Transformations chimiques du cuivre et de l'ion cuivre

1. Du cuivre à l'oxyde de cuivre : l'action du dioxygène

On chauffe un fil ou une poudre de cuivre dans la flamme d'un bec Bunsen : le métal rouge-brun se recouvre d'une couche noire. C'est de l'oxyde de cuivre II CuO. Le cuivre a réagi avec le dioxygène de l'air :

2 Cu + O₂ → 2 CuO

Vérification : Cu : 2 = 2 ; O : 2 = 2.

Comme le cuivre fixe de l'oxygène, la masse augmente. Avec Cu = 63,5 et O = 16 : 2 × 63,5 = 127 g de cuivre réagissent avec 2 × 16 = 32 g de dioxygène pour donner 127 + 32 = 159 g d'oxyde de cuivre.

Une réaction dans laquelle un corps fixe de l'oxygène s'appelle une oxydation.

2. Du cuivre à l'ion cuivre

Le cuivre n'est pas attaqué par l'acide chlorhydrique dilué ni par l'acide sulfurique dilué. En revanche, il est attaqué par l'acide nitrique : la solution devient bleue (formation d'ions Cu²⁺) et il se dégage des vapeurs rousses très toxiques. Cette expérience est réservée au professeur, sous une hotte.

Tu as vu une autre façon d'obtenir des ions Cu²⁺ dans la leçon précédente : sur une anode en cuivre, le métal perd 2 électrons :

Cu → Cu²⁺ + 2 e^-

3. De l'ion cuivre à l'hydroxyde de cuivre

Dans une solution contenant des ions Cu²⁺ (sulfate de cuivre), on verse de la soude : il apparaît un précipité bleu d'hydroxyde de cuivre II :

Cu²⁺ + 2 OH^- → Cu(OH)₂

C'est le test d'identification de l'ion Cu²⁺.

4. De l'hydroxyde à l'oxyde de cuivre

Si l'on chauffe le précipité bleu, il devient noir : l'hydroxyde de cuivre se décompose en oxyde de cuivre et en eau :

Cu(OH)₂ → CuO + H₂O

Vérification : Cu : 1 = 1 ; O : 2 = 1 + 1 ; H : 2 = 2.

5. De l'oxyde de cuivre au cuivre : la réduction par le carbone

On mélange de la poudre noire d'oxyde de cuivre avec de la poudre de carbone (charbon de bois finement broyé) et on chauffe fortement dans un tube. On observe :

• l'apparition de grains rouge-brun de cuivre ;
• un gaz qui trouble l'eau de chaux : c'est du dioxyde de carbone.

2 CuO + C → 2 Cu + CO₂

Vérification : Cu : 2 = 2 ; O : 2 = 2 ; C : 1 = 1.

L'oxyde de cuivre a perdu son oxygène : on dit qu'il a été réduit. Le carbone, qui a pris l'oxygène, est le réducteur. Une réaction où un oxyde perd son oxygène s'appelle une réduction. C'est sur ce principe qu'on fabrique de nombreux métaux à partir de leurs oxydes (le fer, par exemple, dans les hauts fourneaux).

6. De l'ion cuivre au cuivre, grâce à un autre métal

C'est ce qui est arrivé à la houe de Kadiatou. Un morceau de fer plongé dans une solution de sulfate de cuivre se couvre d'un dépôt rouge-brun de cuivre, et la solution passe du bleu au vert pâle. Si l'on ajoute de la soude à la solution finale, on obtient un précipité vert : il s'est formé des ions Fe²⁺.

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

Les atomes de fer ont cédé 2 électrons aux ions Cu²⁺ : le fer passe en solution, le cuivre se dépose. Les charges sont conservées : +2 à gauche, +2 à droite.

Avec du zinc, c'est pareil, mais la solution devient incolore, car l'ion Zn²⁺ est incolore :

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Attention : l'inverse ne marche pas. Un fil de cuivre plongé dans une solution contenant des ions Fe²⁺ ou Zn²⁺ ne subit aucune transformation.

7. Le cycle du cuivre : l'élément se conserve

On peut enchaîner toutes ces transformations et revenir au point de départ :

À chaque étape, le cuivre change de forme (métal, ion, hydroxyde, oxyde), mais l'élément cuivre ne disparaît jamais : ses atomes passent d'un corps à l'autre. C'est la conservation des éléments au cours des transformations chimiques. Le cuivre n'a donc pas disparu dans le seau de Kadiatou : il s'est déposé sur la houe.

8. Un test utile : le sulfate de cuivre anhydre

Le sulfate de cuivre anhydre (sans eau) est une poudre blanche. Au contact de l'eau, il redevient bleu. On l'utilise donc pour mettre en évidence la présence d'eau, par exemple dans les produits d'une combustion.