TP C1 : Pourcentage de cuivre dans une pièce de monnaie

La mesure en chimie
TP C1 : Pourcentage de cuivre dans une pièce de monnaie
1S
Objectifs :
✔ Prendre conscience de la nécessité de la
sécurité en chimie.
✔ Déterminer une concentration à l'aide d'une
échelle de teinte.
✔
✔
Travailler
avec
les
concentration,
pourcentages.
Effectuer un calcul et une manipulation de
dilution.
1 Introduction
Lors de ce TP, nous allons essayer de déterminer le pourcentage massique de cuivre d'une pièce de 10
centimes de franc. Nous allons d'abord dissoudre la pièce dans une solution d'acide nitrique concentrée et
ensuite comparer la solution obtenue à une échelle de teinte préparée. On pourra calculer ensuite la quantité
de cuivre présente dans la pièce.
2 Petite étude préalable
Extraire des fiches toxicologiques les informations concernant l'acide nitrique et les oxydes d'azote permettant de
réponde aux questions suivantes (les réponses sont à justifier !) :
✔ Quelles précautions prendre pour la manipulation de l'acide nitrique ?
✔ Lors de la réaction entre la pièce et l'acide nitrique, il y a dégagement d'oxydes d'azote. Où effectuer la
réaction ?
3
Réaction de la pièce avec l'acide nitrique
3.1 On effectue la pesée de la pièce. Noter sa masse m dans le compte-rendu.
3.2 Sous la hotte, la pièce est placée dans un erlenmeyer de 250mL et est recouverte d'acide nitrique
( HNO 3, H 2 O ) concentrée.
3.3 Qu'est devenu le cuivre contenu dans la pièce de monnaie ?
3.4 Pendant la réaction chimique, on observe le dégagement d'un gaz roux. Quel est ce gaz ? Compléter et
équilibrer (déterminer a et b ) la réaction chimique entre le cuivre ( Cu ) et l'acide nitrique :
3−
8Haq 8 NO−3aqa Cu s=a Cu2
 aqb NO  aq2 NO g 4 H 2 O l 
3.5 Le monoxyde d'azote ( NO ) réagit avec le dioxygène de l'air pour donner du dioxyde d'azote ( NO 2 ). Écrire et
équilibrer l'équation correspondante.
3.6 À la fin de la réaction, on place le contenu de l'erlenmeyer dans une fiole jaugée de V =500 mL et on complète
jusqu'au trait de jauge. On appelle cette solution S .
4 Préparation et usage de l'échelle de teinte
On prépare l'échelle de teinte par dilution d'une solution mère nommée S 0
4.1 Préparation de la solution mère S 0 .
✔ Peser une masse m 0 =7,50 g de sulfate de cuivre(II) pentahydraté ( CuSO 4 ,5H 2 O ).
✔ Verser dans un fiole jaugée de V 0 =100 mL le solide pesé et verser de l'eau distillée en restant bien en
dessous du trait de jauge.
✔ Agiter.
✔ Compléter à l'eau distillée jusqu'au trait de jauge. Agiter. La solution est prête.
✔
Calculer la masse molaire du sulfate de cuivre M CuSO 4 , 5H 2 O  . Calculer la quantité de matière de
2
sulfate de cuivre n CuSO4 ,5H 2 O  . Calculer la concentration molaire [Cu aq  ]0 de la solution mère S 0 .
Année 2008/2009 - 1/1
TP C1 : Pourcentage de cuivre dans une pièce de monnaie
4.2 Préparation des solutions filles S 1 , S 2 , S 3 et S 4 .
✔ Préparer à chaque fois un volume de solution de 10mL de solution fille. Les volumes de solution mère à
prélever sont dans le tableau ci-dessous. Vous pouvez vous aider de la fiche « Faire une dilution » pour cette
manipulation.
✔
Solution
S1
S2
S3
S4
Volume de solution mère à prélever v ( mL )
1
3
6
9
2
2
2
2
Calculer les concentrations molaires [Cuaq  ]1 , [Cu aq  ]2 , [Cuaq  ]3 et [Cuaq  ]4 des solutions filles S 1 , S 2 ,
S 3 et S 4 .
4.3 Usage de l'échelle de teinte.
✔ Verser un peu de solution S dans un tube à essai.
✔ faire de même pour les solutions S 1 , S 2 , S 3 et S 4 .
✔ Comparer les teintes des tubes à essai avec celui contenant la solution S .
✔
5
Quel est le tube à essai ce rapprochant le plus de celle du tube contenant la solution S ? Pourquoi
comparer les teintes ?
Exploitation
2
5.1 Déterminer la concentration en ion cuivre(II) [Cuaq  ] de la solution S .
5.2 Calculer la quantité de matière n Cu  d'ions cuivre(II).
2
5.3 Quelle relation y a t-il entre la quantité de matière d'ions cuivre(II) et la quantité de matière de métal cuivre
n Cu  présent initialement dans la pièce ?
5.4 Calculer la masse de cuivre m Cu présente initialement dans la pièce ?
5.5 Calculer le pourcentage massique de cuivre pCu présent dans la pièce ?
5.6 La pièce avait initialement un aspect jaune alors que le métal cuivre est rouge-orangé ? Connaissez-vous un
alliage (mélange de métaux ou d'autre constituants sans réaction chimique) à base de cuivre dont la couleur est
jaune ?
année 2008/2009 - 2/2
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Correction
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Introduction
Petite étude préalable
✔
✔
3
Quelles précautions prendre pour la manipulation de l'acide nitrique ?
➔ Liquide très corrosif donc gants et lunettes.
Lors de la réaction entre la pièce et l'acide nitrique, il y a dégagement d'oxydes d'azote. Où effectuer la
réaction ?
➔ Les oxydes d'azotes sont des gaz toxiques donc manipulation sous hotte.
Réaction de la pièce avec l'acide nitrique
3.1 On effectue la pesée de la pièce. m= 3,0g
3.2 3.3 La réaction a transformé le cuivre métal en ion cuivre (II) (de couleur bleue).
3.4 Le gaz est du dioxyde d'azote ( NO 2 )

8Haq 8 NO−3aq3Cu s =3 Cu2 aq
6 NO 3− aq2 NO  g 4 H 2 Ol 
3.5 2 NO  g O 2 g =2 NO 2  g 
3.6 4 Préparation et usage de l'échelle de teinte
On prépare l'échelle de teinte par dilution d'une solution mère nommée S 0
4.1 Préparation de la solution mère S 0 .
✔
−1
m CuSO 4 ,5H 2 O =249,6 g.mol
2
[Cu aq  ]0 =
,
nCuSO 4 , 5H 2 O=
mCuSO 4 , 5H2 O 
−2
=3,00 .10 mol ,
M CuSO 4 ,5H 2 O 
n CuSO 4 , 5H 2 O 
−1
−1
=3,00 .10 mol.L
V0
4.2 Préparation des solutions filles S 1 , S 2 , S 3 et S 4 .
2
2
[Cu aq ]0 V 1
[Cuaq  ]0 V 2
2
−2
−1
2
−2
−1
✔
[Cuaq  ]1 =
=3,0.10 mol.L , [Cuaq  ]2=
=9,0.10 mol.L ,
V0
V0
2
2
[Cu aq ]0 V 3
[Cuaq  ]0 V 4
2
−1
−1
2
−1
−1
et
[Cuaq  ]3 =
=1,8.10 mol.L
[Cuaq  ]4=
=2,7.10 mol.L .
V0
V0
4.3 Usage de l'échelle de teinte.
✔ Quel est le tube à essai ce rapprochant le plus de celle du tube contenant la solution S ? Pourquoi
comparer les teintes ?
➔ Le tube 2 semble être le plus approprié. On compare les teintes car l'intensité de la couleur est
proportionnelle à la concentration de l'ion coloré Cu2 (loi de Beer-Lambert).
5
Exploitation
2
2
5.1 On choisit le tube 2 donc [Cu aq  ]=[Cuaq  ]2
2
2
−2
5.2 nCu =[Cu aq ]V =4,5.10 mol
2
5.3 nCu=nCu  (conservation de la matière)
5.4 m Cu=nCu  M Cu =2,8g
m Cu
=0,933=93,3 %
5.5 pCu=
m
5.6 La pièce doit être en laiton (alliage de Cuivre et de Zinc).
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