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Les étapes de l’él aboration 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 partir 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).



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.



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 co mposés 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 H 3O+ 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



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 ?


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 ?



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



Si on ajoute de la soude (Na+ + HO-), alors on observe l’apparition d’un précipité blanc

d’hydroxyde de sodium Al(OH)3 et le pH = 5 (pH > 4)

Equation de la réaction de précipitation : Al3+(aq) + 3 HO-(aq) Al(OH)3(s)

Si on continue d’ajouter de la soude, alors on observe la disparition du précipité blanc

d’hydroxyde de sodium Al(OH)3 et le pH = 12 (pH > 10)

Equation de la réaction : Al(OH)3(s) + HO-(aq) Al(OH)4-

Si on ajoute de l’acide chlorhydrique, on observe à nouveau un précipité de Al(OH)3.

Remarque : Selon le pH, les ions aluminium Al 3+ sont :

o soit en solution sous forme d’ions hydratés Al3+ (aq),

o soit associés à des ions hydroxyde dans un précipité d’hydroxyde d’aluminium Al(OH)3 (s) (solide

insoluble)

o soit en solution associés à des ions hydroxyde dans un ion aluminate Al(OH)4- (aq)

Conclusion :

Les expériences confirment le diagramme.

Les diagrammes établis permettent d’observer que les espèces prédominantes sont soit à l’état solide,

soit en solution.

Réactions autour de l’ion fer III : Fe3+

Aide 1 + Aide 2

1. Mesurer le pH de la solution de chlorure de fer III.

2. Dans un tube à essais contenant 3 à 4 mL de chlorure de fer III, ajouter goutte à goutte (une

ou deux) une solution de soude concentrée et observer l’apparition d’un précipité rouille

d’hydroxyde de fer III Fe(OH)3.

3. Mesurer la valeur du pH dès l’apparition du précipité.

4. 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 = 1 (pH 2) donc le fer est présent dans la solution sous forme

d’ions Fe3+(aq).

Si on ajoute de la soude (Na+ + HO-), alors on observe l’apparition d’un précipité rouille

d’hydroxyde de fer III, Fe(OH)3 et le pH = 3 (pH > 2)

Equation de la réaction de précipitation : Fe3+(aq) + 3 HO-(aq) Fe(OH)3(s)

Conclusion :

Les expériences confirment le diagramme.

Les diagrammes établis permettent d’observer que les espèces prédominantes sont soit à l’état solide,

soit en solution.



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 : 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.

Aide 3 : Questions


permettant par une attaque acide de séparer les deux éléments ? Si oui, lequel ?

Pour un pH compris entre 2 et 4, l’aluminium est sous forme d’ions alors que le fer est sous sa forme solide.

Pour un pH < 2, l’aluminium et le fer sont sous forme d’ions.

Cette attaque nécessite de maîtriser parfaitement le pH.


permettant par une attaque basique de séparer les deux éléments ? Si oui, lequel ?

Pour un pH supérieur à 10, l’aluminium est sous forme d’ions alors que le fer est sous sa forme solide.

3. Quel peut être ici l’avantage de la lixiviation par attaque basique, par rapport à l’attaque acide ?

Pour un pH > 10, l’aluminium et le fer sont sous des formes différentes donc il est plus facile de faire

une attaque basique.

4. Préciser les différentes étapes du procédé Bayer

Les différentes étapes du procédé Bayer :

Première étape : Broyage et Lixiviation

Définition : La lixiviation au sens littéral concerne l’extraction d'un ou plusieurs éléments sous l'action d'un solvant.

Toutes les techniques d'extraction de produits solubles par un solvant, et notamment par l'eau. On appelle lixiviat

l’effluent aqueux rejeté.

Deuxième étape : Décantation et Filtration sur Buchner

Troisième étape : Dilution précipitation

Quatrième étape : Calcination vers 900-1000°C

4.1 Pourquoi a-t-on intérêt à broyer le minerai ?

Le minerai doit être broyé pour augmenter la surface de contact entre le minerai et la soude.

4.2 Quel est le rôle de cette étape ?

Lors de cette étape la bauxite est attaquée par de l’hydroxyde de sodium : Dissolution de l’alumine en

milieu basique.

4.3 Pourquoi faut-il chauffer et agiter lors de l’attaque du minerai ?

La température et l’agitation favorisent la dissolution de l’alumine.



4.4 Ecrire l’équation de la réaction de dissolution de l’alumine

Al(OH)3 + HO- Al(OH)4- ou Al2O3, 3H2O + 2 HO - 2 Al(OH)4

-

4.5 Que contient le filtrat ?

Le filtrat contient des ions aluminates Al(OH)4 -

4.6 Sur quel paramètre doit-on agir pour produire la précipitation des ions aluminates ?

Pour provoquer la précipitation des ions aluminates, il faut baisser le pH en ajoutant de l’acide

chlorhydrique.

4.7 Etablir l’équation de la réaction

Al(OH)4 - + H + Al(OH)3 + H2O

4.8 Pourquoi est-il important de contrôler le pH (l’acidification doit être arrêtée à pH = 6)

L’acidification est arrêtée à pH = 6 pour ne pas risquer de perdre des hydroxydes d’aluminium.

4.9 A quoi sert la dernière étape de calcination ?

L’hydroxyde d'aluminium est fortement chauffé, ce qui permet d’éliminer de l’eau. On obtient alors

l’alumine Al2O3.

Protocole :

Après broyage, introduire le « minerai » (une dizaine de grammes) dans 25 mL de solution de soude à

2,5 mol/L. Chauffer (et agiter) à 80°C en respectant les règles de sécurité.

Laisser refroidir.

Décantation et Filtration sur Buchner

Observer la couleur du précipité, et celle du filtrat. Effectuer une recherche d’ions Fe(III) dans le

filtrat.

Dilution précipitation

Ajouter progressivement au filtrat de l’acide chlorhydrique (2 mol/L) jusqu’à ce que le pH de la

solution soit voisin de 6 (utiliser du papier pH et une tige de verre)

Calcination vers 900-1000°C

Filtrer sur büchner le précipité blanc formé, et rincer le à l’eau. Le recueillir dans un tube à essais, et

procéder à sa calcination par chauffage au bec bunsen.

En résumé :

Documents

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