Transformer le cuivre en argent et en or : galvanisation et laiton

Un article du site scienceamusante.net.

Retournons au temps des alchimistes, qui voulaient transmuter les métaux ! Cette petite expérience de chimie fera des merveilles en quelques minutes ! L'effet est spectaculaire.

Il s'agit en réalité de traiter une pièce de monnaie contenant du cuivre (pièces de 1, 2 ou 5 centimes d'euro, ou des pennies), avec du zinc, puis de former un alliage, le laiton.

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

  • L'hydroxyde de sodium est très corrosif SGH05.
  • Dès lors que l'on manipule un chalumeau, attention aux chocs thermiques qui pourraient faire éclater les verres et céramiques, et aux brûlures.

2 Matériel et produits

Passage de la pièce recouverte de zinc au laiton, par chauffage au chalumeau.
  • Coupelle en céramique ou en Pyrex®
  • Chalumeau à gaz ou bec Bunsen
  • Pince en métal
  • Poudre de zinc métallique SGH02SGH09, ou à défaut des clous en métal zingué ou des bouts de tuyau de gouttière en zinc.
  • Hydroxyde de sodium SGH05, ou à défaut de la lessive de soude concentrée
  • Pièces de monnaie contenant du cuivre : 1, 2, 5 centimes d'euros, pennies...

3 Protocole

  • Dans une coupelle en céramique réfractaire, ou un bécher en verre Pyrex®, placer quelques mL d'eau. Y ajouter une spatule de zinc SGH02SGH09 en poudre (à défaut, des clous en acier zingué) et quelques pastilles d'hydroxyde de sodium SGH05.
  • Placer la coupelle au-dessus d'une flamme (bec Bunsen, chalumeau) de manière à faire bouillir le mélange.
  • Mettre la pièce de monnaie dans le mélange et laisser ainsi quelques secondes, en mélangeant à l'aide d'une spatule. Immédiatement, la pièce change de couleur.
  • Retirer le pièce avec la spatule et la mettre dans un récipient d'eau froide, pour la refroidir et la laver. La pièce semble alors couverte d'argent brillant. Il s'agit bien sûr d'une couche de zinc.
  • Prendre la pièce avec une pince métallique et la chauffer quelques secondes dans la flamme du chalumeau. Immédiatement, la pièce change de couleur, jusqu'à une belle couleur dorée.
  • La mettre dans un récipient d'eau froide, pour la refroidir. La pièce semble être en or ! Il s'agit en fait de laiton, alliage de zinc et de cuivre, ayant une belle couleur dorée.

D'une manière générale, tout objet en cuivre peut être traité ainsi.

De gauche à droite : pièce d'origine, pièce recouverte de zinc, pièce recouverte de laiton.

4 Explications du dépôt de zinc

  • Ces pièces ont une couleur de bronze car elles sont constituée d'un alliage d'acier et de cuivre[1].
  • Lors du mélange dans l'eau, le zinc SGH02SGH09 et l'hydroxyde de sodium SGH05 réagissent pour former du zincate de sodium (qui peut aussi d'écrire [ZnO2•2H2O]2–) :
Zn(s) + 2 H2O(l) + 2 NaOH(aq) → Na2[Zn(OH)4](aq) + H2(g)
  • Le cuivre en surface de la pièce réagit avec le zincate de sodium pour former une couche de zinc métallique. Cette transformation n'a rien d'évident ! On pourrait penser que des ions zinc (II) réagissent avec le cuivre métallique :
Cu(s) + Zn2+(aq) → Zn(s) + Cu2+(aq) (!)
Or les potentiels standards indiquent au contraire que le zinc métallique devrait réagir avec les ions cuivre (II) pour former du cuivre métallique et des ions zinc (II) :
ECu2+/Cu(s) = +0,337 V
EZn2+/Zn(s) = –0,762 V
Cu2+ + Zn(s) → Zn2+ + Cu(s)
L'ion zincate alors ? Il n'a pas non plus un potentiel permettant de réagir avec le cuivre métallique :
E[Zn(OH)4]2–/Zn(s) = –1,199 V

4.1 Tentative d'explication

Il faut remarquer que la transformation n'a lieu qu'à la condition que la pièce de cuivre soit en contact avec la poudre de zinc. Une explication donnée[2] serait qu'il se forme un processus électrochimique, une pile, lorsque le circuit est fermé :
Sur la pièce de cuivre (jour le rôle de cathode) : [Zn(OH)4]2–(aq) + 2 e– → Zn(s) + 4 OH–
Sur la poudre de zinc (jour le rôle d'anode) : Zn(s) + 4 OH– → [Zn(OH)4]2–(aq) + 2 e–
Ces deux réactions étant contraires, la seule possibilité est qu'il s'agisse d'une pile de concentration. Ainsi, le cuivre n'entrerait pas en jeu dans la réaction, il n'y aurait pas d'ion cuivre (II) créé. Cela dit, la nature exacte du processus électrochimique est encore inconnue dans cette expérience !

5 Explication de la formation du laiton

  • En chauffant la pièce au chalumeau, la fine couche de zinc et le cuivre juste en dessous forment un alliage de laiton de couleur dorée :
x Zn(s) + y Cu(s) → ZnxCuy(s)
Les proportions de cuivre et zinc peuvent varier d'un laiton à un autre. Généralement, on a : 60 à 82% Cu et 18 à 40% Zn

6 Variante

La même expérience peut se faire avec de l'étain à la place du zinc. L'alliage obtenu est alors un bronze, d'une couleur différente, plus rosée.

7 Vidéo

8 Références

  1. ↑ Composition chimique des euros : http://www.bcl.lu/fr/monnaie/billets_pieces/euros/technique_pieces/index.html
  2. ↑ Chemical demonstrations: a handbook for teachers of chemistry, Bassam Z. Shakhashiri ; p. 267
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