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HPT Formation scientifique UAA19 AUTEURS : Brigitte Janssens, Pascale Sartiaux Fiche d’expérience 16 Electrolyse du chlorure de cuivre (CuCl2) Cette expérience sera réalisée par le professeur uniquement. 1. Objectifs de l’expérience Cette expérience illustre l’utilisation industrielle des réactions avec transfert d’électrons. 2. Description générale Les élèves ont appris que des réactions chimiques pouvaient fournir de l’énergie électrique, il est aussi possible de réaliser des transformations chimiques en fournissant de l’énergie électrique. C’est l’électrolyse qui permet d’effectuer, par apport d’énergie électrique, des réactions d’oxydoréduction qui ne se passent pas spontanément. L’électrolyse est une technique qui vise à transformer des corps purs composés en corps purs simples en employant le passage d’un courant électrique continu. L'électrolyse est une méthode qui permet de réaliser des réactions chimiques grâce à une activation électrique. C'est le processus de conversion de l'énergie électrique en énergie chimique. Elle permet par ailleurs, dans l'industrie chimique, la séparation d'éléments ou la synthèse de composés chimiques. Elle intervient aussi dans la classification des corps purs. L'électrolyse est utilisée dans divers procédés industriels, tels que la production de dihydrogène par électrolyse de l'eau, la production d'aluminium ou de chlore, ou encore pour le placage d'objets par galvanoplastie. Dans le cas de l’électrolyse du chlorure de cuivre (II), deux électrodes en graphite reliées aux bornes d'un générateur plongent dans une solution de chlorure de cuivre (II). Au cours de cette expérience, un corps composé, le chlorure de cuivre (CuCl2), est séparé en différents corps purs simples, le cuivre (Cu) et le dichlore (Cl2). Le dépôt rougeâtre de cuivre est bien visible à la cathode (graphite relié à la borne ). Le dichlore formé dans le deuxième compartiment (qui est en partie soluble dans l’eau) provoque un léger changement de coloration de la solution et est détecté grâce à son odeur caractéristique (comme à la piscine). 3. Matériel et produits 1 1 berlin de 100 mL 2 électrodes de graphite 1 plaque de frigolite 1 source de courant continu (pile ou transformateur 12V) 1 baguette de verre 2 câbles électriques, munis à chaque extrémité d’une pince crocodile solution de CuCl2 0,1 M 1 En annexe, mode opératoire pour la préparation de la solution de CuCl2 0,1M 1 Document1 4. Procédure 1) Découper la plaque de frigolite afin qu’elle s’insère dans le berlin de 100 mL (elle doit diviser celui-ci en 2 compartiments égaux, le plus étanche possible). 2) Placer dans chaque compartiment une électrode de graphite. 3) Verser une quantité de la solution de CuCl2 dans le berlin jusqu’à la graduation 80 mL. 4) Relier chaque électrode à chaque borne du générateur (pile ou transformateur) à l’aide des câbles électriques. 5) Faire circuler le courant pendant quelques minutes et observer. Source de l’illustration : http://theobromine.uchini.be/?p=88 5. Notes pour le professeur - Au cours de cette expérience, un corps composé, le chlorure de cuivre (CuCl2), est séparé en différents corps purs simples, le cuivre (Cu) et le dichlore (Cl2). Le dépôt rougeâtre de cuivre est bien visible à la cathode (graphite relié à la borne -). Le dichlore formé dans le deuxième compartiment (qui est en partie soluble dans l’eau) provoque un léger changement de coloration de la solution et est détecté grâce à son odeur caractéristique (comme à la piscine). - Les électrodes de graphite sont disponibles dans les catalogues de firmes de matériel de chimie mais on peut également utiliser des fusains (magasins vendant des articles de dessin) ou de simples crayons HB taillés aux 2 extrémités. L’électrolyse peut aussi être réalisée avec le dispositif suivant : un pot transparent de récupération séparé grossièrement par un carton plastifié. Après quelques secondes, on peut observer le dégagement gazeux de dichlore à l’anode. Après 5 minutes d’électrolyse, le dépôt de cuivre est nettement visible sur la mine de crayon. 2 Document1 Explication du phénomène Pour réaliser une électrolyse, il faut 2 bornes : – l'anode (borne +) : il se dégage un gaz, reconnaissable à son odeur et à sa propriété de décolorer l'encre, c'est du chlore. – la cathode (borne -) : il se dépose du cuivre. Il faut également un électrolyte c’est-à-dire une substance susceptible d'être décomposée en ions lorsqu’elle est dissoute dans l’eau. Mécanisme de l'électrolyse La matière à décomposer ou à transférer est dissoute dans un solvant approprié, ou fondue de sorte que ses ions constitutifs soient disponibles dans la solution. Une différence de potentiel électrique est appliquée entre deux électrodes immergées dans cette solution. La cathode est le siège d'une réduction et, l'anode le siège d'une oxydation. L'anode est la borne positive et que la cathode est la borne négative. Notons que ces bornes sont inversées dans le cas d'une pile. Lors du passage d'un courant électrique continu, les électrodes attirent à elles les ions de charge opposée. Dans cette expérience d’électrolyse, une molécule de chlorure de cuivre (II), CuCl2, est constituée d'un ion cuivrique (Cu2+) et de 2 ions chlorure (Cl-). Préalablement à tout passage du courant, l'électrolyte dissous est dissocié en ions. Lorsque le courant passe dans l'électrolyte, l'expérience nous montre qu’il y a une migration des ions : les cations Cu2+ se dirigent vers la cathode (-), d'où leur nom de « cations » ; les anions Cl- se dirigent vers l'anode (+), d'où leur nom de « anions ». Au contact de la cathode (–) plongeant dans l'électrolyte, chaque cation Cu2+ va capter au générateur 2 électrons et redevenir un atome électriquement neutre. Le cuivre (électriquement neutre) se dépose à la cathode (-). Au contact de l'anode (+) plongeant dans l'électrolyte, chaque anion Cl - va donner 1 électron et une molécule de gaz chlore Cl2 (électriquement neutre) se dégage à l'anode (+). Ces électrons sont captés par la borne positive à l'extérieur du générateur, puis passent dans le générateur, ils se dirigent vers la borne négative – la cathode (-) plongeant dans l'électrolyte. En général, lors de l'électrolyse d'une solution d'un sel métallique, le métal se dépose à la cathode (-), et un gaz se dégage à l'anode (+). 3 Document1 http://edu.ge.ch/decandolle2/IMG/pdf/D235_electrolyse_CuCl2_sept2007.pdf , consulté le 2 février 2016 6. Prolongements L'ÉLECTROLYSE INDUSTRIELLE La galvanisation consiste à recouvrir des objets d'une couche mince de métal pour : – les protéger de l'oxydation (chromage, cuivrage, …) et empêcher la corrosion de l’acier exposé à l’air humide. – leur donner une présentation luxueuse (argenture des couverts, des plats,...) 4 Document1 La galvanoplastie consiste à reproduire des objets par dépôt de métal. Soit à reproduire un disque microsillon. On fabrique un moule recouvrant le disque original de matière plastique. Ce moule est ensuite enduit d'un conducteur. On recouvre le moule d'une mince couche de cuivre par une électrolyse. Cette mince couche de cuivre sera consolidée par coulage d'un métal au dos. La matrice à reproduire les disques est ainsi prête. Raffinage des métaux Le raffinage d'un métal consiste à obtenir ce métal le plus pur possible. L'électrométallurgie consiste à extraire le métal d'un minerai par l'électrolyse. Exemple : pour l'aluminium, on réalise une électrolyse de sels de l'aluminium extrait de la bauxite (minerai). Fabrication de certains produits L'oxygène s'obtient par l'électrolyse de l'eau. L'hydrogène s'obtient par l'électrolyse de l'eau, d'une solution de NaCl. Le chlore s'obtient par l'électrolyse d'une solution de NaCl. 7. Sécurité La réalisation d’expériences en particulier en chimie suppose le respect d’un certain nombre de règles permettant à chacun, élèves et professeur, de vivre ces séances de laboratoire dans les meilleures conditions de sécurité. Pour chaque local où se déroulent de telles expériences, existe un règlement de laboratoire, approuvé par le Conseiller en Prévention. Il sera signé par le chef d’établissement, le professeur, l’élève et ses parents/responsables. Chaque élève a une bonne connaissance de ce document. 5 Document1 Analyse de risques Phases Points-clés Sources de danger ou nature du risque Prescriptions de sécurité Avant Préparation de la solution de chlorure de cuivre Les dérivés de cuivre sont des substances toxiques pour l’environnement et nocives pour l’homme. Porter des gants lors de la manipulation du CuCl2. Expérience réalisée par le professeur uniquement Dégagement de Cl2 Expérience réalisée par le professeur et de préférence sous la hotte. L’utilisation d’une webcam permettra à toute la classe d’observer aisément. Néanmoins, l’odeur de dichlore caractéristique peut être perçue. Pour éviter un trop grand dégagement de Cl2, ne réaliser l’expérience que pendant un court laps de temps (quelques minutes). Evacuation des déchets et nettoyage du laboratoire Les dérivés de cuivre sont des substances toxiques pour l’environnement et nocives pour l’homme. Prévoir un conteneur spécial pour la récupération et l’évacuation des solutions de cuivre. (Professeur) Pendant (Professeur et élèves) Après (Professeur et élèves) Informations sur les réactifs - Le dichlore est un gaz jaune-vert dans les conditions normales de température et de pression. Il est 2,5 fois plus dense que l'air. Il a une odeur suffocante très désagréable et est toxique. - Le chlorure de cuivre est un composé de couleur bleue claire ou verte. A nouveau, ce composé est particulièrement toxique pour l’environnement et est considéré comme nocif pour l’homme. Formule : CuCl2 Masse molaire : 134,45 g/mol 8. Développement attendu principalement visé Réaliser une recherche documentaire pour expliquer une technique utilisée pour protéger les métaux de la corrosion (T2). À partir de documents, l’élève explique comment il est possible de déposer une fine couche d’un métal sur un autre métal pour le protéger de la corrosion (par exemple : la dorure, l’argenture, le zingage, l’étamage). 9. Bibliographie THEOBROMINE’S BLOG, Labo : Electrolyse du NaCl, 2007, http://theobromine.uchini.be/?p=88 (page consultée le 22/10/2015) - http://www.enseignons.be/upload/secondaire/electromecanique/07-07-11Theorie-chapitre7student.pdf , consulté le 02 février 2016 https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrolyse , consulté le 16/09/2016 6 Document1 10. Annexe : Préparation de la solution de CuCl2 0,1M Pour préparer 1 L de solution de CuCl2 0,1M, 1) Peser (dans un verre de montre) 13,5 g de CuCl2 anhydre ou 17 g de CuCl2.2H2O. 2) Introduire la poudre dans un ballon jaugé de 1 L et rincer plusieurs fois le verre de montre avec un peu d’eau déminéralisée que l’on verse dans le ballon jaugé. 3) Remplir le ballon jaugé au 2/3 avec de l’eau déminéralisée et agiter jusqu’à dissolution complète de la poudre (sans retourner le ballon jaugé afin de ne pas mouiller le col au-dessus du trait de jauge). 4) Ajouter de l’eau jusqu’au trait de jauge, fermer le jaugé avec le bouchon ou un morceau de parafilm et agiter à nouveau pour homogénéiser la solution. 7 Document1
