act3.5b - element chimique Cu _correction

Seconde – Sciences Physiques et Chimiques
Activité 3.5b
1ère Partie : L’Univers – Chapitre 3
Correction
La notion d’élément chimique (correction)
Expérience n°1 : attaque acide du cuivre métallique
fumées rousses (NO2 (g))
ajout d’eau
tournures de cuivre métallique Cu(s)
solution (S)
tournures de cuivre dans
l’acide nitrique concentré
Protocole
Sous la hotte aspirante, dans un erlenmeyer de 250 mL ou dans un grand tube à essai, on place un
fond d’acide nitrique concentré puis on dépose quelques morceaux de tournure (copeaux) de cuivre.
Après quelques minutes, on ajoute quelques millilitres d’eau distillée.
Observations
Une effervescence se forme rapidement ; un gaz roux apparaît dans l’erlenmeyer et le liquide,
initialement incolore, devient vert. A l’ajout d’eau distillée, ce liquide devient bleu turquoise. Les
morceaux de cuivre ont disparu !
Interprétations
La couleur du gaz est caractéristique : il s’agit de dioxyde d’azote, NO2 (g). Ce gaz dérive de l’acide
nitrique initial, (H3O+(aq) + NO3–(aq)) ; la couleur turquoise obtenue est elle aussi caractéristique : c’est
celle des ions Cu2+(aq). Le cuivre métallique Cu(s) n’a donc pas disparu : il s’est transformé en une
espèce en phase aqueuse, les ions cuivre(II), Cu2+(aq).
Cu(s)  Cu2+(aq)
NB : en réalité, la réaction dégage du monoxyde d’azote NO(g) qui se combine au dioxygène O2 (g) de
l’air pour donner le dioxyde d’azote NO2 (g) roux.
Expérience n°2 : action de la soude sur la solution (S) obtenue
Protocole
Dans un tube à essai contenant un peu de solution (S) obtenue
précédemment dans l’expérience n°1, on ajoute quelques gouttes de
solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO–(aq)).
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Correction
Observation
Des grumeaux de couleur bleu-noir et gélatineux se forment au fond du tube. Cette position semble
indiquer que ces grumeaux sont solides, ce qu’on constate aisément par filtration.
Interprétations
L’ions Cu2+(aq) présent initialement dans la solution (S) réagit : cette solution se décolore (d’autant
plus si l’on rajoute « beaucoup » de soude). Les ions Cu2+(aq) ne peuvent réagir qu’avec un anion : les
ions hydroxyde HO–(aq). Le précipité bleu-noir obtenu est l’hydroxyde de cuivre(II), Cu(OH)2 (s).
Cu2+(aq) + 2 HO–(aq) = Cu(OH)2 (s)
Expérience n°3 : déshydratation du précipité obtenu
Protocole
A l’aide d’un bec électrique, on chauffe le précipité précédent
pendant quelques minutes, en agitant constamment le tube à essai.
Observations
Le précipité tourne au noir.
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Interprétations
Le précipité d’hydroxyde de cuivre(II), initialement bleu-noir, s’est transformé en précipité
complètement noir : il s’est déshydraté, c’est-à-dire a perdu de l’eau (qui s’est évaporée) :
Cu(OH)2 (s) = CuO(s) + H2O(l)
Expérience n°4 : action de l’acide chlorhydrique sur le précipité obtenu
Protocole
On ajoute quelques gouttes d’acide chlorhydrique
(H3O+(aq) + Cl–(aq)) au précipité précédent (en l’ayant laissé
refroidir).
Observations
Le précipité « disparaît » et laisse place à une solution de couleur bleu turquoise.
Interprétations
Le précipité d’oxyde de cuivre(II) s’est transformé en ions Cu2+(aq).
CuO(s)  Cu2+(aq)
Expérience n°5 : action du fer métallique sur la solution précédente (S’)
Protocole
On place quelques filaments de paille de fer au fond d’un
tube à essai comportant la solution précédente (S’).
Observations
La paille de fer se couvre d’une pellicule rougeâtre et la
solution, initialement turquoise, se décolore.
Interprétations
Le dépôt rougeâtre est dû à la formation de cuivre solide
et la décoloration à la « disparition » des ions Cu2+(aq).
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Activité 3.5b
1ère Partie : L’Univers – Chapitre 3
Correction
Le cycle du cuivre
Expérience n° 1
Action de l’acide nitrique
Cu(s)
Expérience n° 2
Action de la soude
Cu(OH)2 (s)
Cu2+(aq)
Expérience n° 3
Action de la chaleur
Expérience n° 5
Action du fer métallique
Cu2+(aq)
Expérience n° 4
Action de l’acide chlorhydrique
CuO(s)
Pour aller plus loin : déterminer la composition d’une
pièce de monnaie.
Plongée dans l’acide nitrique concentré, une pièce de 10
centimes d’euros se dissout. L’alliage (ou or) nordique
dont elle est constituée comporte en masse 89 % de cuivre,
5 % d’aluminium, 5 % de zinc et 1 % d’étain. On peut le
vérifier par dosage (ci-contre, un dosage par échelle de
teintes).
Dimensions de la pièce : 19,75 mm de diamètre, 1,51 mm d’épaisseur (soit V = 462,6 mm3)
Masse de la pièce : 4,1 g
 Calculer une 1ère valeur de la masse volumique de la pièce.
m
m
4,1.103
 

 8,9.103 kg.m 3
3 2
V  r ²h
 19,75.10 
3
 
  1,51.10
2


On donne la densité du cuivre (8,93), de l’aluminium (2,56), du zinc (6,87), de l’étain (7,30).
 En pondérant par les pourcentages massiques, donner une 2ème valeur de la masse volumique de
la pièce.
d  0,89  8,93  0,05  2,56  0,05  6,87  0,01 7,30  8,5
 On ne trouve pas la masse volumique estimée… Pourquoi ??
L’alliage formé est en fait une nouvelle espèce chimique, au sein de laquelle les différents éléments ne sont pas
sous forme métallique pure et simple : du fait de la façon intime dont les métaux se combinent pour donner
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1ère Partie : L’Univers – Chapitre 3
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Correction
l’alliage, sa masse volumique diffère de la moyenne pondérée des masses volumique des métaux qui le
constituent.
Remarque
Les pièces de 1 à 5 centimes sont faites d’acier recouvert de cuivre ; celles de 1 et 2 euros sont en alliages de
cuivre, de nickel et de zinc.
Les pièces de 1, 2 et 5 centimes d’euro sont en acier recouvert d’une fine couche
de cuivre. Certaines de ces pièces ont une belle couleur cuivrée brillante alors
que d’autres sont ternes, leur couleur étant assombrie par la présence d’un
oxyde de cuivre (CuO). Trempée dans l’acide chlorhydrique, l’oxyde se
transforme en ions Cu2+ et la couleur brillante du cuivre est restituée.
Conclusion générale
La Pierre Philosophale (ou Pierre des Sages), centre d'intérêt de l'alchimie représente l'aboutissement
de ce qui était appelé le Grand œuvre. Cette « pierre » serait une substance capable de réaliser la
transmutation des métaux « vils » - il faut comprendre non-précieux - en or. On pourrait également
en extraire la Panacée ou Élixir de Longue Vie, qui aurait le pouvoir de guérir tous les maux et rendrait
immortel celui qui le boit. Pour les alchimistes du Moyen-Âge, la Pierre était le « cinquième
élément », nommé alkahest (les quatre éléments connus étant la terre, l'eau, l'air et le feu). Dans un
sens métaphorique et ésotérique, la Pierre Philosophale représenterait l'Amour, puisque « tout ce qui
est touché par l'amour devient de l'Or » et cet or essentiel serait donc synonyme du bonheur que
recherche tout être humain.
En chimie, il n’est pas possible de transmuter les métaux, c’est-à-dire de transformer l’un en l’autre.
En effet, l’élément chimique se conserve au cours des réactions chimiques : deux métaux différents
appartenant à deux éléments différents, il n’est pas possible de les transformer les uns en les autres.
Nous verrons plus tard que le plomb est un atome constitué de 82 protons alors que l’or en compte
79 : il faudrait enlever 3 protons au noyau de plomb pour obtenir de l’or. La chimie ne touche pas aux
noyaux atomiques, c’est le domaine de la physique nucléaire. Seule la physique nucléaire pourrait en
être capable, mais avec des moyens techniques et financiers tels que l’opération n’est, évidemment,
pas du tout rentable !!
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