TS – Spécialité Physique www.sciencesphysiques.info TP de Sciences Physiques nÀ1 Préparation dÊun métal à partir du minerai Thème n°1 : matériaux / Mot clé : élaboration Le zinc est un élément chimique métallique, de symbole Zn et de numéro atomique 30. Il forme par ionisation un cation métallique de formule Zn2+. Son principal minerai naturel est la sphalérite ou blende, un sulfure de zinc de formule ZnS. Le mot blende, désormais abandonné dans la littérature minéralogique, provient du mot allemand « blenden » : aveugler, éblouir, tromper. Ce sulfure – le plus répandu dans la lithosphère – cristallise dans le système cubique (comme, par exemple, le chlorure de sodium NaCl). Les réserves mondiales estimées de zinc étaient de 250 millions de tonnes en 2010, détenues notamment par l'Australie (21%), la Chine (17%) et le Pérou (12%). A partir du minerai, l’industrie métallurgique prépare le zinc métallique dont les applications industrielles sont multiples : le dépôt d'une mince couche de zinc en surface de l'acier le protège de la corrosion (galvanisation). La galvanisation consomme 47% du zinc produit dans le monde. L'acier galvanisé est utilisé dans l'automobile, la construction, l'électroménager, les équipements industriels… la production de laiton – alliage de cuivre et de zinc – et le bronze – alliage de cuivre et d'étain, auquel on ajoute parfois du zinc – consomment 22% du zinc mondial produit. les plaques et pièces pour toitures représentent 12 % de la production. On emploie le zinc dans les villes pour la couverture des immeubles et, partout, pour les gouttières et les descentes d'eaux pluviales. La préparation de produits chimiques contenant du zinc représente 9 % du total. Le zinc est aussi utilisé en agriculture, comme apport d'oligo-élément, essentiellement en zone de sols fortement calcaires. Cette activité a pour but de présenter comment, à partir du minerai contenant essentiellement du sulfure de zinc ZnS et des impuretés, il est possible d’élaborer du zinc métallique de haute qualité (pureté 99,995%). Travail demandé (après avoir étudié les trois documents pages 2, 3 et 4) 1/ Ecris l’équation équilibrée de la réaction chimique correspondant à la première étape d’élaboration du zinc métallique (grillage). Identifie le produit qui accompagne la formation d’oxyde de zinc (calcine) ZnO. Que dire de cette première étape en terme environnemental ? Explique. 2/ Ecris l’équation équilibrée de la réaction de lixiviation. Cette étape a-t-elle aussi un impact environnemental ? Justifie. 3/ Explique pourquoi aucune des méthodes physiques de séparation présentées dans le document n°2 ne peut permettre la séparation des ions évoquée dans l’étape n°3 et nommée précipitation sélective. 4/ Lors de l’ajout d’ions hydroxyde HO- dans une solution contenant des cations métalliques Xn+, de quel paramètre dépend la précipitation ou non précipitation de l’ion métallique en hydroxyde métallique X(OH)n ? 5/ A partir des courbes proposées dans le document n°3, déduis graphiquement s’il existe une valeur de pH pour laquelle il y a précipitation des ions fer et non des ions zinc. 6/ On dispose au laboratoire d’une solution aqueuse contenant beaucoup de sulfate de zinc dont la formule est Zn2+ + 2SO42- et un peu de chlorure de fer (III) de formule Fe3+ + 3Cl-. Après avoir étudié le document n°3, propose une démarche puis un protocole expérimental permettant de séparer les ions Zn2+ des ions Fe3+. 7/ Lors d’une précipitation sélective, après précipitation d’un certain type d’ion, comment doit-on effectuer la séparation du précipité du reste de la solution aqueuse ? Justifie. 8/ Dans l’élaboration du zinc, comment expliquer que tous les ions constituant les impuretés ne puissent pas être séparés des ions zinc par précipitation sélective ? Que faut-il faire alors ? Thème n°1 : matériaux / Elaboration d’un métal Page 1 / 4 TS – Spécialité Physique www.sciencesphysiques.info Document n°1 : les étapes de l’élaboration du zinc métallique par hydrométallurgie Le texte nous apprend que le principal minerai naturel dans lequel on trouve l’élément zinc est nommé « blende » : il s’agit de sulfure de zinc de formule ZnS. Afin d’arriver au zinc métallique depuis ce minerai, on peut procéder à cinq opérations successives : 1/ le grillage : la blende est broyée puis chauffée en présence d’air et se transforme en oxyde de zinc (ou calcine) de formule ZnO. 2/ la lixiviation : le but de cette étape est de mettre en solution le zinc sous forme d’ion Zn2+ en traitant la calcine avec l'acide sulfurique (2H+ + SO42-). 3/ la précipitation sélective : il reste ensuite à réduire les ions Zn2+ en atomes de zinc Zn. L’ennui est que le traitement infligé au minerai de départ aura aussi oxydé, puis fait passer sous forme ionique, les autres métaux présents dans le minerai. La solution ionique contient donc des impuretés telles que des ions cuivre Cu2+ ou fer Fe3+… Il faut donc séparer les ions zinc Zn2+ des autres cations métalliques. Cette séparation se fait par précipitation sélective (ou précipitation fractionnée) d’hydroxyde métallique. 4/ la cémentation de la solution issue des opérations précédentes permet de retirer les éléments cobalt, nickel, cadmium et cuivre encore présents sous forme d'ions (ces ions ont « résisté » à la séparation par précipitation sélective). Le principe est de mettre en contact les ions métalliques avec un métal ayant un pouvoir réducteur plus important. On utilise ici de la poudre de zinc fine. Il faut faire plusieurs cémentations successives. La difficulté d’extraire les éléments suit l’ordre suivant par difficulté croissante : Cuivre, Cadmium, Nickel, Cobalt. On joue en particulier sur la température (entre 45°C et 65°C pour le cadmium, 75°C et 95°C pour le cobalt). Les liquides et les solides sont séparés par filtration. 5/ l'électrolyse : enfin, les cations Zn2+ ayant été isolés, on les réduira par électrolyse pour récupérer le zinc métallique Zn. Remarque : les techniques qui consistent à faire passer un élément métallique en solution afin de l’isoler puis de le produire constituent « l’hydrométallurgie ». Thème n°1 : matériaux / Elaboration d’un métal Page 2 / 4 TS – Spécialité Physique www.sciencesphysiques.info Document n°2 : quelques méthodes physiques de séparation 1/ La filtration simple 2/ L’entrainement à la vapeur ou hydrodistillation L'entraînement à la vapeur, ou « hydrodistillation » permet par exemple d'extraire l'huile essentielle contenue dans une plante ou une graine. Le montage expérimental est représenté ci-contre. Le produit contenant l'huile essentielle est placé dans de l'eau en ébullition. En se vaporisant, l'eau entraîne l'huile essentielle. Les vapeurs arrivent dans le réfrigérant où elles se condensent. Elles s'écoulent alors, à l'état liquide, dans l’erlenmeyer où elles forment le distillat. Celui-ci est en général trouble car il contient l'eau et l'huile essentielle non-miscibles. 3/ L’extraction par solvant L'extraction par solvant consiste à utiliser un solvant pour extraire un produit d'un mélange, par exemple d'un mélange aqueux. Le solvant organique, non miscible à l'eau est introduit avec le mélange aqueux dans une ampoule à décanter. La substance recherchée est très soluble dans le solvant organique donc s'y dissout. Cette mise en solution est favorisée par l’agitation au cours de laquelle on réalise, de temps à autres, un dégazage (toujours avec précaution). a) la phase aqueuse est plus dense que la phase organique b) La phase organique est plus dense que la phase aqueuse. Après décantation, deux phases apparaissent, que l'on sépare facilement : la phase à conserver est la phase organique qui contient le produit recherché; la phase aqueuse peut en général être jetée. Thème n°1 : matériaux / Elaboration d’un métal Page 3 / 4 TS – Spécialité Physique www.sciencesphysiques.info Document n°3 : précipitation d’un cation métallique par action des ions hydroxyde HOÉtude théorique portant sur le cas général d’un cation métallique X (naq+ ) + + HO-(aq) ) dans une solution contenant des cations L'ajout d'une solution d'hydroxyde de sodium ( Na (aq) métalliques X (naq+ ) donne naissance à un précipité souvent coloré d'hydroxyde métallique X(HO)n(s). Cette transformation est modélisée par l’équation : + X n(aq) + n HO-(aq) = X(HO)n (s) Soit une solution aqueuse contenant un cation métallique et un anion spectateur assurant l’électroneutralité. On baisse au préalable le pH de cette solution par ajout d’un acide fort, puis on verse peu à peu une solution d’hydroxyde de sodium Na+ + HO- dans la solution. Le pH remonte avec les ajouts d’ions HO-, et les cations métalliques précipitent à partir d’une certaine valeur de pH. Les résultats sont exploités à l'aide d'un logiciel qui permet de tracer les courbes représentant les pourcentages respectifs des espèces X (naq+ ) et X (OH ) n ( s ) présentes dans la solution en fonction du pH. 1er cas : on réalise une première expérience en remplaçant la solution contenant des ions X (naq+ ) 2ème cas : on réalise la même expérience en remplaçant la solution contenant des ions X (naq+ ) + par une solution contenant des ions zinc Zn2( aq ) à + par une solution contenant des ions fer Fe(3aq ) à la la concentration de 0,90 mol.L–1. concentration de 0,03 mol.L–1. La transformation chimique qui se déroule peut être décrite par la réaction : La transformation chimique qui se déroule peut être décrite par la réaction : + Zn2(aq) + 2 HO-(aq) = Zn(HO)2(s) + Fe3(aq) + 3 HO-(aq) = Fe(HO)3(s) Zn(OH)2 est un précipité blanc. Fe(OH)3 est un précipité de couleur rouille. La courbe donnant les pourcentages respectifs + des espèces Zn2( aq ) et Zn(HO) 2 (s) présentes dans La courbe donnant les pourcentages respectifs + des espèces Fe(3aq ) et Fe(HO)3(s) présentes dans la solution en fonction du pH de cette dernière est la suivante : la solution en fonction du pH de cette dernière est la suivante : Zn(HO)2(s) Zn2+(aq) Thème n°1 : matériaux / Elaboration d’un métal Page 4 / 4