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Le
laiton est un alliage de cuivre et de zinc contenant éventuellement
d’autres métaux à l’état de traces. La désignation symbolique d’un
laiton suivant la norme européenne décrit sa composition chimique :
elle consiste à indiquer en premier le symbole chimique du constituant
majoritaire (le cuivre) puis les symboles chimiques des éléments
présents dans l’alliage avec leur teneur en pourcentage massique,
rangés par ordre décroissant.
Les laitons commerciaux les plus courants sont CuZn30 et CuZn40.
On cherche à identifier un laiton commercial à partir de la
détermination de sa teneur en cuivre.
Données :
Couples oxydant / réducteur : NO3-(aq) / NO(g) et
Cu2+(aq) / Cu(s)
L’empois d’amidon forme un complexe coloré bleu foncé en présence de
diiode.
Masse molaire atomique : M(Cu) = 63,5 g / mol.
Attaque
acide du laiton.
Dans un bécher, on réalise l’oxydation de 1,00 g de fil de laiton par
une solution d’acide nitrique concentré (H+(aq) + NO3-(aq))
en léger excès. La réaction est vive et dégage des vapeurs rousses
toxiques.
Lorsque la réaction est terminée, on transvase le contenu dans une
fiole jaugée de 100,0 mL ainsi que l’eau de rinçage du bécher et on
complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. On note (S)
la solution bleue obtenue.
À l’issue de l’attaque, la totalité du cuivre métal et du zinc métal a
été transformée en ions Cu2+ et Zn2+. On précise
par ailleurs que les ions zinc(II) présents en solution ne perturbent
pas le dosage des ions cuivre(II).
Quelles
précautions faut-il prendre pour effectuer l’attaque acide du laiton
?
L'acide nitrique est corrosif ; le dioxyde d'azote est toxique : port
de blouse, gants et lunette de protection, travail sous hotte aspirante.
Montrer que l’équation d’oxydoréduction mise en jeu lors de
l’attaque du cuivre s’écrit :
3 Cu(s) + 2 NO3-(aq)
+ 8 H+(aq) = 3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l)
réaction 1.
Oxydation du cuivre : 3 fois {Cu(s)
= Cu2+aq + 2e-}.
Réduction de l'ion nitrate : 2 fois {NO3-aq
+4H+aq +3e- = NO(g) +2H2O(l)}.
Ajouter les demi-équations :
3Cu(s)
+2NO3-aq
+8H+aq +6e- = 2NO(g) +4H2O(l)
+3Cu2+aq
+ 6e-
Simplifier : 3Cu(s) +2NO3-aq
+8H+aq = 2NO(g) +4H2O(l)
+3Cu2+aq.
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Dosage des ions
cuivre (II).
On prélève un volume V = 10,0 mL de solution (S) que l’on place dans un
erlenmeyer, puis on ajoute 10 mL d’une solution d’iodure de potassium (K+(aq)
+ I-(aq)) de concentration 0,50 mol.L-1 ; les
ions iodure se trouvent alors en excès dans le milieu. Un précipité
d’iodure de cuivre (I), CuI(s), apparaît et la solution devient brune.
La transformation mise en jeu est modélisée par :
2 Cu 2+(aq) + 4 I-(aq) = 2 CuI(s) + I2(aq) réaction 2
Le mélange est filtré à l’aide du dispositif représenté pour éliminer le précipité.
Le diiode, I2(aq), formé par la réaction 2 est ensuite titré par une solution aqueuse de thiosulfate de sodium (2 Na+(aq)+ S2O32-(aq)) de concentration molaire C = 0,100 mol.L-1, en présence de quelques gouttes d’empois d’amidon.
La transformation mise en jeu est modélisée par :
I2(aq) + 2 S2O32-(aq) = 2 I-(aq) + S4O62-(aq) réaction 3.
L’équivalence est obtenue pour un volume de solution de thiosulfate de sodium versé VE = 11,1 mL.
Étude du protocole.
Préciser la verrerie utilisée
pour le prélèvement de la solution (S) et celle utilisée pour l’ajout
de la solution d’iodure de potassium.
Le volume précis de la solution (S) est prélevé à l'aide d'une pipette jaugée de 10,0 mL.
Un volume moins prècis ( 10 mL de solution d'iodure de potassium) peut être prélevé à l'aide d'une éprouvette graduée.
Justifier l’intérêt d’ajouter l’iodure de potassium en excès.
Tous les ions cuivre (II) doivent être précipités sous forme d'iodure de cuivre (I).
Nommer et légender le dispositif représenté.
Le dosage des ions cuivre (II) est-il un titrage direct ou indirect ? Justifier.
Le dosage se déroule en deux étapes : précipitation des ions cuivre
(II) puis titrage du diiode formé ; il s'agit donc d'un dosage indirect.
Les ions cuivre (II) en solution aqueuse sont bleus. Cela permet
d’envisager une autre technique de dosage. Quelle est cette technique ?
On peut suivre l'évolution de la teinte de la solution ( les ions
cuivre (II) sont la seule espèce colorée ) par spectrophotométrie.
Exploitation du titrage.
Faire un schéma légendé du dispositif de titrage.
Définir l’équivalence du titrage et préciser le changement de couleur de la solution observé à l’équivalence. Justifier.
A l'équivalence, les quantités de matière des réactifs mis en présence
sont en proportions stoéchiométriques. Avant 'équivalence, l'un des
réactifs est en excès ( diiode : solution colorée iolet ), après l'équivalence, l'autre réactif est en
excès ( thiosulfate, solution incolore ).
Exprimer nI2, la quantité de matière de diiode dosé par la réaction 3 en fonction de C et VE.
D'après les nombres stoechiométriques de (3) : nI2 = ½n(S2O32-) =½C VE.
Exprimer nCu2+, la quantité de matière d'ion cuivre (II) en fonction de C et VE.
D'après les nombres stoechiométriques de (2) : nCu2+ = 2 nI2 =C VE.
En déduire la quantité de matière d'ion cuivre (II), nS, dans la solution S.
On a prélévé le dixième du contenu de la fiole jaugée : nS = 10 nCu2+ = 10C VE = 10 *0,100 *11,1 10-3=1,11 10-2 mol.
Pourcentage massique en cuivre dans le laiton.
En déduire la quantité de matière de cuivre métallique nCu contenu dans le fil de laiton puis calculer la masse mCu de cuivre correspondante.
D'après les nombres stoechiométriques de (1) : nCu= nCu2+ = 1,11 10-2 mol ; mCu = nCu M(Cu) = 1,11 10-2 *63,5 =0,705 g.
Calculer le pourcentage massique de cuivre dans le laiton et conclure.
0,705 g de cuivre dans 1,00 g de fil de laiton, soit 70,5 % de cuivre. Il s'agit d'un laiton CuZn30.
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