TP N° 1 : Recyclage du cuivre en milieu aqueux.

Introduction : Les domaines d’applications du cuivre sont très étendus. Le cuivre est utilisé dans l’industrie électrique et électronique, le secteur de la construction mécanique, des transports et du bâtiment, l’industrie agro-alimentaire, chaudronnerie (casserole et marmite). Cela s’explique par les propriétés du cuivre sous forme de métal, d’alliage ou de composés : excellente conductibilité électrique et thermique, résistance à la corrosion, malléabilité et ductibilité, et ses propriétés

fongicides et bactéricides.

Les apports anthropiques de cuivre dans l’environnement sont liés à la production, à l’utilisation

ou à l’élimination du cuivre. Ils ont principalement pour origine les activités industrielles (émission vers les eaux et les sols sous forme d’effluents constitués de cuivre en solutions aqueuses) ainsi que les activités agricoles (épandages des fumiers et lisiers de bovins, porcins et de volailles dont l’alimentation est complémentée en cuivre ; traitements phytosanitaires des cultures des vignes et des arbres à base de sulfate de cuivre ; utilisation d’engrais minéraux). De façon générale, le recyclage du cuivre permet de réduire les rejets dans l’environnement et de diminuer l’énergie utilisée pour la production de cuivre. De plus en plus utilisé, son recyclage est très rentable.

L'arrêté du 2 février 1998, relatif aux

prélèvements et à la consommation d'eau

indique, dans l’article 32, les seuils de rejets

contenant du cuivre. Ainsi, les eaux

résiduaires rejetées au milieu naturel

doivent respecter, selon le flux journalier

maximal autorisé, les valeurs limites de

concentration en cuivre de : 0,5 mg/L si le

rejet dépasse 5 g/j.

L’objectif de cette première partie est de vérifier si une solution SE de sulfate de cuivre, mise à disposition et modélisant la solution rejetée par une entreprise de traitement de minerai, respecte ou ne respecte pas la

règlementation en vigueur en France.

I. Détermination de la concentration massique d’une solution de sulfate de cuivre SE.

Les solutions de sulfate de cuivre sont bleues. On peut donc utiliser la spectrophotométrie pour déterminer la concentration de cette solution. Pour cela, il faut disposer d’une solution de sulfate de cuivre de concentration connue et

préparer une série de solutions diluées. Il s’agit donc de préparer une échelle de teintes. Pour préparer des solutions diluées, il faut utiliser des pipettes jaugées et des fioles jaugées.

Pour utiliser correctement la pipette jaugée, le trait de la pipette (non visible sur l’image) doit être situé au niveau des yeux.

Les volumes de solution de sulfate de cuivre prélevés à l’aide d’une pipette sont ensuite introduits dans des fioles jaugées. L’addition d’eau dans la fiole jaugée, permet de diluer la solution. Les solutions aqueuses de sulfate de cuivre très

diluées absorbent peu. Il est préférable de rajouter alors dans chaque solution diluée un même volume d’ammoniac qui donne aux différentes solutions diluées une couleur bleutée plus marquée. Les solutions seront alors plus absorbantes. Après une heure de manipulations, les élèves finissent

de préparer leur échelle de teintes et sont fiers de leur travail.

Une fois l’échelle de teintes préparée, il faut mesurer l’absorbance de chaque solution à l’aide d’un colorimètre. Pour cela, il faut commencer par étalonner le colorimètre avec de l’eau distillée et de l’ammoniac, de telle sorte que la transmittance soit égale à 1.00

Ensuite, on mesure l’absorbance de chacune des solutions diluées préparées :

Une fois les mesures d’absorbance terminées, la construction d’un graphique est nécessaire pour répondre à la problématique. Un graphique donnant l’absorbance en fonction de la concentration des différentes solutions diluées est tracé sur tableur.

Le graphique obtenu correspond à une droite qui passe par l’origine. En solution diluée, il y a donc proportionnalité entre absorbance et concentration. Les élèves viennent de vérifier la loi de Beer-Lambert.

La solution SE modélisant la solution rejetée par l’entreprise étant trop concentrée, celle-ci a été préalablement diluée 5 fois. A partir du graphique, les élèves trouvent la concentration de la

solution SE de sulfate de cuivre diluée. Sur le graphique, on peut lire C = 7,6 × 10-3 mol/L. La solution SE ayant été diluée 5 fois, la concentration de la solution utilisée par l’entreprise correspond à 7,6 × 10-3 × 5 = 3,9 × 10-2 mol/L ce qui correspond à une concentration massique en cuivre de 2,6 g/L. Cette concentration dépasse largement la limite légale fixée à 0,5 mg/L pour pouvoir rejeter

cette solution dans l’environnement. Pour rejeter cette solution dans la nature, il faut donc d’abord éliminer les ions cuivre de la solution. Pour cela, on va procéder à une précipitation des ions cuivre.

II. Recyclage d’une solution de sulfate de cuivre. Les ions cuivre Cu2+ réagissent avec les ions hydroxyde HO- pour former un précipité d’hydroxyde de cuivre Cu(OH)2. On verse dans un erlenmeyer, la solution contenant les ions cuivre et on verse à l’intérieur 0,35 gramme d’hydroxyde de sodium.

La solution, initialement transparente, se trouble, indiquant la formation du précipité d’hydroxyde de cuivre.

Il faut ensuite, éliminer l’hydroxyde de cuivre formé, solide. Pour cela, on peut procéder à une filtration simple sur entonnoir, ou à une filtration sous vide avec un Büchner.

Le précipité d’hydroxyde de cuivre reste sur l’entonnoir, et on recueille un filtrat incolore, signe que le filtrat ne contient plus d’ions cuivre, et peut donc être rejeté dans l’environnement.

A gauche : le mélange contenant l’hydroxyde de cuivre. A droite : le filtrat incolore, débarrassé des ions cuivre.

Avec un Büchner (filtration sous vide), la filtration est plus rapide….

Au cours de ces 2 manipulations, les élèves ont pu revoir : - la préparation de solutions diluées (utilisation de la pipette jaugée et de la fiole jaugée). - l’utilisation d’un colorimètre pour effectuer des mesures d’absorbance.

- l’utilisation des outils bureautiques (tableur informatique) - la technique de la filtration simple et sous vide. - revoir les calculs et certaines lois en chimie (quantité de matière, concentration, loi de Beer- Lambert).

Bravo à notre équipe d’élèves de Terminale S pour leur participation à ce projet !

Grand merci à notre technicien de laboratoire, Séverin, pour la qualité et le soin apporté à cette 1ère séance de

préparation aux Olympiades de Chimie !