Chap 1A - TP n°1 - Elaboration du zinc

TS – Spécialité Physique
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TP de Sciences Physiques nÀ1
Préparation dÊun métal à partir du minerai
Thème n°1 : matériaux / Mot clé : élaboration
Le zinc est un élément chimique métallique, de symbole Zn et de numéro atomique 30. Il forme par ionisation
un cation métallique de formule Zn2+. Son principal minerai naturel est la sphalérite ou blende, un sulfure de
zinc de formule ZnS. Le mot blende, désormais abandonné dans la littérature minéralogique, provient du
mot allemand « blenden » : aveugler, éblouir, tromper. Ce sulfure – le plus répandu dans la lithosphère –
cristallise dans le système cubique (comme, par exemple, le chlorure de sodium NaCl). Les réserves
mondiales estimées de zinc étaient de 250 millions de tonnes en 2010, détenues notamment par l'Australie
(21%), la Chine (17%) et le Pérou (12%). A partir du minerai, l’industrie métallurgique prépare le zinc
métallique dont les applications industrielles sont multiples :
le dépôt d'une mince couche de zinc en surface de l'acier le protège de la corrosion (galvanisation). La
galvanisation consomme 47% du zinc produit dans le monde. L'acier galvanisé est utilisé dans
l'automobile, la construction, l'électroménager, les équipements industriels…
la production de laiton – alliage de cuivre et de zinc – et le bronze – alliage de cuivre et d'étain, auquel
on ajoute parfois du zinc – consomment 22% du zinc mondial produit.
les plaques et pièces pour toitures représentent 12 % de la production. On emploie le zinc dans les villes
pour la couverture des immeubles et, partout, pour les gouttières et les descentes d'eaux pluviales.
La préparation de produits chimiques contenant du zinc représente 9 % du total.
Le zinc est aussi utilisé en agriculture, comme apport d'oligo-élément, essentiellement en zone de sols
fortement calcaires.
Cette activité a pour but de présenter comment, à partir du minerai contenant essentiellement du sulfure de
zinc ZnS et des impuretés, il est possible d’élaborer du zinc métallique de haute qualité (pureté 99,995%).
Travail demandé (après avoir étudié les trois documents pages 2, 3 et 4)
1/ Ecris l’équation équilibrée de la réaction chimique correspondant à la première étape d’élaboration du zinc
métallique (grillage). Identifie le produit qui accompagne la formation d’oxyde de zinc (calcine) ZnO. Que
dire de cette première étape en terme environnemental ? Explique.
2/ Ecris l’équation équilibrée de la réaction de lixiviation. Cette étape a-t-elle aussi un impact
environnemental ? Justifie.
3/ Explique pourquoi aucune des méthodes physiques de séparation présentées dans le document n°2 ne peut
permettre la séparation des ions évoquée dans l’étape n°3 et nommée précipitation sélective.
4/ Lors de l’ajout d’ions hydroxyde HO- dans une solution contenant des cations métalliques Xn+, de quel
paramètre dépend la précipitation ou non précipitation de l’ion métallique en hydroxyde métallique X(OH)n ?
5/ A partir des courbes proposées dans le document n°3, déduis graphiquement s’il existe une valeur de pH
pour laquelle il y a précipitation des ions fer et non des ions zinc.
6/ On dispose au laboratoire d’une solution aqueuse contenant beaucoup de sulfate de zinc dont la formule
est Zn2+ + 2SO42- et un peu de chlorure de fer (III) de formule Fe3+ + 3Cl-. Après avoir étudié le document
n°3, propose une démarche puis un protocole expérimental permettant de séparer les ions Zn2+ des ions Fe3+.
7/ Lors d’une précipitation sélective, après précipitation d’un certain type d’ion, comment doit-on effectuer
la séparation du précipité du reste de la solution aqueuse ? Justifie.
8/ Dans l’élaboration du zinc, comment expliquer que tous les ions constituant les impuretés ne puissent pas
être séparés des ions zinc par précipitation sélective ? Que faut-il faire alors ?
Thème n°1 : matériaux / Elaboration d’un métal
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Document n°1 : les étapes de l’élaboration du zinc métallique par hydrométallurgie
Le texte nous apprend que le principal minerai naturel dans lequel on trouve l’élément zinc est nommé
« blende » : il s’agit de sulfure de zinc de formule ZnS. Afin d’arriver au zinc métallique depuis ce minerai,
on peut procéder à cinq opérations successives :
1/ le grillage : la blende est broyée puis chauffée en présence d’air et se transforme en oxyde de zinc (ou
calcine) de formule ZnO.
2/ la lixiviation : le but de cette étape est de mettre en solution le zinc sous forme d’ion Zn2+ en traitant la
calcine avec l'acide sulfurique (2H+ + SO42-).
3/ la précipitation sélective : il reste ensuite à réduire les ions Zn2+ en atomes de zinc Zn. L’ennui est que le
traitement infligé au minerai de départ aura aussi oxydé, puis fait passer sous forme ionique, les autres
métaux présents dans le minerai. La solution ionique contient donc des impuretés telles que des ions cuivre
Cu2+ ou fer Fe3+… Il faut donc séparer les ions zinc Zn2+ des autres cations métalliques. Cette séparation se
fait par précipitation sélective (ou précipitation fractionnée) d’hydroxyde métallique.
4/ la cémentation de la solution issue des opérations précédentes permet de retirer les éléments cobalt, nickel,
cadmium et cuivre encore présents sous forme d'ions (ces ions ont « résisté » à la séparation par précipitation
sélective). Le principe est de mettre en contact les ions métalliques avec un métal ayant un pouvoir réducteur
plus important. On utilise ici de la poudre de zinc fine. Il faut faire plusieurs cémentations successives. La
difficulté d’extraire les éléments suit l’ordre suivant par difficulté croissante : Cuivre, Cadmium, Nickel,
Cobalt. On joue en particulier sur la température (entre 45°C et 65°C pour le cadmium, 75°C et 95°C pour le
cobalt). Les liquides et les solides sont séparés par filtration.
5/ l'électrolyse : enfin, les cations Zn2+ ayant été isolés, on les réduira par électrolyse pour récupérer le zinc
métallique Zn.
Remarque : les techniques qui consistent à faire passer un élément métallique en solution afin de l’isoler
puis de le produire constituent « l’hydrométallurgie ».
Thème n°1 : matériaux / Elaboration d’un métal
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Document n°2 : quelques méthodes physiques de séparation
1/ La filtration simple
2/ L’entrainement à la vapeur ou hydrodistillation
L'entraînement à la vapeur, ou « hydrodistillation »
permet par exemple d'extraire l'huile essentielle
contenue dans une plante ou une graine. Le montage
expérimental est représenté ci-contre.
Le produit contenant l'huile essentielle est placé dans
de l'eau en ébullition. En se vaporisant, l'eau entraîne
l'huile essentielle. Les vapeurs arrivent dans le
réfrigérant où elles se condensent. Elles s'écoulent
alors, à l'état liquide, dans l’erlenmeyer où elles
forment le distillat. Celui-ci est en général trouble car
il contient l'eau et l'huile essentielle non-miscibles.
3/ L’extraction par solvant
L'extraction par solvant consiste à utiliser un solvant
pour extraire un produit d'un mélange, par exemple
d'un mélange aqueux. Le solvant organique, non
miscible à l'eau est introduit avec le mélange aqueux
dans une ampoule à décanter.
La substance recherchée est très soluble dans le
solvant organique donc s'y dissout. Cette mise en
solution est favorisée par l’agitation au cours de
laquelle on réalise, de temps à autres, un dégazage
(toujours avec précaution).
a) la phase aqueuse est plus dense que la phase organique
b) La phase organique est plus dense que la phase aqueuse.
Après décantation, deux phases apparaissent, que l'on sépare facilement : la phase à conserver est la phase
organique qui contient le produit recherché; la phase aqueuse peut en général être jetée.
Thème n°1 : matériaux / Elaboration d’un métal
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Document n°3 : précipitation d’un cation métallique par action des ions hydroxyde HOÉtude théorique portant sur le cas général d’un cation métallique X (naq+ )
+
+ HO-(aq) ) dans une solution contenant des cations
L'ajout d'une solution d'hydroxyde de sodium ( Na (aq)
métalliques X (naq+ ) donne naissance à un précipité souvent coloré d'hydroxyde métallique X(HO)n(s). Cette
transformation est modélisée par l’équation :
+
X n(aq)
+ n HO-(aq) = X(HO)n (s)
Soit une solution aqueuse contenant un cation métallique et un anion spectateur assurant l’électroneutralité.
On baisse au préalable le pH de cette solution par ajout d’un acide fort, puis on verse peu à peu une solution
d’hydroxyde de sodium Na+ + HO- dans la solution. Le pH remonte avec les ajouts d’ions HO-, et les cations
métalliques précipitent à partir d’une certaine valeur de pH.
Les résultats sont exploités à l'aide d'un logiciel qui permet de tracer les courbes représentant les
pourcentages respectifs des espèces X (naq+ ) et X (OH ) n ( s ) présentes dans la solution en fonction du pH.
1er cas : on réalise une première expérience en
remplaçant la solution contenant des ions X (naq+ )
2ème cas : on réalise la même expérience en
remplaçant la solution contenant des ions X (naq+ )
+
par une solution contenant des ions zinc Zn2( aq
) à
+
par une solution contenant des ions fer Fe(3aq
) à la
la concentration de 0,90 mol.L–1.
concentration de 0,03 mol.L–1.
La transformation chimique qui se déroule peut
être décrite par la réaction :
La transformation chimique qui se déroule peut
être décrite par la réaction :
+
Zn2(aq)
+ 2 HO-(aq) = Zn(HO)2(s)
+
Fe3(aq)
+ 3 HO-(aq) = Fe(HO)3(s)
Zn(OH)2 est un précipité blanc.
Fe(OH)3 est un précipité de couleur rouille.
La courbe donnant les pourcentages respectifs
+
des espèces Zn2( aq
) et Zn(HO) 2 (s) présentes dans
La courbe donnant les pourcentages respectifs
+
des espèces Fe(3aq
) et Fe(HO)3(s) présentes dans
la solution en fonction du pH de cette dernière
est la suivante :
la solution en fonction du pH de cette dernière
est la suivante :
Zn(HO)2(s)
Zn2+(aq)
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