Matériel et produits (pour un poste de travail)
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Objectifs. Dans un premier temps, on demande à l’élève de proposer le montage permettant d'effectuer l’électrolyse d’une solution de sulfate de cuivre avec “anode soluble” puis de la réaliser en suivant un protocole indiqué. Pendant cette électrolyse, l’élève doit : - écrire les équations des réactions aux électrodes, prévoir la masse de cuivre déposé à la cathode et en fin d’électrolyse vérifier sa prévision par pesée de la cathode. On pourra apporter des précisions sur ce mode de purification des métaux. Dans un deuxième temps, on demande à l'élève de proposer une méthode d'électrozingage d'une plaque de fer en s'appuyant sur les acquis de l'expérience précédente : choix des électrodes et de la solution électrolytique, proposition du montage électrique, des réglages à opérer, des mesures à effectuer... Comme précédemment, l’élève doit : - écrire les équations des réactions aux électrodes, prévoir la masse de zinc déposé à la cathode (éventuellement l'épaisseur du dépôt métallique) et en fin d’électrolyse vérifier sa prévision par pesée de la cathode. On pourra apporter des précisions sur l'intérêt de ces dépôts électrolytiques. Informations pratiques. La qualité des dépôts obtenus est conditionnée par une préparation soigneuse de la cathode : - polissage mécanique à la toile émeri fine, - dégraissage à l'aide d'un détergent ou d'un solvant (acétone par exemple), - décapage par immersion dans une solution d'acide chlorhydrique concentré (1 à 2 mol.L -1), (Entre chaque étape, rincer à l'eau distillée et ne pas toucher la plaque avec les doigts). La stabilité du courant pendant la durée de l'électrolyse est essentielle. Pour y parvenir : - agiter la solution électrolytique en permanence et de façon suffisante, utiliser une alimentation de tension continue stabilisée (12 V- 1 A par exemple) associée à un rhéostat (une trentaine d'ohms suffit) en série avec l'électrolyseur : ainsi, l'intensité du courant se trouvera peu affectée par les variations possibles de la résistance interne de l'électrolyseur en cours d'expérience. Lors de l'électrozingage, on peut recouvrir une des faces de la cathode par un adhésif pour limiter le dépôt métallique à la face en regard avec l'anode. Pour un recouvrement double face on pourrait utiliser une double anode en zinc. Le réglage de la profondeur d'immersion de la cathode délimite la surface de recouvrement. Pour réaliser l'électrozingage, l'élève est amené à demander une solution d'ions zinc (II). On lui indiquera que la solution électrolytique utilisée renferme d'autres espèces chimiques favorisant le dépôt métallique. Observations. L'étude théorique de cette électrolyse est complexe. L'analyse des potentiels normaux des couples oxydant/réducteur mis en jeu conduit à la décomposition électrolytique de l'eau. - A la cathode, il y aurait donc dégagement de dihydrogène ce qui fragiliserait le dépôt métallique de zinc et entraînerait une surconsommation énergétique. Mais la surtension importante du dihydrogène sur le fer arrête rapidement ce dégagement et permet le dépôt métallique. Le pH de la solution électrolytique joue également un rôle dans la cinétique de décomposition de l'eau. A un pH de 4,4 la réduction des ions zinc (II) est privilégiée. - A l'anode , il se produit l'oxydation de l'espèce la plus facilement oxydable: c'est ici le métal Zn de l'anode dite "soluble". La structure de la couche métallique déposée, donc sa qualité, est influencée par plusieurs paramètres : concentration et nature des ions, agitation du bain, température de la solution et densité de courant (en A/dm2). Pour des densités de courant trop élevées, le transfert d'électrons est trop rapide et la diffusion des atomes n'est pas suffisante pour obtenir une croissance des cristaux convenable. Dans les conditions opératoires décrites, on observe : - un noircissement de l'anode (lors des deux expériences) un très faible dégagement de dihydrogène à la cathode (lors de l'expérience II). Ce dégagement cesse pratiquement dès le recouvrement de la cathode par le zinc. Les dépôts métalliques obtenus sont bien adhérents. Les mesures ont donné : - 30 cg de dépôt de cuivre; - 12 cg de dépôt de zinc (soit une épaisseur d'environ 28 µm sur 6 cm2). L'écart relatif par rapport aux résultats théoriques est lié à la précision de la balance utilisée. La plaque de fer n'ayant pas une épaisseur constante, la mesure de l'épaisseur du dépôt n'est pas effectuée : on se contente d'en estimer la valeur par calcul. FICHE T.P. 10 AFFINAGE DU CUIVRE Application aux dépôts électrolytiques Objectifs. Réaliser et analyser la méthode de purification du cuivre par électrolyse. Utiliser cette technique à la réalisation d'un dépôt électrolytique d’un métal sur un autre. Matériel et produits (pour un poste de travail) S1 : 150 mL environ de solution de sulfate de cuivre (II) de concentration molaire 1,0 mol.L -1. et 90 mL de solution de chlorure d'ammonium à 150 g.L-1. Générateur de tension continue (12 V – 1 A), Rhéostat de 33 W - 1 A, Support isolant des plaques métalliques (à disposer au dessus d'un becher de 200 mL), Ampèremètre (calibre 1 A), Chronomètre, Deux plaques de cuivre d’épaisseur voisine de 0,5 mm, larges de 1 cm et longues de 10 cm, Une plaque de zinc et une plaque de fer (100 10 0,5 mm) Pince métallique, Agitateur magnétique et turbulent, Deux becher de 200 mL, ةprouvette graduée de 100 mL, Soucoupe, Balance au centigramme, Papier absorbant, Règle graduée, Sèche-cheveux électrique, Fils électriques. La préparation préalable des plaques nécessite : - toile émeri grain fin, - pissette d'acétone, - pissette d'acide chlorhydrique (à 1 mol.L-1), - pissette d'eau distillée. I. Quelle est la technique de l'affinage du cuivre ? 1. Montage expérimental et protocole. Vous disposez d'un générateur de tension continue (12 V - 1 A), d'un rhéostat (33 W - 1 A), d'un multimètre. L'électrolyseur utilisé est constitué : - d'un becher de 200 mL contenant la solution électrolytique, - de deux électrodes (plaques de cuivre) soigneusement décapées et dégraissées, notées A (pour anode) et C (pour cathode). Ne pas toucher ces électrodes avec les doigts. Peser les électrodes et noter leurs masses respectives au centigramme près. Dessiner le schéma du circuit électrique à réaliser pour effectuer une électrolyse en y insérant les appareils nécessaires pour pouvoir régler et mesurer l’intensité du courant. Réaliser le montage. Faire vérifier par le professeur. Verser dans le becher 150 mL environ de solution de sulfate de cuivre (II) à la concentration molaire de 1,0 mol.L-1 dans laquelle les électrodes plongent jusqu’à mi hauteur. Installer sous le becher un agitateur magnétique en évitant que le turbulent heurte les plaques de cuivre lors de sa rotation. Mettre le générateur sous tension et régler rapidement l’intensité du courant à 0,50 A. Déclencher le chronomètre. La durée de l'électrolyse est fixée à 30 minutes. L'agitation constante de la solution est essentielle pour assurer la stabilité du courant ! Pendant la durée de cette opération, passez aux questions 2 et 3 Au bout de 30 minutes, ouvrir le circuit, extraire les deux plaques et les rincer à l’eau distillée. Observer et décrire l'état des deux électrodes. Sécher doucement les deux électrodes à l'aide d'un sèche-cheveux électrique. Peser à nouveau chaque électrode et calculer la variation de leur masse respective. Quelle constatation peut-on faire compte tenu de la précision de la balance utilisée ? 2. Comment interpréter cette électrolyse ? Compléter le schéma ci-contre en indiquant : - la position de A et de C, - le sens du courant dans le circuit électrique, - le sens de déplacement des électrons dans les conducteurs métalliques, - le sens de déplacement des ions cuivre(II) dans la solution électrolytique. Identifier l'électrode à laquelle se produit la réaction d'oxydation et l'électrode à laquelle se produit la réaction de réduction. Ecrire les réactions aux électrodes. (Couple en jeu : Cu2+ /Cu) En déduire la réaction d'oxydo-réduction correspondant à la transformation chimique provoquée par le passage du courant dans le circuit. Justifier l'expression "électrolyse à anode soluble". Pourquoi cette technique permet-elle de purifier du cuivre contenant des traces de métaux précieux inoxydables dans ces conditions ? 3. Peut-on prévoir la masse du dépôt de cuivre ? Données physico-chimiques : Charge élémentaire : q = 1,6.10 – 19 C Constante d’Avogadro : NA = 6,02.10 23 mol – 1 Masse molaire du cuivre : MCu = 63,5 g.mol – 1 Combien faut-il d’électrons pour le dépôt d’un atome de cuivre à la cathode ? Et pour le dépôt d’une mole d’atome de cuivre ? Calculer la quantité d'électricité (en C) nécessaire pour le dépôt d'une mole d’atome de cuivre à la cathode de l'électrolyseur ? qe- = NA Calculer la quantité d’électricité (Q = I.t) qui a traversé le circuit pendant la durée de l'électrolyse. Calculer le nombre n de mole de cuivre formée à la cathode. n = Error! En déduire la masse théorique mth du dépôt de cuivre sur la cathode. mth = n MCu La comparer à la masse mesurée. Affinage électrolytique du Cuivre Matériel : Générateur 6 V, Ampèremètre, Rhéostat, chronomètre, becher de 250 mL, 2 supports d'électrodes, 1 pièce de 5 c, 1 plaque de cuivre, Solution : sulfate de cuivre à 1 mol/L Le Cuivre obtenu par pyrométallurgie, appelé “ Cuivre noir “ ou “ blister ", est pur à environ 98 %. Principalement utilisé pour ses propriétés électriques, ses impuretés ( Ni , Co , Zn , Au , Ag , .... ) le rendent moins bon conducteur que s’il est pur. C’est pourquoi il faut l’en débarrasser, c’est l’affinage ou raffinage qui se fait par électrolyse. 1. Expérience 1.1 Pesée des électrodes Peser précisément les masses de la pièce de 5c d'euro : mA = et de la plaque de cuivre pur : mB = g g 1.2 Electrolyse Dans un bécher de 100 mL verser une solution de sulfate de cuivre à environ 1 mol/L et y plonger partiellement la pièce de monnaie en Cu impur et la plaque de Cu préalablement décapée à l’acide nitrique. Relier la pièce au pôle + du générateur de 6 V ( = anode ) et la plaque au pôle - ( = cathode ) et intercaler dans le circuit un ampèremètre et un rhéostat. Déclencher le chronomètre en fermant le circuit, lancer l'agitation et régler l'intensité à 200 mA à l'aide du rhéostat. 2.Mesures Au bout d'une heure environ, ouvrir le circuit et arrêter le chronomètre. Mesurer la durée t de l'électrolyse : t = s A la fin de l’électrolyse, observer les 2 électrodes, rincer, sécher soigneusement et les peser : m'A = g En déduire la variation des masses = g. m'B = m A = g g m B Que deviennent les impuretés métalliques ? Si le métal est plus réducteur, donc moins oxydable que le Cuivre, comme Zn, Co,. , il passe en solution à l’état de cation puis sous forme d’hydroxyde , alors que les autres ( Au , Ag ) restent sous forme atomique et se rassemblent au fond du bécher sous forme de boues . Donc en théorie, seul le Cuivre se dépose sur la cathode. 3 Questions 3.1 Ecrire les équations des réactions aux deux électrodes : anode : cathode : 3.2 Calculer : la quantité d’électricité qui a traversé l’électrolyseur q = le nombre de moles d’électrons correspondant : n e- = (F=96500 C/mol) = mol le nombre de moles d’atomes de Cu correspondant : n Cu = mol la masse de Cu correspondante (Cu = 63,5 g/mol ) : m Cu = g 3.3 Comparer m Cu avec m A et m B C II. Une application aux dépôts électrolytiques. S2 : mélange de 75 mL de solution de chlorure de zinc à 70 g.L-1 1. Situation-problème. On vous propose de réaliser un dépôt de zinc sur une lame de fer par électrozingage. Dresser la liste du matériel et des produits nécessaires pour y parvenir. Dessiner le schéma par le professeur. électrique du montage, puis le réaliser. Faire vérifier Immerger les électrodes de quelques cm dans la solution électrolytique. Fixer la durée de l'électrolyse à 15 minutes et l'intensité du courant à 0,40 A. En attendant la fin de cette électrolyse... Ecrire les réactions aux électrodes. (couple en jeu : Zn2+ / Zn). Calculer la masse théorique du dépôt de zinc. Données physico-chimiques : Masse molaire du zinc :MZn = 65,4 g.mol-1 Masse volumique du zinc : µ = 7,1 g.cm- 3 2. Vos prévisions sont-elles vérifiées ? Au bout de 15 minutes, ouvrir le circuit, extraire la cathode de l’électrolyseur avec précaution et la rincer à l’eau distillée. Sécher doucement l'électrode à l'aide d'un sèche-cheveux électrique. Déterminer la masse du dépôt métallique. Comparer à la valeur attendue. Après avoir déterminé la surface du dépôt métallique, calculer l'épaisseur moyenne de ce dépôt. Quel peut être l'intérêt du recouvrement d'une pièce de fer par du zinc ? TP : « Une utilisation du zinc : l’électrozingage du fer » Matériels : 1 balance au centième de gramme 1 agitateur mais pas très utile 2 plaques de zinc décapées servant d’anode + une plaque de fer décapée servant de cathode solution de chlorure de zinc : 70 g/L = 0,5 mol/L (dissolution assez difficile) 1 gros becher, une plaque de plexiglas trois fentes pour tenir les lames (ou polystyrène) ampèremètre, générateur continu réglable, rhéostat, chronomètre Montage : 2 plaques de zinc constituant l’anode. 1 plaque de fer constituant la cathode placée au centre. Ceci permettra un dépôt égal de zinc. schéma « simplifié » : Conditions expérimentales : U = 1,4 V ; I = 0,55 A durée : 32 min Remarques : je n’ai pas eu de problème de stabilité du courant au cours de la manipulation la plaque de fer est placée entre les deux plaques de zinc car ainsi le recouvrement à lieu des deux côtés Résultats : Après séchage, perte de masse pour les deux plaques de zinc : m = 0,19 g + 0,20 g. Après un séchage de la plaque de fer : masse de zinc déposé : m = 0,36 g. Cohérence expérimentale : en théorie on attend un dépôt sur la lame de fer de 0,36 g de zinc. Autres électrolyses On peut par exemple profiter de la séance sur le TP « Une utilisation du zinc : l’électrozingage du fer » pour présenter d’autres électrolyses ou bien répartir dans la salle de TP les différents postes (« TP tournant »). Affinage du métal cuivre Matériels : 1 balance au centième de gramme 1 agitateur mais pas très utile 1 gros becher, une plaque de plexiglas deux fentes pour tenir les lames (ou polystyrène) Ampèremètre, générateur continu réglable, rhéostat, chronomètre Solution de sulfate de cuivre (II) à 1 mol.L-1 Deux plaques de cuivre bien décapées Montage : bien repérer les deux plaques (numéroter par ex) Conditions expérimentales : U = 12 V ; I = 0,50 A durée : 30 min Remarque : je n’ai pas eu de problème de stabilité du courant au cours de la manipulation. Résultats : Après séchage, perte de masse pour la plaque de cuivre à l’anode : Dm = 0,32 g. Après séchage, gain de masse pour la plaque de cuivre à la cathode : Dm = 0,29 g. Cohérence expérimentale : en théorie on attend une variation de masse de 0,30 g pour chaque plaque. Dépôt de nickel sur une lame de cuivre Voir document d’accompagnement TD D3 Remarque : j’ai eu des problèmes de stabilité du courant. Nécessité de contrôler l’intensité très, très souvent. Conditions expérimentales : Générateur continu : U = 5,6 V ; I ≈ 0,5 A durée : 20 min Résultats : en supposant I constant, j’ai un écart relatif de 12 %.
