TP chimie spécialité : séparation des métaux. La bauxite est une

TP chimie spécialité : séparation des métaux.
La bauxite est une roche latéritique blanche, rouge ou grise, caractérisée par sa forte teneur en alumine Al2O3 et en
oxydes de fer. Cette roche constitue le principal minerai permettant la production d'aluminium.
Nous admettrons pour simplifier, que la bauxite contient les espèces Al(OH)3(s) et Fe(OH)3(s). C’est le minerai le
plus utilisé pour produire l’alumine Al2O3(s) dont l’électrolyse à l’état fondu permet d’obtenir l’aluminium. La
première étape de la préparation de l’alumine est sa séparation des autres constituants du minerai.
La manipulation proposée illustre la méthode mise en œuvre dans l’industrie pour cette première étape.
A) Séparation de l’aluminium et du fer.
I) Tests préliminaires
a) Précipitation de l’hydroxyde d’aluminium.
Dans un tube à essai contenant 2 mL du sulfate d’aluminium à 5.10-2 mol.L-1 ajouter une ou deux gouttes de soude
à 2,5 mol.L-1. Observer.
Continuer l’addition de soude et observer. Cesser l’addition lorsque celle-ci est redevenue limpide.
Ajouter alors goutte à goutte une solution d’acide chlorhydrique à 3 mol.L-1 et noter les diverses évolution du
mélange au fur et à mesure de l’ajout.
1. Ecrire l’équation de la réaction de précipitation de Al(OH)3(s). Sa constante d’équilibre vaut
.
Que vaut le pH de la solution lorsque le précipité apparaît ?
2. En présence d’un excès d’ion OH-, il se forme l’ion complexe
Ecrire l’équation de la
dissolution du précipité d’hydroxyde d’aluminium. La constante d’équilibre associée vaut
Que vaut
.
quant le précipité à quasiment disparu complètement ?
En déduire le pH de la solution.
3. Sur un axe gradué en pH, positionner les deux valeurs de pH trouvées et interpréter les réactions observées
lors de l’ajout progressif de la solution d’acide chlorhydrique. Ecrire les réactions correspondantes.
Reprendre l’ensemble des expériences réalisées en vérifiant les valeurs du pH.
b) Précipitation de l’hydroxyde de fer (III).
Dans un tube à essai contenant 2 mL du sulfate de fer (III) à 5.10-2 mol.L-1 ajouter quelques gouttes de soude à 2,5
mol.L-1. Observer. Séparer le mélange en deux tubes à essais.
Dans le premier, continuer à ajouter la solution de soude. Le précipité disparaît-il ?
Dans le second, ajouter goutte à goutte la solution d’acide chlorhydrique à 3 mol.L-1. Le précipité disparaît-il ?
1. Ecrire l’équation de la réaction de précipitation de Fe(OH)3(s). Sa constante d’équilibre vaut
.
Que vaut le pH de la solution lorsque le précipité apparaît ? Reporter sa valeur sur l’axe tracé à la question 3.
2. Ecrire l’équation de la réaction lors de l’ajout de la solution d’acide chlorhydrique.
Essayer de retrouver expérimentalement la valeur du pH du début de précipitation.
c) T est caractéristique des ions fer (III).
Dans un tube à essai contenant 2 mL de sulfate de fer (III) ajouter quelques gouttes de thiocyanate de potassium.
Observer.
II) Séparation des éléments de bauxite
Broyer finement environ 5g de bauxite dans un mortier.
Placer la poudre dans un erlenmeyer, y ajouter environ 25 mL de solution de soude à 2,5 mol.L -1.
Chauffer le mélange à 80°C tout en agitant.
Une partie du solide se dissout.
L’attaque d’un minerai par une solution acide ou basique est appelée, lixiviation.
Laisser refroidir, puis filtrer sur Büchner. Noter la couleur du précipité et celle du filtrat.
Etude du filtrat.
Récupérer 1 mL du filtrat dans un tube à essai.
Proposer un test permettant de vérifier que le filtrat ne contient pas d’ions Fe3+. Le réaliser.
Ajouter, progressivement et avec précaution, une solution d’acide chlorhydrique à 3 mol.L-1, au filtrat jusqu’à ce que le pH
soit voisin de 6, en vérifiant celui-ci avec un papier pH.
Filtrer le précipité, le rincer et le sécher à l’étuve.
Quelle est la nature de ce précipité ? En déduire l’équation de la réaction qui se produit lors de l’ajout au filtrat de la solution
d’acide chlorhydrique ?
1. Pour quelle raison a-t-on intérêt à broyer la bauxite ?
2. Ecrire l’équation de la réaction qui se produit lors de l’attaque du minerai par la solution de soude.
3. En déduire la nature du précipité.
B) Séparation du fer et du cuivre.
Dans la nature, le cuivre, lorsqu’il n’est pas natif, se rencontre sous forme de sulfure, de carbonates ou d’hydroxydes de
cuivre (II) ; le nickel, le plomb, le cobalt, le fer…accompagnent généralement le cuivre.
La première étape d’extraction du cuivre à partir de minerai non sulfurés est une lixiviation, c'est-à-dire une attaque par
une solution d’acide sulfurique à 0,1 mol.L-1. La solution obtenue est trop peu concentrée en ion cuivre (II) pour être traitée
par électrolyse et elle continent très souvent des ions fer (III).
Le principe de l’extraction de l’élément cuivre de cette solution est présenté ci-dessous.
Tests préliminaires
Dans un tube à essai contenant 1 mL de sulfate de cuivre (II) à 0,1 mol.L-1 ajouter un petit porceau de laine de fer.
Fermer le tube. Mélanger vigoureusement.
Observer la couleur de la solution et la couleur du solide.
Prélever un peu de la solution et y ajouter une ou deux gouttes de la soude à 2,5 mol.L-1.
1. Identifier les produits de la réaction.
2. Ecrire son équation.
Recommencer l’expérience en remplaçant la solution de sulfate de cuivre (II) par une solution de sulfate de fer (III).
1. Identifier les produits de la réaction.
2. Ecrire son équation.
A partir des résultats des tests précédents, proposer un protocole opératoire permettant d’extraire le métal cuivre d’une
solution contenant des ions cuivres (II) et fer (III).
Remarque : la récupération du cuivre étant difficile sur de la limaille de fer on utilise des morceau de fer blanc.
La réduction d’un ion métallique par un métal est appelé cémentation.