La notion d'élément chimique

Introduction

La chimie repose sur un principe de base qui est celui de la conservation de la matière : au cours d'une transformation chimique, les liaisons entre les différents atomes se font et se défont, mais les "entités élémentaires" sont toujours présentes en même quantité dans les produits formés que dans les réactifs qui ont été consommés pendant la réaction chimique.

Il s'avère que dans certains cas simples (comme dans les combustions par exemple), la conservation de la matière peut se résumer à la conservation des atomes. Mais, lors de certaines transformations peuvent intervenir d'autres entités telles que des ions (dans la plupart des cas), des radicaux libres, ou encore des complexes etc.

Afin de refléter cette diversité, on fait appel à la notion, plus générale, d'"élément".

Définition de la notion d'élément

Ainsi, un élément donné regroupe l'ensemble des particules dont le noyau atomique est caractérisé par le même numéro atomique (Z).

Par conséquent, seul le nombre de protons du noyau (qui n'est jamais modifié au cours des transformations chimiques) est un critère d'appartenance à un élément. En revanche, la structure et la répartition des électrons n'a pas d'influence : ils peuvent être perdus, en excès ou engagés dans des liaisons covalentes, il s'agira toujours du même élément si le nombre de protons est le même d'une espèce à l'autre.

Compte-tenu de ces informations, on arrive donc à la conclusion qu'un élément peut désigner à la fois des atomes isolés ou bien des ions, ou encore des atomes faisant partie de molécules ou de réseaux cristallins.

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L'élément Cuivre

Dans le cas présent, il s'agit de s'intéresser à l'élément Cuivre.

Conformément à la définition d'élément vue précédemment, le terme "élément Cuivre" désigne l'ensemble des entités caractérisées par un numéro atomique Z=29, c'est à dire caractérisées par un noyau comportant 29 protons.

Quelles sont les principales espèces chimiques correspondant à l'élément Cuivre ou l'incluant ?

Le Cuivre métallique

A température ambiante, le Cuivre métallique est un solide de couleur orangée, qui est composé d'une association d'atomes de Cuivre, de symbole Cu.

Il peut se présenter sous différentes formes. En effet, il peut être réduit en poudre, être étiré en fil, ou encore découpé en copeaux ou en tournure (se reporter aux photos ci-dessous, qui représentent ces différentes formes de Cuivre métallique).

Quel est le symbole du Cuivre métallique ?
Cuivre métallique sous forme de plaque
Sous quelle forme peut-on trouver le Cuivre métallique ?
Cuivre métallique sous forme de fils
Comment le Cuivre métallique est-il réduit en poudre ?
Cuivre métallique sous forme de poudre
Quel est le numéro atomique du Cuivre ?
Cuivre métallique sous forme de copeaux
Comment donne-t-on cette forme au Cuivre métallique ?
Cuivre métallique sous forme de tournure

L'ion Cuivre II

L'ion Cuivre II est un cation (= ion positif) de formule chimique Cu 2+ possédant un défaut de deux électrons.

En raison de la présence de ce défaut, il peut être associé à des anions (= ions négatifs) avec lesquels il forme des solides ioniques comme par exemple le Sulfate de Cuivre. En effet, il s'associe à l'ion sulfate SO42- pour former le solide CuSO4.

En fonction du degré d'hydratation, il n'a pas tout à fait la même couleur. En effet, le Sulfate de Cuivre est blanc lorsqu'il est anhydre, et il est bleu lorsqu'il est hydraté. Une fois mis en solution dans de l'eau, il colore alors la solution aqueuse en bleu (voir les photos ci-dessous représentant les différentes formes de Sulfate de Cuivre)

Pourquoi le Sulfate de Cuivre anhydre est-il blanc ?
Sulfate de cuivre anhydre sous forme de poudre
Qu'est-ce qui donne cette couleur bleue au Sulfate de Cuivre hydraté ?
Sulfate de cuivre hydraté
Quelle est la formule chimique du Sulfate de Cuivre ?
Solution de sulfate de cuivre

L'Oxyde de Cuivre II

L'Oxyde de Cuivre II a la formule chimique suivante : CuO.

Il correspond à l'association entre l'élément Cuivre et l'élément Oxygène dans les mêmes proportions et se présente sous la forme d'une poudre noire pulvérulente et insoluble dans l'eau.

Qu'est-ce qui donne cette couleur noire à l'Oxyde de Cuivre II ?
Poudre noire d'Oxyde de Cuivre II anhydre

L’Hydroxyde de Cuivre II.

L'Hydroxyde de Cuivre est un solide bleu de formule Cu(OH)2.

Il correspond à l'association d'un ion Cuivre (Cu 2+) à deux ions hydroxyde (OH -).

Comment s'est formé ce précipité ?
Précipité d'Hydroxyde de Cuivre

Les transformations de l'élément Cuivre

Il possible de passer d'une forme de l'élément cuivre à une autre par une transformation chimique.

Voici quelques exemples de réactions chimiques permettant d'obtenir certaines des espèces chimiques citées dans le paragraphe précédent :

Schéma représentant les réactions chimiques permettant d'obtenir les principales espèces chimiques faisant intervenir l'élément Cuivre

En versant de l'acide nitrique concentré sur du Cuivre métallique, une transformation chimique a lieu : l'acide nitrique concentré dissout le Cuivre métallique, entraînant un dégagement de fumées et de chaleur. Une solution d'ions Cuivre II (Cu 2+) bleue s'est alors formée.

En faisant réagir une solution d'ions Cuivre II (Cu 2+) avec de l'hydroxyde de sodium (plus communément appelée la soude), une nouvelle transformation chimique a lieu et un précipité bleu d'Hydroxyde de Cuivre (Cu(OH)2) se forme.

A noter qu'il s'agit d'ailleurs d'une méthode couramment utilisée pour mettre en évidence la présence d'ions Cuivre II (Cu 2+) dans une solution.

Enfin, en chauffant le précipité d'Hydroxyde de Cuivre (Cu(OH)2), un solide noir se forme petit à petit : de l'Oxyde de Cuivre (CuO). Au cours de cette transformation chimique, l'eau est progressivement éliminée de l'Hydroxyde de Cuivre. Cette transformation chimique est la réaction de déshydratation de l'Hydroxyde de Cuivre.

Dans le sens inverse, en faisant réagir l'Oxyde de Cuivre avec de l'acide chlorhydrique, la transformation chimique qui a lieu mène à la formation d'ions Cuivre II (Cu 2+) en solution.

Pour finir, la dernière transformation chimique consiste à plonger du Fer métallique dans une solution contenant des ions Cuivre II (Cu 2+), du Sulfate de Cuivre par exemple. Au début de l'expérience, en raison de la présence d'ions Cuivre II (Cu 2+), la solution est de couleur bleue. Puis la solution se décolore peu à peu et on voit apparaître sur le Fer métallique un dépôt de couleur rouge, correspondant à du Cuivre métallique. Ainsi, petit à petit, les ions Cuivre II (Cu 2+) ont disparu de la solution (ce qui explique la décoloration progressive) pour se transformer en Cuivre métallique (d'où l'apparition du dépôt rouge sur le Fer métallique).

Pour aller plus loin, les fiches suivantes sont à votre disposition :

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).