Affinage du cuivre – Application aux dépôts électrolytiques TS –Spécialité physique

Correction TP Chimie 3-1

Technique de l'affinage du cuivre

A Rh + - Anode Cathode mA Com Cu2+(aq), SO42- (aq) C = 1,0 mol.L-1 Montage expérimental et protocole :

Pesée des électrodes avant électrolyse :

Masse de la cathode : mC = 9,36 g

Masse de l'anode : mA = 10,08 g

Observations :

Sur la cathode, on observe un dépôt uniforme de cuivre métallique de couleur rosée. Ce dépôt est constitué de cuivre pur.

Sur l'anode, on observe des micro cavités sur la surface car une partie des atomes constituants le réseau métallique ont été oxydés et se sont dissous dans la solution de sulfate de cuivre.

Pesée des électrodes après électrolyse :

Masse de la cathode : mC = 9,72 g

Schéma 1 Masse de l'anode : mA = 9,72 g

Calcul des variations de masses :

A l'anode : Dm = 9,72 – 10,08 = - 0,36 g

A la cathode : Dm = 9,72 – 9,32 = 0,36 g

Cu2+ + - I e- Anode Cathode La perte de masse à la cathode est de même valeur que le gain de masse à l'anode.

Interprétation de l'électrolyse :

Voir schéma 2.

Une réaction d'oxydation est caractérisée par : Red  Ox + n.e-

Une réaction de réduction est caractérisée par : Ox + n.e-  Red

La réduction a donc lieu à la cathode où Cu2+ + 2e-  Cu (puisqu'il s'y dépose du cuivre métallique).

L'oxydation a lieu à l'anode où Cu  Cu2+ + 2e- (puisqu'une partie du métal disparaît lors de l'électrolyse).

Schéma 2 La réaction d'oxydo-réduction correspondant à la transformation chimique provoquée par le passage du courant dans le circuit est donc : Cu + Cu2+  Cu2+ + Cu.

On appelle cette technique « électrolyse à anode soluble » car, comme nous avons pu le constater, lors de l'électrolyse, les atomes de l'anode s'oxyde et se dissolve dans la solution de sulfate de cuivre.

Puisque le dépôt à la cathode n'est constitué que d'atomes de cuivre, on y obtient donc un dépôt de cuivre pur. Les métaux inoxydables resteront à l'état métallique au niveau de l'anode et on aura ainsi purifié le cuivre de la cathode.

Prévision de la masse du dépôt de cuivre :

Pour transformer une mole d'ions Cu2+ en atome Cu, il faut deux moles d'électrons, soit

Q = 2.NA.e = 2.F = 2*6,02.1023*1,6.10-19 = 2*96320 = 192640 C

La quantité d'électricité ayant traversé le circuit pendant la durée de l'électrolyse est

Q = I*Dt = 0,5*1800 = 900 C (une demi-heure à 0,5 A)

Nous avons donc pu transformer 900 / 192640 = 4,67.10-3 mol de cuivre, soit puisque la masse molaire du cuivre est de 63,5 g.mol-1, m = n*M = 4,67.10-3* 63,5 = 0,30 g. Cette valeur est proche de la masse mesurée dans la première partie.

Application aux dépôts électrolytiques

Situation du problème

Matériel et produit :

Plaque de zinc et plaque de fer, solution de sulfate de zinc

rhéostat, générateur, ampèremètre et agitateur magnétique

Schéma électrique du montage : voir schéma 1 avec une anode en zinc, une cathode en fer et une solution de sulfate de zinc.

Réaction à l'anode : Zn  Zn2+ + 2e- (Réduction)

Réaction à la cathode : Zn2+ + 2e-  Zn (Oxydation)

Masse théorique du dépôt de zinc :

Q = I*Dt = 0,4*900 = 360 C donc n = Q/2F = 360/192640 = 1,87.10-3 mol et m = n*M = 1,87.10-3*65,4 = 0,12 g.

Vos prévisions sont-elles vérifiées ?

Calcul des variations de masses :

A l'anode : Dm = 13,24 – 13,36 = - 0,12 g

A la cathode : Dm = 55,20 – 55,07 = 0,13 g

Bon accord avec la valeur théorique.

Détermination de l'épaisseur :

Le volume déposé est de V = m/r = 0,12/7,1 = 0,017 cm3. La surface recouverte peut-être mesurée aisément puisque les plaques sont rectangulaires (attention à ne pas oublier les tranches), dans le cas considéré, on obtient S = 27,5 cm2, soit une épaisseur de e = V / S = 0,017 / 27,5 = 6,2.10-4 cm = 6,2 mm.

L'intérêt du recouvrement d'une pièce de fer par du zinc est qu'à l'inverse de la rouille, l'oxyde de zinc ne se détache pas du métal

Correction du TP 8 - Spécialité TS

Affinage du cuivre - Application aux dépôts électrolytiques

gwen (gwenael.moreau@ac-rennes.

2004-10-11T10:36:00

Gwénaël Moreau