Le fil de fer transformé en cuivre

Il s'agit de transformer un fil de fer de couleur habituelle en un fil de cuivre de couleur rosée.

1 Précautions

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

• Les sels métalliques (ici sulfate de cuivre) peuvent être nocifs au contact avec la peau. Bien se laver les mains après l'expérience.
• Ne pas réutiliser le récipient autrement que pour faire des expériences.

2 Matériel

• Du fil de fer non galvanisé
• Sulfate de cuivre CuSO₄
• Petit récipient

3 Protocole expérimental

• Préparer une solution aqueuse de sulfate de cuivre  : 2 cuillères à café dans un verre d'eau.
• Plonger le fil de fer, préalablement décapé, dans la solution. Celui-ci change de teinte en quelques secondes et prend la couleur rosée caractéristique du cuivre métallique.
• Laisser le fil de fer tremper quelques heures dans la solution, celui-ci se recouvre totalement de cuivre.

4 Explications

• La très simple réaction d'oxydo-réduction a transformé le fer métallique solide Fe(s) en cations Fe²⁺ et inversement, les cations cuivres Cu²⁺ contenus dans la solution se sont transformés en cuivre métallique solide Cu(s). Il y a eu un échange d'électrons entre les espèces chimiques. La couleur rosée est due au cuivre sous sa forme métallique.

Fe(s) + Cu²⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + Cu(s)

• En réalité, le fil de fer n'est "transformé" en cuivre qu'en surface, et non dans toute sa masse.

5 Pour en savoir plus

• On peut prévoir si une réaction chimique pourra se faire par échange d'électrons grâce aux potentiels standards d'oxydo-réduction. Ici nous avons :
  • Le cation Cu²⁺ qui apparaît comme oxydant avec un potentiel de +0,34 V. Sa demi-réaction est :

Cu²⁺ + 2 e^– ⇄ Cu(s)     E⁰_Cu²⁺/Cu = +0,34 V

• • Le fer métallique Fe(s) qui apparaît comme réducteur avec un potentiel de –0,44 V. Sa demi-réaction est :

Fe²⁺ + 2 e^– ⇄ Fe(s)     E⁰_Fe²⁺/Fe = –0,44 V

mais aussi dans cet autre couple :

Fe³⁺ + 3 e^– ⇄ Fe(s)     E⁰_Fe³⁺/Fe = –0,04 V

La réaction thermodynamiquement favorisée est celle ayant le plus grand écart entre les potentiels standards, soit :

Fe(s) + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu(s)

• Lorsqu'on désire recouvrir une pièce métallique par un autre métal mais que la réaction ne se fait pas d'elle-même, on utilise une technique différente : l'électrolyse. Dans ce cas, on "force" la réaction chimique à se réaliser en imposant un potentiel électrique au moyen d'électrodes : une des électrodes est la pièce à recouvrir, l'autre est le métal à déposer. Les deux électrodes plongent dans une solution conductrice appelée électrolyte.