Séparation d'ions zinc hydrométallurgie - Sciences-pi.azerttyu.net

Séparation et électrolyse
Les métaux sont extraits des minerais, purifiés, souvent traités contre la corrosion et parfois
décorés par des dorures ou dépôts d'argent. Cette chaîne de processus qui conduit de la matière
première au produit fini implique un grand nombre d'étapes chimiques comme la séparation par
précipitation ou l'électrolyse.
Séparation des ions Fe(III) et Cu(II) dans une solutions d'ions ZnII)
L'hydrométallurgie recouvre l'ensemble des procédés d'extraction de métaux par mise en
solution (solvant acide ou basique) et par des traitements d'électrolyse.
Dans le traitement du zinc, l'une des premières étapes consiste à séparer différents ions
métalliques contenus dans la blende par précipitations sélectives.
Matériel
- Solution A de sulfate de zinc à 0,9 mol.L -1 ; solution B de sulfate de cuivre(II) à 0,030 mol.L -1 ;
solution C de chlorure de fer(III) à 0,030 mol.L -1 , solution de soude 2 mol.L -1 , solution d'acide
sulfurique à 2 mol.L -1 , poudre de zinc.
- Tubes à essais, béchers, pH-mètre, dispositif de filtration sur büchner.
Document
Hydrométallurgie du zinc
Le principal minerai du zinc est le sulfure de zinc, ou blende, ZnS(s). Pour obtenir le métal zinc, il
faut procéder à plusieurs opérations. Tout d'abord la blende est chauffée en présence d'air. On
obtient alors la calcine ZnO(s) par la réaction totale:
2ZnS ( s)
+ 3O2
( g)
→ 2ZnO(
s)
+ 2SO2
( g)
L'obtention du zinc s'effectue ensuite par hydrométallurgie en trois étapes:
- action d'une solution d'acide sulfurique sur la calcine:
+
2+
2H ( aq)
+ ZnO(
s)
→ Zn ( aq)
+ H 2O(
l)
Cette réaction fait malheureusement passer en solution les ions des impuretés métalliques,
notamment Fe 3+ (aq) et Cu 2+ (aq), contenus dans le minerai d'origine, qu'il faut donc séparer;
- éliminations des ions Fe 3+ (aq) et Cu 2+ (aq) de la solution;
- électrolyse de la solution Zn 2+ (aq)
Manipulation
Objectif: séparer et identifier des ions métalliques
Préparer trois tubes à essai contenant respectivement 5 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 bécher 15 Ml de chacune des solutions A,B et C.
plonger l'électrode de pH dans la solution. Ajouter quelques gouttes d'acide sulfurique jusqu'à
obtenir un pH inférieur à 1. Observer la solution obtenue.
Ajouter alors goutte à goutte la solution de soude jusqu'à ce le pH soit égal à 5.
Identifier le précipité obtenu et filtrer sur büchner. Recueillir et observer le filtrat E.
Ajouter de la soude au filtrat jusqu'à ce que le pH atteigne une valeur égale à 6. Introduire de
la poudre de zinc. Attendre un certain temps car la réaction est lente. Vérifier que la solution ne
contient plus d'ions Cu 2+ (aq) mais qu'elle contient encore les ions Zn 2+ (aq).
Questions:
1. Quels sont les ions métalliques présents dans la solution D?
2. Quels sont les ions métalliques présents dans le filtrat E?

Exploitation
Objectif: justifier le protocole de séparation
Voici les équations de précipitation impliquées dans la manipulation précédente ainsi que les
constantes d'équilibres associées à ces réactions:
2+
−
17
Zn ( aq)
+ 2OH
( aq)
→ Zn(
OH ) ( s)
K = 1,
5.
10 ;
Cu
Fe
2+
3+
−
( aq)
+ 2OH
( aq)
→ Cu(
OH ) ( s)
K'
= 5.
10
−
( aq)
+ 3OH
( aq)
→ Fe(
OH ) ( s)
K'
'=
5.
10
On rappelle également les deux couples oxydant/réducteur: Zn 2+ (aq)/Zn(s) et Cu 2+ (aq)/Cu(s).
Calculer la concentration des ions Zn 2+ (aq), Fe 3+ (aq) et Cu 2+ (aq) présents dans la solution D.
−
Calculer la concentration [ HO ] des ions hydroxyde nécessaire pour qu'il y ait apparition du
précipité Zn(OH)2 dans la solution D. En déduire la valeur du pH correspondant.
Effectuer les mêmes calculs pour les précipités Fe(OH)3 et Cu(OH)2..
Montrer qu'il est possible de réaliser une précipitation sélective de l'élément fer sous forme
d'hydroxyde Fe(OH)3.
Ecrire l'équation de la réaction d'oxydoréduction après l'ajout de la poudre de zinc dans le
filtrat E.
Quel est l'intérêt pratique de cette manipulation?
Exploitation
Objectif: justifier le protocole de séparation
Voici les équations de précipitation impliquées dans la manipulation précédente ainsi que les
constantes d'équilibres associées à ces réactions:
2+
−
17
Zn ( aq)
+ 2OH
( aq)
→ Zn(
OH ) ( s)
K = 1,
5.
10 ;
Cu
Fe
2+
3+
−
( aq)
+ 2OH
( aq)
→ Cu(
OH ) ( s)
K '=
5.
10
−
( aq)
+ 3OH
( aq)
→ Fe(
OH ) ( s)
K'
'=
5.
10
On rappelle également les deux couples oxydant/réducteur: Zn 2+ (aq)/Zn(s) et Cu 2+ (aq)/Cu(s).
Calculer la concentration des ions Zn 2+ (aq), Fe 3+ (aq) et Cu 2+ (aq) présents dans la solution D.
−
Calculer la concentration [ HO ] des ions hydroxyde nécessaire pour qu'il y ait apparition du
précipité Zn(OH)2 dans la solution D. En déduire la valeur du pH correspondant.
Effectuer les mêmes calculs pour les précipités Fe(OH)3 et Cu(OH)2..
Montrer qu'il est possible de réaliser une précipitation sélective de l'élément fer sous forme
d'hydroxyde Fe(OH)3.
Ecrire l'équation de la réaction d'oxydoréduction après l'ajout de la poudre de zinc dans le
filtrat E.
Quel est l'intérêt pratique de cette manipulation?
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