C05-AE_hydrometallurgie du zinc - leprof

Activité
Expérimentale 5
Hydrométallurgie du zinc
La majorité de la production de zinc métallique consiste à traiter le minerai contenant du sulfure de
zinc ZnS (s). La technique la plus utilisée est l'hydrométallurgie.
Principe
La métallurgie désigne l'ensemble des procédés permettant l'élaboration d'un métal à partir de son
minerai. L'hydrométallurgie s'effectue en solution aqueuse.
Les étapes industrielles de l'hydrométallurgie du zinc sont ci-dessous.
1- Séparation de la gangue (partie du minerai qui ne contient pas de zinc) et de la blende (Fig. 1)
contenant 40 à 60 % de sulfure de zinc ZnS (s).
2- Grillage : les sulfures qui constituent la blende passent principalement sous forme d'oxydes, qui
pourront être dissous plus facilement. On obtient la calcine.
3- Lixiviation : certains oxydes, dont l'oxyde de zinc, sont dissous grâce à une solution d'acide
sulfurique.
4- Filtration des oxydes non dissous ne contenant pas de zinc.
5- Précipitation des ions Fe3+ (aq) à chaud en ajoutant du sulfate d'ammonium, à un pH de presque 5.
Le précipité brun formé est la jarosite, de formule Fe6(OH)12(SO4)4(NH4)2 (s).
6- Filtration de la jarosite.
7- Réduction des ions Cu2+ (aq) par ajout de poudre de zinc. On utilise du zinc métallique pour ne pas
ajouter d'impuretés. La solution ne contient que des ions Zn2+ (aq) après filtration.
8- Électrolyse de la solution obtenue avec, comme électrodes, une plaque de plomb et une plaque
d'aluminium.
Étapes industrielles de l'élaboration du zinc à partir de la blende.
Les deux premières étapes industrielles étant particulièrement longues et délicates, on réalisera
l'hydrométallurgie du zinc directement à partir de la calcine
Mise en oeuvre au laboratoire
• À l'aide d'un pH-mètre, mesurer le pH de la solution d'acide sulfurique (2 H+ (aq) + SO42- (aq)), puis
noter sa valeur.
Equation de dissolution de l'oxyde de zinc dans l'acide sulfurique :
ZnO(s) + 2 H+(aq)  Zn2+(aq) + H2O (l)
• Lixiviation. Dans un bécher de 100 mL, placer 13 g de calcine. Verser 40 mL de la solution d'acide
sulfurique, plonger le thermomètre dans le mélange et agiter. Après environ 2 minutes, filtrer le
mélange. Le recueillir dans un bécher de 50 mL. Mesurer à nouveau le pH de la solution et noter sa
valeur.
Comment évolue la température lors de la lixiviation ? Comment nomme-t-on une telle réaction ?
Comment évolue le pH de la solution ? Pouvait-on prévoir cette évolution ?
Quelle hypothèse peut-on faire sur les ions présents dans cette solution et responsables de sa couleur ?
Quels sont les autres ions en présence ?
• Précipitation des ions Fe3+ (aq). À la solution obtenue après lixiviation, ajouter 3,5 g de sulfate
d'ammonium (NH4)2SO4 (s). Chauffer le mélange jusqu'à 90 °C. Au cours du chauffage, ajouter de
l'oxyde de zinc ZnO(s) pour augmenter le pH jusqu'à une valeur légèrement inférieure à 5.
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Pourquoi l'ajout d'oxyde de zinc provoque-t-il l'augmentation du pH ?
Noter vos observations. Comment nomme-t-on le solide formé ?
• Filtrer le solide et recueillir la solution dans un bécher de 50 mL.
Indiquer les ions alors présents dans la solution.
• Réduction et filtration. Ajouter 0,3 g de poudre de zinc, agiter quelques secondes et filtrer. Recueillir
le filtrat dans un tube à essais.
Écrire l'équation de la réaction d'oxydoréduction qui se produit après ajout de poudre de zinc.
Déduire de la couleur de la solution quels sont les ions présents après filtration.
• Électrolyse. Mélanger les solutions obtenues par deux groupes dans un bécher de 100 mL, pour avoir
une quantité suffisante. Peser la plaque d'aluminium et noter sa masse m1. Plonger les plaques de
plomb et d'aluminium dans la solution. Brancher la pile et déclencher simultanément le chronomètre.
Après une dizaine de minutes, qu'observe-t-on sur chaque électrode ? En déduire les demi-équations
redox des réactions se produisant sur chaque électrode.
• Au bout de 15 minutes, retirer l'électrode d'aluminium du circuit, la sécher délicatement sans retirer le
dépôt. La peser et noter sa masse m2.
Quelles sont les sources d'incertitude sur cette mesure ? Comment pourrait-on les réduire ?
Données. Couples redox: Cu2+ (aq)/Cu (s) ; Zn2+ (aq)/Zn (s) ; O2 (g)/H2O (l).
Exploitation
1- Indiquer la masse de zinc produite pendant 15 minutes.
2- Au vu des résultats de la classe concernant la masse de zinc produite, déterminer la dispersion des
résultats. À quoi est-elle due ? Est-elle inévitable ?
3- Pour conclure
Vous devez écrire un article scientifique sur l'élaboration du zinc. Quel résultat donneriez-vous quant à
la masse de zinc métallique que l'on peut fabriquer à partir de 13 g de calcine ? (La dispersion des
résultats de mesure peut être définie comme l'étendue des résultats lors de la réalisation d'une même
mesure.)
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