Oui
Équilibre et sens d'évolution
Piles et oxydoréduction
Sujet Bac Corrigé - Séparation fer et cuivre - Bac S Antilles-Guyane rattrapage 2005 (ancien programme) - Ex 4 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2005
Bac S (ancien programme)
Comment débarrasser une solution d'ions cuivre (II) des ions fer (III) qui la polluent ? Cet exercice de spécialité de 4 points du Bac S 2005 Antilles-Guyane (rattrapage) compare deux techniques de séparation.
- lecture des courbes de précipitation de Cu(HO)2 et Fe(HO)3 en fonction du pH ;
- constante K1, quotient de réaction et sens d'évolution ;
- calcul de [HO-] puis du pH d'apparition du précipité ;
- séparation par oxydoréduction avec de la poudre de fer ;
- choix de la méthode adaptée avant une électrolyse.
Le corrigé reprend chaque question avec les lectures graphiques annotées.
✅ Correction
🫣
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Séparer le fer et le cuivre : précipitation ou oxydoréduction
Cet exercice de spécialité du bac S 2005 Antilles-Guyane (rattrapage) compte 4 points, soit une cinquantaine de minutes. Le contexte est industriel : une solution issue d'un minerai de cuivre contient des ions Cu2+ et des ions Fe3+, et l'on cherche à séparer ces deux éléments. Deux méthodes sont étudiées puis comparées.
Première partie : la précipitation des hydroxydes
On ajoute de la soude à une solution d'ions cuivre (II) à 0,1 mol·L-1. Les courbes montrent que le précipité bleu Cu(HO)2 apparaît vers pH 5,2 : on lit le pH au pied de la partie verticale, et non au croisement des courbes. La constante de réaction s'écrit K1 = 1/([Cu2+]·[HO-]2) : le solide n'y figure pas, et il ne faut pas oublier l'exposant 2. Le quotient de réaction a la même forme avec les concentrations de l'état considéré. Si Qr < K1, le système évolue dans le sens direct et le précipité se forme.
À l'apparition du précipité, Qr = K1 : avec K1 = 4,0 × 1018, on trouve [HO-] = 1,6 × 10-9 mol·L-1. Le piège est d'oublier la racine carrée. Le produit ionique de l'eau donne ensuite [H3O+] puis pH = 5,2, en accord avec la lecture graphique. Calculer directement -log[HO-] donnerait 8,8, qui n'est pas le pH.
Pour les ions fer (III), la seconde courbe montre que le précipité rouille Fe(HO)3 se forme dès un pH proche de 2 : au-delà de pH 3,5, il ne reste plus d'ions Fe3+ en solution. En amenant le mélange à pH 4,0 puis en filtrant, on retient le fer sous forme de Fe(HO)3 tandis que les ions Cu2+ restent dans le filtrat S1. Un test à la soude sur un échantillon de S1 le vérifie : précipité bleu seul, sans précipité rouille.
Deuxième partie : la technique par oxydoréduction
On ajoute de la poudre de fer en excès. La réaction Cu2+ + Fe = Cu + Fe2+ transforme tout le cuivre en métal, et la réaction 2 Fe3+ + Fe = 3 Fe2+ fait passer le fer dissous à l'état d'ions fer (II). Une filtration sépare donc le cuivre solide du fer resté en solution : la séparation est réalisée, même si le solide recueilli contient aussi le fer en excès.
Conclusion de l'exercice
Pour préparer du cuivre par électrolyse, les ions Cu2+ doivent rester en solution. L'oxydoréduction les fait sortir de la solution, qui s'enrichit en ions Fe2+ : elle ne convient pas. Il faut utiliser la précipitation vers pH 4, qui élimine les ions Fe3+ en laissant les ions Cu2+ en solution.
Conseils
Cet exercice demande surtout une lecture attentive des courbes et une bonne maîtrise du critère d'évolution. Notez que l'énoncé écrit Cu(HO)2 là où l'on écrit aujourd'hui plutôt Cu(OH)2, et parle de constante de réaction pour la constante d'équilibre. Le corrigé détaille chaque étape, avec les pièges les plus fréquents.