TP Chimie n°5 : Conservation de l`élément cuivre
publicité
TP2 Autour de l’élément cuivre Avant de manipuler, écoutez avec attention les précautions à prendre et les règles de sécurité rappelées par le professeur Objectifs de la séance : - Mettre en évidence expérimentalement la notion « d’élément chimique ». Mettre en évidence la conservation de l'élément cuivre au cours de quelques transformations chimiques. « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » Anaxagore, dit de Clazomènes(1) Antoine Laurent de Lavoisier (1743 - 1794) 1. Étude préliminaire Depuis l’Antiquité, le « métal rouge » est utilisé par l’homme pour ses vertus antibactériennes, notamment pour soigner les infections et prévenir les maladies. Avant même la découverte des micro-organismes, les Égyptiens, les Grecs, les Romains et les aztèques utilisaient des préparations à base de cuivre pour leurs maux de gorge, éruptions cutanées et pour l’hygiène quotidienne. Le cuivre est un oligo-élément indispensable à la vie (hommes, plantes, animaux, et microorganismes). Le corps humain contient normalement du cuivre à une concentration d’environ 1,4 à 2,1 mg par kg. On le trouve dans le foie, les muscles et les os où il y est transporté par la circulation sanguine au moyen d’une protéine nommée céruléoplasmine. Questions Q1. Recherchez le symbole chimique de l’atome de cuivre ? Q2. Comment peut-on reconnaître simplement le cuivre d’autres métaux comme le fer ou le plomb ? Q3. Qu’est-ce qu’un cation ? Un anion ? Q4. Qu’appelle-t-on transformation chimique ? 1 Anaxagore (500 – 428 av. J.-C.), dit de Clazomènes en Ionie (région historique du monde grec antique située à l'ouest de l'Asie mineure, entre Phocée et Milet), était un philosophe présocratique. On suppose qu'il a donné des cours à Athènes (où il arrive en -478) pendant près d'une trentaine d'années, pendant lesquelles Socrate l'aurait peut-être connu. Il fut le premier philosophe à s’établir à Athènes, où il eut Périclès et Euripide pour élèves. 1 2. Mise en œuvre expérimentale Expérience n°1 : Action de l'acide nitrique sur le cuivre Placer un morceau de tournure de cuivre (Cu) d'environ 1 cm dans un tube à essai. Sous la hotte, munis de gants et de lunettes, ajouter avec précaution environ 1 mL de la solution d'acide nitrique concentré (ions NO3 et H+). Cette expérience s’accompagne d’un dégagement gazeux toxique (NO2), il est impératif de la faire sous la hotte. Faites un schéma de l’expérience et indiquez (couleurs, chaleur, dégagement gazeux,…) ce que vous observez. Préciser (dans un tableau) la forme de l’élément cuivre (atome, ion,…) avant et après la transformation chimique. Expérience n°2 : Action du fer sur une solution contenant des ions cuivre II Dans un tube à essai, introduire un tampon de laine de fer ou un peu de fer en poudre. Ajouter quelques millilitres de la solution contenant des ions Cu2+ (solution de sulfate de cuivre contenant les ions SO42- et Cu2+). Observer. Faites un schéma de l’expérience et indiquez (couleurs, chaleur, dégagement gazeux,…) ce que vous observez. Préciser (dans un tableau) la forme de l’élément cuivre (atome, ion,…) avant et après la transformation chimique. Expérience n°3 : Obtention de l'hydroxyde de cuivre (II) Dans un bécher, verser environ 50mL de la solution de sulfate de cuivre. Ajouter quelques millilitres de la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (ions Na+ et HO). Observer. Filtrer et recueillir le précipité d'hydroxyde de cuivre (Cu(OH)2) obtenu dans une coupelle propre. Faites un schéma de l’expérience et indiquez (couleurs, chaleur, dégagement gazeux,…) ce que vous observez. Préciser (dans un tableau) la forme de l’élément cuivre (atome, ion,…) avant et après la transformation chimique. Expérience n°4 : Chauffage de l'hydroxyde de cuivre (II) Muni de lunettes, chauffer doucement le précipité d'hydroxyde de cuivre (II) dans une coupelle de verre (attention aux projections). Cessez de chauffer quand une nette coloration noire apparaît. Observer. Faites un schéma de l’expérience et indiquez (couleurs, chaleur, dégagement gazeux,…) ce que vous observez. Préciser (dans un tableau) la forme de l’élément cuivre (atome, ion,…) avant et après la transformation chimique. Expérience n°5 : Action du carbone sur l'oxyde de cuivre (CuO) Mélanger intimement une spatule de poudre de carbone et une spatule de poudre d'oxyde de cuivre (II), obtenue dans l’expérience précédente, sur une feuille de papier. Placer le mélange dans un tube à essai puis chauffer. Observer. Faites un schéma de l’expérience et indiquez (couleurs, chaleur, dégagement gazeux,…) ce que vous observez. Préciser (dans un tableau) la forme de l’élément cuivre (atome, ion,…) avant et après la transformation chimique. Questions 2 Q5. En vous aidant des expériences précédentes, remplissez le tableau récapitulatif en annexe. Q6. En vous aidant des expériences précédentes, remplissez le cycle du cuivre en annexe. 3. Conclusion Expliquez ce qu’a voulu dire Lavoisier (ou plutôt Anaxagore de Clazomènes) en énonçant la phrase citée au début de l’activité. Argumentez (justifiez) votre réponse en utilisant les expériences réalisées pendant cette activité expérimentale. ANNEXE Tableau récapitulatif : Formule chimique Couleur État physique Métal, ion ou précipité ? Obtenu dans quelle transformation ? Cu Cu2+ Cu(OH)2 CuO / Cycle du cuivre : Action de l’acide nitrique 3 CORRECTION Réponses aux questions : Q1. Le symbole chimique du cuivre est Cu. Q2. La couleur rouge-orangée est caractéristique du cuivre métallique. Q3. Un cation est un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons alors qu’un anion est un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons. Q4. On appelle transformation chimique, une transformation au cours de laquelle des réactifs (substances présentes au départ) sont consommés pour former des produits nouveaux (substances formées après la transformation). Expérience n°1 : Action de l'acide nitrique sur le cuivre Observations : Le cuivre disparaît : il réagit avec l'acide nitrique. La solution se colore en bleu : il se forme des ions cuivre (II). Un gaz roux apparaît au dessus de la surface du liquide : il s'agit de dioxyde d'azote. 3Cu(s) + 2NO3- + 8H+ 3Cu2+ + 2NO(g) + 4H2O(ℓ) 2NO(g) + O2 (g) 2NO2 (g) Expérience n°2 : Action du fer sur une solution contenant des ions cuivre Observations : - Un dépôt de cuivre se forme sur le tampon de laine de fer ; La solution contenant les ions Cu2+ (bleue) se décolore : les ions cuivre (II) disparaissent. Cu2+ + Fe Cu + Fe2+ Expérience n°3 : Obtention de l'hydroxyde de cuivre (II) 4 OU CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2 + Na2SO4 Cu2+ + 2HO- → Cu(OH)2 Chauffage de l'hydroxyde de cuivre (II) : Observations : Le précipité d'hydroxyde de cuivre noircit. Il se forme de l'oxyde de cuivre (CuO). Cu(OH)2 Chauffage → CuO + H2O (déshydratation) Action du carbone sur l'oxyde de cuivre : Observations : Le mélange devient incandescent. Il se forme un dépôt de cuivre sur les parois du tube. Chauffage 2CuO + C → 2Cu + CO2 5 Q5. Tableau récapitulatif : Formule chimique Aspect couleur État physique Métal, ions ou précipité ? Obtenu par quelle transformation ? Cu rougeorangé solide Métal Transformation mettant en jeu la solution bleue avec le fer Cu2+ bleu pâle en solution Ion Transformation mettant en jeu l’acide nitrique avec le cuivre métal. Cu(OH)2 Bleu Solide Précipité Transformation mettant en jeu les ions cuivre et une solution d’hydroxyde de sodium CuO Noir Solide / Transformation mettant en jeu le carbone et l’oxyde de cuivre Q6. Cycle du cuivre : Remarque : justification du titre du TP L'élément cuivre représente ce qui est commun Au métal cuivre. A l'ion cuivre (II). A l'hydroxyde de cuivre (II). A l'oxyde de cuivre. Malgré la diversité des apparences de tous ces composés. Au cours de ces différentes transformations chimiques, l'élément cuivre s'est conservé. 6 FICHE TP THEME L'UNIVERS DOMAINE Les éléments chimiques présents dans l’Univers Type d’activité : activité expérimentale (durée : 1 h 30) Pré-requis : (classe de 3ème) - Savoir ce qu'est un ion, un cation, un anion ; NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUES Les éléments chimiques présents dans l’Univers : au sein des étoiles se forment des éléments chimiques qui font partie des constituants de l’Univers. La matière qui nous entoure présente une unité structurale fondée sur l'universalité des éléments chimiques. Éléments chimiques. Pratiquer une démarche expérimentale pour vérifier la Isotopes, ions monoatomiques. conservation des éléments au cours d’une réaction Caractérisation de l’élément par son numéro atomique chimique. et son symbole. Compétences transversales : - Comprendre un énoncé, une consigne ; Répondre à une question par une phrase complète ; Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté ; Travailler en équipe. Matériel (par table) : - 6 tubes à essais sur portoir ; 3 béchers de 100 mL ; 1 entonnoir sur support + papier filtre ; 1 erlenmeyer de 100 mL ; 1 bec électrique ; 1 coupelle métallique (chauffage de Cu(OH)2) ; Papier de verre ; 1 pince en bois ; 1 spatule ; Tournure de cuivre et laine de fer ; Solution de sulfate de cuivre (c = 5.10-2mol.L-1) ; Solution d'hydroxyde de sodium (c = 2 mol.L-1) ; Gants et lunettes. Matériel (Bureau professeur) : - Solution d'acide nitrique (c = 8 mol.L-1) ; Carbone végétal ; Oxyde de cuivre (II), CuO ; 2 spatules ; Déroulement de la séance : Expérience n°1 : On attend une description de ce qui se passe : dégagement d’un gaz au niveau du cuivre, coloration bleue, vapeurs rousses, et surtout, DISPARITION TOTALE du cuivre. Il faut laisser l’expérience arriver à son terme ; c’est essentiel pour la suite, car l’élève ne doit plus voir le cuivre sous sa forme métallique. La teinte du gaz roux est très légère du fait de la faible quantité de cuivre utilisée. C’est préférable pour la santé de tout le monde… Pour un élève de seconde, une phrase couramment entendue est : « l’acide attaque (ronge) le métal ». Ceci implique que ce n’est pas « le métal qui attaque l’acide ». Ceci est cohérent avec le fait que l’élève voit le métal disparaître, l’acide nitrique ne semble pas être consommé, ce qu’il constate apparemment puisque que le niveau du liquide « acide nitrique » n’a pas changé. Il s’agit d’une conception classique chez les élèves. C’est lorsque l’élève étudiera le modèle de la réaction chimique qu’il pourra comprendre que l’un n’agit pas sur l’autre, mais que les deux réagissent ensemble. 7 Pendant que la transformation chimique se déroule, déposer avec une pipette quelques gouttes d’acide nitrique sur la partie brillante d’une lame de fer. Au bout de quelques secondes, rincer la lame à l’eau du robinet et observer. On voit une tache claire (le fer est décapé). Le fait de mettre de l’acide nitrique sur du fer permet aux élèves de ne pas croire que, lors de la transformation suivante, ce qui est observé est dû à l’acide nitrique. Cette démarche scientifique permet de diminuer l’arbitraire en donnant aux élèves des arguments pour comprendre la situation. Quand la transformation chimique mettant en jeu le cuivre et l’acide nitrique est terminée, ajouter 1 à 2 mL d’eau du robinet dans le tube : homogénéiser avec un agitateur. Avec une pipette, prélever un peu de la solution bleue et en déposer quelques gouttes au milieu de la partie brillante de la lame de fer. Après quelques secondes, rincer la lame à l’eau du robinet et l’éponger avec un papier absorbant sans frotter. Faire identifier la tache aux élèves. Le dépôt de cuivre est immédiat. Les élèves reconnaissent fréquemment la couleur : « c’est couleur cuivre ». Si les élèves ont dû décaper la rouille juste avant l’expérience, ils sont plus à même de proposer comme réponse « c’est de la rouille ». Cette interprétation représente une distraction inutile du « bon » raisonnement. Cette difficulté doit être prise en compte par le professeur. 8
