺ puis Fe³⁺ (corrosion) ou se couvre d'hydroxydes solides (passivation).
- Les frontières verticales ne dépendent que du pH : ce sont des précipitations (pas d'échange d'électrons). Les frontières horizontales sont des couples rédox sans ions H⁺ ni HO⁻ ; les obliques mélangent les deux.
- Quand la concentration de tracé diminue, les domaines des ions dissous s'agrandissent : la précipitation de Fe(OH)₃ commence plus tard.
- Le domaine du fer est entièrement sous la droite H⁺/H₂ : le fer et l'eau n'ont aucun domaine commun, le fer est donc oxydé par l'eau (thermodynamiquement).
- Sous la droite H⁺/H₂, l'eau est réduite (bulles de H₂) ; au-dessus de la droite O₂/H₂O, elle est oxydée (bulles de O₂).
Expériences à faire
- Calcule le pH de début de précipitation de Fe(OH)₃ pour ctra = 10⁻² mol/L, puis vérifie-le sur le diagramme. Ton exercice donne d'autres valeurs (ctra, E°, pKs) ? Tape ctra et coche ✏️ « Utiliser mes données ».
- Passe à ctra = 10⁻⁶ mol/L (convention des diagrammes de corrosion) : que deviennent les domaines ?
- Superpose Fe²⁺ et O₂ : pourquoi une solution d'ions Fe²⁺ laissée à l'air finit-elle par jaunir ?
- Où faut-il placer le point pour qu'un clou de fer ne soit pas attaqué du tout ? Comment imposer un tel potentiel dans la vraie vie ?
- Quelle est la pente de la frontière Fe(OH)₃/Fe²⁺ ? Retrouve-la avec la loi de Nernst.
La chimie derrière l'animation
- Loi de Nernst à 25 °C pour Ox + n e⁻ + m H⁺ = Red : E = E° + (0,059/n) × log([Ox][H⁺]m/[Red]), soit une pente de −0,059 × m/n V par unité de pH.
- Conventions : chaque espèce dissoute est à la concentration de tracé ctra sur une frontière avec un solide ; deux espèces dissoutes ont la même concentration sur leur frontière ; gaz sous 1 bar.
- Frontières verticales : Fe(OH)₃ précipite quand [Fe³⁺][HO⁻]³ = Ks = 10−38, soit pH = 2,0 pour ctra = 10⁻² mol/L ; Fe(OH)₂ (Ks = 10−15) à pH = 7,5.
- Frontières rédox (ctra = 10⁻² mol/L) : Fe²⁺/Fe : E = −0,44 + 0,03 log c = −0,50 V ; Fe³⁺/Fe²⁺ : E = 0,77 V ; Fe(OH)₃/Fe²⁺ : E ≈ 1,13 − 0,18 pH ; Fe(OH)₃/Fe(OH)₂ : E ≈ 0,24 − 0,06 pH ; Fe(OH)₂/Fe : E ≈ −0,06 − 0,06 pH.
- Eau : O₂/H₂O : E = 1,23 − 0,059 pH et H⁺/H₂ : E = −0,059 pH. Deux espèces dont les domaines sont disjoints réagissent entre elles ; si leurs domaines ont une partie commune, elles peuvent coexister. Valeurs de Ks usuelles des exercices ; avec ✏️, les domaines sont recalculés pour tes propres données (à 25 °C).
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