TP: Electrolyse : Purification du cuivre et anodisation de l

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TP: Electrolyse : Purification du cuivre et anodisation
de l'aluminium
Consignes de sécurité de base:
Porter une blouse en coton, pas de nu-pieds
Porter des lunettes, des gants.
Pas de lentilles de contact
S’attacher les cheveux
En cas de doute sur la manière de procéder en manipulant une espèce chimique, demander
au professeur ou se reporter au ''Classeur du laboratoire''.
Commentaires :
Compétence
expérimentale:
Compte rendu:
Bilan:
1)Electrolyse d'une solution de sulfate de cuivre
1.1)Epérience
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Décaper entièrement deux lames de cuivre avec du
papier de verre.
Mesurer les masses initiales m1i et m2i des deux lames
et relever les valeurs des masses au centième de
gramme.
Placer les lames dans un bécher de 100mL comme
l'indique le schéma ci-contre, et le tout sur un agitateur
magnétique.
Alumer le générateur et le régler sur 10V à vide, puis
l'éteindre.
Réaliser le circuit électrique ci-contre.
Ajouter 75mL d'une solution de sulfate de cuivre à 1
mol.L-1.
Mettre en route une agitation modérée.
Faire vérifier le montage.
Déclencher le chronomètre et alumer le générateur
(Régler la tension afin que le courant circulant en
solution soit de 0,5A. Maintenez cette valeur pendant
Δt=15min exactement.
1.2)Etude de l'électrolyse
1)Quelles sont les espèces chimiques présentes dans le système chimique lors de l'électrolyse ?
2)Quels sont les porteurs de charges dans la solution et dans les parties metalliques ?
3)Indiquer sur le schéma leur sens de déplacement au cours de l'électrolyse.
4)A quelle lame correspond l'anode et la cathode ? Indiquez les sur le schéma.
5)Sachant que le seul couple (Cu2+/Cu) intervient dans les réactions aux electrodes, écrire les
équations de réaction à l'anode et à la cathode.
6)Quelle est la valeur de la constante d'équilibre de cette réaction ?
7)Que peut-on dire de la concentration en Cu2+ au cours de l'électrolyse ?
8)Comment varie la masse des électrodes à l'anode et à la cathode ?
9)Montrer que l'augmentation de masse à la cathode est donnée par la relation
 M Cu
ΔmCu=I . Δt .
2F
Au bout de 15 min exactement, éteindre le générateur, retirer les lames, les sécher
délicatement et observer. Vous noterez vos observations dans le compte rendu.
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Mesurer la masse des deux lames. Soient m1f et m2f les deux nouvelles masses. Calculez les
variations Δm1 et Δm2. Que remarquez vous ? L'electrolyse suivante est appelée électrolyse
à anode soluble. Justifier cette appélation.
Ce type d'électrolyse est appelée electro-affinage du
cuivre. Dans ce cas le métal impur forme les anodes;
les cathodes sont des feuilles de cuivre pur alternant
avec les anodes; l'électrolyte est une solution de
cuivre II. Les impuretés restent sur l'anode ou tombent
au fond de la cuve électrolytique. Elles sont en partie
constituées de métaux précieux (Ag et Au) qui sont
réccupérés. Une raffinerie de ciuvre qui produit 600t
de cuivre par jour utillise 1492 cuves électrolytiques
contenant chacunes 46 anodes...
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Pour en savoir un peu plus : http://fr.wikipedia.org/wiki/Cuivre
2)Anodisation de l'aluminium
2.1)But de l'anodisation
L'alumine, métal très réducteur, s'oxyde facilement à l'air. La couche
d'alumine Al2O3 ainsi formée, d'une épaisseur de quelques nanomètre
protège le métal contre la corrosion.
Cependant, cette couche naturelle, vu sa très faible épaisseur, est
sujette à la déterioration par diverses agressions chimiques ou
mécaniques, ce qui nuit à son aspect.
L'anodisation est un procédé qui permet de créer une couche d'alumine à la surface de
l'aluminium. L'épaisseur de cette couche varie entre 5 et 25μm. L'intêret de cette couche est de
protéger plus efficacement le métal contre la corrosion. L'aluminium ainsi traité est connu sous le
nom d'aluminium anodisé. On peut aussi simultanément déposer un colorant donnant un bel aspect
à la pièce traitée.
Ces réactions provoquent donc la formation d’une couche d'alumine qui est par ailleurs un
très bon isolant. L’électrode d’aluminium se recouvrant d’une pellicule isolante risque donc de
stopper l’électrolyse. C’est pour cette raison qu’il faut utiliser un électrolyte tel que l’acide sulfurique
qui dissout partiellement la couche d’alumine. On obtient alors à la surface de la plaque
d’aluminium des structures d’alumine hexagonales et poreuses permettant à l’électrolyse de se
poursuivre et à la couche d’alumine de continuer à épaissir.
Les pigments apportés lors du bain dans le rouge d’alizarine viennent alors combler ces pores.
Pour finir, le traitement à l’eau bouillante forme des cristaux de böhmite (Al2O3, H2O) qui recouvrent
le tout et maintiennent les pigments dans les pores. La coloration est donc fixée.
2.2)Expèrience
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Mettre des gants et des lunettes et décaper la plaque
d'aluminium de la manière suivante :
Dégaissage à l'aide d'acétone et d'un chiffon.
Lavage (une minute environ) par immersion dans une
solution concentrée (5mol.L-1) de soude. Rincage à l'eau
courante.
Lavage (qq secondes) dans une solution d'acide nitrique
(1mol.L-1) et rinçage abondant à l'eau courante.
Placer les lames de plomb et d'aluminium dans le bécher de
250mL comme l'indique le schéma ci-contre.
Alumer le générateur et le régler sur 12V à vide, puis
l'éteindre.
Ajouter 100mL d'une solution d'acide sulfurique à 2 mol.L-1
Mettre en route une agitation modérée.
Déclencher le chronomètre et alumer le générateur (Régler la tension afin que le courant
circulant en solution soit de environ 50mA. Maintenez cette valeur pendant Δt=20min
exactement. Pendant ce temps, mettre à chauffer une solution d'éosine ou d'alizarine placée
dans un bécher de 100mL.
Repérer la limite supérieure d'immersion de la plaque.
Sortir les plaques et les rincer à l'eau courante distillée puis les planger dans un solution
d'ammoniaque pour enlever les traces d'acide. Rincer à nouveau.
Colorer la plaque par trampage dans le colorant (rouge alizarine) en immergeant totalement
la plaque quelques minutes. Puis stopper la coloration par immertion dans de l'eau froide.
2.3)Etude de l'électrolyse
1)Quelles sont les espèces chimiques présentes dans le système lors de l'électrolyse ?
2)A quelle lame correspont l'anode et la cathode ?
3)Qu'observe-t-on à la cathode ? Ecrire les équations des réactions susceptibles de se produire à
cette électrode. On donne les couples (H+aq/H2(g) (SO42-aq/SO2aq) Quelle espèce se forme
effectivement ?
4)Qu'observe-t-on à l'anode ? Quelle espèce se forme à l'anode ? Ecrire la demi-équation
électronique qui se produit à l'anode.
On observe un dépos d'alumine. L'équation assiciée à cette réaction est :
5)En déduire l'équation globale de la réaction d'électrolyse.
6)On donne la masse volumique de l'alumine Al2O3
ρ(Al2O3)=3,20g.cm-3. Exprimer l'épaisseur e de la couche
d'alumine qui se forme sur la surface immergée S de la
plaque d'aluminium.