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- Raoul Généreux
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1 LABORATOIRE Les réactions REDOX et l ELECTROLYSE Détermination du nombre d Avogadro Affinage électrolytique du cuivre Date : Nom : Classe : Les PREREQUIS Connaissance du matériel courant de laboratoire Définitions et fondements des réactions d oxydo-réduction Savoir réaliser un montage électrique Les «SAVOIR» et les «SAVOIR-FAIRE» Savoir organiser son espace et son temps de travail Comprendre un principe de travail et de calcul Savoir observer une électrolyse et en déduire les demi-réactions se déroulant aux électrodes Savoir interpréter des observations et proposer des réactions d oxydation et de réduction Le PRINCIPE Rappels «chimiques» : électrolyse d une solution de sulfate de cuivre entre électrodes de cuivre Une solution de sulfate de cuivre (CuSO 4 ) dans l eau renferme des cations Cu 2+ qui déterminent la couleur bleue de la solution. Nous introduisons dans la solution deux lames de cuivre (Cu) que nous relions à une source de courant électrique : * la lame reliée au pôle + de la source constitue l anode (électrode positive) * la lame reliée au pôle de la source constitue la cathode (électrode négative) 1) l anode reliée au pôle + de la source arrache 2 électrons à chaque atome de cuivre et le transforme ainsi en cation Cu 2+ 2) les cations Cu 2+ formés à partir des atomes de l anode par perte d électrons passent dans la solution Chr. Loockx - Electrolyse et nombre d'avogadro - Page 1/6
2 3) les cations Cu 2+ migrent à travers la solution vers la cathode (attraction entre charges de signes contraires) 4) la cathode fournit deux électrons à chaque cation Cu 2+ qui entre en contact avec elle : les cations Cu 2+ sont ainsi retransformés en atomes du cuivre 5) les atomes de cuivre obtenus à partir des cations Cu 2+ par gain d électrons forment un dépôt de cuivre sur la cathode La source électrique est à considérer comme une «pompe à électrons» : elle «aspire» les électrons au pôle positif et les «crache» au pôle négatif. Globalement, cette électrolyse correspond à un transport du métal cuivre depuis l anode vers la cathode : - l anode perd des atomes, elle devient de plus en plus mince, sa masse diminue - la cathode gagne des atomes, elle devient de plus en plus épaisse, sa masse augmente Rappels «physiques» : le courant électrique Les électrons qui se déplacent dans les fils électriques qui relient les électrodes à la source électrique constituent un courant électrique (elektrischer Strom). Remarquez que «courant» vient de «courir»! Qu est ce qui court à travers les fils? Les charges électriques portés par les électrons! En allemand, le courant (électrique) s appelle «(elektrischer) Strom». Tout comme un fleuve (ou courant d eau!) transporte de l eau, un courant électrique transporte des charges électriques. Insistons sur le fait que les charges doivent se déplacer pour qu on puisse parler de courant électrique : un étang dans lequel l eau est au repos ne peut pas non plus être appelé «courant d eau»! Tout comme un fleuve est caractérisé par son débit qui correspond au volume d eau V transporté par unité de temps, un courant électrique est caractérisé par son intensité qui correspond à la charge électrique Q transportée par unité de temps : fleuve volume d'eau (V) débit (D) = temps (t) courant électrique charge électrique (Q) intensité (I) = temps (t) Chr. Loockx - Electrolyse et nombre d'avogadro - Page 2/6
3 V (en mètres - cube m 3 ) Q (en coulombs C) D = I = donc : Q = I t t (en secondes s) t (en secondes s) La charge électrique est exprimée en l unité «coulomb (C)», dénommée d après le physicien français Charles de Coulomb ( ). L intensité d un courant électrique est exprimée en l unité «ampère (A)», dénommée d après le physicien français André Ampère ( ). L intensité du courant est mesurée à l aide d un instrument appelé ampèremètre. Un courant électrique a une intensité de 1 ampère (1 A) s il transporte une quantité d électricité de 1 coulomb (1 C) pendant chaque seconde (1 s) : 1 A = 1C / 1s Or nous savons que l électron a une charge de 1, C (valeur absolue). Maintenant nous disposons d une méthode pour compter les électrons : un courant de 1 ampère transporte pendant chaque seconde 6, électrons! Principe de la détermination de N Combien d atomes de cuivre sont renfermés dans une mole de cuivre (63,5 g Cu)? - par électrolyse à intensité de courant constante (I) pendant un intervalle de temps ( t) chronométré, nous déposons sur la cathode une masse (m) de cuivre déterminable par pesée - l intensité du courant (I) et le temps ( t) pendant lequel il circule nous permettent de compter le nombre d électrons transportés - nous savons que le transport du cuivre de l anode vers la cathode fait intervenir 2 électrons pour chaque atome de cuivre : le nombre des atomes Cu déposés sur la cathode correspond donc à la moitié des électrons transportés - l expérience nous permet donc de compter les atomes de cuivre renfermés dans le dépôt de masse m ; une règle de trois nous permet de calculer le nombre d atomes renfermés dans 63,5 g (= 1 mole) de cuivre Le PROTOCOLE Pesez au 1/100 g 1 la 1 ère plaque de cuivre, soit m A. m A = Pesez au 1/100 g la 2 ème plaque de cuivre, soit m B. m B = 1 Veillez au réglage précis de la balance Chr. Loockx - Electrolyse et nombre d'avogadro - Page 3/6
4 Dans un bécher de 100 ml versez une solution de CuSO 4 1 M et y plonger partiellement les plaques de cuivre préalablement décapée à l acide nitrique 2. Reliez la plaque la plus légère au pôle + du générateur de courant (=anode) et la plaque la plus lourde au pôle (=cathode) et intercalez éventuellement un ampèremètre 3. Ajustez, assez rapidement, l intensité et la tension comme précisé par le professeur. Vous mesurerez l intensité du courant toutes les 30 secondes (ou toutes les minutes) pendant 20 minutes à 60 minutes. Vous veillerez à la maintenir plus ou moins constante en manipulant les boutons «tension» et «intensité» Déclencher le chronomètre en fermant le circuit, réglez l intensité à 200 ma et effectuez les mesures. A la fin des mesures, notez le temps exact t en secondes et effectuez la moyenne des mesures des intensités en Ampères. t = I moy = Coupez le courant. Observez les deux électrodes, rincez-les et séchez-les soigneusement et délicatement. Pesez-les. Soit respectivement m A et m B. m A = m B = En déduire m A et m B m A = m B = Démontez le matériel, récupérez le sulfate de cuivre chez le professeur et lavez les éléments du montage. RAPPORT - CALCULS et REPONSES aux questions Que deviennent les impuretés métalliques? Ecrire la réaction (significative) se produisant à l anode. Ecrire la réaction (significative) se produisant à la cathode. 2 Cette opération est réalisée par le professeur 3 Le multimètre sera réglé en ampèremètre (calibre 10 A) Chr. Loockx - Electrolyse et nombre d'avogadro - Page 4/6
5 Ecrire la réaction (significative) redox Calculez la quantité d électricité (en Coulomb C) qui a traversé l électrolyseur soit Q = I x t Quel est le nombre d électrons (n e-) transportés sachant que la charge d 1 électron vaut 1, C? Quel est alors le nombre d atomes de Cu transportés (n Cu ) sachant qu 1 atome de Cu perd 2 électrons (ou qu un ion Cu 2+ gagne 2 électrons)? Quelle est la masse de Cu (m Cu ) correspondante ayant été transportée? Comparez cette masse avec m A et m B. Calculez le nombre d Avogadro sachant que m Cu contient n Cu atomes de Cu (que contient donc 1 mole de Cu). Chr. Loockx - Electrolyse et nombre d'avogadro - Page 5/6
6 Et pour CONCLURE N oublions pas de : Démonter le(s) montage(s) avec précaution Nettoyer avec soin tout le matériel utilisé Ranger appareils et composants aux endroits prévus Remettre le rapport dûment identifié, présenté avec soin et daté sur feuille du collège ou sur la feuille éventuellement fournie, en fin de séance ou à la date fixée. Bon travail! Chr. Loockx - Electrolyse et nombre d'avogadro - Page 6/6
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