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Thème 3 (Matériaux), Séquence 3.
Tle S (Spécialité)
DU MINERAI AU METAL
I – LE CUIVRE (TP).
Dans la nature, le cuivre, lorsqu’il n’est pas natif, se rencontre sous forme de sulfures, de carbonates ou d’hydroxydes de cuivre II.
Comment passer d’un minerai de cuivre au cuivre métal ?
La première étape d’extraction du cuivre à partir de minerais non sulfurés peut être une lixiviation (attaque du minerai en milieu acide
ou basique).
Les ions cuivre II, Cu2+, de la solution ainsi obtenue ont cependant généralement une concentration trop faible pour être réduits par
électrolyse, ils sont donc réduits par cémentation (réduction d’un ion métallique par un métal).
Par ailleurs, les minerais riches en élément cuivre contiennent généralement du nickel, du plomb, du cobalt, du fer, … Pour obtenir le
cuivre le plus « pur » possible, il est donc nécessaire de le séparer de ses « impuretés ».
Q1) Citez quelques utilisations du métal cuivre.
Q2) Quand dit-on qu’un métal est natif ?
Q3) Que cherche-t-on à faire lorsque l’on veut réduire les ions cuivre II ?
Dans le TP que nous allons réaliser, notre minerai sera la malachite, Cu2CO3(OH)2(s), et l’«impureté» sera l’élément fer.
Q4) Pourquoi le symbole de l’élément fer n’apparaît-t-il pas dans la formule de la malachite ?
1. Lixiviation de la malachite.
On attaque la malachite par une solution aqueuse d'acide sulfurique (2 H3O+(aq) + SO42-(aq)). Il se forme essentiellement du dioxyde de
carbone, de l'eau et des ions cuivre II (il se forme aussi des ions fer III, mais en très faible quantité).
Q5) Ecrivez l'équation de la réaction de lixiviation de la malachite en négligeant la présence de l’élément fer. Les ions sulfate sont par
ailleurs spectateurs.
2. Cémentation.
La lixiviation de la malachite n'étant pas réalisée au laboratoire, on dispose d'une solution S, mélange de solution de sulfate de
cuivre II, de sulfate de fer III (on ne néglige plus ici la présence des ions fer III même s’ils ne sont présents qu’en petite quantité) et
d'acide sulfurique.
 Dans un tube à essais, versez 2 mL de la solution S et ajoutez-y quelques gouttes de soude. Notez la couleur du précipité obtenu.
Q6) En vous aidant de la fiche pratique (page 217 de votre manuel) relative à l’identification des ions, dites si ce que vous avez
observé est cohérent avec la composition de la solution S.
 Remplissez aux trois-quarts un tube à hémolyse avec la solution S. Plongez dans celle-ci un gros clou en fer bien décapé. Laissez
agir environ trois-quarts d'heure.
Q7) Qu'observez-vous ? (Remarque : le dégagement gazeux ne sera pas pris en considération car il est relatif à une réaction parasite de
l'acide sulfurique sur le fer). Quel est le solide formé ?
 Versez quelques gouttes de soude sur la solution restante.
Q8) Observez et interprétez. Ecrivez les équations des deux réactions qui se sont produites simultanément au cours de la cémentation.
Ce sont des réactions d’oxydo-réduction et les couples mis en jeu sont Cu2+(aq) / Cu(s), Fe3+(aq) / Fe2+(aq).et Fe2+(aq) / Fe(s). Si besoin,
écrivez dans un premier temps les demi-équations. Le cuivre a-t-il été séparé de son impureté ?
3. Electrolyse.
Dans l’industrie, il faut faire avec ce que l’on a, on est donc confronté à d’autres impuretés que l’impureté choisie dans la manipulation
précédente. Le cuivre obtenu peut alors contenir du zinc, du cobalt, du nickel, du plomb mais aussi de l'or, de l'argent et du platine.
Lorsqu'on réalise une électrolyse "à anode soluble" avec le métal impur à l'anode, les quatre premiers métaux sont oxydés comme le
cuivre, leurs ions passent en solution où ils précipitent sous forme d’hydroxydes. Les trois derniers ne sont pas oxydés et tombent au
fond de l'électrolyseur. Seuls les ions cuivre sont réduits à la cathode où on récupère donc le métal cuivre purifié.
Pour commencer expliquons ce que permet une électrolyse : une électrolyse permet de réaliser une réaction d’oxydoréduction
forcée grâce à l’énergie fournie par un générateur.
 Décapez soigneusement un fil de cuivre très fin et une plaque de cuivre avec
un morceau de toile émeri.
Les dépoussiérer et les peser avec précision. Réalisez le montage suivant avec
un générateur de tension continue réglé sur 6V, un ampèremètre (calibre 2 A),
une solution de sulfate de cuivre à 1,0 mol.L-1. Mettez l'agitation magnétique
en route à allure moyenne, fermez l'interrupteur en déclenchant le chronomètre.
Notez la valeur de I et vérifiez par la suite que I est constant.
Arrêtez l'expérience au bout d'une durée minimale Δt = 30 min. Notez la durée
réelle de l'expérience. Sortez les électrodes, rincez-les et séchez-les doucement
au sèche-cheveux.
Q9) Qu'observez-vous ?
 Pesez à nouveau le fil et la plaque avec précision.
Q10) Calculez les variations de masse des deux électrodes et comparez-les.
Thème 3 (Matériaux), Séquence 3.
Tle S (Spécialité)
Q11) Sur le schéma de l'électrolyseur en fonctionnement, indiquez le sens du courant et celui de tous les porteurs de charge en
présence, localisez l'anode et la cathode. L’anode est l’électrode où se déroule l’oxydation et la cathode est celle où se déroule la
réduction.
Les couples oxydant / réducteur présents sont : Cu2+(aq) / Cu(s), SO42-(aq) / SO2(aq) et O2(g) / H2O(l).
Q12) Quelles sont les équations des réactions susceptibles de se produire à la cathode ? à l'anode ?
Dans les conditions de l'expérience, ni l'eau ni les ions sulfate ne réagissent.
Q13) En déduire les réactions chimiques qui se produisent réellement à l'anode et à la cathode.
Q14) Interprétez les variations de masse des électrodes.
Q15) Pourquoi qualifie-t-on cette réaction d'électrolyse à "anode soluble" ?
Q16) A partir de I, calculez la quantité d'électricité Q = I.Δt qui a été échangée pendant la durée de l’expérience. Déduisez-en le
nombre d'électrons N(e-) qui ont traversé le circuit pendant cette même durée. On rappelle que chaque électron porte la charge
q = -1,6.10-19 C.
Q17) En utilisant l'équation de la réaction qui se produit à la cathode et la valeur de N(e-), calculez le nombre d'atomes de cuivre
N(Cu) déposés sur cette électrode pendant Δt, déduisez-en la quantité de matière n(Cu) correspondante et finalement la masse m(Cu)
associée. La valeur m(Cu) est-elle cohérente avec la variation de masse déterminée à la question 10 ?
Données : M(Cu) = 63,5 g.mol-1 ; NA = 6,02.1023 mol-1.
Q18) Quelle différence peut-on prévoir entre la perte de masse de l'anode et le gain de masse de la cathode ?
II – CAS DE L’OR ET DE L’ARGENT (Problème à résoudre).
L’or, Au(s), et l’argent, Ag(s), sont des métaux que l’on peut trouver à l’état natif dans la nature. Lorsqu’ils sont présents en grains
microscopiques dans les minerais, leur récupération s’effectue par cyanuration, c'est-à-dire par action d’une solution de cyanure de
potassium en présence de dioxygène.
L’ion or I, Au+, l’ion argent I, Ag+ et l’ion zinc II, Zn2+, forment avec les ions cyanure, CN-, les ions Au(CN)2-, Ag(CN)2- et Zn(CN)42-.
A pH = 12, en présence d’ions cyanure, le dioxygène, O2(g), peut oxyder l’or, Au(s), et l’argent, Ag(s), pour donner respectivement les
ions Au(CN)2- et Ag(CN)2-, le dioxygène est alors réduit en eau, H2O(l).
Lorsque l’on ajoute du zinc en poudre, Zn(s), à une solution contenant des ions Au(CN)2- et Ag(CN)2-, ceux-ci sont respectivement
réduits en or et en argent métalliques qui se déposent sur la poudre de zinc introduite en excès.
Une solution d’acide sulfurique (2 H3O+(aq) + SO42-(aq)), réagit avec le métal zinc pour donner des ions zinc II et un dégagement de
dihydrogène. En revanche, elle est sans action sur l’or ou l’argent.
Les mines du Rouez, dans la Sarthe, ont été exploitées de 1989 à 1992 : elles fournissaient un minerai contenant 11 g d’or et 50 g
d’argent par tonne de minerai.
Les autres constituants du minerai sont inertes lors de la cyanuration.
Données : à pH = 12, les équations d’oxydoréduction doivent être écrites avec les ions HO -(aq) et non H+(aq).
Problème : proposez un protocole décrivant les diverses étapes de l’extraction des métaux or et argent contenus dans le minerai extrait
des mines du Rouez. Vous écrirez les équations de toutes les réactions envisagées et vous déterminerez la masse minimale de zinc
solide (Zn(s)), nécessaire à l’extraction de l’or et de l’argent présents dans m = 2,5 tonnes de minerai.
Remarque : l’ion cyanure étant un poison, on ne cherchera pas à réaliser cette manipulation.