Etude du pourcentage de cuivre dans une pièce de monnaie

Explor        ation de Chimie.

Titre: détermination et comparaison du pourcentage massique de cuivre présent dans deux pièces de monnaie par titrage iodométrique

Code du candidat: hht810

Session: Mai 2019

Niveau: Moyen.

Introduction

Les pièces de monnaie antiques étaient constituées d’or et d’argent. A travers les âges ces pièces ont été remplacées par des pièces constituées d’un alliage, souvent majoritairement composé de cuivre. Je me suis toujours demandé combien est-ce que cela coûtait de produire une pièce de monnaie. J’en utilisais tous les jours, mais sans connaître la vraie valeur, autre que celle marquée. En cours de chimie du programme IB, j’ai appris que le cuivre réagissait avec l’acide nitrique suivant une réaction d’oxydo-réduction. En poursuivant mes recherches sur ce sujet, j’ai vu qu’il était possible de connaître la masse de cuivre d’un échantillon en utilisant un titrage iodométrique. Je me suis alors demandé quel est le pourcentage de cuivre présent dans des pièces de 25FCFA. Je suis arrivé à m’en procurer deux de dates différentes : une de 1990 et une de 2014. C’est ainsi que m’est venu mon sujet : détermination et comparaison du pourcentage massique de cuivre présent dans deux pièces de monnaie par titrage iodométrique. L’objectif de cette exploration est donc de donner le pourcentage de cuivre qui se trouve dans mes deux pièces et de comparer les valeurs tout en apportant une explication aux résultats obtenus.

[pic 1]

Aspect théorique

Les pièces de monnaie modernes sont faites d’un alliage de cuivre/zinc/aluminium/Arsenic. Un alliage est un mélange de métaux, même si une des composantes de l’alliage peut ne pas être un métal. Du fait de la nature des liaisons métalliques et de la structure compacte qu’elles adoptent, il n’est pas difficile d’ajouter des atomes d’un autre métal dans le réseau de liaisons d’un métal afin d’en modifier des propriétés telles que la conductivité, la résistance à la déformation…

Lorsque les pièces de monnaie rentrent en contact avec l’acide nitrique, elles se dissolvent. Souvent elles sont majoritairement constituées de cuivre. Le cuivre réagit alors avec l’acide nitrique suivant cette réaction d’oxydo-réduction :

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Il y aura un dégagement de gaz toxique de couleur brune : le dioxyde d’azote.

Si le cuivre est le métal majoritaire dans l’alliage, la solution obtenue sera bleue. Afin de connaître le pourcentage de cuivre dans l’alliage, on pourra passer par un titrage iodométrique. De ce fait, il faut ajouter des ions  à la solution de pièce dissolue. L’iodure de potassium  peut être utilisée. Le bilan de réaction sera le suivant : [pic 5][pic 6]

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Le  se décompose immédiatement et donne ceci :[pic 8]

[pic 9]

On a alors :

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La solution prend une couleur marron foncé.

Le thiosulfate est souvent utilisé en tant que titrant en iodométrie. De plus, sa transparence fait que la détermination de l’équivalence n’est pas altérée. Le thiosulfate de Sodium  est facilement étalonnée par l’iode libérée par l’iodure de potassium . La réaction d’oxydo-réduction entre le diiode et le thiosulfate de sodium se fait comme suit :[pic 11][pic 12]

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On remarque que la solution dans l’erlenmeyer devient de plus en plus claire à mesure que le titrage se poursuit. Lorsqu’elle vire au marron clair, comme du caramel, on rajoute de l’amidon et elle devient instantanément mauve. L’ajout d’amidon permet de distinguer l’équivalence plus facilement. A l’équivalence, on doit obtenir une solution de couleur blanche, comme du lait écrémé

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Préparation des solutions au préalable

Thiosulfate de Sodium 0,1M ; 500ml

On veut préparer une solution de thiosulfate de sodium ()  de concentration  et de volume . Nous disposons de thiosulfate de sodium penta hydraté ()[pic 18][pic 19][pic 20][pic 21]

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(La masse molaire du thiosulfate de sodium penta hydraté utilisée est celle donnée par le fabriquant)

Ce calcul nous permet de connaître le pourcentage de thiosulfate de Sodium dans le thiosulfate de sodium penta hydraté utilisé. Soit le nombre de mol de thiosulfate de sodium nécessaire pour prépare une solution de concentration  et de volume .   représente la masse de thiosulfate de sodium nécessaire.[pic 23][pic 24][pic 25][pic 26]

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Sachant qu’il y a 93,25% de thiosulfate de sodium dans le thiosulfate de sodium penta hydraté utilisé, il faudra donc :

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Il faudra donc peser 12,41g de thiosulfate de sodium penta hydraté. Cependant, la balance dont on dispose est précise au dixième de gramme près. On pèsera donc 12,4 g. On mélange cette masse à 50ml d’eau distillée (mesurée au préalable grâce à une éprouvette graduée) dans un bécher avec un agitateur magnétique. On obtient ainsi une solution de thiosulfate de concentration . On verse cette solution dans une fiole jaugée de 500ml puis on la remplie d’eau distillée puis on la remplie d’eau distillée jusqu’au trait de jauge en s’aidant de l’entonnoir. [pic 30]

 car la balance électronique utilisée est gradué au dixième de gramme préparée. [pic 31]

 car on a utilisé une éprouvette graduée au millilitre près et le fabriquant de la fiole indique une erreur absolue de 0,5 ml.[pic 32]

Iodure de potassium 1M ; 100ml

On veut préparer une solution d’iodure de potassium  de concentration  et de volume .[pic 33][pic 34][pic 35]

Soit  le nombre de mol d’iodure de sodium nécessaire pour préparer une solution et de volume .  représente alors la masse d’iodure de sodium nécessaire.[pic 36][pic 37][pic 38]

[pic 39]

[pic 40]

Il faut donc 16,601g d’iodure de potassium. Cependant, on ne peut peser que 16,6g car la balance électronique qu’on a est graduée au dixième de gramme près. Ensuite, on mélange cette masse d’iodure de potassium à 50ml d’eau distillée (préalablement mesurée à l’aide d’une éprouvette graduée au millilitre près) dans un bécher. A l’aide d’un agitateur magnétique. On obtient ainsi une solution d’iodure de potassium de concentration              . On verse cette solution dans une fiole jaugée de 100ml puis on la remplie d’eau distillée jusqu’au trait de jauge en s’aidant de l’entonnoir.[pic 41]

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