Le cycle de vie des matériaux Elaboration d`un métal
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Le cycle de vie des matériaux Elaboration d'un métal Objectifs : - Découvrir comment on obtient un métal pur à partir d'un minerai sur l'exemple du zinc. - Identifier deux étapes nécessaires à la fabrication du zinc. - Savoir écrire les réactions chimiques de certaines étapes telles que la lixiviation et l'électrolyse. - Savoir proposer un protocole expérimental. Etude documentaire Comment sont élaborés les matériaux? Les minerais sont utilisés depuis l'Antiquité pour obtenir les métaux, indispensables à la fabrication d'objets de notre quotidien. Comment obtenir un métal pur à partir d'un minerai? Hydrométallurgie du zinc Les minerais de sphalérite (ou blende) reçus dans une fonderie contiennent principalement du sulfure de zinc (ZnS), mais aussi d'autres métaux (plomb, fer et cuivre) qui doivent être éliminés pour élaborer le métal zinc. Le zinc est élaboré à partir de son minerai par hydrométallurgie selon les étapes suivantes: - Le minerai est d'abord grillé dans un four, avec de l'air, pour former des oxydes, dont l'oxyde de zinc (ZnO). - Ces oxydes sont ensuite dissous dans de l'acide sulfurique liquide concentré. Seul le plomb reste à l'état solide et est éliminé par filtration. Les autres métaux se retrouvent en solution sous forme d'ions Zn2+, Cu2+ et Fe3+. - En ajustant le pH de cette solution avec de la soude, les ions Fe3+ sont éliminés sous forme d'un précipité de formule Fe(OH)3. - Un dernier traitement: la cémentation, consiste à faire réagir les ions Cu2+ avec de la poudre de zinc: des ions Zn2+ sont formés, ainsi que du cuivre solide qu'il suffit d'éliminer. - Le zinc pur est finalement obtenu par électrolyse de la solution contenant les ions Zn2+. Définitions Elaboration d'un métal: ensemble des étapes qui conduisent à son obtention à partir d'un minerai. Hydrométallurgie: technique d'élaboration d'un métal dans laquelle le minerai est traité en milieu aqueux. 1) Réaliser une synthèse du texte sous la forme d'un schéma montrant comment ces étapes permettent de passer d'un mélange de métaux à du zinc pur. 2) Ecrire la réaction lors de l'étape de la cémentation. Couples : Cu2+/Cu etZn2+/Zn 3) Ecrire l'équation de dissolution de l'oxyde de zinc ZnO dans l'acide sulfurique. 4) Citer des applications industrielles du zinc. Concevoir un protocole Obtention de l'aluminium L'importance de l'aluminium en tant que matériau de construction va croissant. Ce métal résistant à la corrosion, léger et doté de propriétés mécaniques intéressantes est de plus en plus utilisé en tant que matériau de charpente ou huisserie. Industriellement, on obtient l'aluminium par électrolyse de l'oxyde d'aluminium ou alumine: Al2O3. Celui-ci est extrait de la bauxite, minerai composé principalement d’alumine hydratée que l’on appellera pour simplifier hydroxyde d’aluminium et dont la formule sera notée Al(OH)3(s) et d’oxyde de fer hydraté que l’on appellera pour simplifier hydroxyde de fer III et dont la formule sera notée Fe(OH)3(s) (c’est lui qui donne une couleur rouge à la bauxite). Le principe de la séparation de l’alumine hydratée du reste du minerai mis au point en 1887 par Karl Josef Jason Dan Bayer (procédé Bayer). Rem : le nom du minerai vient de l’exploitation (à partir de 1821) d’un gisement situé au village des Baux de Provence mais les lieux actuels de production se trouvent principalement en Jamaïque, Australie, Guinée et Brésil. Lixiviation de la bauxite Les ions aluminium Al3+(aq) précipitent si la concentration en ions hydroxyde est trop importante. La réaction de précipitation s'écrit: Al3+(aq) + 3 HO-(aq) = Al(OH)3(s). L'hydroxyde d'aluminium peut réagir avec les ions hydroxyde selon la réaction: Al(OH)3(s) + HO-(aq) = Al(OH)4-(aq). La prédominance des espèces est donnée par le diagramme ci-dessous: Al3+(aq) Al(OH)3(s) Al(OH)4-(aq) pH 0 3,6 11,3 14 Les ions fer III Fe3+(aq) précipitent si la concentration en ions hydroxyde est trop importante. La réaction de précipitation s'écrit: Fe3+(aq) + 3 HO-(aq) = Fe(OH)3(s). Fe3+(aq) Fe(OH)3(s) pH 0 1,7 14 Matériel disponible: Solution concentrée d'acide chlorhydrique Solution concentrée de soude Béchers Dispositif de filtration Büchner Papier pH Bauxite Agitateur en verre Eau distillée En vous inspirant de l'exemple du zinc, proposer un protocole permettant d'obtenir l'oxyde d'aluminium à partir de bauxite.
