Affinage électrolytique du cuivre

Objectifs :             Réaliser le montage électrique permettant d’effecteur une électrolyse

                               Relier la quantité d’électricité transférée et la quantité de matière transformée.

I Principe

La première étape de la fabrication du cuivre métallique aboutit à la production de cuivre noir ou « blister », contenant de 98 % à 99,5% de cuivre. Pour être utilisé dans l’industrie électrique, le cuivre doit être pur à 99,9%. Les blisters sont raffinés par un procédé d’électrolyse à anode soluble.

Ils sont coulés en feuilles de 350 kg, 1 m² de surface et 13 à 50 mm d’épaisseur, qui constituent les anodes d’un électrolyseur. Les cathodes sont formées de cuivre raffiné, initialement minces et de masse égale à 8 kg.

Le bain d’électrolyse est une solution de sulfate de cuivre et d’acide sulfurique : Cu²⁺_(aq) : 45 g.L^-1 ; H₂SO₄ : 185 g.L^-1. L’électrolyse, réalisée à 65°C et sous une tension de 0,2 à 0,3 V, dure de 21 à 28 jours. Pour chaque anode soluble, on obtient deux cathodes de 140 à 150 kg d’une teneur minimale de 99,9% de cuivre. La consommation d’énergie électrique est d’environ 250 kWh par tonne de cuivre. Une raffinerie de cuivre qui produit 600 tonnes par jour, utilise 1092 cuves d’électrolyse avec 46 anodes par cuve.

·        Calculer la concentration molaire volumique des ions cuivre II Cu²⁺_(aq) dans le bain électrolytique.

·        Faire un schéma d’une électrolyse sur lequel apparaîtront le sens du courant électrique, le sens de déplacement et la nature des porteurs de charge.

·        Ecrire l’équation de la réaction à chaque électrode sachant que seul le couple Cu²⁺_(aq)/Cu_(s) intervient. En déduire où sont l’anode et la cathode.

·        Expliquer le terme « anode soluble ».

·        En déduire l’équation de la réaction d’électrolyse.

·        La concentration en ions Cu²⁺_(aq) de la solution varie-t-elle au cours de l’électrolyse ?

II Illustration par une expérience au laboratoire

II.1) Réalisation de l’électrolyse

·        Polir les plaques de cuivre avec du papier abrasif. La dégraisser et la nettoyer sous l’eau avec du détergent et la sécher soigneusement (utiliser un courant d’air chaud).

·        Déterminer la masse des deux plaques de cuivre et l’indiquer sur chacune des plaques.

·        Réaliser le montage d’électrolyse comportant en série un générateur de tension variable, un ampèremètre, un électrolyseur constitué des deux plaques de cuivre plongeant dans une solution de sulfate de cuivre.

·        Placer le bécher sur un agitateur magnétique et agiter l’électrolyte.

·        Après avoir déclencher le chronomètre, fermer rapidement l’interrupteur et régler l’intensité du courant (pour qu’elle soit constante) de l’ordre de 0,5 A.

·        Au bout d’une durée Dt (de l’ordre d’une heure), arrêter l’électrolyse.

·        Sécher la plaque ayant servi de cathode. Mesurer sa masse et en déduire l’augmentation de masse Dm de la cathode.

·        Sécher la plaque ayant servi d’anode. Mesurer sa masse et en déduire la diminution de masse Dm’ de l’anode. Comparer Dm et Dm’. Conclure.

II.2) Exploitation

·        Démontrer que l’augmentation théorique de la masse de la cathode peut être reliée à l’intensité constante I et à la durée Dt de l’électrolyse par la relation :

               où F est la constante de Faraday

·        Comparer Dm_théo et Dm. Conclure.

Données :        M(Cu) = 63,5 g.mol^-1             F = 96500 C.mol^-1