Chapitre 20

Sparations en hydromtallurgie

R RDans votre livre Le cours correspondant est le para-

graphe 1 pages 152 155 ; les exercices corres-pondants sont les No4, 6, 7 et 9 pages 167 171.

Hydromtallurgie Lamtallurgie a comme objectif laproduction de mtaux. Rares sont les mtaux ltat natif dans les mines. Lhydromtallurgiecorrespond aux transformations des mtaux etde leurs composs, en prsence deau.

Minerai Un minerai est un oxyde ou un sulfure dumtal correspondant, quil faut traiter pour ob-tenir le mtal.

Oxydes Monoxyde de fer (II) FeO(s), trioxyde de fer(III) Fe2O3(s), alumine A2O3(s), monoxydede zinc(II) ZnO(s), monoxyde de cuivre (II) CuO(s) sontquelques exemples doxydes courants.

Attaque Lattaque acide ou basique des oxydes desmtaux permet dobtenir les ions mtalliquescorrespondants en solution.

Sparations Les sparations les plus courantes en hy-dromtallurgie consistent former, partir dunesolution dions mtalliques, les prcipits dhy-droxyde mtalliques correspondants :

Fe2+(aq) + 2OH(aq) = Fe(OH)2(s)Fe3+(aq) + 3OH(aq) = Fe(OH)3(s)Cu2+(aq) + 2OH(aq) = Cu(OH)2(s)A3+(aq) + 3OH(aq) = A(OH)3(s)

Zn2+(aq) + 2OH(aq) = Zn(OH)2(s)

Schma gnral pour un mtal M (s) et sonion Mn+(aq) :

Mn+(aq) + nOH(aq) =M(OH)n (s)

Qr =1

[Mn+][OH]n

Une fois le prcipit solide form, on le rcuprepar filtration.

pH de prcipitation Pour provoquer la prcipitationdun ion mtallique, on ajoute des ions hy-droxyde OH(aq), ce qui correspond une aug-mentation du pH.Pour avoir prcipitation, il faut que Qr,i > K, cequi correspond pH > pHp o pHp est le pH deprcipitation.

Domaines de prdominance partir de la donnedu pH de prcipitation, on peut tracer un do-maine de prdominance du prcipit :

pHpPas de prcipitation

Domaine de Mn+(aq)

Prcipitation

Domaine de M(OH)n (s)

Tests didentification Les ractions de prcipitationprcdentes peuvent aussi tre utilises pouridentifier les solutions dions mtalliques.

M Hydromtallurgie

Minerai

Oxydes

Sparations

Tests didentification

pH de prcipitation

Diagramme de prdo-minance

QQ1 Pourquoi peut-on trouver les mtaux prcieuxcomme lor ou largent directement ltat natif dansdes mines, alors quavec des mtaux comme le fer, lecuivre ou le zinc, on ne trouve que des oxydes ou dessulfures ? Faites intervenir la notion dquilibre chi-mique dans votre rponse.

Q2 Dans un tableau priodique, indiquez la positiondu soufre S, et comparer avec loxygne O. Utilisez cesrenseignements pour expliquer que lon trouve tan-tt des oxydes de zinc, tantt des sulfures de zinc ltat naturel. Connaissant la formule de loxyde de

zinc ZnO(s), donner alors celle du sulfure de zinc.

Q3 Donnez les formules brutes de loxyde de cuivre(I), de loxyde de cuivre (II), de loxyde daluminium(III) ou alumine, ainsi que celle de loxyde de ti-tane (IV).

Q4 Lors du TP sur la mtallurgie du zinc, on a utilisune rduction par un excs de poudre de zinc pour li-miner les ions Cu2+(aq) et Fe2+(aq). crire les quationsdoxydorduction correspondants cette mthode, etcomparer avec la mthode de sparation par prcipi-tation.

Corrig 20

Sparations en hydromtallurgie

QQ 1 Lor et largent sont des mtaux inoxydables, contrario du fer, du cuivre ou du zinc, donc les r-actions doxydation ont des constantes dquilibre devaleurs leves : lquilibre est trs dplac dans lesens de loxydation du mtal.

Q 2 Le soufre et loxygne sont positionns en co-lonne VI, ils appartiennent la mme famille. Ils ontdonc les mmes proprits chimiques, et forment descomposs analogues. ZnO(s) pour loxyde de zinc, doncZnS(s) pour le sulfure de zinc.

Q 3 Cu2O(s) ; CuO(s) ; A2O3(s) ; TiO2 (s).

Q 4 Les ions cuivre (II) et fer (II) subissent une rduc-

tion, loxydant tant le zinc Zn(s) :

Cu2+ + 2 e = CuZn = Zn2+ + 2 e

Cu2+ + Zn = Cu +Zn2+

Fe2+ + 2 e = FeZn = Zn2+ + 2 e

Fe2+ + Zn = Fe +Zn2+

Les impurets (cuivre et fer) sont maintenant ltatde mtaux solides et peuvent tre facilement limi-nes. Le dfaut de cettemthode est de faire intervenirle mtal zinc, que lon veut au contraire produire etpas consommer.

E20.1 No4 p. 167 : Sparation des ions zinc et fer

1. Action de lacide sulfurique sur le fer et le zinc :

Fe(s) + 2H3O+(aq) = Fe2+(aq) +H2(g) + 2H2O()

Zn(s) + 2H3O+(aq) = Zn2+(aq) +H2(g) + 2H2O()

2. Couple (Fe3+/Fe2+ ) :

Fe2+(aq) = Fe3+(aq) + e

Couple (O2/H2O) :

O2(g) + 4H3O+(aq) + 4 e = 6H2O()

Bilan :

O2(g) +4H3O+(aq) +4 Fe2+(aq) = 4 Fe3+(aq) +6H2O()

3. a. Quotients de raction :

Qr,1 =1

[Fe3+][OH]3

Qr,2 =1

[Zn2+][OH]2

b. Lors de la formation des prcipits, Qr,1 = K1 etQr,2 = K2 ; on dduit des quotients ci-dessus lesconcentrations en ions hydroxyde :

[OH]1 =(

1K1[Fe3+]

) 13

= 4, 61013 mol

[OH]2 =

(1

K2[Zn2+]

) 12

= 3, 2108 mol

c. Daprs lautoprotolyse de leau :

Ke = [H3O+][OH]

On prends le logarithme dcimal des deux cts :

logKe = log [H3O+] + log [OH]

On reconnat les dfinitions du pH et du pKe :

pKe = pH + log [OH]

pH = pKe + log [OH]

Applications numriques :

pH1 = 1, 7 et pH2 = 6, 5

4. Oui : on spare les ions fer (II) et les ions zinc (II)en amenant le pH de la solution une valeur com-prise entre 1,7 et 6,5. En filtrant, les ions zinc (II)Zn2+(aq) seront dans le filtrat, et lhydroxyde de fer(II) Fe(OH)3(s) solide restera dans le filtre.

5. pH = 3, 5, la concentration en ions fer (III) estdonne par :

[Fe3+] =1

K1[OH]3

et [OH] =Ke

[H3O+]=

Ke

10pH

Numriquement, [Fe3+] = 3, 21028 mol.L1 ce quiest ngligeable : succs de lamthodede sparation.

20.2 No7 p. 168 : De la bauxite laluminium

Corrig dans votre livre (Bac Juin 2005).