Elaboration de l`alumine et solubilité des hydroxydes

Les étapes de l’él aboration de l’aluminium
Thème : Les matéri aux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
Une étape de l’élaboration de l’aluminium
Mots-clefs : Elaboration
Contex te du sujet :
Les métaux sont des ressources qui existent en quanti tés limi tées sur terre. Il s servent de ma tière
première dans l’industrie et l’accès aux nouveaux gisements est difficile. De ce fait, les métaux ont un
enjeu économique majeur.
D’où provi ennent les métaux ? Comment les produit-on ?
Analyse de documents scientifiques et activité expérimentale
A l’aide des documents sui vants et de la liste de ma tériel disponible :
1. Répondre aux questions :
 Quel est le minerai le plus utilisé pour produire l’aluminium ?
 Pourquoi ce nom ?
 Quel est le nom et la formule de l’espèce chimique (contenant l’aluminium) la plus couramment
présente dans la bauxite ?
 Indiquer les autres espèces chimiques présentes dans la bauxite.
2.
Proposer un protocole expérimental permettant de vérifier la solubilité des hydroxydes d’aluminium
et de fer dans l’eau en fonction du pH. (aide 1 + aide 2)
Après validation par le professeur (appel 1), réaliser l’expérienc e, noter les observa tions et conclure (appel 2)
(On pourra nota mment écrire les équa tions qui ont eu lieu lors des réac tions réalisées).
3. Proposer un protocole expérimental permettant d’extraire l’alumine (hydroxyde d’aluminium Al(HO) 3
sous forme hydratée) de la bauxite, première étape de l’élaboration de l’aluminium. (aide 3)
Introduction documentaire : la bauxite, l’alumine, puis l’aluminium …
L'élaboration de l'aluminium, à partir de la bauxite, s'effectue en deux étapes distinctes :
 Extraction de l'alumine Al2 O3 des autres constituants du minerai. Industriellement, on utilise le
procédé Bayer mis au point en 1887.
 Electrolyse de l'alumine en sel fondu qui donne le métal aluminium.
Document 1 : Elaboration de l’aluminium : la bauxite, l’alumine, puis l’aluminium
Les métaux, ma tières premières essenti elles à de nombreuses industries,
n’existent pa s purs à l’éta t na turel mais généralement sous forme
d’oxydes contenus dans les minerais. Ces minerais, sont composés de
nombreuses espèces. La production d’un métal à par tir du minerai est le
résul ta t d’un processus chi mique et industriel complexe afin de le
mettre en forme et de le purifier.
L'élément aluminium est, en i mportance, le troisi ème élément de la
croûte terrestre (proche de 8 %). Il y est présent essenti ellement sous
forme d'oxydes d'aluminium (dans les a rgiles, les sc histes et la bauxite).
TS spé – ASDS + TP : Une étape de l’élaboration de l’aluminium
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C. Grange-Reynas
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Thème : Les matéri aux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
L’industrie de l’aluminium da te de la fin du Second Empire. C’est à cette
époque, grâce à un procédé mis au point par le c hi miste Henri Sainte
Claire Deville que se crée, en 1860, à Salindres (Gard) la première unité
au monde de fabrication de l’aluminium. L’aluminium d evient alors un
symbole du progrès industriel. Lors d’un banquet i mpérial, seul Napoléon
III a droit d’utiliser des couverts en aluminium, les autres c onvives
doivent se contenter de couverts … en argent !
Depuis, l’utilisa tion de l’aluminium s’est diversifiée et
démocra tisée même si l’aluminium reste un métal plutôt
cher à cause des quanti tés d’énergie qu’il met en oeuvre
pour son élabora tion (utilisa tion de l’électrolyse).
Le minerai le plus utilisé pour produire l'aluminium est la
bauxite (les premiers gi sements furent d écouverts dans
le village des Baux-de-Provence, d’où son nom en 1831
par Pierre Berthier). A partir de la bauxite, on produi t
l'alumine (Al 2 O3 ) dont l'électrolyse à l'éta t fondu
permet d'obtenir l'aluminium.
La bauxite ne contient pas uniquement que de "l'aluminium" : elle est consti tuée de 40 à 60 % en ma sse
d'alumine (forme hydra tée Al2 O3 , nH 2 O), de 10 à 20 % d'oxyde de fer III (forme hydra tée Fe2 O3 , nH2 O, qui
donne sa couleur rouge au minerai et aussi de la silice SiO2 (en général moins de 5 %) . La première étape d e la
production de l’aluminium consiste ainsi à séparer l'alumine des autres consti tuants du minerai.
Remarque : Dans l’étud e qui sui t, la composi tion complexe de la bauxite sera assi milée de façon si mplifiée à un
mélange d’hydrox yde d’aluminium Al(OH) 3 et d’hydroxyde de fer (III) Fe(OH) 3
BAUXITE ≈ Al(OH) 3 et Fe(OH)3
Document 2 : Application industrielle : le procédé Bayer
Selon le procédé de Karl Joseph BAYER mis au point en
1887, la bauxite, une fois broyée, est mélangée à de la soude
à haute température et sous pression. La liqueur obt enue est
débarrassée de ses impuretés, puis diluée et refroi die, ce
qui
provoque la précipitation d'hydr oxyde
d’aluminium
hydraté. Celui-ci est alors calciné pour obtenir l'alumine
destinée à la production d'aluminium.
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Thème : Les matéri aux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
Document 3 : Influence de différents paramètres sur la dissolution d’un composé .
La dissolution d’un composé en solution aqueuse d épend de nombreux pa ra mètres, comme pa r ex emple d e la
tempéra ture, la pression et le pH de la solution.
Influence du pH :
Un composé soluble dans l’eau peut pa r exemple se transformer en d’autres espèces n on solubles lorsque l’un des
para mètres évolue et ainsi quitter la solution en formant un précipité.
C’est le cas des espèces présentes dans la bauxite, les hydroxydes d’aluminium Al( OH)3 et de fer III Fe(OH)3 ,
(non solubles dans l’eau) qui peuvent se transformer respec tivement en Al 3+ et Al(HO)4 - et en Fe3+ (espèces
solubles dans l’eau) lorsque la valeur du pH de la solution varie.
Les diagra mmes de prédominances de ces deux espèc es indiquent sous quelle forme existent les éléments
aluminium et fer en solution en fonction de la valeur du pH :
Influence de la température :
La tempéra ture est également un para mètre i mportant influençant la dissolution d’un composé. Dans la plupart
des cas, plus la tempéra ture est élevée et plus la solubilité d’un composé est i mportante.
Ainsi, pour favoriser ou accélérer la dissolution d e co mposés rela tivement peu solubles comme les minerais, on
peut les chauffer en plus d’une bonne agi ta tion.
A l’inverse, pour favori ser et accélérer la précipi ta tion d’un composé non soluble dans l’eau, on peut refroidi r le
mélange à l’aide d’un bain de glace.
Document 4 : Notion de pH.
Le pH est une grandeur physique mesurable qui traduit l’acidité ou la basicité d’une solution.
La valeur du pH en solution aqueuse est comprise entre les valeurs 0 et 14. Le pH n’a pas d’unité.
De pH = 0 à pH = 7, la solution est di te acide. L’acidité est liée à la présenc e de l’ion oxonium H 3 O+ en solution, et
plus on ajoute de l’acide à une solution, plus son pH diminue et plus la quanti té d’ion H 3 O+ y est i mportante.
De pH = 7 à pH = 14, la solution est di te basique. La ba sicité est liée à la présence de l’ion hydroxyde HO - en
solution, et plus on ajoute de ba se à une solution, plus son pH augmente et plus la quanti té d’ion HO - y est
importante.
L’acide chlorhydrique (H3 O+ + Cl -) est l’un des acides les plus courants. Il contient nota mment l’ion oxonium H 3 O+.
La soude ou hydroxyde de sodium (Na + + HO-) est l’une des ba ses les plus courantes. Il contient nota mment l’ion
hydroxyde HO-.
Document 5 : Matériel
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
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
Soude à 2 mol/L
Acide chlorhydrique à 1 mol/L
Solution de sulfa te d’aluminium (0,1 mol/L)
Solution de chlorure de fer (III) (0,1 mol/L)
2 tubes à essai sur portoi r
Papier pH + coupelle + agi ta teur en verre
Morti er et pilon
Agi ta teur magnétique chauffant + barreau
3 erlenmeyers de 100 mL
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3
Éprouvette graduée de 25 mL
Becher 25 mL (pour verser l’acide)
Disposi tif de filtra tion Büc hner et filtres
Agi ta teur de verre + spa tule
Cuvette pour glaçons
Pissette d’eau distillée
1 balance, coupelles de pesée, spa tules
Lunettes
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Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
Aide : Livre p.106
Aide 1
 Soude = Hydroxyde de sodium : (Na+ + HO-)
 Acide chlorhydrique : (H + + Cl-)
 Chlorure ou sulfate de fer III : (Fe3+ + 3 Cl-) ou (2 Fe3+ + 3 SO4 2-)
 Sulfate d’aluminium : (2 Al3+ + 3 SO4 2-)
 Alumine Al2 O3 , nH 2 O ou hydroxyde d’aluminium Al(OH) 3
L’alumine Al2 O3 ne diffèrent de l’hydroxyde d’aluminium Al(OH) 3 que par la perte de trois molécules
d’eau
Explication : 2 molécules d’Al(OH) 3 = 2 Al + 6 O + 6 H = 2 Al + 3 O +3 H 2 O = Al2 O3 , 3H 2 O
La représentation Al(OH)3 , constituée d’un ion Al3+ et de 3 ions HO-, est très simplifiée ; le composé
est généralement plus ou moins hydraté. Une représentation plus rigoureuse serait donc Al 2O3, nH 2O.
Aide 2
Observer le diagramme présentant les formes sous lesquelles existent les éléments aluminium.
Aide 3
Comment peut-on utiliser une solution de soude (préciser les conditions de pH) pour séparer les ions
fer III des ions Al III ?
Pour séparer deux éléments, il faut trouver les bonnes conditions de pH, c’est à dire les domaines de
pH pour lesquels les éléments sont dans des états différents. Industriellement, on procède alors à
une LIXIVIATION du minerai qui consiste en « une attaque acide » ou « une attaque basique » de
celui-ci. On baisse ou on augmente le pH.
1. La bauxite étant un mélange solide de Al(OH) 3 et Fe(OH)3 , existe-t-il un domaine de pH
permettant par une attaque acide de séparer les deux éléments ? Si oui, lequel ?
2. La bauxite étant un mélange solide de Al(OH) 3 et Fe(OH)3 , existe-t-il un domaine de pH
permettant par une attaque basique de séparer les deux éléments ? Si oui, lequel ?
3. Quel peut être ici l’avantage de la lixiviation par attaque basique, par rapport à l’attaque acide ?
4. Préciser les différentes étapes du procédé Bayer
4.1
Pourquoi a-t-on intérêt à broyer le minerai ?
4.2
Quel est le rôle de cette étape ?
4.3
Pourquoi faut-il chauffer et agiter lors de l’attaque du minerai
4.4
Ecrire l’équation de la réaction de dissolution de l’alumine
4.5
Que contient le filtrat ?
4.6
Sur quel paramètre doit-on agir pour produire la précipitation des ions aluminates ?
4.7
Etablir l’équation de la réaction
4.8
Pourquoi est-il important de contrôler le pH (l’acidification doit être arrêtée à pH = 6) ?
4.9
A quoi sert la dernière étape de la calcination ?
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CORRECTION
A l’aide des documents sui vants et de la liste de ma tériel disponible :
1. Répondre aux questions :
 Quel est le minerai le plus utilisé pour produire l’aluminium ?
La bauxite est le minerai le plus utilisé pour produire l’aluminium.
 Pourquoi ce nom ?
Les premiers gisements furent découverts dans le village des Baux-de-Provence d’où le nom de
« bauxite » en 1831 par Pierre Berthier.
 Quel est le nom et la formule de l’espèce chimique (contenant l’aluminium) la plus couramment
présente dans la bauxite ?
L’alumine de formule Al2O3 constitue 40 à 60 % en masse de la bauxite.
 Indiquer les autres espèces chimiques présentes dans la bauxite.
composition de la bauxite de
La bauxite contient aussi 10 à 20 % d’oxyde de fer (III)
l'Hérault
(d’où sa couleur rouge rouille) et de la silice.
Al2O3
Fe2O3
SiO2
TiO2
H2O
2. Proposer un protocole expérimental permettant d e vérifier la solubilité des hydrox ydes d’aluminium
et de fer dans l’eau en fonction du pH.
Réactions autour de l’ion aluminium : Al 3+
Aide 1 + Aide 2
1.
Mesurer le pH de la solution de sulfa te d’aluminium.
2. Dans un tube à essais contenant 3 à 4 mL de sulfate d’aluminium, ajouter goutte à goutte (une
ou deux) une solution de soude concentrée et observer (l’apparition d’un précipité blanc
d’hydroxyde d’aluminium Al(OH)3 )
3. Mesurer la valeur du pH dès l’apparition du précipité.
4. Continuer l'addition de la solution de soude et observer. Cesser l'addition lorsque la solution
est redevenue limpide. L’espèce formée est le complexe [Al(HO)4 ]-.
5. Mesurer à nouveau la valeur du pH dès la disparition du précipité.
6. Ajouter alors, goutte à goutte, et lentement, une solution d’acide chlorhydrique et noter les
observations.
Observations et interprétations

On observe que la valeur du pH = 2 ou 3 (pH  4) donc l’aluminium est présent dans la solution
sous forme d’ions Al3+ (aq).
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
Thème : Les matéri aux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
Si on ajoute de la soude (Na + + HO-), alors on observe l’apparition d’un précipité blanc
d’hydroxyde de sodium Al(OH)3 et le pH = 5 (pH > 4)

Equation de la réaction de précipitation : Al3+(aq) + 3 HO-(aq)  Al(OH) 3(s)

Si on continue d’ajouter de la soude, alors on observe la disparition du précipité blanc
d’hydroxyde de sodium Al(OH)3 et le pH = 12 (pH > 10)

Equation de la réaction : Al(OH) 3(s) + HO-(aq)  Al(OH) 4-

Si on ajoute de l’acide chlorhydrique, on observe à nouveau un précipité de Al(OH)3 .
Remarque :
Selon le pH, les ions aluminium Al
3+
sont :
o
soi t en solution sous forme d’ions hydratés Al 3+ (aq),
o
soi t associés à des ions hydroxyde dans un précipité d’hydrox yde d’aluminium Al(OH) 3 (s) (solide
insoluble)
o
soi t en solution associés à des ions hyd roxyde dans un ion aluminate Al(OH) 4 - (aq)
Conclusion :
Les expériences confirment le diagramme.
Les diagrammes établis permettent d’observer que les espèces prédominantes sont soit à l’état solide,
soit en solution.
Réactions autour de l’ion fer III : Fe3+
Aide 1 + Aide 2
1.
Mesurer le pH de la solution de chlorure de fer III.
2. Dans un tube à essais contenant 3 à 4 mL de chlorure de fer III, ajouter goutte à goutte (une
ou deux) une solution de soude concentrée et observer l’apparition d’un précipité rouille
d’hydroxyde de fer III Fe(OH) 3 .
3. Mesurer la valeur du pH dès l’apparition du précipité.
4. Ajouter alors, goutte à goutte, et lentement, une solution d’acide chlorhydrique et noter les
observations.
Observations et interprétations

On observe que la valeur du pH = 1 (pH  2) donc le fer est présent dans la solution sous forme
d’ions Fe3+ (aq).

Si on ajoute de la soude (Na + + HO-), alors on observe l’apparition d’un précipité rouille
d’hydroxyde de fer III, Fe(OH) 3 et le pH = 3 (pH > 2)

Equation de la réaction de précipitation : Fe3+(aq) + 3 HO-(aq)  Fe(OH)3 (s)
Conclusion :
Les expériences confirment le diagramme.
Les diagrammes établis permettent d’observer que les espèces prédominantes sont soit à l’état solide,
soit en solution.
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Thème : Les matéri aux
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3. Proposer un protocole expérimental permettant d’ex trai re l’alumine (hydroxyde d’aluminium Al(HO) 3
sous forme hydratée) de la bauxite, première étape de l’élaboration de l’aluminium.
Aide 3 : Comment peut-on utiliser une solution de soude (préciser les conditions de pH) pour
séparer les ions fer (III) des ions Al(III) ?
Pour séparer deux éléments, il faut trouver les bonnes conditions de pH, c’est à dire les domaines de
pH pour lesquels les éléments sont dans des états différents. Industriellement, on procède alors à
une LIXIVIATION du minerai qui consiste en « une attaque acide » ou « une attaque basique » de
celui-ci. On baisse ou on augmente le pH.
Aide 3 : Questions
1. La bauxite étant un mélange solide de Al(OH) 3 et Fe(OH)3 , existe-t-il un domaine de pH
permettant par une attaque acide de séparer les deux éléments ? Si oui, lequel ?
Pour un pH compris entre 2 et 4, l’aluminium est sous forme d’ions alors que le fer est sous sa forme
solide.
Pour un pH < 2, l’aluminium et le fer sont sous forme d’ions.
Cette attaque nécessite de maîtriser parfaitement le pH.
2. La bauxite étant un mélange solide de Al(OH) 3 et Fe(OH)3 , existe-t-il un domaine de pH
permettant par une attaque basique de séparer les deux éléments ? Si oui, lequel ?
Pour un pH supérieur à 10, l’aluminium est sous forme d’ions alors que le fer est sous sa forme solide.
3. Quel peut être ici l’avantage de la lixiviation par attaque basique, par rapport à l’attaque acide ?
Pour un pH > 10, l’aluminium et le fer sont sous des formes différentes donc il est plus facile de faire
une attaque basique.
4. Préciser les différentes étapes du procédé Bayer
Les différentes étapes du procédé Bayer :
 Première étape : Broyage et Lixiviation
Définition : La lixiviation au sens littéral concerne l’extraction d'un ou plusieurs éléments sous l'action d'un solvant.
Toutes les techniques d'extraction de produits solubles par un solvant, et notamment par l'eau. On appelle lixiviat
l’effluent aqueux rejeté.

Deuxième étape : Décantation et Filtration sur Buchner

Troisième étape : Dilution précipitation

Quatrième étape : Calcination vers 900-1000°C
4.1
Pourquoi a-t-on intérêt à broyer le minerai ?
Le minerai doit être broyé pour augmenter la surface de contact entre le minerai et la soude.
4.2
Quel est le rôle de cette étape ?
Lors de cette étape la bauxite est attaquée par de l’hydroxyde de sodium : Dissolution de l’alumine en
milieu basique.
4.3
Pourquoi faut-il chauffer et agiter lors de l’attaque du minerai ?
La température et l’agitation favorisent la dissolution de l’alumine.
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4.4
Thème : Les matéri aux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
Ecrire l’équation de la réaction de dissolution de l’alumine
Al(OH) 3 + HO-
4.5

Al(OH) 4 -
Al2 O3 , 3H2O + 2 HO - 
ou
2 Al(OH) 4 -
Que contient le filtrat ?
Le filtrat contient des ions aluminates Al(OH) 4 4.6
Sur quel paramètre doit-on agir pour produire la précipitation des ions aluminates ?
Pour provoquer la précipitation des ions aluminates, il faut baisser le pH en ajoutant de l’acide
chlorhydrique.
4.7
Etablir l’équation de la réaction
Al(OH) 4 - + H +
4.8

Al(OH) 3 + H 2 O
Pourquoi est-il important de contrôler le pH (l’acidification doit être arrêtée à pH = 6)
L’acidification est arrêtée à pH = 6 pour ne pas risquer de perdre des hydroxydes d’aluminium.
4.9
A quoi sert la dernière étape de calcination ?
L’hydroxyde d'aluminium est fortement chauffé, ce qui permet d’éliminer de l’eau. On obtient alors
l’alumine Al2 O3 .
Protocole :
Après broyage, introduire le « minerai » (une dizaine de grammes) dans 25 mL de solution de soude à
2,5 mol/L. Chauffer (et agiter) à 80°C en respectant les règles de sécurité.
Laisser refroidir.
Décantation et Filtration sur Buchner
Observer la couleur du précipité, et celle du filtrat. Effectuer une recherche d’ions Fe(III) dans le
filtrat.
Dilution précipitation
Ajouter progressivement au filtrat de l’acide chlorhydrique (2 mol/L) jusqu’à ce que le pH de la
solution soit voisin de 6 (utiliser du papier pH et une tige de verre)
Calcination vers 900-1000°C
Filtrer sur büchner le précipité blanc formé, et rincer le à l’eau. Le recueillir dans un tube à essais, et
procéder à sa calcination par chauffage au bec bunsen.
En résumé :
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