Détermination expérimentale du nombre d ‘Avogadro (N)
A) électrolyse d’une solution de sulfate de cuivre entre électrodes de cuivre
Une solution de sulfate de cuivre (CuSO4) dans l’eau renferme des cations Cu2+ qui déterminent la couleur bleue de la solution. Nous introduisons dans la solution deux lames de cuivre (Cu) que nous relions à une source de courant électrique :
* la lame reliée au pôle + de la source constitue
l’anode (électrode positive)
* la lame reliée au pôle – de la source constitue la
cathode (électrode négative)
1) l’anode reliée au pôle + de la source arrache 2 électrons à chaque atome de cuivre et le transforme ainsi en cation Cu2+
2) les cations Cu2+ formés à
partir des atomes de l’anode par perte d’électrons passent dans la solution
3) les cations Cu2+ migrent à
travers la solution vers la cathode (attraction entre charges de signes
contraires)
4) la cathode fournit deux électrons à chaque cation Cu2+ qui entre en contact avec elle : les cations Cu2+ sont ainsi retransformés en atomes du cuivre
5) les atomes de cuivre obtenus à partir des
cations Cu2+ par gain d’électrons forment un dépôt de cuivre sur la
cathode
La source électrique est à considérer comme une « pompe à électrons » : elle « aspire » les électrons au pôle positif et les « crache » au pôle négatif.
Globalement, cette électrolyse correspond à un transport du métal
cuivre depuis l’anode vers la cathode :
- l’anode perd des atomes, elle devient de plus en
plus mince, sa masse diminue
- la cathode gagne des atomes, elle devient de plus
en plus épaisse, sa masse augmente
B) un peu de physique : le courant électrique
Les électrons qui se déplacent dans les fils électriques qui relient les électrodes à la source électrique constituent un courant électrique (elektrischer Strom).
Remarquez que « courant » vient de
« courir » ! Qu’est ce qui court à travers les fils ? Les
charges électriques portés par les électrons ! En allemand, le courant
(électrique) s’appelle « (elektrischer) Strom ». Tout comme un fleuve
(ou courant d’eau !) transporte de l’eau, un courant électrique transporte
des charges électriques. Insistons sur le fait que les charges doivent se
déplacer pour qu’on puisse parler de courant électrique : un étang
dans lequel l’eau est au repos ne peut pas non plus être appelé « courant
d’eau » !
Tout comme un fleuve est caractérisé par son débit qui correspond au volume d’eau V transporté par unité de temps, un courant électrique est caractérisé par son intensité qui correspond à la charge électrique Q transportée par unité de temps :
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fleuve |
courant
électrique |
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La charge électrique est exprimée en l’unité « coulomb (C)», dénommée d’après le physicien français Charles de Coulomb (1736 – 1806).
L’intensité d’un courant électrique est exprimée en l’unité « ampère (A)», dénommée d’après le physicien français André Ampère (1775 – 1836). L’intensité du courant est mesurée à l’aide d’un instrument appelé ampèremètre.
Un courant électrique a une intensité de 1 ampère (1 A) s’il transporte une quantité d’électricité de 1 coulomb (1 C) pendant chaque seconde (1 s) : 1 A = 1C / 1s
Or nous savons que l’électron a une charge de 1,6×10-19 C (valeur absolue).
Maintenant nous disposons d’une méthode pour
compter les électrons : un courant de 1 ampère transporte pendant chaque
seconde 6,25×1018 électrons !
C) principe de la détermination de N
Combien d’atomes de cuivre sont renfermés
dans une mole de cuivre (63,5 g Cu) ?
- par électrolyse à intensité de courant constante (I) pendant un
intervalle de temps (t) chronométré,
nous déposons sur la cathode une masse (m) de cuivre déterminable par pesée
- l’intensité du courant (I) et le temps (t) pendant lequel il circule nous permettent de compter le nombre d’électrons transportés
- nous savons que le transport du cuivre de
la l’anode vers la cathode fait intervenir 2 électrons pour chaque atome de
cuivre : le nombre des atomes Cu déposés sur la cathode correspond donc à
la moitié des électrons transportés
- l’expérience nous permet donc de compter les atomes
de cuivre renfermés dans le dépôt de masse m ; une règle de trois nous
permet de calculer le nombre d’atomes renfermés dans 63,5 g (= 1 mole) de
cuivre
D) réalisation de l’expérience
* remplir la cuve à électrolyse avec la solution de
sulfate de cuivre
* peser avec précision les deux lames de
cuivre qui serviront d’électrodes
* relier les lames de cuivre aux pôles de la source
de courant ; utiliser un fil de connexion rouge pour l’anode reliée au
pôle + et un fil de connexion de couleur bleue pour la cathode reliée au pôle
- ; chaque fil de connexion est
relié à l’électrode à l’aide d’une pince crocodile
* régler l’intensité du courant d’électrolyse
exactement sur 2 A (ampère) ; démarrer le chronomètre au moment précis où
la source électrique est branchée ;
l’électrolyse sera réalisée pendant 25 minutes (soit 25 x 60 = 1500
secondes) exactement
* après 25 minutes exactement, couper le
courant
* sortir les électrodes du bac ; laver
les électrodes à l’eau distillée ; sécher les électrodes à l’aide d’un
pistolet à air chaud
* peser avec précision les deux électrodes de cuivre et calculer le dépòt
de cuivre sur l’anode :
Þ résultat de l’expérience : le
dépôt de cuivre sur l’anode vaut 0,98 g
E) calcul du nombre d’Avogadro
quantité de charge transportée pendant l’électrolyse :
Q = I x t = 2 A x 1500 s = 3000 C
nombre d’électrons
transportés:
nombre d’atomes
Cu transportés:
0,98 g de cuivre (le dépôt) renferment : règle de trois : 1 g de
cuivre renferme : 63,5 g (une mole) de cuivre renferme :
Valeur trouvée pour le nombre d’Avogadro : N =
6,08 × 1023
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