Eléments chimiques du groupe IB : le cuivre

121 Eléments chimiques du groupe IB : le cuivre

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Eléments chimiques du groupe IB : le cuivre

Le cuivre dans la nature

Généralités

Activité 1


1. Que représente la carte ci-dessus ?

2. Le cuivre est-il un métal répandu de manière égale dans la nature ? 3. Quel est le pays européen le plus riche en minerais de cuivre ?

Echantillon de cuivre natif, c’est-à-dire présent à l’état métallique dans

la nature

Cristaux d’azurite (bleus) Cristaux de malachite (verts)

Ces cristaux contiennent l’élément cuivre sous forme d’ions Cu2+, mais aussi les éléments oxygène, hydrogène et carbone, sous forme

d’ions hydroxyde OH- et carbonate −23CO

Document 2 : Diverses sortes de minerais Les minerais de cuivre exploités se classent en trois catégories :

- minerais de cuivre natif ; - minerais oxydés. Les principaux sont la cuprite (rouge), la mélaconite (noire), la malachite (verte) et

l’azurite (bleue) ; - minerais sulfurés. Le principal est la chalcopyrite. Parmi les autres minerais, on peut citer la chalcosine

et la bonite.


La structure de l’atome de cuivre En vous référant à la classification périodique de Mendeleïev, dites : 4. Dans quel groupe de la classification périodique se trouve l’élément chimique cuivre ?

5. Quels sont les autres éléments du même groupe ? 6. Lequel des 2 isotopes 63Cu et 65Cu du cuivre naturel est le plus répandu dans la nature ? La structure de l’enveloppe électronique de l’atome de cuivre est présentée sur le schéma ci-dessous. On connaît deux sortes d’ions cuivre : l’ion Cu+ et l’ion Cu2+.

1

18

8 2 7. Ecrivez les équations électroniques qui expriment la formation de ces deux ions à partir de l’atome de

cuivre. Précisez les noms de ces 2 ions. 8. Ecrivez les formules électroniques de ces deux ions.

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Document 3 : Structure de l’enveloppe électronique de l’atome de cuivre

124 Eléments chimiques du groupe : IB le cuivre

Propriétés physiques Le cuivre est un métal rouge qui, poli, possède un éclat métallique remarquable. Ses constantes physiques sont les suivantes :

- Température de fusion : 1 083 °C ; - Température d’ébullition : 2 330 °C ; - Masse volumique : 8,9 g/cm3.

1. Le cuivre est-il un métal qui fond facilement ? 2. Connaissez-vous des métaux moins denses que le cuivre et des métaux plus denses que le cuivre ? Conductibilité de la chaleur et de l’électricité Reportez-vous aux expériences sur la conductibilité thermique et électrique de certains métaux déjà décrites dans le chapitre sur l’aluminium. 3. Comment se situe le cuivre par rapport au fer, à l’aluminium et à l’argent ? Propriétés mécaniques 4. On peut travailler le cuivre au laminoir et à la filière. Par martelage, on peut le réduire en feuilles très

minces; donc le cuivre est un métal ……………………….. et ……………………….. . 5. Par ses propriétés mécaniques, le cuivre peut être comparé à deux autres métaux du groupe IB : l’argent et

l’or. Avec un gramme de chacun de ces trois métaux (le cuivre, l’argent et l’or), on peut étirer des fils dont les longueurs sont respectivement 84 m, 2 000 m et 2 000 m. Cherchez les masses atomiques molaires de l’argent et de l’or dans la classification périodique. Quel est de ces deux métaux celui qui, en partant de la même quantité de matière (autrement dit, en partant du même nombre de moles d’atomes), permet d’obtenir le fil le plus long ? Justifiez votre réponse. Concluez.

Propriétés physiques et mécaniques

Activité 2


Action de l’oxygène

Expérience Protocole de l’expérience : On chauffe une lame de cuivre polie dans la flamme d’un bec Bunsen. Peu après, on observe qu’elle se recouvre d’une couche irisée (rouge et noire). Si l’expérience dure encore quelques minutes, la partie la plus chaude se recouvre d’écailles presque uniquement noires.

Document 1 : Oxydation à chaud du cuivre par l’oxygène de l’air Des irisations rouges (dues à la formation de Cu2O) et un noircissement (dû à la formation de CuO) se forment sur la plaque de cuivre. 1. Quelle est le nombre d’oxydation du cuivre dans chacun des composés formés ?

2. Exprimez par des équations-bilans la formation des deux oxydes. Les composés de cuivre (I) sont parfois dits composés cuivreux et ceux de cuivre (II) composés cuivriques.

Propriétés chimiques du cuivre

Activité 3


Action de l’air humide A l’air humide, le cuivre subit une action simultanée de l’oxygène, de la vapeur d’eau et du gaz carbonique. Le produit de cette action sur le cuivre est un corps verdâtre qui forme une couche protectrice sur la surface du cuivre. On le voit sur les toits de certains édifices qui ont une couverture en cuivre (ex : l’Opéra Garnier de Paris). Le « vert de gris » est un carbonate de cuivre hydraté de formule : CuCO3,Cu(OH)2.

Document 2 : Le toit de l’Opéra Garnier de Paris

3. Ecrivez l’équation-bilan qui permet d’interpréter l’action combinée de l’oxygène, de la vapeur d’eau et du

gaz carbonique sur le cuivre et qui a pour résultat le composé de formule CuCO3,Cu(OH)2.


Action des métalloïdes

action du chlore

Expérience Protocole de l’expérience : Dans un flacon de chlore, on introduit un fil de cuivre chauffé, le métal reste incandescent. Il se forme des gouttes qui tombent dans l’eau et la colorent en bleu. Le composé qui se forme est un composé ionique (chlorure cuivrique ou chlorure de cuivre (II)).

fil de cuivre chauffé qui reste incandescent chlore

eau

Document 3 : L’action du chlore sur le cuivre 4. Exprimez par une équation ionique le passage de l’atome de cuivre à l’ion Cu2+. S’agit-il d’une oxydation

ou d’une réduction de l’élément chimique cuivre ? 5. Exprimez la réaction par une équation-bilan.


Action du soufre

Expérience Protocole de l’expérience : On chauffe de la fleur de soufre dans un tube à essais à la partie supérieure duquel on a placé un tampon de tournures de cuivre. Le soufre fond puis se transforme en vapeurs. Les vapeurs entrent en contact avec le métal cuivre qui devient incandescent. Le composé qui se forme est le sulfure cuivreux Cu2S (ou sulfure de cuivre (I)). Tampon Vapeurs de soufre Tournure de cuivre

soufre

bougie (ou bec Bunsen)

Document 4 : Réaction du cuivre avec la vapeur de soufre

6. Ecrivez l’équation-bilan de la réaction.

7. Comment peut-on expliquer le fait que la réaction avec le chlore conduise à la formation d’un composé

cuivrique, tandis que celle avec le soufre conduit à un composé cuivreux ?


Action des acides

Action d’un acide non oxydant

Expérience

Protocole de l’expérience :

Dans un tube à essais, on introduit des copeaux ou de la poudre de cuivre. On verse avec précaution une solution d’acide chlorhydrique. Aucune réaction chimique n’apparaît, même si l’on chauffe légèrement le tube à essais.

Document 5 : Copeaux ou poudre de cuivre 8. Que peut-on déduire de cette expérience ?


Action d’un acide oxydant

Expérience

Protocole de l’expérience : Dans un verre à pied, on introduit un copeau de cuivre et on ajoute une solution d’acide nitrique concentrée. Une réaction vive se produit. La solution s’échauffe et se colore en bleu-vert tandis que des vapeurs rousses se dégagent. Au bout de quelques instants, on constate la disparition totale du copeau.

ATTENTION : les vapeurs rousses sont très DANGEREUSES. Elles attaquent la peau et les poumons.

Document 6 : Action de l’acide nitrique sur le métal cuivre


Expérience Si on reprend l’expérience précédente en utilisant le montage suivant (document 7), on constate que le gaz qui se dégage et que l’on recueille dans une éprouvette est incolore : on retourne l’éprouvette dans l’air. Des vapeurs rousses apparaissent alors immédiatement.

Document 7 : Schéma d’expérience

9. Rappelez les propriétés particuliers de l’acide nitrique concentré.

10. Quel est le gaz incolore qui se dégage ? 11. Quel est le gaz roux ? 12. Quelle est la réaction chimique qui transforme le gaz incolore en gaz roux ? 13. A quoi est due la teinte bleue-vert de la solution ? 14. Quelle est la transformation chimique subie par le cuivre ? 15. Ecrivez l’équation-bilan de la réaction. 16. Comment cette réaction permet-elle de réaliser des gravures dites « à l’eau forte » (document 8).


Document 8 : Une gravure à l’eau forte et la plaque de cuivre qui a permis de la réaliser


Propriétés :

Propriétés :

Propriétés :

Propriétés :

Propriétés :

Application dans la vie quotidienne des différentes propriétés du cuivre et de ses alliages L’utilisation du cuivre et de ses alliages s’explique par leurs propriétés physiques, mécaniques et chimiques, très variées. 17. Recherchez dans un dictionnaire ou une encyclopédie la composition et les propriétés physiques,

mécaniques et chimiques des principaux alliages à base de cuivre (entre autre, le bronze, le laiton et le cupronickel).

Schéma des usages du cuivre

18. Observez le schéma des utilisations du cuivre et de ses principaux alliages et dites quelles sont les propriétés physiques, mécaniques et chimiques qui déterminent chacune des applications présentées ?

Appareils pour l’industrie chimique

Laitions : pièces mécaniques, tuyaux

Bronze : roulements, sonnettes, statues

Pièces de monnaie

Electrotechnique


L’oxyde de cuivre L’oxyde de cuivre (II) peut être réduit par le carbone et par le dihydrogène.

Expérience Protocole de l’expérience : Préparez un mélange intime de poudre de carbone et d’oxyde de cuivre (II) noir, bien sec. Introduisez-le dans un tube à essais. Préparez un verre à pied contenant de l’eau de chaux. Adaptez sur le tube à essais un tube à dégagement, puis en utilisant une pince en bois pour tenir le tube, chauffez fortement le fond du tube dans la flamme d’un bec Bunsen. Dès que le mélange est porté à l’incandescence, plongez l’extrémité du tube à dégagement dans l’eau de chaux. Vous observez un trouble de l’eau de chaux. Cessez alors de chauffer et retirez l’extrémité du tube à dégagement de l’eau de chaux. Après refroidissement du mélange, vous observez dans le tube un solide rougeâtre.

Document 1 : Action du carbone sur l’oxyde de cuivre (II) 1. Pourquoi faut-il retirer l’extrémité du tube à dégagement de l’eau de chaux dès la fin du chauffage ? 2. Quel est le composé chimique qui trouble l’eau de chaux ? 3. Quelle est la nature du solide rougeâtre ? 4. Ecrivez l’équation-bilan de la réaction.

Les composés du cuivre

Activité 4


Le sulfate de cuivre Le sulfate de cuivre (II) est l’un des composés du cuivre le plus utilisé. Les cristaux de sulfate de cuivre (II) hydraté, de formule CuSO4.5H2O, sont de couleur bleue. Ce corps cristallin est aussi appelé vitriol bleu.

Expérience Protocole de l’expérience : préparation du sulfate de cuivre (II) Dans deux tubes à essais, on place respectivement un tortillon de cuivre et de l’oxyde de cuivre (II). On ajoute aux deux tubes de l’acide sulfurique concentré. A froid, il n’y a que la réaction avec l’oxyde cuivrique qui se produit. L’oxyde noir disparaît. La solution se colore en bleu. Après avoir chauffé le tube à essais contenant le tortillon de cuivre, une vive réaction s’amorce. Celle-ci est mise en évidence par le dégagement d’un gaz suffocant et par la coloration en bleu de la solution. 5. Rappelez les propriétés chimiques de l’acide sulfurique concentré et chaud.

6. Ecrivez les équations-bilans des deux réactions. 7. Peut-on obtenir du sulfate de cuivre (II) en utilisant de l’acide sulfurique dilué ? Justifiez votre réponse.


H2SO4

CuO

ATTENTION : le gaz qui se dégage est très DANGEREUX. SURTOUT, NE PAS LE RESPIRER !

SO2

H2SO4 H2SO4

Cu

Document 2 : Préparation de sulfate de cuivre (II)

A froid, aucune réaction ne se produit.

A chaud, (300 °C environ)

A froid, après un certain temps, la solution devient bleue.


Le sulfate de cuivre (II) anhydre : un témoin de la présence d’eau

Expérience Protocole de l’expérience : Les cristaux bleus de sulfate de cuivre CuSO4,5H2O sont solubles dans l’eau. On obtient une solution bleue qu’il est facile de faire cristalliser. Dans un tube à essais, on place quelques cristaux bleus de sulfate de cuivre et on chauffe modérément. Il y a un dégagement de vapeur d’eau, qui se condense sur les parties froides du tube, et il apparaît un produit blanc. C’est du sulfate de cuivre anhydre : CuSO4,5H2O → CuSO4 + 5H2O. Lorsqu’on ajoute de l’eau au sulfate de cuivre anhydre, la couleur bleue réapparaît. Ce passage immédiat du blanc au bleu est utilisé pour reconnaître la présence de traces d’eau.

Document 3 : Déshydratation du sulfate de cuivre hydraté et hydratation du sulfate du cuivre anhydre 8. Un flacon contient de l’éthanol supposé pur. Comment peut-on s’assurer que cet éthanol n’est pas mélangé

avec de l’eau ?


Action des bases sur le sulfate de cuivre

Expérience Protocole de l’expérience : Dans un tube à essais contenant une solution de sulfate de cuivre, on ajoute une solution diluée de soude. On observe un précipité bleu clair d’hydroxyde de cuivre.

Document 4 : Formation de l’hydroxyde de cuivre (II) 9. Présentez la formation de l’hydroxyde de cuivre (II) par :

• une équation ionique complète ; • une équation ionique simplifiée.

Mélangée avec un lait de chaux en excès, la solution de sulfate de cuivre forme la bouillie bordelaise, employée pour combattre le mildiou de la vigne, car le sulfate de cuivre est un désinfectant et un antiseptique puissant.

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