Le cuivre a des propriétés remarquables extrêmement nombreuses

LE
CUIVRE ET SES ALLIAGES DANS L’HABITAT.
ÉTUDE D’UN PROTOCOLE EXPERIMENTAL - CORRIGE
Le cuivre a des propriétés remarquables extrêmement nombreuses, il a donc était utilisé dans l’habitat de tout
temps. Ses 2 propriétés dominantes sont sa conductibilité électrique et thermique d'une part et sa résistance à
la corrosion d'autre part. Mais à ces deux propriétés de base, il faut souvent ajouter des propriétés de
résistance mécanique, d'aptitude à la mise en œuvre ou à l'usinage, que le cuivre ne possède pas ou
insuffisamment. On fait alors appel aux alliages de cuivre.
Les laitons et les bronzes sont connus depuis plusieurs siècles avant J.C. ("Age du bronze"), ce sont tous des
alliages cuivre-zinc.
Quel est le % en cuivre d’un fil de laiton ?
Données
• Les espèces chimiques mises en jeu
Ions Cu2+ (aq)
Couleur bleue
en solution
aqueuse
•
•
•
Dioxyde d’azote,
NO2(g), gaz roux
Monoxyde d’azote,
NO(g), gaz incolore
-
Solution S0 d’acide nitrique
concentré HNO3:
Densité 1,38
Pureté : 63 % en masse
Masse molaire :
M = 63,01 g.mol-1
Masses molaires atomiques (en g/mol) : Cu : 63,5 ; H = 1 ; N = 14 ; O = 16
Couples rédox mis en jeu : Cu2+ (aq) / Cu (s) ; NO3- (aq) / NO(g)
Relation entre couleur et longueur d’onde dans le vide.
Couleur absorbée
Longueur d’onde (nm)
Couleur complémentaire
violet
400 - 424
jaune - vert
bleu
424 - 491
jaune
vert
491 - 575
pourpre
jaune
575 - 585
bleu
orange
585 - 647
vert - bleu
rouge
647 - 850
bleu- vert
Expérience 1 : réaction entre la cuivre et l’acide nitrique.
Mode opératoire
• Peser un morceau de laiton : m = 1,500 g
• Placer le morceau de laiton dans un erlenmeyer
• Y ajouter, à laide d’une éprouvette graduée, 100,0 mL d’une solution S0 d’acide nitrique concentré en
excès.
• Après disparition complète du solide, verser la solution obtenue dans une fiole jaugée de 500 mL,
partiellement remplie d’eau distillée.
• Compléter au trait de jauge avec de l’eau distillée et agiter. On obtient la solution SX.
Questions
1. Dessiner ci-dessous, la verrerie utilisée
Erlenmeyer
Éprouvette graduée
2. Déterminer la concentration molaire apportée de la
reproduite ci-dessus.
Fiole jaugée
solution S0 d’acide nitrique dont l’étiquette est
C0 =
μsol
m HNO3 = 63 ×
msol
= 63 ×
= 13,8 mol/ L
M HNO3 ×Vs 100 M HNO3 × Vs 100 M HNO3
3. La réaction qui a lieu est une réaction rédox entre le cuivre métal et les ions nitrates NO3- (aq) en milieu
acide.
a- Le cuivre métal est-il oxydé ou réduit ? oxydé
b- Écrire les demi- équations des deux couples rédox mis en jeu
Cu2+ (aq) + 2 e = Cu(s)
NO3- (aq) + 4 H+(aq) + 3 e = NO(g) + 3 H2O
c- Écrire l’équation de la réaction mise en jeu (on considérera cette réaction comme totale):
2 NO3- (aq) + 3 Cu(s) + 8 H+(aq) = 2 NO(g) + 3 Cu2+ (aq) + 4 H2O
4. En réalité, le monoxyde d’azote qui se dégage, NO(g), est immédiatement oxydé par le dioxygène de l’air
en dioxyde d’azote, NO2(g). Écrire l’équation de la réaction associée à cette transformation.
NO(g) + ½ O2(g) = NO2(g)
5. Décrire avec soin les observations faites lorsque le morceau de laiton réagit avec la solution S0 en justifiant
vos affirmations.
-
On observe un dégagement gazeux roux de NO2
Le morceau de laiton réagit et disparaît complètement
La solution devient bleue (légèrement verte, à cause du gaz roux dissous en solution) de part la
formation d’ions Cu2+
6. Quelles sont les précautions expérimentales à prendre lorsque l’on réalise cette expérience ?
-
travailler sous la hotte, à cause du dégagement toxique de dioxyde d’azote
mettre des gants pour manipuler la solution concentrée d’acide nitrique (corrosif)
7. En supposant que le fil de laiton est constitué de 100 % de métal cuivre, calculer la quantité de matière de
cuivre maximale introduite initialement.
n°(Cumax) = m / MCu = 1,500/63,5 = 2,362.10-2 mol
8. Montrer que l’acide nitrique a bien été introduit en excès.
63 × μsolu ×Vsol = 63 × 1,38 × 10,0 = 0,138 mol
100
M HNO3
100
63
n°(HNO3) / 2 > n°(Cumax) / 3 ⇒ l’acide nitrique est en excès, Cu est le limitant.
n° (HNO3) =
9. En supposant que le fil de laiton est constitué de 100 % de métal cuivre, calculer le volume de monoxyde
d’azote formé par cette réaction.
Dans les conditions de cette expérience le volume molaire vaut Vm = 25 L.mol-1
V(NO) = n(NO) × Vm = 2 × n°(Cumax) × Vm / 3 = 394 mL
Expérience 2 : titrage des ions cuivre II formés par spectrophotométrie
•
Tracer le spectre d’absorption d’une solution aqueuse de nitrate de cuivre II de concentration molaire
apportée 1,0.10-1 mol.L-1 (Cf. figure 1).
• A partir d’une solution mère de sulfate de cuivre, S1, de concentration molaire apportée 1,0.10-1 mol.L-1,
préparer 50,0 mL des différentes solutions « filles », Si, dont les concentrations Ci sont indiquées dans le
tableau ci-dessous
Mesure d’absorbance
• Faire le blanc
• Mesurer l’absorbance des différentes solutions filles.
• Tracer la courbe d’étalonnage (obtenue sur la figure 2)
• Mesurer l’absorbance de la solution S obtenue lors de l’expérience 1. on trouve A = 0,315
Si
Ci (10 mol.L-1)
V0 : volume de solution
mère à prélever en mL
-2
S2
2
S3
3
S4
4
S5
5
S6
6
S7
8
Questions
1. Déterminer la longueur d’onde à utiliser pour réaliser les différentes mesures d’absorbances.
Il faut se placer au maximum d’absorption soit à λmax = 810 nm
2. A partir du spectre d’absorption, justifier la couleur bleue d’une solution aqueuse d’ions cuivre II.
λmax = 810 nm ; les radiations absorbées sont rouges, les ions Cu2+ (aq) sont de la couleur complémentaire, c’està-dire bleue.
3. Compléter le tableau donnant les concentrations des différentes solutions filles, en indiquant le volume de
solution mère à prélever.
Si
Ci (10-2 mol.L-1)
A
V1 : volume de solution mère à
prélever en mL
S2
1
0,107
5
S3
2
0,220
10
S4
5
0,554
25
S7
8
0,890
40
4. Avec quelle solution doit-on faire le blanc ? Pourquoi est-il nécessaire de faire le blanc ? Sur quelle
propriété de l’absorbance repose cette opération ?
-
Le blanc doit être réalisé avec de l’acide nitrique (accepter eau distillée)
Le blanc permet de mesurer l’absorbance du seul ion Cu2+ , sans avoir à tenir compte de l’absorbance
du solvant et des parois de la cuve
L’absorbance est une grandeur additive
5. Déterminer la concentration en ions cuivre II de la solution S obtenue à la fin de l’expérience 1
En utilisant la courbe d’étalonnage : Cx = 2,84.10-2 mol.L-1
6. En déduire la masse de cuivre dans l’échantillon de laiton utilisé
D’après l’équation de la réaction supposée totale : n° Cu = n(Cu2+ formé) = Cx ×V avec V = 500 mL
soit n° Cu = 1,42.10-2 mol
7. Calculer le % massique en cuivre de cet échantillon.
% massique = n°Cu × 100 / n°(Cumax) = 60,1 %
A
Absorbance en fonction de la concentration en
ions Cu2+ - figure 2
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,00E+00
2,00E-02
4,00E-02
6,00E-02
8,00E-02
C (mol/L)
1,00E-01