Électrodéposition du cuivre : traiter les eaux de rinçage industrielles

L'exercice de spécialité du bac S Antilles-Guyane de rattrapage 2007, noté sur 4 points (environ 52 minutes conseillées), étudie une cellule d'électrodéposition qui récupère le cuivre contenu dans les eaux de rinçage d'une chaîne de métallisation. Il mobilise l'électrolyse, les demi-équations électroniques, un tableau d'avancement et la quantité d'électricité.

Partie 1 : principe de l'électrolyse

Une transformation forcée

L'électrodéposition est une électrolyse : un générateur impose le passage du courant et le système évolue dans le sens inverse de son sens spontané. La transformation est donc forcée.

Cathode et anode

Le dépôt de cuivre correspond à un gain d'électrons, donc à une réduction, qui a lieu à la cathode : l'électrode en carbone, reliée à la borne moins du générateur. Le piège est de transposer le vocabulaire des piles : la définition de la cathode ne change pas, la réduction y a toujours lieu. L'électrode en titane, reliée à la borne plus, est le siège d'une oxydation : l'eau y est oxydée en dioxygène, avec le couple O₂ / H₂O.

Partie 2 : fonctionnement en continu

Masses et quantités de matière

Avec une concentration massique initiale de 900,0 mg/L et un volume de 300 L, la masse initiale d'ions cuivre est de 270 g. Il en reste 9,00 g en fin de rinçage, donc 261 g de cuivre se sont déposés sur la cathode. En quantités de matière, cela représente 0,142 mol d'ions restants et 4,11 mol de cuivre déposé, cohérent avec les 4,25 mol initiales indiquées dans l'annexe.

Tableau d'avancement et quantité d'électricité

Pour un avancement x, il disparaît 2x mol d'ions cuivre et il se forme 2x mol de cuivre : l'avancement final vaut donc 2,06 mol. Le corrigé signale qu'il faut éviter de diviser une valeur arrondie. D'après la demi-équation à l'anode, la formation d'une mole de dioxygène s'accompagne de l'échange de quatre moles d'électrons : 8,22 mol d'électrons au total. La quantité d'électricité vaut Q = 4 x_f F, soit environ 7,93 × 10⁵ C. Sur une durée de 6 heures, convertie en secondes, l'intensité du courant est de 36,7 A. Laisser la durée en heures est le piège à éviter.

Partie 3 : intérêt du procédé

La précipitation des 4,11 mol d'ions cuivre sous forme d'hydroxyde de cuivre(II), de masse molaire 97,5 g/mol, donnerait 401 g de précipité, environ 1,5 fois la masse de cuivre métallique. Ce précipité doit être séparé puis traité chimiquement pour être recyclé, alors que l'électrodéposition fournit directement du cuivre métallique utilisable.

Conseils pour réussir

Repérez dès le début le signe des bornes du générateur pour identifier anode et cathode, gardez les valeurs non arrondies dans les calculs enchaînés et convertissez toujours les durées en secondes avant d'utiliser Q = I × Δt.