Eléments chimiques du groupe IB : le cuivre

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Eléments chimiques du groupe IB : le cuivre

Publié le : mardi 5 juillet 2011
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Eléments chimiques du groupe IB : le cuivre  
  
 Activité 1   Le cuivre dans la nature                                                  
Généralités  
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 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- Cristaux d’azurite (bleus) Cristaux de malachite (verts) dire présent à l’état métallique dans la nature  Ces cristaux contiennent l’élément cuivre sous forme d’ions Cu 2+ , mais aussi les éléments oxygène, hydrogène et carbone, sous forme d’ions hydroxyde OH -et carbonate CO 32      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.   
Document 2 : Diverses sortes de minerais
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 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 63 Cu et 65 Cu 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 Cu 2+ .         1   18   8   2   29     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.  
Document 3 : Structure de l’enveloppe électronique de l’atome de cuivre
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Propriétés physiques et mécaniques  
  Activité 2      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/cm 3 .   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.  
124 Eléments chimiques du groupe : IB le cuivre
Propriétés chimiques du cuivre  
Expérience
    Activité 3         Action de l’oxygène     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 Cu 2 O) 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.  
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 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 : CuCO 3 ,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 CuCO 3 ,Cu(OH) 2 .   
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Expérience
 Action des métalloïdes   action du chlore    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)).       chlore      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 Cu 2+ . S’agit-il d’une oxydation ou d’une réduction de l’élément chimique cuivre ?  5.  Exprimez la réaction par une équation-bilan.
fil de cuivre chauffé qui reste incandescent
eau
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Expérience
Action du soufre    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 Cu 2 S (ou sulfure de cuivre (I)).          Tampon     Vapeurs de soufre         Tournure de cuivre           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 ?  
       
bougie (ou bec Bunsen)
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Expérience
 ction des acides A  Action d’un acide non oxydant      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.                      8.  Que peut-on déduire de cette expérience ?   
Document 5 : Copeaux ou poudre de cuivre
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Expérience
 Action d’un acide oxydant       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
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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.                     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 7 : Schéma d’expérience  
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