Thème 3 (Matériaux), Séquence 3. Tle S (Spécialité)
DU MINERAI AU METAL
I – LE CUIVRE (TP).
Dans la nature, le cuivre, lorsqu’il n’est pas natif, se rencontre sous forme de sulfures, de carbonates ou d’hydroxydes de cuivre II.
Comment passer d’un minerai de cuivre au cuivre métal ?
La première étape d’extraction du cuivre à partir de minerais non sulfurés peut être une lixiviation (attaque du minerai en milieu acide
ou basique).
Les ions cuivre II, Cu2+, de la solution ainsi obtenue ont cependant généralement une concentration trop faible pour être réduits par
électrolyse, ils sont donc réduits par cémentation (réduction d’un ion métallique par un métal).
Par ailleurs, les minerais riches en élément cuivre contiennent généralement du nickel, du plomb, du cobalt, du fer, … Pour obtenir le
cuivre le plus « pur » possible, il est donc nécessaire de le séparer de ses « impuretés ».
Q1) Citez quelques utilisations du métal cuivre.
Q2) Quand dit-on qu’un métal est natif ?
Q3) Que cherche-t-on à faire lorsque l’on veut réduire les ions cuivre II ?
Dans le TP que nous allons réaliser, notre minerai sera la malachite, Cu2CO3(OH)2(s), et l’«impureté» sera l’élément fer.
Q4) Pourquoi le symbole de l’élément fer n’apparaît-t-il pas dans la formule de la malachite ?
1. Lixiviation de la malachite.
On attaque la malachite par une solution aqueuse d'acide sulfurique (2 H3O+(aq) + SO42-(aq)). Il se forme essentiellement du dioxyde de
carbone, de l'eau et des ions cuivre II (il se forme aussi des ions fer III, mais en très faible quantité).
Q5) Ecrivez l'équation de la réaction de lixiviation de la malachite en négligeant la présence de l’élément fer. Les ions sulfate sont par
ailleurs spectateurs.
2. Cémentation.
La lixiviation de la malachite n'étant pas réalisée au laboratoire, on dispose d'une solution S, mélange de solution de sulfate de
cuivre II, de sulfate de fer III (on ne néglige plus ici la présence des ions fer III même s’ils ne sont présents qu’en petite quantité) et
d'acide sulfurique.
Dans un tube à essais, versez 2 mL de la solution S et ajoutez-y quelques gouttes de soude. Notez la couleur du précipité obtenu.
Q6) En vous aidant de la fiche pratique (page 217 de votre manuel) relative à l’identification des ions, dites si ce que vous avez
observé est cohérent avec la composition de la solution S.
Remplissez aux trois-quarts un tube à hémolyse avec la solution S. Plongez dans celle-ci un gros clou en fer bien décapé. Laissez
agir environ trois-quarts d'heure.
Q7) Qu'observez-vous ? (Remarque : le dégagement gazeux ne sera pas pris en considération car il est relatif à une réaction parasite de
l'acide sulfurique sur le fer). Quel est le solide formé ?
Versez quelques gouttes de soude sur la solution restante.
Q8) Observez et interprétez. Ecrivez les équations des deux réactions qui se sont produites simultanément au cours de la cémentation.
Ce sont des réactions d’oxydo-réduction et les couples mis en jeu sont Cu2+(aq) / Cu(s), Fe3+(aq) / Fe2+(aq).et Fe2+(aq) / Fe(s). Si besoin,
écrivez dans un premier temps les demi-équations. Le cuivre a-t-il été séparé de son impureté ?
3. Electrolyse.
Dans l’industrie, il faut faire avec ce que l’on a, on est donc confronté à d’autres impuretés que l’impureté choisie dans la manipulation
précédente. Le cuivre obtenu peut alors contenir du zinc, du cobalt, du nickel, du plomb mais aussi de l'or, de l'argent et du platine.
Lorsqu'on réalise une électrolyse "à anode soluble" avec le métal impur à l'anode, les quatre premiers métaux sont oxydés comme le
cuivre, leurs ions passent en solution où ils précipitent sous forme d’hydroxydes. Les trois derniers ne sont pas oxydés et tombent au
fond de l'électrolyseur. Seuls les ions cuivre sont réduits à la cathode où on récupère donc le métal cuivre purifié.
Pour commencer expliquons ce que permet une électrolyse : une électrolyse permet de réaliser une réaction d’oxydoréduction
forcée grâce à l’énergie fournie par un générateur.
Décapez soigneusement un fil de cuivre très fin et une plaque de cuivre avec
un morceau de toile émeri.
Les dépoussiérer et les peser avec précision. Réalisez le montage suivant avec
un générateur de tension continue réglé sur 6V, un ampèremètre (calibre 2 A),
une solution de sulfate de cuivre à 1,0 mol.L-1. Mettez l'agitation magnétique
en route à allure moyenne, fermez l'interrupteur en déclenchant le chronomètre.
Notez la valeur de I et vérifiez par la suite que I est constant.
Arrêtez l'expérience au bout d'une durée minimale Δt = 30 min. Notez la durée
réelle de l'expérience. Sortez les électrodes, rincez-les et séchez-les doucement
au sèche-cheveux.
Q9) Qu'observez-vous ?
Pesez à nouveau le fil et la plaque avec précision.
Q10) Calculez les variations de masse des deux électrodes et comparez-les.