Affinage du cuivre - Application aux dépôts électrolytiques
Objectifs.
Réaliser et analyser la méthode de purification du cuivre par électrolyse.
Utiliser cette technique à la réalisation d'un dépôt électrolytique d’un métal sur un autre.
I. Quelle est la technique de l'affinage du cuivre ? 1. Montage expérimental et protocole.
Vous disposez d'un générateur de tension continue (12 V - 1 A), d'un rhéostat (33 - 1 A), d'un multimètre.
L'électrolyseur utilisé est constitué :
- d'un becher (ou pot) de 200 mL contenant la solution électrolytique, - de deux électrodes (plaques de cuivre) soigneusement décapées et dégraissées, notées A (pour anode) et C (pour cathode).
Ne pas toucher ces électrodes avec les doigts.
Peser les électrodes et noter leurs masses respectives au centigramme près.
Dessiner le schéma du circuit électrique à réaliser pour effectuer une électrolyse en y insérant les appareils nécessaires pour pouvoir régler et mesurer l’intensité du courant.
Préciser sur le montage les places de l'anode et de la cathode.
Réaliser le montage sans brancher le générateur. Vous disposez d'une planchette de bois pour fixer les électrodes.
Faire vérifier par le professeur.
Verser dans le becher 150 mL environ de solution de sulfate de cuivre (II) à la concentration molaire de 1,0 mol.L-1 dans laquelle les électrodes plongent jusqu’à mi hauteur.
Installer sous le becher un agitateur magnétique en évitant que le turbulent heurte les plaques de cuivre lors de sa rotation.
Mettre le générateur sous tension et régler rapidement l’intensité du courant à 0,50 A.
Déclencher le chronomètre. La durée de l'électrolyse est fixée à 30 minutes.
L'agitation constante de la solution est essentielle pour assurer la stabilité du courant ! Pendant la durée de cette opération, passez aux questions 2 et 3
Au bout de 30 minutes, ouvrir le circuit, extraire les deux plaques et les rincer à l’eau distillée.
Observer et décrire l'état des deux électrodes.
Sécher doucement les deux électrodes à l'aide d'un sèche-cheveux électrique. Peser à nouveau chaque électrode et calculer la variation de leur masse respective.
2. Comment interpréter cette électrolyse ?
Compléter le schéma ci-contre en indiquant : - la position de A et de C,
- le sens du courant dans le circuit électrique,
- le sens de déplacement des électrons dans les conducteurs métalliques,
- le sens de déplacement des ions cuivre(II) dans la solution électrolytique. Cu2+
Identifier l'électrode à laquelle se produit la réaction d'oxydation et l'électrode à laquelle se produit la réaction de réduction. Ecrire les réactions aux électrodes.
(Couple en jeu : Cu2+ /Cu)
En déduire la réaction d'oxydo-réduction correspondant à la transformation chimique provoquée par le passage du courant dans le circuit.
Justifier l'expression "électrolyse à anode soluble".
Pourquoi cette technique permet-elle de purifier du cuivre contenant des traces de métaux précieux inoxydables dans ces conditions ?
3. Peut-on prévoir la masse du dépôt de cuivre ?
Données physico-chimiques :
Charge élémentaire : 1,6.10-19 C Constante d’Avogadro : 6,02.1023 mol-1 Masse molaire du cuivre : MCu = 63,5 g.mol-1
Quelle est la quantité d'électricité (en C) qui a permis le dépôt d'une mole d' atomes de cuivre à la cathode de l'électrolyseur ?
Calculer la quantité d’électricité (Q = I.t) qui a traversé le circuit pendant la durée de l'électrolyse.
En déduire la masse théorique du dépôt de cuivre. La comparer à la masse mesurée.
II. Une application aux dépôts électrolytiques.
1. Situation-problème.
On vous propose de réaliser un dépôt de zinc sur une lame de fer par électrozingage.
Dresser la liste du matériel et des produits nécessaires pour y parvenir.
Dessiner le schéma électrique du montage, puis le réaliser.
Faire vérifier par le professeur.
Immerger les électrodes de quelques cm dans la solution électrolytique.
Fixer la durée de l'électrolyse à 15 minutes et l'intensité du courant à 0,40 A.
En attendant la fin de cette électrolyse...
Ecrire les réactions aux électrodes.
(couple en jeu : Zn2+ / Zn).
Calculer la masse théorique du dépôt de zinc.
Données physico-chimiques :
Masse molaire du zinc :MZn = 65,4 g.mol-1 Masse volumique du zinc : µ = 7,1 g.cm-3 2. Vos prévisions sont-elles vérifiées ?
Au bout de 15 minutes, ouvrir le circuit, extraire la cathode de l’électrolyseur avec précaution et la rincer à l’eau distillée.
Sécher doucement l'électrode à l'aide d'un sèche-cheveux électrique.
Déterminer la masse du dépôt métallique.
Comparer à la valeur attendue.
Après avoir déterminé la surface du dépôt métallique, calculer l'épaisseur moyenne de ce dépôt.
Quel peut être l'intérêt du recouvrement d'une pièce de fer par du zinc ?
