Activité expérimentale 6 Quelle masse de cuivre

contient une pièce de 10 centimes d’euro ?

Pour répondre à la question donnant son titre à notre activité, voici quelques documents, provenant de diverses sources, qui peuvent être utiles : La pièce de 10 centimes a une masse de 4,10 g et elle contient 89 % de cuivre, soit une masse mCu de cuivre égale à mCu = 0,89 x 4,10 = 3,65 g.

Ledocumentsur lesacidescapablesdedissoudrelesmétauxindiquetoutd’abordqu’il faudralesmanipuler avecprécaution, c’est à dire avecdes gants, des lunettes, et probablement soushotte. Nous diposons des 3 acides cités: l’acide sulfurique H2SO4, l’acide nitrique HNO3 etl’acide chlorhydrique HCl. Ce sont des acides forts, donc leur nom indique leur formulemoléculaire, mais en fait, il n’existe pas du tout sous cette forme dans l’eau car ils sonttotalementhydrolysés.SinouslesnotionstousHA,ilsepassecettetransformationquantitative:

AH + H!O !"!#$%

H!O! + A!D’aprèsceque l’ondit, l’acidesulfuriqueréagituniquements’ilestconcentréetchaudavec lecuivre.Commel’acidechlorhydriquecontientlemêmeoxydantcapabledeprendrelesélectronsaucuivrequel’acidesulfurique,onpeutpenserquecen’estpaslemeilleuracide.Onindiqueparailleursquel’acidenitriqueréagitbienaveclecuivreparcequ’ilcontientuntrèsbonoxydant:l’acidenitriqueconcentré.Notrechoixseportedoncsurl’oxydationducuivreparl’acidenitriqueHNO3.IlseformeparcontreNO, gaz rapidementoxydéenNO2par ledioxygènede l’air. Examinons rapidement lesfichesdesécuritédecesespèces,ilestindispensabled’effectuercetteoxydationsousunehotte,bienventilée.IlestditquelesionsCu2+sontbleusensolution.IlfaudraitdoncensuitepouvoirdoserlesionsCu2+danslasolutionquenousallonsprépareràpartirdelapièce.Nousdisposonspourceladesulfatedecuivre(II)pentahydraté.Sinousdissolvonsunepiècede10centimesentièrementdansl’acidenitrique,alorsnousauronsune quantité de matière d’ions cuivre(II) qui sera: n(Cu2+) = mCu/MCu. Il nous fait la massemolaireducuivre:MCu=63,55g.mol-1.Dansunepiècede10centimes,laquantitédematièredeCuestdoncnCu=5,74.10-2mol.Commelasolutionestbleue,nouspensonsnaturellementàundosageparspectrophotométrie.Expérimentalement, nous aurons une valeur proche de 5,74.10-2mol. Donc il faudrait qu’unecourbed’étalonnagecontienneforcémentcettevaleursurledomaineoùlaloideBeer-Lamberts’applique.

Utilisonsalorsunefiolejaugéede1Lpourpréparerlasolution.Nousseronsdoncenpossessiond’unesolutiondeconcentrationvoisinedoncde5,74.10-2mol.L-1.Préparonsalorsunesolutiondeconcentrationégaleà1,00.10-2mol.L-1d’ionsCu2+.Nousavonsunflaconde«CUIVREIISULFATEPENTAHYDRATE»demassemolaireM=249,69g.mol-1.Voicilesmassesqu’ilnousfaudraitpesersuivantlevolumedelafiolejaugéedanslaquellenousvoulonspréparercettesolution:

VolumedelafiolejaugéeenmL MassedeCUIVREIISULFATEPENTAHYDRATEàpeser50 1,248

100 2,497

200 4,994

250 6,242

500 12,485

1000 24,969

Ilparaîtconvenabled’envisagerunepeséepourunefiolede100mL,celadoitêtresuffisant.Conclusion, nous préparons une solution de «CUIVRE II SULFATE PENTAHYDRATE» deconcentration1,00.10-2mol.L-1d’ionsCu2+enpesant2,497gdecesolidedansunefiole jaugéede100mL.Cettesolutionestlasolution-mèreSMetlaconcentrationestcSM=1,00.10-2mol.L-1.Apartirdecettesolution-mère,nousallonspréparer«3solutions-filles»de façonàavoirunecourbed’étalonnageavecunnombredepointssuffisantetnousmesureronsl’absorbancedecesdifférentessolutions:Nom de lasolutionpréparée

Volume prélevé desolution-mèreenmL

Placé dans une fiole de100 mL avec lecomplémenteneau

Concentrationenmol.L-1

SF-1 50mL 50mLd’eau 5,00.10-3mol.L-1SF-2 20mL 80mLd’eau 2,00.10-3mol.L-1SF-3 10mL 90mLd’eau 1,00.10-3mol.L-1Nous mesurerons l’absorbance de ces solutions à la longueur d’onde correspondant aumaximumd’absorptiondelasolutiond’ionsCu2+.Ilfautdoncquenoustracionslespectred’absorptiond’unesolutiondeCu2+:

Noustravailleronsàunelongueursituéeunpeuaudelàde800nm:fixonslalongueurd’onded’étudeà810nm.Préparonsnotretableaudemesure:Longueurd’ondedetravail:λmax=Nomdelasolution

préparéeConcentrationen

mol.L-1Absorbance

SM 1,00.10-2mol.L-1 SF-1 5,00.10-3mol.L-1 SF-2 2,00.10-3mol.L-1 SF-3 1,00.10-3mol.L-1

Eaudistillée 0 0 Nouspouvonsmaintenantexploiternosrésultats.Ilyaunpointsurlequelnousdevonsrevenir:nousdissolvonslapiècedansunefiolede1,00Lmaisquellequantitéd’acidenitriquefaut-ilprélever?Surl’étiquette,ilestécritquelateneurest:«NITRICACID>65%»;sadensitéest:d=1,4.LamassemolairedeHNO3estMHNO3=63,0g.mol-1.Ilya65gdeHNO3dans100gdesolution.1Lpèse1400gdonc1Lcontient1400x65/100=910gd’acideHNO31Ldesolution«NITRICACID>65%»contientdoncauminimum910gdeHNO3soit910/63mol:1Ldesolution«NITRICACID>65%»contientdoncau14,4moldeHNO3.NousdevonsoxyderunemassemCu=3,65gsoit5,74.10-2mol.Quelleestl’équationdelaréactiond’oxydationdeCuparHNO3?HNO3estdissociéenH+etNO3-.Onobtientalors:3Cu(s)+2NO3-(aq)+8H+(aq)=3Cu2+(aq)+2NO(g)+4H2O(aq)Al’équivalence:n(Cu)=3/2.n(NO3-):

Ilfautdoncque:n(NO3-)≥2/3.n(Cu)Levolumed’acideVaàpréleverestdonctelque:14,4.Va≥2/3.n(Cu)14,4.Va≥2/3.5,74.10-2Va≥2,66.10-3L Va≥2,66mLIlyad’autresmétauxàoxyderdoncilfautenmettreplusetilnefautpasoublierderemarquerque la réaction consomme8H+ pour 2NO3-, donc il faut apporter 4 fois plus de protons qued’ionsnitrate,soitdonc:Vacide=4.Va=10,6mL.Conclusion:laquantitéminimaledesolution«NITRICACID>65%»àverserestvoisinede11mL.Nousenverserons30mLpourêtreenexcèsconséquentd’acide.Lapièceestdoncdissoutedans30mLd’acidenitriqueconcentréedansunefiolejaugéede1L,souslahotteparilyauntrèsabondantdégagementdeNOoxydéenNO2(vapeursrouesses).Résultats:

Travailàréaliser

! Etablir un protocole détaillé qui permette de déterminer la teneur en cuivre

d’unepiècede10centimesd’euros.

! Consulterlesfichesdesécuritédesproduitsutilisés.

! Mettreenœuvreceprotocole.

! Les résultats des différents groupes seront compilés de façon à effectuer uncalculd’incertitudedetypeA.

Verrerie courante du laboratoire, produits communs du laboratoire de chimie, Handbook, sont à votredisposition…commeAnne-Françoiseetmoi.☺