08/09/19 C07_composition_piece_de_monnaie.doc 1/2
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Spécialité Thème : Matériaux TP 2
Chimie Comment déterminer la composition d’une pièce de monnaie ? Chap.7
Contexte du sujet
Toutes les pièces de monnaies contiennent du cuivre dans des proportions différentes. Les pièces de 10, 20 et 50 cents d’euros possèdent 89 % en masse de cuivre (d’après la Banque de France). L’objectif du T.P. est de vérifier cette valeur par spectrophotométrie.
Rappels de 1ère S Définitions
En lumière blanche, une solution absorbe certaines radiations dont la couleur est complémentaire de celle de la solution (voir le cercle chromatique ci- contre).
La spectrophotométrie consiste à mesurer l’absorbance A (sans unité) d’une solution colorée pour en déterminer :
La longueur d’onde λmax de la radiation le plus absorbée (spectre d’absorption A = f(λ)) ;
La concentration de l’espèce colorée (courbe d’étalonnage A = f(C)).
Pour une solution diluée, la loi de Beer-Lambert s’écrit : A = ε ℓ C où C est la concentration en espèce colorée dissoute.
Lors d’une dilution, il y a conservation de la quantité de matière en espèce dissoute : nmère = nfille
On en déduit la relation suivante : CmèreVmère = CfilleVfille où Vmère est le volume de la solution mère à prélever.
Données
Masse volumique : ρ(Cu) = 8,7 g.cm-3 ;
Masses molaires : M(Cu) = 63,5 g.mol-1 ; M(S) = 32,1 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1 ; M(H) = 1,00 g.mol-1
Potentiels d’oxydoréduction : E0 (Cu2+/Cu) = +0,34 V ; E0 (NO3-/NO) = +0,94 V Solution d’acide nitrique (H+(aq) + NO3-
(‘aq))
Dioxyde d’azote NO2(g)
I. Etude expérimentale 1. Sécurité ?
On fait réagir la pièce de monnaie avec 30 mL d’acide nitrique concentré. La réaction d’oxydo-réduction est très exothermique. Un gaz roux toxique suffocant à l’odeur âcre et piquante se dégage : c’est du dioxyde d’azote.
1.1. Quelles précautions faut-il prendre lors de la manipulation de l’acide nitrique ? 1.2. Où faut-il réaliser l’expérience ?
2. Réaction entre le cuivre et l’acide nitrique 2.1. Peser la pièce de monnaie : m = ………… g
2.2. D’après la couleur de la solution, qu’est devenu le cuivre contenu dans la pièce de monnaie ?
2.3. A partir de l’écriture des demi-équations d’oxydoréduction, Démontrer que l’équation bilan traduisant la transformation observée est :
3Cu + 2NO
3-+ 8 H
+ 3Cu
2++ 2NO + 4H
2O
Remarque : (il se forme du monoxyde d’azote NO(g) qui réagit ensuite avec le dioxygène de l’air pour donner le dioxyde d’azote NO2(g)).
Une fois que la pièce a totalement réagit, on verse le contenu du bécher dans une fiole jaugée de 500,0 mL et on complète jusqu’au trait de jauge avec de l’eau distillée. Soit S la solution préparée.
λ
Deux couleurs complémentaires sont diamétralement opposées.
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3. Problème
3.1. Elaborer un protocole expérimental pour déterminer la concentration en ions Cu2+ présents dans la fiole jaugée (choix de la longueur d’onde d’étude la plus adaptée et exploitation d’une courbe d’étalonnage).
3.2. Indiquer le protocole pour préparer 100,0 mL de la solution mère S0 en ions Cu2+ par dissolution de 7,50 g de sulfate de cuivre pentahydraté de
formule CuSO4, 5 H2O. Puis, calculer la concentration C0 en soluté.
Appel Appeler le professeur pour lui présenter vos deux protocoles 4. Réalisation de la courbe d’étalonnage
A l’aide de la burette graduée, préparer par dilution 50,0 mL de chaque solution fille présente dans le tableau ci- dessous.
Solutions 1 2 3 4 5
Vmère (en mL) 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0
Cfille (en mol.L-1) A
4.1. Calculer la concentration de chaque solution fille.
4.2. Mesurer l’absorbance de chaque solution, puis celle de la solution S : AS = ….
4.3. A partir du tracé de la courbe d’étalonnage sous Regressi, déterminer la concentration CS de la solution étudiée.
5. Exploitation
5.1. Calculer la quantité de matière d’ions Cu2+ présents dans la pièce de monnaie.
5.2. En déduire la masse mCu correspondante, puis la valeur du pourcentage massique en cuivre.
5.3. Conclure (pourcentage d’erreur % E).
II. Travail à effectuer
Les pièces en bronze sont principalement composées de cuivre (env. 50-60%). Dans les bronzes plus anciens, il y avait d’autres métaux comme l’aluminium ou le plomb.
Le bronze était utilisé dans la fabrication des canons, voilà pourquoi certaines pièces ont été fabriquées suite à la fonte de ces derniers dans des villes en siège.
Site numismate
Le bronze est un nom générique qui était donné autrefois à tous les alliages de cuivre. Aujourd’hui son sens s’est restreint aux alliages de cuivre et d’étain. Les bronzes sont, pour la plupart, composés de plus de 54 % de cuivre (qui peut aller jusqu’à avoisiner les 95 %) et d’une proportion variable, non seulement d’étain, mais aussi d’aluminium, de plomb, de béryllium, de manganèse mais pas de zinc (ce qui donnerait le laiton).
Site Wikipedia
On réalise la même expérience qu’au cours du TP avec une pièce dont on veut déterminer le pourcentage en cuivre.
Dans les mêmes conditions, on mesure une absorbance A800 = 2,868 .
En utilisant les résultats du TP (courbe d’étalonnage), déterminer la valeur du pourcentage massique en cuivre, sachant que la pièce en bronze pèse 10,30 g.
