Thème : Matériaux
publicité
Thème : Matériaux D’où proviennent les métaux ? Comment les produit-on ? Une étape de l’élaboration de l’aluminium Les métaux sont des ressources qui existent en quantités limitées sur terre. Ils servent de matière première dans l’industrie et l’accès aux nouveaux gisements est difficile. De ce fait, les métaux sont un enjeu économique majeur. La production d’aluminium en est un bon exemple … Document 1 : Elaboration de l’aluminium. Les métaux, matières premières essentielles à de nombreuses industries, n’existent quasiment pas purs à l’état naturel mais généralement sous forme d’oxydes contenus dans des minerais. Ces minerais, sont composés de nombreuses espèces chimiques. La production d’un métal à partir d’un minerai est le résultat d’un processus industriel complexe afin de l’extraire et de le purifier. L'élément aluminium est, en importance, le troisième élément de la croûte terrestre (proche de 10 %). Il y est présent essentiellement sous forme d'oxydes d'aluminium. L’industrie de l’aluminium date de la fin du Second Empire. C’est à cette époque, grâce à un procédé mis au point par le chimiste Henri Sainte Claire Deville que se crée, en 1860, à Salindres (Gard) la première unité au monde de fabrication de l’aluminium. L’aluminium devient alors un symbole du progrès industriel. Lors d’un banquet impérial, seul Napoléon III a droit d’utiliser des couverts en aluminium, les autres convives doivent se contenter de couverts … en argent ! Usine australienne de production d’aluminium Depuis, l’utilisation de l’aluminium s’est diversifiée et démocratisée même si l’aluminium reste un métal plutôt cher à produire car les quantités d’énergie que l’on doit déployer sont importantes (utilisation de l’électrolyse). Le minerai le plus utilisé pour produire l'aluminium est la bauxite (les premiers gisements furent découverts dans le village des Bauxde-Provence en 1831 par Pierre Berthier). A partir de la bauxite, on produit l'alumine (oxyde d’aluminium Al2O3) dont l'électrolyse à l'état fondu permet d'obtenir l'aluminium. Mais la bauxite ne contient pas uniquement de "l'aluminium" : elle est constituée de 40 à 60 % en masse d'alumine (de forme hydratée Al(HO)3), de 10 à 20 % d'oxyde de fer III (de forme hydratée Fe(HO)3) et de la silice. La première étape de la production de l’aluminium consiste ainsi à séparer l'alumine des autres constituants du minerai. Travail à la maison : Regarder cette vidéo : http://acver.fr/2cx Et répondre au QCM se trouvant sur Pronote. Document 2 : Influence de différents paramètres sur la dissolution d’un composé. La dissolution d’un composé en solution aqueuse dépend de nombreux paramètres, comme par exemple la température, la pression et le pH de la solution. Un composé soluble dans l’eau peut par exemple se transformer en une autre espèce non soluble lorsque l’un des paramètres évolue et ainsi quitter la solution en formant un précipité. Influence du pH : C’est le cas des espèces présentes dans la bauxite ; Les hydroxydes d’aluminium Al(HO)3 et de fer III Fe(HO)3, non solubles dans l’eau peuvent se transformer respectivement en Al3+ou Al(HO)4- et en Fe3+, solubles dans l’eau lorsque la valeur du pH de la solution change. Les diagrammes de prédominances de ces deux espèces indiquent sous quelle forme majoritaire existent les éléments aluminium et fer en solution en fonction de la valeur du pH : Al3+ 0 0 10 4 Fe3+ Al(HO)4- Al(HO)3 14 pH Fe(HO)3 2 14 pH Influence de la température : La température est également un paramètre important influençant la dissolution d’un composé. En général, plus la température est élevée et plus la solubilité d’un composé est importante. Ainsi, pour favoriser ou accélérer la dissolution de composés relativement peu solubles comme les minerais, on peut les chauffer en plus d’une bonne agitation. A l’inverse, pour favoriser et accélérer la précipitation d’un composé non soluble dans l’eau, on peut refroidir le mélange à l’aide d’un bain de glace. A l’aide des documents suivants et du matériel disponible : Proposer un protocole expérimental permettant de vérifier la solubilité de l’hydroxyde d’aluminium (Al(OH)3 ) et de l’hydroxyde de fer III (Fe(OH)3) dans l’eau en fonction de la valeur du pH. Après validation par le professeur, réaliser l’expérience, noter les observations. On prendra soin d’écrire les équations qui ont eu lieu lors des réactions réalisées. A l’aide de l’expérience précédente, élaborer un protocole expérimental permettant d’extraire l’alumine (hydroxyde d’aluminium Al(HO)3 sous forme hydratée) de la bauxite. Après validation par le professeur, réaliser l’expérience, noter les observations et les résultats. Conclure. Questions : 1) Écrire l’équation de la réaction se produit lors de l’attaque du minerai par la solution de soude. 2) Quelle espèce chimique reste sur le filtre et quelles espèces chimiques se trouvent dans le filtrat lors de la première filtration ? Justifier. 3) Écrire l’équation de la réaction qui se produit lors de l’ajout de la solution d’acide chlorhydrique. 4) Écrire l’équation de la réaction de déshydratation de l’hydroxyde d’aluminium lors de la calcination (ultime étape non réalisée lors du TP). Questions : 1) Écrire l’équation de la réaction se produit lors de l’attaque du minerai par la solution de soude. 2) Quelle espèce chimique reste sur le filtre et quelles espèces chimiques se trouvent dans le filtrat lors de la première filtration ? Justifier. 3) Écrire l’équation de la réaction qui se produit lors de l’ajout de la solution d’acide chlorhydrique. 4) Écrire l’équation de la réaction de déshydratation de l’hydroxyde d’aluminium lors de la calcination (ultime étape non réalisée lors du TP). Questions : 1) Écrire l’équation de la réaction se produit lors de l’attaque du minerai par la solution de soude. 2) Quelle espèce chimique reste sur le filtre et quelles espèces chimiques se trouvent dans le filtrat lors de la première filtration ? Justifier. 3) Écrire l’équation de la réaction qui se produit lors de l’ajout de la solution d’acide chlorhydrique. 4) Écrire l’équation de la réaction de déshydratation de l’hydroxyde d’aluminium lors de la calcination (ultime étape non réalisée lors du TP). Questions : 1) Écrire l’équation de la réaction se produit lors de l’attaque du minerai par la solution de soude. 2) Quelle espèce chimique reste sur le filtre et quelles espèces chimiques se trouvent dans le filtrat lors de la première filtration ? Justifier. 3) Écrire l’équation de la réaction qui se produit lors de l’ajout de la solution d’acide chlorhydrique. 4) Écrire l’équation de la réaction de déshydratation de l’hydroxyde d’aluminium lors de la calcination (ultime étape non réalisée lors du TP). Questions : 1) Écrire l’équation de la réaction se produit lors de l’attaque du minerai par la solution de soude. 2) Quelle espèce chimique reste sur le filtre et quelles espèces chimiques se trouvent dans le filtrat lors de la première filtration ? Justifier. 3) Écrire l’équation de la réaction qui se produit lors de l’ajout de la solution d’acide chlorhydrique. 4) Écrire l’équation de la réaction de déshydratation de l’hydroxyde d’aluminium lors de la calcination (ultime étape non réalisée lors du TP). Questions : 1) Écrire l’équation de la réaction se produit lors de l’attaque du minerai par la solution de soude. 2) Quelle espèce chimique reste sur le filtre et quelles espèces chimiques se trouvent dans le filtrat lors de la première filtration ? Justifier. 3) Écrire l’équation de la réaction qui se produit lors de l’ajout de la solution d’acide chlorhydrique. 4) Écrire l’équation de la réaction de déshydratation de l’hydroxyde d’aluminium lors de la calcination (ultime étape non réalisée lors du TP). Protocole opératoire « attendu ». 1ère étape : Dissolution en milieu basique de l'alumine Le professeur donne une masse m0 (environ 1,5 g) de minerai reconstitué. La placer dans un erlenmeyer. Ajouter 50 mL d'eau. Agiter. Observer. Ajouter dans l'erlenmeyer 15 mL de la solution de soude à 2 mol.L–1. Placer l'erlenmeyer sur un agitateur magnétique chauffant et chauffer 10 min tout en agitant à environ 80°C (thermostat 5). Observer si tout le solide se dissout ou non. 2ème étape : Elimination des impuretés par décantation puis filtration Laisser reposer quelques instants le contenu de l'erlenmeyer. Filtrer rapidement la solution encore chaude (filtration simple avec papier filtre plissé). Noter la couleur du précipité et celle du filtrat. 3ème étape : Régénération de l'alumine par précipitation de l’hydroxyde d’aluminium - Récupérer le filtrat dans un erlenmeyer placé dans de la glace pour accélérer la précipitation. Y ajouter progressivement 10 à 20 mL d’une solution d’acide chlorhydrique à 2 mol.L–1 : le pH doit être compris entre 4 et 9 (vérifier au papier pH). Laisser décanter et filtrer à nouveau. - 4ème étape : Calcination de l'alumine Récupérer le précipité obtenu dans l’étape précédente. Le sécher entre 2 papiers-filtres. On devrait le placer dans une capsule, préalablement pesée, et le chauffer fortement, puis peser le résidu sec. On obtient habituellement une masse m1 inférieure à 1 g d’alumine plus ou moins hydratée. Industriellement le chauffage se fait à 1250°C. 1) - Préparation du minerai reconstitué : à faire d’avance Dissoudre 20 g de sulfate d’aluminium et 2 g de sulfate de fer (III) dans 100 mL d’eau distillée. Ajouter environ 60 mL de solution de soude 2,5 mol.L–1 : un précipité rouge brique apparaît, composé d’hydroxyde de fer (III) Fe(OH)3 et d’hydroxyde d’aluminium (III) Al(OH)3. Vérifier que le pH n’est pas supérieur à 9 (papier pH) afin d’éviter la dissolution de l’hydroxyde d’aluminium (III), sinon acidifier un peu (pH entre 4 et 9). Récupérer ce précipité sur entonnoir Büchner en verre fritté; laver le précipité plusieurs fois à l’eau distillée, puis le placer à l’étuve (80 °C) : on obtient alors un solide orangé d’une composition proche de celle de la bauxite (Al2O3 : 75 % ; Fe2O3 : 25 %). Le minerai reconstitué obtenu en appliquant ce mode opératoire est homogène à l’œil et a une composition chimique proche de celle de la bauxite. On obtient ainsi environ 6 g. Bien broyer. Il faut recommencer plusieurs fois pour avoir 9 g par classe de spé (au moins 6 g) ( idéal : 1,5 g × 8 × 6 classes = 72 g pour 6 classes de 8 postes) * Pour laver le büchner en verre fritté après l’utilisation : élimination de la rouille Mettre plusieurs spatules d’acide oxalique (solide blanc) sur le büchner. Ajouter quelques gouttes d’eau juste pour les mouiller. Laisser agir, remuer de temps en temps. Bien rincer après, quand il n’y a plus de rouille dessus. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Produits : - 1 L de solution de sulfate d’aluminium à env. 0,1 mol/L 1 L pour 6/7 classes - 1 L de solution non acidifiée de chlorure de fer III ou bien de sulfate de fer III à env. 10–1 mol/L - Bauxite reconstituée : au moins 6 g pour une classe de Spé - Glaçons + petit cristallisoir Matériel : Pour chaque poste : Lunettes Flacons de soude et acide chlorhydrique à 2 mol/L Flacons avec solution de sulfate d’aluminium et de chlorure ou sulfate de fer (III) Papier pH + plaque à godet Agitateur magnétique chauffant + barreau Potence avec pince (pour tenir l’erlen chauffé) Tubes à essai sur portoir 3 erlenmeyers de 100 mL Éprouvette graduée de 25 mL Becher 25 mL (pour verser l’acide) Potence de filtration double avec 2 entonnoirs moyens et filtres plissés (Entonnoir Büchner à trous pas nécessaire ici) Valet en liège Collier de plomb Agitateur de verre + spatule Cuvette pour glaçons Pissette d’eau distillée (grosse) Collectif : le prof pèse rapidement pour voir ce que représente 1 g de bauxite et distribuera aux élèves - 1 ou 2 balances, coupelles de pesée, Spatules, Pinceau - Carrés papier filtre pour sécher - 1 assiette en carton par classe pour récupérer l’alumine extraite.
