1 EXPÉRIENCE 4 POURCENTAGE DE CUIVRE ET MASSE MOLAIRE D UN COMPOSÉ DE CUIVRE OBJECTIF : Déterminer le pourcentage de cuivre et la masse molaire d un composé de cuivre. CONCEPT À VÉRIFIER : Le calcul de la masse molaire d un composé exige que l on connaisse le pourcentage en masse d un élément dans le composé et le nombre d atomes de cet élément dans la formule. RÉFÉRENCES : (1) Chimie générale, D. L. Reger, S. E. Goode et E. E. Mercer, adapté par A. Barrette, M. Chouinard, M. Lessard et S. Rossi, sous la direction de M. Deneux, 1 e édition, Éditions Études Vivantes, Laval, 2000. INTRODUCTION L expérience 1 et la section K des techniques de laboratoire fournissent des renseignements utiles sur l utilisation des chiffres significatifs et les opérations mathématiques nécessaires pour réussir cette expérience. L utilisation des balances est expliquée dans la section B des techniques de laboratoire. Pour déterminer le pourcentage de cuivre dans un composé de cuivre, il faut d abord réduire en cuivre métallique les ions de cuivre(ii) contenus dans un échantillon pesé du composé à l aide d un métal très réactif, le magnésium. Cette réduction est provoquée par la réaction avec le magnésium (une oxydation) d un échantillon pesé du sel de cuivre dans une solution aqueuse. Le nitrate de cuivre (Cu(NO 3 ) 2 ) est un exemple d un sel de cuivre soluble. La réaction ionique nette est la suivante. Cu 2+ (aq) + Mg(s) Cu(s) + Mg 2+ (aq) (Éq. 1) Une utilisation de magnésium en excès permet de s assurer que le cuivre a été entièrement réduit dans la solution. Une fois la réaction terminée, l ajout d acide chlorhydrique dissout le magnésium en excès et dégage de l hydrogène. L acide chlorhydrique ne réagit pas avec le cuivre. À la deuxième étape, le cuivre sera recueilli par filtrage, lavé, séché et pesé. Après avoir mesuré la quantité de cuivre dans l échantillon pesé du composé de cuivre, il faut calculer le pourcentage de cuivre à l aide de l équation qui suit : % de Cu = masse de cuivre masse de l' échantillon du composé de cuivre 100 % L équation suivante exprime le lien entre le pourcentage théorique de cuivre dans un composé en particulier et sa masse molaire. % Cu = n( 63,55) M 100 % où n = nombre d atomes de cuivre dans la formule 63,55 = masse atomique du cuivre
2 M = masse molaire du composé La formule de la plupart des sels de cuivre utilisés dans cette expérience contient un seul atome de cuivre de sorte que n = 1 dans la plupart des cas. Votre enseignante ou votre enseignant vous indiquera si la formule de votre composé contient plus d un atome de cuivre. Pour calculer la masse molaire du sel dans l équation qui précède, vous utiliserez le pourcentage de cuivre trouvé expérimentalement et la valeur de n. ATTENTION! VOUS DEVEZ PORTER DES VERRES PROTECTEURS AUSSITÔT QUE VOUS PÉNÉTREZ DANS LE LABORATOIRE. GARDEZ LES SUBSTANCES CHIMIQUES LOIN DE VOTRE VISAGE. PROTOCOLE Étape 1 Étape 2 Étape 3 Étape 4 Étape 5 Étape 6 Prenez une éprouvette contenant approximativement deux grammes d un composé de cuivre inconnu. Notez le numéro du composé inconnu sur le rapport (1). Lavez deux bechers de 150 ml et rincez-les à l eau distillée. Pesez l éprouvette contenant le composé inconnu à 0,001 g près. Notez cette masse sur le rapport (3) En tapant doucement sur l éprouvette, versez environ la moitié du composé inconnu dans l un des bechers de 150 ml. Écrivez «1» sur ce becher. Pesez l éprouvette et le reste du composé inconnu à 0,001 g près. Notez cette valeur sur le rapport (5). [Note : La différence entre les masses à l étape 3 et à l étape 5 est la masse du composé inconnu dans le becher «1» - rapport (21).] Versez le reste du composé inconnu dans le second becher de 150 ml. Écrivez «2» sur ce becher. Étape 7 Pesez l éprouvette vide à 0,001 g près. Notez cette masse sur le rapport (7). [Note : La différence entre les masses à l étape 5 et à l étape 7 est la masse du composé inconnu dans le becher «2» - rapport (21).] Étape 8 Étape 9 Mettez une tige de verre propre munie d un bout de caoutchouc dans chacun des bechers. (Note : Laissez la tige de verre dans le becher jusqu à la fin de l expérience.) Ajoutez environ 50 ml d eau distillée dans chacun des bechers. (Note : Versez l eau le long de la tige de verre pour éviter les éclaboussures.) ATTENTION! HCl EST UN ACIDE CORROSIF. RINCEZ LES RÉGIONS ATTEINTES À GRANDE EAU. ATTENTION! H 2 EST INFLAMMABLE. UTILISEZ UNE HOTTE ET GARDEZ LA FLAMME ÉLOIGNÉE LORS DE CETTE RÉACTION Étape 10 Ajoutez 5 ml de HCl 6 M dans chacun des bechers. Agitez jusqu à ce que le solide soit dissous. (Note : S il reste encore du solide, ajoutez du HCl 6 M par portions de 2 ml. Agitez pendant au moins une minute après chaque addition jusqu à ce que le solide se dissolve. Veillez à ne pas trop ajouter de HCl.)
3 Étape 11 Étape 12 Étape 13 Ajouter 0,4 g de tournure de magnésium dans chacun des bechers et agitez bien. Continuez à agiter fréquemment pendant au moins 15 minutes. (Note : Il devrait y avoir un dépôt de cuivre dans le becher et la solution devrait être incolore. Si la solution devient trouble, il pourrait s être formé du Mg(OH) 2, mais il se dissoudra dans l acide. Ajoutez du HCl 6 M goutte à goutte jusqu à ce que la solution soit limpide.) Mettez vos initiales sur deux papiers-filtres et écrivez «n o 1» et «n o 2». Pesez chacun des papiers-filtres et notez leurs masses sur le rapport (12). Ajoutez environ 2 ml de HCl 6 M dans chacun des bechers pour dissoudre l excès de Mg. (Note : S il n y a pas de dégagement d hydrogène, il se pourrait qu il n y ait pas assez de magnésium pour faire réagir le cuivre(ii) complètement. Ajoutez environ 0,1 g de tournure de magnésium et agitez fréquemment pendant 5 minutes. Répétez cette étape pour dissoudre tout reste de magnésium.) Lorsque le dégagement de H 2 ralentit, ajoutez encore un peu de HCl jusqu à ce que le dégagement cesse. Étape 14 Filtrez la solution à l aide du papier-filtre. Assurez-vous de filtrer la solution n o 1 avec le papier n o 1. Utilisez un flacon laveur et la tige de verre pour mettre TOUT le cuivre sur le papier-filtre. Utilisez environ 25 ml d eau distillée pour laver chacun des papiers-filtres et le précipité. ATTENTION! L ALCOOL ET L ACÉTONE SONT TRÈS INFLAMMABLES. ASSUREZ-VOUS QUE TOUTES LES FLAMMES SONT ÉTEINTES LORSQUE VOUS UTILISEZ CES PRODUITS. Étape 15 Étape 16 Étape 17 Étape 18 Étape 19 Étape 20 Étape 21 Étape 22 Étape 23 Lorsque l eau s est écoulée, lavez le papier-filtre et le cuivre avec environ 5 ml d alcool éthylique. (Note : Utilisez un compte-gouttes pour arroser le papier et le cuivre.) Lorsque l alcool s est écoulé, lavez le papier-filtre et le cuivre avec environ 5 ml d acétone (INFLAMMABLE). Laissez le liquide se drainer. Retirer avec soin les papiers-filtres et étendez-les sur des verres de montre. Mettez les verres de montre sous une lampe chauffante ou dans une étuve pendant 10 minutes. Lorsqu ils sont secs, pesez chacun des papiers-filtres et le Cu qui s y trouve à 0,001 g près et notez leurs masses sur le rapport (18). (Note : Vous pouvez sentir le papier avec précaution pour vous assurer qu il n y a plus de résidu d acétone.) Séchez les papiers-filtres et leurs précipités pendant encore 5 minutes. Répétez l étape 18. Si les masses diffèrent de plus de 0,003 g, reprenez les étapes 19 et 20. Notez les masses sur le rapport (20.a). Inscrivez sur le rapport (20.b) la différence entre les masses à l étape 12 et à l étape 20.a : c est la masse de cuivre récupérée. Utilisez vos données pour calculer la masse du composé inconnu dans les échantillons n os 1 et 2; inscrivez les résultats sur le rapport (21). Calculez le pourcentage en masse de cuivre dans chaque échantillon et inscrivez les résultats sur le rapport (22). Calculez la masse molaire du composé de cuivre inconnu (rapport 23.a). Inscrivez la moyenne sur le rapport (23.b).
4 Nom de l élève : Nom de l enseignant(e) : Date : Groupe : Répondez aux questions suivantes avant le laboratoire. 1. Quels réactifs et quelles parties de l expérience exigent de la prudence et des précautions particulières? Expliquez les mesures à prendre pour que cette expérience soit sécuritaire. 2. Calculez le pourcentage de cuivre en masse théorique dans le sulfate de cuivre(ii), CuSO4. 3. Supposez que votre échantillon de sel de cuivre a une masse de 1,230 g. Quelle sera la masse maximale de magnésium nécessaire pour réduire l échantillon entièrement en cuivre métallique? Expliquez les suppositions que vous avez dû faire pour calculer cette valeur.
5 4. Si vous ajoutez 0,61 g de Mg pour réduire les ions de cuivre dans la question 3 (cette masse pourrait être différente de celle que vous avez calculée), quel sera le plus grand volume de HCl 6,0 M dont vous aurez besoin pour dissoudre l excès de HCl? Expliquez comment vous êtes arrivé à ce volume. 5. Calculez la masse molaire d un composé de cuivre inconnu à partir des données recueillies par un élève. (Supposez qu il y a un seul atome de cuivre dans la formule.) Masse de l éprouvette et du composé inconnu 14,653 g Masse de l éprouvette vide 12,876 g Masse du papier-filtre 0,551 g Masse du papier-filtre et du cuivre 1,098 g
6 RAPPORT Pourcentage de cuivre et masse molaire d un composé de cuivre Nom de l élève : Nom de l enseignant(e) : Groupe : Date : Mesures 1. Numéro de l inconnu 3. Masse de l éprouvette et du composé inconnu g 5. Masse de l éprouvette et d environ la moitié du composé inconnu g 7. Masse de l éprouvette vide g N o 1 N o 2 12. Masse du papier-filtre g g 18. Masse du papier-filtre et du Cu g g 20.a) Masse du papier-filtre et du Cu g g Résultats Becher 1 Becher 2 21. Masse du composé inconnu g g 20.b) Masse de cuivre récupéré g g 22. % en masse de cuivre % % 23.a) Masse molaire du composé g/mol g/mol de cuivre inconnu 23.b) Masse molaire moyenne g/mol Calculs % masse de cuivre Masse molaire du composé de cuivre inconnu
7 Répondez aux questions suivantes après le laboratoire. 1. Quel effet les erreurs suivantes entraîneront-elles sur le pourcentage de cuivre dans votre composé? Les valeurs seraient-elles trop grandes, trop petites ou resteraientelles inchangées? Expliquez vos réponses. a. À l étape 4, vous avez renversé un peu de l échantillon en le versant dans le becher. b. La solution était vert pâle lorsque vous l avez filtrée à l étape 14. c. Il n y a pas eu de dégagement de H 2 à l étape 13, mais vous êtes tout de même passé à l étape 14. 2. Le pourcentage en masse de Cu dans un sel dont la formule contient un atome de cuivre est de 50,6 %. Calculez sa masse molaire.