Chapitre 1: LES TRANSFORMATIONS ÉLECTROCHIMIQUES DU CUIVRE ET DE L’ION CUIVRE - Physique-Chimie Troisième | DigiClass
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LES TRANSFORMATIONS ÉLECTROCHIMIQUES DU CUIVRE ET DE L’ION CUIVRE

I.  Électrolyse de la solution aqueuse du sulfate de cuivre

A.  Montage expérimental

Besoins en matériel :

  • Cuve à électrolyse
  • Fils conducteurs
  • Générateur
  • Interrupteur
  • Lampe témoin ou ampèremètre
  • Solution de sulfate de cuivre
  • Tige de graphite
  • Tige de cuivre

$\textbf{Définitions :}$

  • On appelle $\textbf{électrodes}$ les conducteurs qui sont plongés dans la solution.
  • On appelle $\textbf{anode}$ l’électrode reliée à la borne positive du générateur.
  • On appelle $\textbf{cathode}$ l’électrode reliée à la borne négative du générateur.

NB : Dans cette expérience l’anode est en $\textbf{cuivre}$ et la cathode  est en $\textbf{graphite}$.

B.  Observation

Quelques minutes après la fermeture de l’interrupteur, on constate que :

  • La lampe témoin s’allume ;
  • L’anode en cuivre démunit d’épaisseur ;
  • La cathode se recouvre d’un dépôt de métal cuivre ;
  • La solution conserve sa couleur bleue ;

$\textbf{Retenons}$ : Il s’est produit une réaction chimique lors du passage du courant électrique au niveau des électrodes. Cette réaction chimique est appelée électrolyse.

$\textbf{Définition}$ : On appelle électrolyse l’ensemble des réactions chimiques qui se produisent aux électrodes lors du passage du courant électrique dans un électrolyte.

II.  Interprétation

A.  Le cuivre et l’ion cuivre

1.  Le cuivre

Le cuivre est un métal de couleur rouge de symbole chimique $\textbf{Cu.}$ Son atome contient 29 charges positives dans son noyau et 29 charges négatives portées par les électrons.

2.  L’ion cuivre

Lorsque l’atome de cuivre perd deux électrons il devient un ion cuivre, on le note $Cu^{2+}.$

$\textbf{L’ion cuivre est donc un atome de cuivre qui a perdu deux électrons.}$

$\textbf{Définition: Un ion est un atome ou un groupe d’atome ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.}$

3.  La solution de sulfate de cuivre

La solution de sulfate de cuivre contient des ions cuivre $Cu^{2+}$ et des ions sulfate $SO^{2-}_{4}$.

La solution de sulfate de cuivre est de couleur bleue cela est due à la présence des ions cuivre.

$\textbf{NB :}$ Dans une solution de sulfate de cuivre il y a autant d’ions cuivre chargés positivement que d’ions sulfate chargés négativement, on dit que la solution de sulfate de cuivre est une solution neutre.

B.  Transformation aux électrodes

Au cours de l’électrolyse de la solution de sulfate de cuivre les transformations suivantes ont lieu au niveau des électrodes :

$\textbf{À l’anode :}$ Les atomes de cuivre Cu perdent chacun deux électrons et se transforment ainsi en ion cuivre $Cu^{2+}$ ce qui explique la conservation de la couleur bleue de la solution.

Équation de la transformation de l’atome de cuivre en ion cuivre:   $Cu$       $\rightarrow$              $Cu^{2+} + 2e^{-}$

$\textbf{À la cathode :}$ Chaque ion cuivre $Cu^{2+}$ capte deux électrons et se transforme en atome de cuivre métallique Cu ce qui explique le dépôt de cuivre métallique à la cathode.

Équation de la transformation de l’ion cuivre en atome de cuivre :   $Cu^{2+} + 2e^{-}$       $\rightarrow$              $Cu$

III.  Bilan de l’électrolyse- généralisation

Le métal cuivre  et l’ion cuivre, malgré la différence de leurs apparences,  sont deux espèces chimiques appartenant au même élément chimique $\textbf{cuivre.}$ 

Au cours de l’électrolyse le passage d’une espèce à l’autre au niveau des électrodes s’effectue par $\textbf{voie électrochimique}$ : la transformation est dite $\textbf{électrochimique}$

A.  Bilan électronique

Au cours de l’électrolyse :

  • Le passage d’un atome de cuivre à l’ion cuivre libère deux électrons qui empruntent le fil de connexion de l’anode vers la borne positive du générateur
  • Le passage de l’ion cuivre à l’atome de cuivre à la cathode, deux électrons sont récupérés par le fil de connexion de la borne négative du générateur.

$\textbf{Les équations aux électrodes :}$

$\textbf{Anode :}$    $Cu$     $\rightarrow$          $Cu^{2+} + 2e^{-}$

$\textbf{Cathode :}$    $Cu^{2+} + 2e^{-}$          $\rightarrow$     $Cu$

Le nombre d’électrons récupérés par l’anode est égal au nombre d’électrons consommés à la cathode pendant le même temps.

Le générateur fait circuler les électrons dans les fils de connexion de l’anode vers la cathode.

B.  Bilan chimique

  • Variation de la masse de cuivre aux électrodes

La masse de cuivre déposée à la cathode est égale à la masse de cuivre disparue à l’anode : $M_{anode} (Cu) = M_{cathode} (Cu)$

  • Composition constante des ions cuivre de la solution

Le nombre d’ion cuivre reste constant dans la solution (d’où la conservation de la teinte bleue)

C.  Généralisation

L’électrolyse est largement utilisée dans les industries chimiques, notamment pour préparer, purifier ou raffiner des métaux et non-métaux. Dans l’industrie automobile elle est utilisée dans la protection et embellissement des voitures. Elle est utilisée en bijouterie pour les dépôts de couches d’or ou d’argent sur des bijoux.

IV.  EXERCICES D’EVALUATION

$\textbf{Questions de cours :}$

  1. Définir : ion ; atome
  2. Quelle différence y-a-t-il entre un atome et un ion ?
  3. Pourquoi la couleur bleue d’une solution de sulfate de cuivre ne change pas au cours de l’électrolyse de cette solution avec une anode en cuivre ?
  4. Expliquer pourquoi la masse du cuivre recueilli à la cathode est égale à la masse de cuivre disparu à l’anode ?
  5. Décrire une expérience permettant de déposer un métal (or ; nickel ; chrome ; …) sur un objet et préciser la nature des électrodes et de la solution.

$\textbf{Exercice :}$

Pour galvaniser la face d’une plaque métallique de $30 cm^{2}$ par voie électrochimique, on utilise une solution de chlorure de zinc ($ZnCl_{2}$).

  1. Donner les noms et les formules des ions présents dans la solution (1pt)
  2. Donner la nature des électrodes (1pt)
  3. Écrire les équations des réactions qui ont lieu aux électrodes (1pt)
  4. Faire un schéma annoté de l’expérience (0,5pt)
  5. La couche sur la plaque est de 0,1mm. Calculer :
    1. Le volume de zinc déposé (0,5pt)
    2. La masse de zinc déposé (0,5pt)
    3. Le nombre d’atomes de zinc transformé en ions (0,5pt)

$\textbf{Données : masse volumique du zinc}$ $\textbf{$ρ=7kg/dm^{3}$}$

    $\textbf{Masse d’un atome de zinc}$ $m=10,8.10^{-23}g$