Les ions cuivre en 3ᵉ : reconnaître, écrire et expliquer les transformations

Du métal cuivre à l’ion cuivre

Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu. Dans un fil électrique ou dans une pièce métallique, il est présent sous forme d’atomes de cuivre assemblés dans un solide métallique. Un atome est électriquement neutre : il contient autant de protons, chargés positivement, que d’électrons, chargés négativement. Le noyau d’un atome de cuivre contient 29 protons. Un atome de cuivre neutre possède donc 29 électrons. Un ion est un atome, ou un groupe d’atomes, qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Le noyau ne change pas lors de cette formation : le nombre de protons reste identique. C’est uniquement le nombre d’électrons qui varie. L’ion cuivre étudié le plus souvent est l’ion Cu²+. Il provient d’un atome de cuivre qui a perdu deux électrons. Il conserve 29 protons, mais ne possède plus que 27 électrons. Il a donc deux charges positives de plus que de charges négatives. C’est un cation, c’est-à-dire un ion positif. Son écriture donne trois informations : Cu désigne l’élément cuivre, ² indique le nombre de charges, et + indique que la charge est positive. Ne lis pas « cuivre deux plus » comme s’il s’agissait de deux atomes : Cu²+ désigne un seul ion cuivre portant une charge égale à +2. L’écriture de la formation est : Cu → Cu²+ + 2 e−. Les électrons perdus apparaissent obligatoirement dans cette équation, car la charge électrique se conserve. Garde ce réflexe : à gauche, la charge totale vaut 0 ; à droite, +2 et −2 donnent aussi 0.

Ne confonds pas les espèces contenant du cuivre

Dans une solution : lire les formules et les charges

• Une solution aqueuse est obtenue lorsqu’une espèce est dissoute dans l’eau. Le mot « aqueuse » signifie que l’eau est le solvant. Les ions y sont dispersés et peuvent se déplacer.
• Quand du sulfate de cuivre solide se dissout dans l’eau, on modélise la transformation par : CuSO₄(s) → Cu²+(aq) + SO₄²−(aq). Le symbole (s) signifie solide ; (aq) signifie dissous dans l’eau.
• La solution reste électriquement neutre dans son ensemble. Pour chaque ion Cu²+ de charge +2, il y a un ion SO₄²− de charge −2. Les charges se compensent exactement.
• Une formule comme CuSO₄ ne signifie pas qu’un ion Cu²+ a disparu. Dans une solution de sulfate de cuivre, les ions Cu²+ et SO₄²− sont séparés et entourés de molécules d’eau.
• La couleur bleue est un indice utile : une solution contenant des ions Cu²+ est bleue. Une coloration plus ou moins intense peut dépendre de la quantité d’ions présents dans un même volume de solution. Cependant, une identification rigoureuse s’appuie sur un test chimique.
• Pour vérifier la présence d’ions cuivre Cu²+, on peut ajouter une solution contenant des ions hydroxyde HO−, par exemple une solution d’hydroxyde de sodium. Si un précipité bleu apparaît, ce résultat met en évidence les ions cuivre Cu²+ dans les conditions de l’expérience.
• Un précipité est un solide qui apparaît dans une solution lors d’une transformation chimique. Il ne faut pas le confondre avec un solide initialement non dissous : ici, le solide se forme après le mélange des solutions.

Écrire la transformation de reconnaissance

Quand les ions cuivre participent à une transformation

Les ions cuivre peuvent aussi être transformés en cuivre métallique. Si une lame de fer est plongée dans une solution contenant des ions Cu²+, il peut se former un dépôt de cuivre sur la lame tandis que des ions fer Fe²+ apparaissent dans la solution. La transformation se modélise par : Fe(s) + Cu²+(aq) → Fe²+(aq) + Cu(s). Le fer perd deux électrons : Fe → Fe²+ + 2 e−. Les ions cuivre gagnent ces deux électrons : Cu²+ + 2 e− → Cu. Le transfert d’électrons relie les deux écritures : aucun électron ne figure dans l’équation-bilan finale, car ceux qui sont perdus par le fer sont gagnés par les ions cuivre. Cette transformation respecte la conservation des éléments : un atome de fer est présent de chaque côté, de même qu’un atome de cuivre. Elle respecte aussi la conservation de la charge : à gauche, la charge totale vaut +2 ; à droite, elle vaut également +2. La masse se conserve aussi dans un système fermé : les atomes ne sont ni créés ni détruits, ils sont réorganisés. Ne confonds pas disparition visuelle et disparition de matière. Si la couleur bleue s’atténue, les ions Cu²+ sont consommés, mais du cuivre métallique se dépose. Pour analyser une expérience, organise ton raisonnement dans l’ordre : relève les observations, nomme les espèces initiales, identifie les espèces formées, puis écris l’équation ajustée. Un test n’est valable que si son résultat correspond aux conditions annoncées. Une absence de précipité bleu avec des ions hydroxyde signifie seulement que le test ne met pas en évidence Cu²+ dans l’échantillon testé ; elle ne permet pas d’affirmer sans autre information qu’aucun cuivre n’existe sous une autre forme.