Je viens d'ajouter des précisions dans la partie "Discussion" de l'expérience du Wiki Transformer le cuivre en argent et en or : galvanisation et laiton, sur la base de la bibliographie que j'ai faite sur cette expérience pour mes ateliers.
Voilà le résumé : dans le protocole actuel, on prépare une solution de zincate de sodium $\rm Na_2Zn(OH)_4$ en ajoutant en excès de la grenaille de zinc à une solution concentrée d'hydroxyde de sodium
chauffée. En immergeant une pièce de cuivre dans la solution chaude et en s'assurant qu'elle fasse contact avec les morceaux de zinc, on assiste à la formation d'un dépôt argentée sur le cuivre. La pièce, une fois rincée, prend une couleur dorée en la chauffant sur une plaque électrique par exemple.Ces changements de coloration de la pièce sont dus à un dépôt de zinc métallique : il est brillant et la chaleur favorise la formation d'un alliage zinc-cuivre (du laiton) de couleur dorée. Mais reste à expliquer la raison de ce dépôt. La nécessité du contact entre la pièce et les morceaux de zinc indique un processus électrochimique, mais les potentiels standard jouent contre nous : ils favorisent la réaction $$\rm Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)}$$au lieu de la réaction inverse désirée. Il faut donc trouver une force motrice favorisant ce dépôt.
Une première hypothèse a été proposée par Shakhashiri$\,^{[\, 1 \,]}$ utilisant le principe de la pile à concentration : $$\ominus \; \; \rm Zn_{(s)} \; | \; Na^+_{(aq)} + HO^-_{(aq)} \; || \; 2 \, Na^+_{(aq)} + [Zn(OH)_4]^{2-}_{(aq)} \; | \; Cu_{(s)} \; \; \oplus $$ La force motrice proposée est alors une différence de concentration en ion zincate et elle serait indépendante du choix du métal pour l'anode.
Cependant, Szczepankiewicz et son équipe$\,^{[\, 2 \,]}$ montrent plusieurs problèmes de cette explication : ils reproduisent la pile employée par Shakhshiri en utilisant le même électrolyte à la même concentration dans les deux cellules : $$\ominus \; \; \rm Zn_{(s)} \; | \; 2 \, Na^+_{(aq)} + [Zn(OH)_4]^{2-}_{(aq)} \; || \; 2 \, Na^+_{(aq)} + [Zn(OH)_4]^{2-}_{(aq)} \; | \; X_{(s)} \; \; \oplus $$ où $\rm X$ représente une électrode de métal ou en carbone amorphe. Ils remarquent alors :
- si $\rm X = Zn$, une différence de potentiel de +1.1 V est observée, alors que la concentration est la même. Cela met à mal l'hypothèse de la pile de concentration.
- selon l'électrode $\rm X$ choisie, la tension mesurée est différente : de +1.6V pour $\rm X = Ag$ à +0.75 V pour $\rm X = Fe$.
- la plus faible tension est obtenue pour $\rm X = Cd$ avec +0.3 V.
- la réaction fonctionne également en remplaçant les solutions basiques de zincate de sodium par des solutions molaires de chlorure de zinc.
Au vue de ces informations, je propose les modifications suivantes pour la page :
- remplacer l'hydroxyde de sodium par une solution de chlorure de zinc
ou de sulfate de zinc. J'ai personnellement fait mes essais avec 30 g de sulfate de zinc (II) dissous dans 100 mL d'eau, comme dans la vidéo de NurdRage$\,^{[\, 3 \,]}$. - remplacer le chauffage par bec Bunsen par un chauffage sur plaque électrique, plus facilement trouvable aujourd'hui et évitant certains problèmes dus au placement de la pièce dans la zone oxydante de la flamme.
- remplacer l'explication de la pile à concentration par l'explication ci-dessus.
).Bibliographie :
$[\, 1 \,]$ Bassam Z. Shakhashiri, Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry, 1983, vol. 4, p. 267 (lien)
$[\, 2 \,]$ Steven H. Szczepankiewicz, Joseph F. Bieron et Mariusz Kozik, "The 'Golden Penny' Demonstration: An Explanation of the Old Experiment and the Rational Design of the New and Simpler Demonstration", Journal of Chemical Education, 1995, 72 (5), p. 386 (lien)
$[\, 3 \,]$ NurdRage, Turn Pennies Silver and Gold (Chemistry Trick), vidéo YouTube, 20 mai 2010 (lien)
