Méthodes de séparation en hydrométallurgie

Chapitre 14
Séparations en hydrométallurgie
R́  R́́
Hydrométallurgie La métallurgie a comme objectif la
production de métaux. Rares sont les métaux à
l’état natif dans les mines. L’hydrométallurgie
correspond aux transformations des métaux et
de leurs composés, en présence d’eau.
Schéma général pour un métal M (s) et son
ion Mn+(aq) :
Mn+(aq) + n OH−(aq) = M (OH)n (s)
Qr =
Minerai Un minerai est un oxyde ou un sulfure du
métal correspondant, qu’il faut traiter pour obtenir le métal.
1
[Mn+][OH−]n
Une fois le précipité solide formé, on le récupère
par filtration.
Oxydes Monoxyde de fer (II) FeO(s) , trioxyde de fer
(III) Fe2 O3(s), alumine Aℓ2 O3(s), monoxyde de zinc
(II) ZnO(s), monoxyde de cuivre (II) CuO(s) sont
quelques exemples d’oxydes courants.
pH de précipitation Pour provoquer la précipitation
d’un ion métallique, on ajoute des ions hydroxyde OH−(aq) , ce qui correspond à une augmentation du pH.
Pour avoir précipitation, il faut que Qr,i > K, ce
qui correspond à pH > pHp où pHp est le pH de
précipitation.
Attaque L’attaque acide ou basique des oxydes des
métaux permet d’obtenir les ions métalliques
correspondants en solution.
Séparations Les séparations les plus courantes en hydrométallurgie consistent à former, à partir d’une
solution d’ions métalliques, les précipités d’hydroxyde métalliques correspondants :
Domaines de prédominance À partir de la donnée
du pH de précipitation, on peut tracer un domaine de prédominance du précipité :
Pas de précipitation
Fe2+(aq) + 2 OH−(aq) = Fe(OH)2(s)
Domaine de Mn+
(aq)
Fe3+(aq) + 3 OH−(aq) = Fe(OH)3(s)
Cu2+(aq) + 2 OH−(aq) = Cu(OH)2(s)
pHp
Précipitation
Domaine de M(OH)n (s)
Tests d’identification Les réactions de précipitation
précédentes peuvent aussi être utilisées pour
identifier les solutions d’ions métalliques.
Aℓ3+(aq) + 3 OH−(aq) = Aℓ(OH)3(s)
Zn2+(aq) + 2 OH−(aq) = Zn(OH)2(s)
M ́
Hydrométallurgie
Oxydes
Tests d’identification
Minerai
Séparations
pH de précipitation
Diagramme de prédominance
Q
l’état naturel. Connaissant la formule de l’oxyde de
zinc ZnO(s), donner alors celle du sulfure de zinc.
Q 1 Définir chacun des mots clefs.
Pourquoi peut-on trouver les métaux précieux
comme l’or ou l’argent directement à l’état natif dans
des mines, alors qu’avec des métaux comme le fer, le
cuivre ou le zinc, on ne trouve que des oxydes ou des
sulfures ? Faites intervenir la notion d’équilibre chimique dans votre réponse.
Q2
Q 4 Donnez les formules brutes de l’oxyde de cuivre
(I), de l’oxyde de cuivre (II), de l’oxyde d’aluminium
(III) ou alumine, ainsi que celle de l’oxyde de titane (IV).
Q 5 Lors du TP sur la métallurgie du zinc, on a utilisé
une réduction par un excès de poudre de zinc pour
éliminer les ions Cu2+(aq)et Fe2+(aq). Écrire les équations
d’oxydoréduction correspondants à cette méthode, et
comparer avec la méthode de séparation par précipitation.
Q 3 Dans un tableau périodique, indiquez la position
du soufre S, et comparer avec l’oxygène O. Utilisez ces
renseignements pour expliquer que l’on trouve tantôt des oxydes de zinc, tantôt des sulfures de zinc à
1
E
Données : couples oxydant-réducteur utiles pour
les exercices : (Aℓ3+ / Aℓ ) ; (O2 / O2− ) ; (H+ / H2 ) ;
(O2 / H2 O) ; (Cu2+ / Cu) ; (Ni2+ / Ni) ; (Fe2+ / Fe) ;
(Fe3+ / Fe2+ ) ; (Au3+ / Au) ; (Ag+ / Ag) ; (Zn2+ / Zn).
Fe2 O3(s) donnant sa couleur rouille à la bauxite des
mines de l’Hérault, de silice SiO2(s) ...
Le procédé Bayer permet d’obtenir de l’alumine pure à
partir de la bauxite. Ce traitement chimique consiste
à ajouter de la soude concentrée ; les ions hydroxyde
OH−(aq) attaquent l’alumine seule, les autres oxydes ne
sont pas attaqués, et restent à l’état solide.
a. Écrire l’équation de la réaction de précipitation de
l’hydroxyde d’aluminium (III) à partir des ions aluminium (III) et des ions hydroxyde.
b. Écrire l’équation de la réaction de la formation de
l’ion aluminate, à partir des ions aluminium (III) et
des ions hydroxyde.
c. Un élève ajoute goutte-à-goutte une solution de
soude concentrée à une solution contenant des ions
aluminium (III). Prévoir ses observations, indiquer
les équations des réactions en jeu.
d. Lors de l’ajout de soude concentrée à la bauxite,
on vérifie le pH au fur et à mesure de l’attaque de
l’alumine. Indiquer dans quel domaine de pH il faut
se placer pour obtenir par filtration un filtrat contenant l’élément aluminium sous une forme que l’on
précisera et un solide contenant les impuretés.
e. On veut récupérer l’élément aluminium présent
dans le filtrat précédent. Pour cela, on joue sur le
pH du filtrat afin d’obtenir un filtrat contenant les
restes de soude et d’eau, et un solide contenant l’élément aluminium sous une forme que l’on précisera.
Indiquer le domaine de pH dans lequel il faut se
placer pour cette seconde filtration.
f. Le solide précédent est porté à 1 000o C dans des
fours, sans aucun autre réactif. Après refroidissement, on obtient l’alumine Aℓ2 O3(s) parfaitement
pure, les cheminées des fours ne rejettant que de
la vapeur d’eau. Écrire l’équation de la réaction en
jeu dans cette dernière étape, et la nommer.
14.1 Séparation des ions zinc des ions fer
Lors du recyclage des aciers zingués, on désire récupérer l’élément zinc. Les aciers zingués sont attaqués
par une solution d’acide sulfurique afin d’obtenir les
ions fer (II), Fe2+(aq), et les ions zinc, Zn2+(aq).
On oyxde ensuite les ions fer (II) en ions fer (III) en faisant passer un courant de dioxygène dans la solution,
puis on provoque la précipitation des ions fer (III) sous
la forme d’hydroxyde de fer (III) Fe(OH)3(s).
Les constantes d’équilibre associées aux équations de
réactions de précipitation sont :
Fe3+(aq) + 3 OH−(aq) = Fe(OH)3(s)
K1 = 1038
Zn2+(aq) + 2 OH−(aq) = Zn(OH)2(s)
K1 = 1016
1. Écrire les équations des réactions modélisant l’action de l’acide sulfurique sur le fer et le zinc.
2. Écrire l’équation de la réaction modélisant l’oxydation des ions fer (II).
3. On considère une solution contenant donc uniquement des ions fer (III) et zinc (II), de concentrations
respectives 0, 1 mol.L−1 .
a. Exprimer les quotients de réaction correspondants aux précipitations des hydroxydes métalliques.
b. En déduire la concentration en ions hydroxyde
OH−(aq) pour que la précipitation commence.
c. En déduire le pH de précipitation commençante
de chacun des hydroxydes métalliques.
4. Peut-on réellement séparer les ions fer (III) des ions
zinc (II) ?
5. Montrer qu’à pH = 3, 5, la concentration en ions fer
(III) est négligeable.
Données : domaines de prédominance de l’aluminium :
– ion aluminium (III) Aℓ3+(aq) pour pH < 3, 7 ;
– précipité Aℓ(OH)3(s) pour 3, 7 < pH < 11 ;
– ion aluminate Aℓ(OH)−4 (aq) pour pH > 11.
14.2 Purification de la bauxite
Dans les mines de bauxite, le minerai extrait est un
mélange solide, composé de 50 % à 60 % d’alumine
Aℓ2 O3(s) , de 20 % au maximum d’oxyde de fer (III)
14.3 No 3 p. 153 : Production du dioxyde de titane
14.4 No 6 p. 154 : Hydrométallurgie du zinc
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