Elaboration de l`alumine et solubilité des hydroxydes

Les étapes de l’élaboration de l’aluminium Thème : Les matériaux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
TS spé – ASDS + TP : Une étape de l’élaboration de l’aluminium 1 C. Grange-Reynas
Une étape de l’élaboration de l’aluminium
Mots-clefs : Elaboration
Contexte du sujet :
Les métaux sont des ressources qui existent en quantités limitées sur terre. Ils servent de matière
première dans l’industrie et l’accès aux nouveaux gisements est difficile. De ce fait, les métaux ont un
enjeu économique majeur.
D’où proviennent les métaux ? Comment les produit-on ?
Analyse de documents scientifiques et activité expérimentale
A l’aide des documents suivants et de la liste de matériel disponible :
1. Répondre aux questions :
 Quel est le minerai le plus utilisé pour produire l’aluminium ?
 Pourquoi ce nom ?
 Quel est le nom et la formule de l’espèce chimique (contenant l’aluminium) la plus couramment
présente dans la bauxite ?
 Indiquer les autres espèces chimiques présentes dans la bauxite.
2. Proposer un protocole expérimental permettant de vérifier la solubilité des hydroxydes d’aluminium
et de fer dans l’eau en fonction du pH. (aide 1 + aide 2)
Après validation par le professeur (appel 1), réaliser l’expérience, noter les observations et conclure (appel 2)
(On pourra notamment écrire les équations qui ont eu lieu lors des réactions réalisées).
3. Proposer un protocole expérimental permettant d’extraire l’alumine (hydroxyde d’aluminium Al(HO) 3
sous forme hydratée) de la bauxite, première étape de l’élaboration de l’aluminium. (aide 3)
Introduction documentaire : la bauxite, l’alumine, puis l’aluminium …
L'élaboration de l'aluminium, à partir de la bauxite, s'effectue en deux étapes distinctes :
 Extraction de l'alumine Al2O3 des autres constituants du minerai. Industriellement, on utilise le
procédé Bayer mis au point en 1887.
 Electrolyse de l'alumine en sel fondu qui donne le métal aluminium.
Document 1 : Elaboration de l’aluminium : la bauxite, l’alumine, puis l’aluminium
Les métaux, matières premières essentielles à de nombreuses industries,
n’existent pas purs à l’état naturel mais généralement sous forme
d’oxydes contenus dans les minerais. Ces minerais, sont composés de
nombreuses espèces. La production d’un métal à par tir du minerai est le
résultat d’un processus chimique et industriel complexe afin de le
mettre en forme et de le purifier.
L'élément aluminium est, en importance, le troisième élément de la
croûte terrestre (proche de 8 %). Il y est présent essentiellement sous
forme d'oxydes d'aluminium (dans les argiles, les schistes et la bauxite).

Les étapes de l’élaboration de l’aluminium Thème : Les matériaux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
TS spé – ASDS + TP : Une étape de l’élaboration de l’aluminium 2 C. Grange-Reynas
L’industrie de l’aluminium date de la fin du Second Empire. C’est à cette
époque, grâce à un procédé mis au point par le chimiste Henri Sainte
Claire Deville que se crée, en 1860, à Salindres (Gard) la première unité
au monde de fabrication de l’aluminium. L’aluminium devient alors un
symbole du progrès industriel. Lors d’un banquet impérial, seul Napoléon
III a droit d’utiliser des couverts en aluminium, les autres convives
doivent se contenter de couverts … en argent !
Depuis, l’utilisation de l’aluminium s’est diversifiée et
démocratisée même si l’aluminium reste un métal plutôt
cher à cause des quantités d’énergie qu’il met en oeuvre
pour son élaboration (utilisation de l’électrolyse).
Le minerai le plus utilisé pour produire l'aluminium est la
bauxite (les premiers gisements furent découverts dans
le village des Baux-de-Provence, d’où son nom en 1831
par Pierre Berthier). A partir de la bauxite, on produit
l'alumine (Al2O3) dont l'électrolyse à l'état fondu
permet d'obtenir l'aluminium.
La bauxite ne contient pas uniquement que de "l'aluminium" : elle est constituée de 40 à 60 % en masse
d'alumine (forme hydratée Al2O3, nH2O), de 10 à 20 % d'oxyde de fer III (forme hydratée Fe2O3, nH2O, qui
donne sa couleur rouge au minerai et aussi de la silice SiO2 (en général moins de 5 %). La première étape de la
production de l’aluminium consiste ainsi à séparer l'alumine des autres constituants du minerai.
Remarque : Dans l’étude qui suit, la composition complexe de la bauxite sera assimilée de façon simplifiée à un
mélange d’hydroxyde d’aluminium Al(OH)3 et d’hydroxyde de fer (III) Fe(OH)3
BAUXITE ≈ Al(OH)3 et Fe(OH)3
Document 2 : Application industrielle : le procédé Bayer
Selon le procédé de Karl Joseph BAYER mis au point en
1887, la bauxite, une fois broyée, est mélangée à de la soude
à haute température et sous pression. La liqueur obtenue est
débarrassée de ses impuretés, puis diluée et refroidie, ce
qui provoque la précipitation d'hydroxyde d’aluminium
hydraté. Celui-ci est alors calciné pour obtenir l'alumine
destinée à la production d'aluminium.

Les étapes de l’élaboration de l’aluminium Thème : Les matériaux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
TS spé – ASDS + TP : Une étape de l’élaboration de l’aluminium 3 C. Grange-Reynas
Document 3 : Influence de différents paramètres sur la dissolution d’un composé .
La dissolution d’un composé en solution aqueuse dépend de nombreux paramètres, comme par exemple de la
température, la pression et le pH de la solution.
Influence du pH :
Un composé soluble dans l’eau peut par exemple se transformer en d’autres espèces non solubles lorsque l’un des
paramètres évolue et ainsi quitter la solution en formant un précipité.
C’est le cas des espèces présentes dans la bauxite, les hydroxydes d’aluminium Al( OH)3 et de fer III Fe(OH)3,
(non solubles dans l’eau) qui peuvent se transformer respectivement en Al3+ et Al(HO)4- et en Fe3+ (espèces
solubles dans l’eau) lorsque la valeur du pH de la solution varie.
Les diagrammes de prédominances de ces deux espèces indiquent sous quelle forme existent les éléments
aluminium et fer en solution en fonction de la valeur du pH :
Influence de la température :
La température est également un paramètre important influençant la dissolution d’un composé. Dans la plupart
des cas, plus la température est élevée et plus la solubilité d’un composé est importante.
Ainsi, pour favoriser ou accélérer la dissolution de composés relativement peu solubles comme les minerais, on
peut les chauffer en plus d’une bonne agitation.
A l’inverse, pour favoriser et accélérer la précipitation d’un composé non soluble dans l’eau, on peut refroidir le
mélange à l’aide d’un bain de glace.
Document 4 : Notion de pH.
Le pH est une grandeur physique mesurable qui traduit l’acidité ou la basicité d’une solution.
La valeur du pH en solution aqueuse est comprise entre les valeurs 0 et 14. Le pH n’a pas d’unité.
De pH = 0 à pH = 7, la solution est dite acide. L’acidité est liée à la présence de l’ion oxonium H3O+ en solution, et
plus on ajoute de l’acide à une solution, plus son pH diminue et plus la quantité d’ion H3O+ y est importante.
De pH = 7 à pH = 14, la solution est dite basique. La basicité est liée à la présence de l’ion hydroxyde HO- en
solution, et plus on ajoute de base à une solution, plus son pH augmente et plus la quantité d’ion HO- y est
importante.
L’acide chlorhydrique (H3O+ + Cl-) est l’un des acides les plus courants. Il contient notamment l’ion oxonium H3O+.
La soude ou hydroxyde de sodium (Na+ + HO-) est l’une des bases les plus courantes. Il contient notamment l’ion
hydroxyde HO-.
Document 5 : Matériel
 Soude à 2 mol/L
 Acide chlorhydrique à 1 mol/L
 Solution de sulfate d’aluminium (0,1 mol/L)
 Solution de chlorure de fer (III) (0,1 mol/L)
 2 tubes à essai sur portoir
 Papier pH + coupelle + agitateur en verre
 Mortier et pilon
 Agitateur magnétique chauffant + barreau
 3 erlenmeyers de 100 mL
 Éprouvette graduée de 25 mL
 Becher 25 mL (pour verser l’acide)
 Dispositif de filtration Büchner et filtres
 Agitateur de verre + spatule
 Cuvette pour glaçons
 Pissette d’eau distillée
 1 balance, coupelles de pesée, spatules
 Lunettes

Les étapes de l’élaboration de l’aluminium Thème : Les matériaux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
TS spé – ASDS + TP : Une étape de l’élaboration de l’aluminium 4 C. Grange-Reynas
Aide : Livre p.106
Aide 1
 Soude = Hydroxyde de sodium : (Na+ + HO-)
 Acide chlorhydrique : (H+ + Cl-)
 Chlorure ou sulfate de fer III : (Fe3+ + 3 Cl-) ou (2 Fe3+ + 3 SO42-)
 Sulfate d’aluminium : (2 Al3+ + 3 SO42-)
 Alumine Al2O3, nH2O ou hydroxyde d’aluminium Al(OH)3
L’alumine Al2O3 ne diffèrent de l’hydroxyde d’aluminium Al(OH)3 que par la perte de trois molécules
d’eau
Explication : 2 molécules d’Al(OH)3 = 2 Al + 6 O + 6 H = 2 Al + 3 O +3 H2O = Al2O3, 3H2O
La représentation Al(OH)3, constituée d’un ion Al3+ et de 3 ions HO-, est très simplifiée ; le composé
est généralement plus ou moins hydraté. Une représentation plus rigoureuse serait donc Al2O3, nH2O.
Aide 2
Observer le diagramme présentant les formes sous lesquelles existent les éléments aluminium.
Aide 3
Comment peut-on utiliser une solution de soude (préciser les conditions de pH) pour séparer les ions
fer III des ions Al III ?
Pour séparer deux éléments, il faut trouver les bonnes conditions de pH, c’est à dire les domaines de
pH pour lesquels les éléments sont dans des états différents. Industriellement, on procède alors à
une LIXIVIATION du minerai qui consiste en « une attaque acide » ou « une attaque basique » de
celui-ci. On baisse ou on augmente le pH.
1. La bauxite étant un mélange solide de Al(OH)3 et Fe(OH)3 , existe-t-il un domaine de pH
permettant par une attaque acide de séparer les deux éléments ? Si oui, lequel ?
2. La bauxite étant un mélange solide de Al(OH)3 et Fe(OH)3 , existe-t-il un domaine de pH
permettant par une attaque basique de séparer les deux éléments ? Si oui, lequel ?
3. Quel peut être ici l’avantage de la lixiviation par attaque basique, par rapport à l’attaque acide ?
4. Préciser les différentes étapes du procédé Bayer
4.1 Pourquoi a-t-on intérêt à broyer le minerai ?
4.2 Quel est le rôle de cette étape ?
4.3 Pourquoi faut-il chauffer et agiter lors de l’attaque du minerai
4.4 Ecrire l’équation de la réaction de dissolution de l’alumine
4.5 Que contient le filtrat ?
4.6 Sur quel paramètre doit-on agir pour produire la précipitation des ions aluminates ?
4.7 Etablir l’équation de la réaction
4.8 Pourquoi est-il important de contrôler le pH (l’acidification doit être arrêtée à pH = 6) ?
4.9 A quoi sert la dernière étape de la calcination ?

Les étapes de l’élaboration de l’aluminium Thème : Les matériaux
Chap. 1 Cycle de vie des matériaux
TS spé – ASDS + TP : Une étape de l’élaboration de l’aluminium 5 C. Grange-Reynas
CORRECTION
A l’aide des documents suivants et de la liste de matériel disponible :
1. Répondre aux questions :
 Quel est le minerai le plus utilisé pour produire l’aluminium ?
La bauxite est le minerai le plus utilisé pour produire l’aluminium.
 Pourquoi ce nom ?
Les premiers gisements furent découverts dans le village des Baux-de-Provence d’où le nom de
« bauxite » en 1831 par Pierre Berthier.
 Quel est le nom et la formule de l’espèce chimique (contenant l’aluminium) la plus couramment
présente dans la bauxite ?
L’alumine de formule Al2O3 constitue 40 à 60 % en masse de la bauxite.
 Indiquer les autres espèces chimiques présentes dans la bauxite.
La bauxite contient aussi 10 à 20 % d’oxyde de fer (III)
(d’où sa couleur rouge rouille) et de la silice.
2. Proposer un protocole expérimental permettant de vérifier la solubilité des hydroxydes d’aluminium
et de fer dans l’eau en fonction du pH.
Réactions autour de l’ion aluminium : Al3+
Aide 1 + Aide 2
1. Mesurer le pH de la solution de sulfate d’aluminium.
2. Dans un tube à essais contenant 3 à 4 mL de sulfate d’aluminium, ajouter goutte à goutte (une
ou deux) une solution de soude concentrée et observer (l’apparition d’un précipité blanc
d’hydroxyde d’aluminium Al(OH)3)
3. Mesurer la valeur du pH dès l’apparition du précipité.
4. Continuer l'addition de la solution de soude et observer. Cesser l'addition lorsque la solution
est redevenue limpide. L’espèce formée est le complexe [Al(HO)4]-.
5. Mesurer à nouveau la valeur du pH dès la disparition du précipité.
6. Ajouter alors, goutte à goutte, et lentement, une solution d’acide chlorhydrique et noter les
observations.
Observations et interprétations
 On observe que la valeur du pH = 2 ou 3 (pH  4) donc l’aluminium est présent dans la solution
sous forme d’ions Al3+(aq).
composition de la bauxite de
l'Hérault
Al2O3
Fe2O3
SiO2
TiO2
H2O