CHIMIE | Hydrométallurgie du zinc | Chap.10 |
L’hydrométallurgie recouvre l’ensemble des procédés d’extraction des métaux par mise en solution (solvant acide ou basique) et par des traitements d’électrolyse et de lixiviation1.
L’une des premières étapes consiste à séparer différents ions métalliques contenus dans le minerai de zinc par précipitations sélectives.
Matériel
500 mL de solution A de sulfate de zinc (II) de concentration 0,090 mol.L-1
500 mL de solution B de sulfate de cuivre (II) de concentration 0,030 mol.L-1
500 mL de solution C de chlorure de fer (III) de concentration 0,030 mol.L-1
1 L de solution de soude de concentration 2,0 mol.L-1
500 mL de solution d’acide sulfurique de concentration 2,0 mol.L-1
Tube à essais ; bechers de 100 mL ; pH-mètre ; éprouvette graduée ; dispositif de filtration ; burette ; pipeteur ; pipette graduée de 5,0 mL.
I.Document
Dans la métallurgie du zinc, la 1ère étape de transformation du minerai correspond au grillage. Cette opération a pour but de transformer le sulfure de zinc (ou blende) ZnS, forme principale du zinc dans le minerai, en oxyde de zinc ZnO.
Le solide obtenu après grillage (chauffage en présence d’air) est appelé calcine. Il contient d’autres éléments que le zinc, comme le fer ou le cuivre par exemple, qu’il faut éliminer. Une étape délicate de la métallurgie consiste à séparer les ions fer(III) et les ions cuivre (II) des ions zinc (II).
L’obtention du zinc s’effectue par hydrométallurgie en trois étapes :
Action d’une solution d’acide sulfurique sur la calcine : ZnO + 2 H+(aq) Zn2+(aq) + H2O. Cette réaction fait malheureusement passer en solution les ions des impuretés métalliques, notamment Fe3+(aq) et Cu2+(aq), contenues dans le minerai d’origine, qu’il faut donc séparer ;
Elimination des ions Fe3+(aq) et Cu2+(aq) de la solution ;
Electrolyse de la solution contenant des ions Zn2+(aq).
II.Séparation et identification des ions métalliques
Dans 3 pots, prendre environ 25 mL de chacune des solutions A, B et C.
Préparer 3 tube à essais contenant respectivement 3 mL des solutions A, B et C.
Verser quelques gouttes de solution de soude dans chaque tube et noter les couleurs des précipités obtenus.
Préparer la solution D en mélangeant dans un becher « à bec » 15,0 mL de chacune des solutions A, B et C. Vous utiliserez les pipettes en les rinçant entre temps.
Plonger l’électrode de pH dans la solution. Ajouter quelques mL, à l’aide de la pipette
de 5,0 mL, de solution d’acide sulfurique jusqu’à obtenir un pH légèrement inférieur à 1,5.
Observer la couleur de la solution obtenue.
Remplir la burette de solution de soude. Chasser la bulle d’air et faire le zéro.
Dresser un tableau en notant le volume versé de solution de soude et le pH correspondant.
Ajouter, 0,5 mL par 0,5 mL, la solution de soude jusqu’à ce que le pH soit égal à 5.
Identifier le précipité obtenu et filtrer.
Bien rincer et nettoyer la sonde pH-métrique.
Recueillir et observer le filtrat E.
Ajouter de la solution de soude au filtrat jusqu’à ce que le pH atteigne 6. Introduire alors une pointe de spatule de poudre de zinc. Attendre un certain temps car la réaction est lente.
Filtrer la solution obtenue.
Vérifier que la solution ne contient plus d’ions Cu2+(aq) mais qu’elle contient encore des ions Zn2+(aq).
Quels sont les ions métalliques présents dans la solution D ?
Quels sont les ions métalliques présents dans le filtrat E ?
III.Exploitation
Voici les équations des réactions de précipitation impliquées dans la manipulation précédente ainsi que les constantes d’équilibre associées à ces réactions :
Zn2+(aq) + 2 HO-(aq) = Zn(OH)2(s) ; K1 = 1,5.1017 ;
Cu2+(aq) + 2 HO-(aq) = Cu(OH)2(s) ; K2 = 5,0.1019 ;
Fe3+(aq) + 3 HO-(aq) = Fe(OH)3(s) ; K3 = 5,0.1038.
On rappelle les deux couples oxydant-réducteur Zn2+(aq) / Zn(s) et Cu2+(aq) / Cu(s).
Calculer la concentration des ions Zn2+(aq), Fe3+(aq) et Cu2+(aq) présents dans la solution D au moment du mélange.
A partir de la constante d’équilibre, calculer la concentration [HO-] des ions hydroxyde nécessaires pour qu’il y ait apparition du précipité Zn(OH)2(s) dans la solution D. En déduire le pH correspondant.
Effectuer les mêmes calculs pour les précipités Fe(OH)3(s) et Cu(OH)2(s).
Montrer qu’il est possible de réaliser une précipitation sélective de l’élément fer sous forme d’hydroxyde Fe(OH)3(s).
Ecrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction après l’ajout du Zn(s) en poudre dans le filtrat E.
Quel est l’intérêt pratique de cette manipulation ?
IV.Exercice : Filtration d’hydroxyde métallique
On considère une solution contenant des ions Fe3+(aq) à la concentration [Fe3+]0 = 1,0.10-3 mol.L-1 et des ions Cu2+(aq) à la concentration [Cu2+]0 = 1,0.10-1 mol.L-1 .
La valeur initiale du pH a été portée à 1 par addition d’une solution d’acide sulfurique concentré. On ajoute goutte à goutte de la soude à la solution tout en suivant la variation de la valeur du pH au moyen d’un pH-mètre.
On constate la formation d’un précipité rouge-brique à partir d’une valeur de pH approximativement égale à 2.
On continue à ajouter de la soude jusqu’à ce que le pH soit égal à 5. On filtre alors sur Büchner et on recueille le filtrat. Sa couleur est bleue.
Pourquoi ne se forme-t-il pas de précipité dès l’addition de la première goutte de solution de soude?
Calculer la valeur théorique du pH à l’apparition du premier précipité. Vérifier que c’est le seul précipité qui se forme.
Le deuxième précipité peut-il se former quand le pH atteint la valeur 5?
Quel est le but de ce protocole expérimental ?
Données :
Cu2+(aq) + 2 HO-(aq) = Cu(OH)2(s) ; K2 = 5,0.1019 ;
Fe3+(aq) + 3 HO-(aq) = Fe(OH)3(s) ; K3 = 3,0.1038.
27/09/2017 17089.doc /
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