[discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

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brusicor02
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[discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar brusicor02 » 02 Mars 2018, 01:45

Bonsoir,

Je viens d'ajouter des précisions dans la partie "Discussion" de l'expérience du Wiki Transformer le cuivre en argent et en or : galvanisation et laiton, sur la base de la bibliographie que j'ai faite sur cette expérience pour mes ateliers.

Voilà le résumé : dans le protocole actuel, on prépare une solution de zincate de sodium $\rm Na_2Zn(OH)_4$ en ajoutant en excès de la grenaille de zinc à une solution concentrée d'hydroxyde de sodium :sgh05: chauffée. En immergeant une pièce de cuivre dans la solution chaude et en s'assurant qu'elle fasse contact avec les morceaux de zinc, on assiste à la formation d'un dépôt argentée sur le cuivre. La pièce, une fois rincée, prend une couleur dorée en la chauffant sur une plaque électrique par exemple.

Ces changements de coloration de la pièce sont dus à un dépôt de zinc métallique : il est brillant et la chaleur favorise la formation d'un alliage zinc-cuivre (du laiton) de couleur dorée. Mais reste à expliquer la raison de ce dépôt. La nécessité du contact entre la pièce et les morceaux de zinc indique un processus électrochimique, mais les potentiels standard jouent contre nous : ils favorisent la réaction $$\rm Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)}$$au lieu de la réaction inverse désirée. Il faut donc trouver une force motrice favorisant ce dépôt.

Une première hypothèse a été proposée par Shakhashiri$\,^{[\, 1 \,]}$ utilisant le principe de la pile à concentration : $$\ominus \; \; \rm Zn_{(s)} \; | \; Na^+_{(aq)} + HO^-_{(aq)} \; || \; 2 \, Na^+_{(aq)} + [Zn(OH)_4]^{2-}_{(aq)} \; | \; Cu_{(s)} \; \; \oplus $$ La force motrice proposée est alors une différence de concentration en ion zincate et elle serait indépendante du choix du métal pour l'anode.

Cependant, Szczepankiewicz et son équipe$\,^{[\, 2 \,]}$ montrent plusieurs problèmes de cette explication : ils reproduisent la pile employée par Shakhshiri en utilisant le même électrolyte à la même concentration dans les deux cellules : $$\ominus \; \; \rm Zn_{(s)} \; | \; 2 \, Na^+_{(aq)} + [Zn(OH)_4]^{2-}_{(aq)} \; || \; 2 \, Na^+_{(aq)} + [Zn(OH)_4]^{2-}_{(aq)} \; | \; X_{(s)} \; \; \oplus $$ où $\rm X$ représente une électrode de métal ou en carbone amorphe. Ils remarquent alors :
  • si $\rm X = Zn$, une différence de potentiel de +1.1 V est observée, alors que la concentration est la même. Cela met à mal l'hypothèse de la pile de concentration.
  • selon l'électrode $\rm X$ choisie, la tension mesurée est différente : de +1.6V pour $\rm X = Ag$ à +0.75 V pour $\rm X = Fe$.
  • la plus faible tension est obtenue pour $\rm X = Cd$ avec +0.3 V.
  • la réaction fonctionne également en remplaçant les solutions basiques de zincate de sodium par des solutions molaires de chlorure de zinc.
Les auteurs mettent en parallèle ces résultats avec la capacité de ces métaux (excepté le cadmium) à faire facilement des alliages avec le zinc. La force motrice de cette réaction est alors la formation de cet alliage par la migration des atomes de zinc dans l'électrode métallique $\rm X$ : $$\rm Zn_{(s)} \rightarrow Zn_{(X)}$$ La formation de l'alliage favorise la réduction cathodique sur la plaque de cuivre (on revient au cas $\rm X = Cu$ du protocole) : $$\rm Zn^{2+}_{(aq)} + 2 \; e^- \rightarrow Zn_{(Cu)}$$ La grenaille de zinc devient alors l'anode : $$\rm Zn_{(Zn)} \rightarrow \rm Zn^{2+}_{(aq)} + 2 \; e^-$$ Pour un bilan total : $$\rm Zn_{(Zn)} + Zn^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Zn_{(Cu)}$$

Au vue de ces informations, je propose les modifications suivantes pour la page :
  • remplacer l'hydroxyde de sodium :sgh05: par une solution de chlorure de zinc :sgh07: ou de sulfate de zinc. J'ai personnellement fait mes essais avec 30 g de sulfate de zinc (II) dissous dans 100 mL d'eau, comme dans la vidéo de NurdRage$\,^{[\, 3 \,]}$.
  • remplacer le chauffage par bec Bunsen par un chauffage sur plaque électrique, plus facilement trouvable aujourd'hui et évitant certains problèmes dus au placement de la pièce dans la zone oxydante de la flamme.
  • remplacer l'explication de la pile à concentration par l'explication ci-dessus.

Dites-moi ce que vous en pensez. Je ne pourrai pas modifier la page dans l'immédiat, j'attends de tester cette manip en public (et l'occasion me sera donné ce week-end ;-)).



Bibliographie :
$[\, 1 \,]$ Bassam Z. Shakhashiri, Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry, 1983, vol. 4, p. 267 (lien)
$[\, 2 \,]$ Steven H. Szczepankiewicz, Joseph F. Bieron et Mariusz Kozik, "The 'Golden Penny' Demonstration: An Explanation of the Old Experiment and the Rational Design of the New and Simpler Demonstration", Journal of Chemical Education, 1995, 72 (5), p. 386 (lien)
$[\, 3 \,]$ NurdRage, Turn Pennies Silver and Gold (Chemistry Trick), vidéo YouTube, 20 mai 2010 (lien)
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Re: [discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar darrigan » 02 Mars 2018, 21:53

Je ne sais quelle est la réelle explication de cette expérience. Voyons ce qu'en pensent les autres.
C'est sûr que sans NaOH :sgh05: ce serait bien mieux...
S'il faut modifier le protocole, avec d'autres produits, il faut être sûr que cela fonctionne bien, et dans ce cas on mettra les 2 versions de l'expérience.
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Re: [discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar darrigan » 05 Mars 2018, 08:52

Alors ce week-end, ça a donné quoi ? :fete:
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Re: [discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar brusicor02 » 06 Mars 2018, 19:51

Très bien, ça a plutôt bien fonctionné !
Mais comme il fallait attendre une dizaine de minutes, parfois j'oubliais le bécher sur la plaque et le résultat était assez variable. :-D
Il faut aussi tenir compte que j'ai pris du sulfate de zinc "premier prix" qui était contaminé avec du fer, ce qui donnait des couleurs rouilles pas très esthétiques mais le résultat était là (et tu as vu les photos de mes essais sur Twitter)
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Re: [discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar Maurice » 10 Mars 2018, 18:57

Bonsoir,

J'ai eu par chance l'occasion d'en discuter pendant la International Conference on Chemical Education à Rome, il y a déjà plusieurs années. J'ai obtenu encore une autre explication. La voici.
On a deux électrodes. Toutes les deux fonctionnent sur la même demi-équation
Zn ---> Zn2+ + 2 e-.
Toutes les deux ont un potentiel qui est décrit par la même équation : E = E° + 0.03 log([Ox]/[Red])
[Ox] désigne la concentration de l'ion Zn2+ en solution. Et c'est la même valeur pour les deux électrodes.
Par contre [Red] désigne la concentration du métal zinc Zn, et on considère qu'elle ne change pas dans le cas habituel, donc on fait passer ce terme dans la constante E°. Mais dans le cas qui nous préoccupe, c'est une erreur. La concentration du zinc sur la plaque de zinc est certes constante. Mais la concentration du métal zinc sur la plaque de cuivre n'est pas constante. Sur la plaque de cuivre, [Zn] est très petit. Cela affecte le potentiel de cette électrode.
Le rapport [Ox]/[Red] est petit sur le zinc, et très grand sur le cuivre. Donc le potentiel de l'électrode de cuivre devient moins négatif et même positif. Donc cette électrode fonctionne en cathode et le zinc s'y réduit.

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Re: [discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar brusicor02 » 10 Mars 2018, 23:35

Si tu sais si cette explication a été publiée, je veux bien une référence.
Parce qu'avec cette explication, je ne vois pas pourquoi on obtiendrait des potentiels différents selon le métal choisi pour l'électrode. #-/

Si je recroise mon prof d'électrochimie, je lui demanderai ce qu'il en pense ou s'il en a déjà entendu parler.
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Re: [discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar Maurice » 11 Mars 2018, 12:08

Bonjour,
Non. J'ignore si cette interprétation a été publiée quelque part. Mais elle me paraît vraisemblable.
D'autre part, je ne sais pas si on obtient des potentiels différents en changeant de métal. Mais si c'est le cas, on peut incriminer la taille des atomes du métal sur lequel se dépose le zinc. Si les atomes de cuivre sont plus petits que ceux de zinc, les atomes de zinc qui s'y déposent devraient toucher les atomes de cuivre. Mais ils ne le peuvent pas bien, car ils se gênent mutuellement. S'ils sont plus gros que les atomes de zinc, ces derniers ne sont pas en contact étroit. Il y a des lacunes entre eux. Et dans ces deux cas, le potentiel du métal change un peu.

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Re: [discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar brusicor02 » 11 Mars 2018, 18:16

La variation de tensions est illustrée dans la Table 2 de la référence $[2]$ de ma bibliographie.
Si ce phénomène peut être l'initiateur en quelque sorte, la différence de tension me parait mal justifiée par ton explication. Et ça revient exactement au même finalement, mon explication fait aussi varier l'activité du zinc métallique.
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Re: [discussion Wiki] La réelle explication de l'expérience "Transformer le cuivre en argent et en or"

Messagepar brusicor02 » 29 Mars 2018, 22:48

Mise à jour : j'ai donné mon protocole à plusieurs personnes et certains retours m'indiquent des résultats bizarres. Donc je vais investiguer un peu avant de mettre à jour le Wiki.
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