La notion d élément chimique (correction) Expérience n 1 : attaque acide du cuivre métallique fumées rousses (NO2 (g)) ajout d eau tournures de cuivre métallique Cu(s) tournures de cuivre dans l acide nitrique concentré solution (S) Sous la hotte aspirante, dans un erlenmeyer de 250 ml ou dans un grand tube à essai, on place un fond d acide nitrique concentré puis on dépose quelques morceaux de tournure (copeaux) de cuivre. Après quelques minutes, on ajoute quelques millilitres d eau distillée. Une effervescence se forme rapidement ; un gaz roux apparaît dans l erlenmeyer et le liquide, initialement incolore, devient vert. A l ajout d eau distillée, ce liquide devient bleu turquoise. Les morceaux de cuivre ont disparu! La couleur du gaz est caractéristique : il s agit de dioxyde d azote, NO2 (g). Ce gaz dérive de l acide nitrique initial, (H3O + (aq) + NO3 (aq)) ; la couleur turquoise obtenue est elle aussi caractéristique : c est celle des ions Cu 2+ (aq). Le cuivre métallique Cu(s) n a donc pas disparu : il s est transformé en une espèce en phase aqueuse, les ions cuivre(ii), Cu 2+ (aq). Cu(s) Cu 2+ (aq) NB : en réalité, la réaction dégage du monoxyde d azote NO(g) qui se combine au dioxygène O2 (g) de l air pour donner le dioxyde d azote NO2 (g) roux. Expérience n 2 : action de la soude sur la solution (S) obtenue Dans un tube à essai contenant un peu de solution (S) obtenue précédemment dans l expérience n 1, on ajoute quelques gouttes de solution aqueuse d hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO (aq)). 1
Observation Des grumeaux de couleur bleu-noir et gélatineux se forment au fond du tube. Cette position semble indiquer que ces grumeaux sont solides, ce qu on constate aisément par filtration. L ions Cu 2+ (aq) présent initialement dans la solution (S) réagit : cette solution se décolore (d autant plus si l on rajoute «beaucoup» de soude). Les ions Cu 2+ (aq) ne peuvent réagir qu avec un anion : les ions hydroxyde HO (aq). Le précipité bleu-noir obtenu est l hydroxyde de cuivre(ii), Cu(OH)2 (s). Cu 2+ (aq) + 2 HO (aq) = Cu(OH)2 (s) Expérience n 3 : déshydratation du précipité obtenu A l aide d un bec électrique, on chauffe le précipité précédent pendant quelques minutes, en agitant constamment le tube à essai. Le précipité tourne au noir. 2
Le précipité d hydroxyde de cuivre(ii), initialement bleu-noir, s est transformé en précipité complètement noir : il s est déshydraté, c est-à-dire a perdu de l eau (qui s est évaporée) : Cu(OH)2 (s) = CuO(s) + H2O(l) Expérience n 4 : action de l acide chlorhydrique sur le précipité obtenu On ajoute quelques gouttes d acide chlorhydrique (H3O + (aq) + Cl (aq)) au précipité précédent (en l ayant laissé refroidir). Le précipité «disparaît» et laisse place à une solution de couleur bleu turquoise. Le précipité d oxyde de cuivre(ii) s est transformé en ions Cu 2+ (aq). CuO(s) Cu 2+ (aq) Expérience n 5 : action du fer métallique sur la solution précédente (S ) On place quelques filaments de paille de fer au fond d un tube à essai comportant la solution précédente (S ). La paille de fer se couvre d une pellicule rougeâtre et la solution, initialement turquoise, se décolore. Le dépôt rougeâtre est dû à la formation de cuivre solide et la décoloration à la «disparition» des ions Cu 2+ (aq). 3
Le cycle du cuivre Expérience n 1 Action de l acide nitrique Expérience n 2 Action de la soude Cu (s) Cu 2+ (aq) Cu(OH) 2 (s) Expérience n 5 Action du fer métallique Expérience n 3 Action de la chaleur Cu 2+ (aq) Expérience n 4 Action de l acide chlorhydrique CuO (s) Pour aller plus loin : déterminer la composition d une pièce de monnaie. Plongée dans l acide nitrique concentré, une pièce de 10 centimes d euros se dissout. L alliage (ou or) nordique dont elle est constituée comporte en masse 89 % de cuivre, 5 % d aluminium, 5 % de zinc et 1 % d étain. On peut le vérifier par dosage (ci-contre, un dosage par échelle de teintes). Dimensions de la pièce : 19,75 mm de diamètre, 1,51 mm d épaisseur (soit V = 462,6 mm 3 ) Masse de la pièce : 4,1 g Calculer une 1 ère valeur de la masse volumique de la pièce. 3 m m 4,1.10 3 3 8,9.10 kg. m 3 2 V r² h 19,75.10 3 1,51.10 2 On donne la densité du cuivre (8,93), de l aluminium (2,56), du zinc (6,87), de l étain (7,30). En pondérant par les pourcentages massiques, donner une 2 ème valeur de la masse volumique de la pièce. d 0,89 8,93 0,05 2,56 0,05 6,87 0,01 7,30 8,5 On ne trouve pas la masse volumique estimée Pourquoi?? L alliage formé est en fait une nouvelle espèce chimique, au sein de laquelle les différents éléments ne sont pas sous forme métallique pure et simple : du fait de la façon intime dont les métaux se combinent pour donner 4
l alliage, sa masse volumique diffère de la moyenne pondérée des masses volumique des métaux qui le constituent. Remarque Les pièces de 1 à 5 centimes sont faites d acier recouvert de cuivre ; celles de 1 et 2 euros sont en alliages de cuivre, de nickel et de zinc. Les pièces de 1, 2 et 5 centimes d euro sont en acier recouvert d une fine couche de cuivre. Certaines de ces pièces ont une belle couleur cuivrée brillante alors que d autres sont ternes, leur couleur étant assombrie par la présence d un oxyde de cuivre (CuO). Trempée dans l acide chlorhydrique, l oxyde se transforme en ions Cu 2+ et la couleur brillante du cuivre est restituée. Conclusion générale La Pierre Philosophale (ou Pierre des Sages), centre d'intérêt de l'alchimie représente l'aboutissement de ce qui était appelé le Grand œuvre. Cette «pierre» serait une substance capable de réaliser la transmutation des métaux «vils» - il faut comprendre non-précieux - en or. On pourrait également en extraire la Panacée ou Élixir de Longue Vie, qui aurait le pouvoir de guérir tous les maux et rendrait immortel celui qui le boit. Pour les alchimistes du Moyen-Âge, la Pierre était le «cinquième élément», nommé alkahest (les quatre éléments connus étant la terre, l'eau, l'air et le feu). Dans un sens métaphorique et ésotérique, la Pierre Philosophale représenterait l'amour, puisque «tout ce qui est touché par l'amour devient de l'or» et cet or essentiel serait donc synonyme du bonheur que recherche tout être humain. En chimie, il n est pas possible de transmuter les métaux, c est-à-dire de transformer l un en l autre. En effet, l élément chimique se conserve au cours des réactions chimiques : deux métaux différents appartenant à deux éléments différents, il n est pas possible de les transformer les uns en les autres. Nous verrons plus tard que le plomb est un atome constitué de 82 protons alors que l or en compte 79 : il faudrait enlever 3 protons au noyau de plomb pour obtenir de l or. La chimie ne touche pas aux noyaux atomiques, c est le domaine de la physique nucléaire. Seule la physique nucléaire pourrait en être capable, mais avec des moyens techniques et financiers tels que l opération n est, évidemment, pas du tout rentable!! 5