1 T.P-cours de Chimie n°10 HYDROMETALLURGIE DU ZINC

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TS Spécialité- partie D : De la matière première à la formulation :
T.P-cours de Chimie n°10
Elaborer un produit de consommation
HYDROMETALLURGIE DU ZINC (PARTIE2)
L’élaboration du zinc (rappel et compléments de la première séance)
L’hydrométallurgie est une des méthodes de préparation d’un métal. Elle est particulièrement
utilisée pour la production du zinc.
L’hydrométallurgie permet l’élaboration d’un métal à partir d’un minerai en faisant appel à des
transformations s’opérant habituellement en milieux aqueux à température inférieure à 100°C.
Séparer
Le minerai de zinc – la blende – est un milieu complexe contenant des sulfures de zinc mais
aussi d’autres éléments métalliques tels que le cuivre, le cadmium, le plomb et surtout le fer en
quantité non négligeable. Tous ces éléments doivent être éliminés avant la phase de purification
du métal par électrolyse.
Le minerai subit d’abord un grillage qui fournit de l’oxyde de zinc ZnO mélangé aux autres oxydes
métalliques. Tous ces oxydes sont alors attaqués par une solution concentrée d’acide sulfurique.
Il en résulte une solution acide de sulfates métalliques.
Par élévation du pH de la solution, on élimine les ions fer(III) : en effet l’hydroxyde de fer(III)
précipite dès que le pH devient supérieur à 2. Dans l’industrie, on se place à un pH de 4,5.
Le précipité d’hydroxyde de fer(III), Fe(OH)3, est séparé par décantation puis filtration.
Les autres éléments métalliques sont éliminés par d’autres techniques.
On voit donc qu’une des difficultés de l’hydrométallurgie du zinc réside dans l’élimination des ions fer (III). En effet,
l’action d’une solution d’acide sulfurique sur la calcine fait malheureusement passer en solution les ions
d’impuretés métalliques, notamment les ions fer (III) et cuivre (II) contenus dans le minerai d’origine. Il va donc être
nécessaire d’éliminer ces ions de la solution. C’est l’objet de cette séance.
A. Première étape : séparation des ions fer (III) et des ions cuivre (II).
A.1. Expériences préliminaires.
En solution les ions métalliques précipitent en présence d’hydroxyde de sodium en donnant des
hydroxydes métalliques.
− Introduire dans un tube à essais environ 2 mL de solution de chlorure de fer (III).
− Mettre les lunettes et ajouter quelques gouttes de solution d’hydroxyde de sodium.
− Noter vos observations et écrire l’équation de la réaction.
− Recommencer la même manipulation avec une solution de sulfate de cuivre (II).
A.2. Séparation des ions fer (III) et des ions cuivre (II) dans un mélange.
A.2.1 Manipulation.
− Étalonner le pH-mètre avec la solution étalon
Burette graduée
Solution d’hydroxyde
de pH égal à 4,0.
de sodium à 0,5 mol⋅L-1
Sonde pH-métrique
− Réaliser le montage ci-contre. Mettre les
pH-mètre
lunettes pour manipuler la soude.
− Introduire dans le bécher 10 mL de solution de
10 mL de chlorure de
-1
fer (III) à 0,05 mol⋅L-1
chlorure de fer III à 0,050 mol⋅L et 10 mL de
2,1
-1
et 10 mL de solution
solution de sulfate de cuivre II à 0,050 mol⋅L .
de sulfate de cuivre
Mesurer le pH initial.
(II) à 0,050 mol.L-1.
− Verser dans un tube à essais, noté 1, 1 mL du
Turbulent
mélange précédent et ajouter quelques
Agitateur
gouttes de thiocyanate d’ammonium.
magnétique
− Verser ensuite la solution d’hydroxyde de
-1
sodium à 0,50 mol⋅L jusqu’à ce que le pH atteigne la valeur 5,0.
− Filtrer alors le mélange contenu dans le bécher.
− Placer un peu de filtrat dans un tube à essais, noté 2, et ajouter quelques gouttes de thiocyanate
d’ammonium.
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A.2.2 Conclusion.
− Quel est le rôle de la solution de thiocyanate d’ammonium ? Écrire l’équation de la réaction
correspondante.
− Quelle est l’espèce extraite de la solution ? Sous quelle forme est-elle obtenue ?
− Quelle est l’espèce chimique contenue dans le filtrat ? Comment vérifie-t-on qu’il ne contient qu’un
type de cations ? L’objectif est-il atteint ?
− Quelle difficulté industrielle fait que ce procédé n'est pas le plus utilisé dans l'hydrométallurgie du
zinc ? Quel type de procédé est plutôt réalisé industriellement pour éliminer les ions fer (III) ?
Qu’ajoute-t-on alors à la solution ?
B.Deuxième étape : séparation des ions cuivre (II) et zinc.
Généralement la solution obtenue après lixiviation est riche en ions zinc. On simule cette solution par un
2+
-1
2+
-1
mélange, noté S, avec les concentrations suivantes : [Cu ] = 30 mmol⋅L et : [Zn ] = 0,30 mol⋅L . Dans cette
étude on cherche à savoir si on peut faire précipiter sélectivement les ions cuivre (II) sans précipiter les ions
zinc.
-1
− Pour une concentration de 0,030 mol⋅L le pH de début de précipitation de l’hydroxyde de cuivre est
de 5,0.
− En utilisant les calculs de la séance précédente donner la valeur du pH de début de précipitation de
l’hydroxyde de zinc (II), la valeur du pH à ne pas dépasser pour précipiter seulement les ions cuivre
et le pourcentage d’ions cuivre (II) qui a précipité à ce pH. Conclure.
− Industriellement comment procède-t-on pour éliminer les ions cuivre de la solution ? Écrire l’équation
de la réaction. Pourquoi choisit-on ce réducteur ? Comment se nomme cette opération.
− Réaliser cette opération sur environ 20 mL du mélange S en ajoutant environ 0,3 g de zinc en poudre.
Agiter puis filtrer
− Placer un peu de filtrat dans un tube à essais et ajouter goutte à goutte la soude. Qu’observe-t-on ?
− Quelle est l’étape suivante de la préparation du zinc ?
− On réalise l’électrolyse du filtrat sous une tension de 6,0 V avec une anode en plomb et une cathode
en aluminium. Pour cela l’ensemble des filtrats seront mis en commun. Faire un schéma annoté de
l’électrolyse en indiquant le sens du courant et des différents porteurs de charges.
− Écrire les équations des réactions aux électrodes en tenant compte des observations et sachant qu’on
obtient du dioxygène à l’anode.
− Pendant combien de temps faudrait-il réaliser l’électrolyse pour récupérer 1,0 g de zinc métallique,
l’intensité du courant étant de 300 mA.
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Elaborer un produit de consommation
Correction : merci à Jennifer pour les photos
A. Première étape : séparation des ions fer (III) et des ions cuivre (II).
A.1. Expériences préliminaires.
En solution les ions métalliques précipitent en présence d’hydroxyde de sodium en donnant des
hydroxydes métalliques.
− Introduire dans un tube à essais environ 2 mL de solution de chlorure de fer (III).
Fe3++3OH- = Fe(OH)3
− Recommencer la même manipulation avec une solution de sulfate de cuivre (II).
Cu2++2OH- =Cu(OH)2
A.2. Séparation des ions fer (III) et des ions cuivre (II) dans un mélange.
A.2.1 Manipulation.
− Étalonner le pH-mètre avec la solution étalon
de pH égal à 4,0.
− Réaliser le montage ci-contre. Mettre les
lunettes pour manipuler la soude.
− Introduire dans le bécher 10 mL de solution de
-1
chlorure de fer III à 0,050 mol⋅L et 10 mL de
-1
solution de sulfate de cuivre II à 0,050 mol⋅L .
Mesurer le pH initial.
Solution d’hydroxyde
de sodium à 0,5 mol⋅L-1
10 mL de chlorure de
fer (III) à 0,05 mol⋅L-1
et 10 mL de solution
de sulfate de cuivre
(II) à 0,050 mol.L-1.
Burette graduée
Sonde pH-métrique
pH-mètre
2,1
Turbulent
Agitateur
magnétique
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− Verser dans un tube à essais, noté 1, 1 mL du mélange précédent et ajouter quelques gouttes de
thiocyanate d’ammonium.
On obtient une solution rouge : 3ème tube
-1
− Verser ensuite la solution d’hydroxyde de sodium à 0,50 mol⋅L jusqu’à ce que le pH atteigne la
valeur 5,0.
− Filtrer alors le mélange contenu dans le bécher.
− Placer un peu de filtrat dans un tube à essais, noté 2, et ajouter quelques gouttes de thiocyanate
d’ammonium.
A.2.2 Conclusion.
3+.
− Quel est le rôle de la solution de thiocyanate d’ammonium ? mettre en évidence les ions Fe Écrire
l’équation de la réaction correspondante.
3+
2+
Fe +SCN = FeSCN
C’est un complexe rouge que nous avons déjà rencontré pour le vin blanc.
3+
− Quelle est l’espèce extraite de la solution ? Fe
Sous quelle forme est-elle obtenue ? précipité
marron de Fe (OH)3
2+
− Quelle est l’espèce chimique contenue dans le filtrat ? Cu Comment vérifie-t-on qu’il ne contient
qu’un type de cations ? avec l’hydroxyde de sodium (soude)
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− L’objectif est-il atteint ? oui , on remarque que dans le tube 5 on obtient un précipité bleu quand on
ajoute de la soude au filtrat.
− Quelle difficulté industrielle fait que ce procédé n'est pas le plus utilisé dans l'hydrométallurgie du
zinc ? La filtration est longue et la précipité est très fin.Quel type de procédé est plutôt réalisé
industriellement pour éliminer les ions fer (III) ?voir livre page 142 . formation d’un précipité rouge
brique de jarosite Fe6(OH)12(SO4)4(NH4)2 .Qu’ajoute-t-on alors à la solution ? du sulfate d’ammonium
et de l’oxyde de zinc
B.Deuxième étape : séparation des ions cuivre (II) et zinc.
Généralement la solution obtenue après lixiviation est riche en ions zinc. On simule cette solution par un
2+
-1
2+
-1
mélange, noté S, avec les concentrations suivantes : [Cu ] = 30 mmol⋅L et : [Zn ] = 0,30 mol⋅L . Dans cette
étude on cherche à savoir si on peut faire précipiter sélectivement les ions cuivre (II) sans précipiter les ions
zinc.
-1
− Pour une concentration de 0,030 mol⋅L le pH de début de précipitation de l’hydroxyde de cuivre est
de 5,0.
− En utilisant les calculs de la séance précédente donner la valeur du pH de début de précipitation de
l’hydroxyde de zinc (II), la valeur du pH à ne pas dépasser pour précipiter seulement les ions cuivre
et le pourcentage d’ions cuivre (II) qui a précipité à ce pH. pH =5.5 ; %88 Conclure.On n’utilise pas la
précipitation pour séparer les ions cuivre (II) des ins Zinc
− Industriellement comment procède-t-on pour éliminer les ions cuivre de la solution ? On ajoute de la
2+
poudre de zinc .Écrire l’équation de la réaction. Zn = Zn + 2 e Pourquoi choisit-on ce réducteur ?
Comment se nomme cette opération. cémentation par la poudre de zinc
− Réaliser cette opération sur environ 20 mL du mélange S en ajoutant environ 0,3 g de zinc en poudre.
Agiter puis filtrer
− Placer un peu de filtrat dans un tube à essais et ajouter goutte à goutte la soude. Qu’observe-t-on ?
On observe un précipité blanc d’hydroxyde de zinc Zn(OH)2 Il n’y a plus d’ion cuivre (II) car absence de
précipité bleu
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Elaborer un produit de consommation
− Quelle est l’étape suivante de la préparation du zinc ? l’électrolyse
− On réalise l’électrolyse du filtrat sous une tension de 6,0 V avec une anode en plomb et une cathode
en aluminium. Pour cela l’ensemble des filtrats seront mis en commun. Faire un schéma annoté de
l’électrolyse en indiquant le sens du courant et des différents porteurs de charges.
− Écrire les équations des réactions aux électrodes en tenant compte des observations et sachant qu’on
obtient du dioxygène à l’anode.
2+
Zn + 2 e = Zn
+
H2O = 1/2 O2 + 2 H + 2 e
− Pendant combien de temps faudrait-il réaliser l’électrolyse pour récupérer 1,0 g de zinc métallique,
l’intensité du courant étant de 300 mA.
Q=It = z F xmax
= 2 F nZn