Les matériaux dans l environnement

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1 ACTUALITÉS PÉDAGOGIQUES 93 Les matériaux dans l environnement ( A3 du programme) par Collège Jean Rostand Orléans ajj@club-internet.fr Parmi les matériaux usuels du programme, le cuivre est celui qui est le plus facile à obtenir au laboratoire en s inspirant des méthodes industrielles. L activité proposée ici permet d utiliser la majorité des éléments de réponse énoncés dans le programme pour répondre à la question «comment fabrique-t-on...?» : le matériau existe rarement à l état naturel ; les minerais constituent le plus souvent la matière première des métaux ; le passage d une matière première à un matériau fait intervenir des réactions chimiques ; l électrolyse peut constituer un procédé de préparation ou de purification ;... économies de matière première et d énergie permises par la récupération et le recyclage. Les expériences proposées ici sont extraites de l article «Une vie de cuivre» [] consacré aux matériaux. On pourra se reporter utilement à cet article ainsi qu à l ouvrage de J.-L. VIGNES [2]. La séance de TP pourra être précédée ou suivie du visionnement de la cassette vidéo «Le métal rouge» () qui présente l affinage du cuivre dans l usine du Palais-sur-Vienne près de Limoges. Depuis 999, le cédérom «Du cuivre de plus en plus pur» (2) produit par le CRDP de Limoges permet une illustration plus «active et moderne».. PRINCIPE.. Le minerai de cuivre La teneur en cuivre d un minerai facilement exploitable est de 0,7 à 2 %. Il existe des minerais sulfurés (chalcopyrite CuFeS 2 par exemple) et oxydés (malachite Cu2CO3( OH) 2 par exemple). Les premiers sont traités par voie pyromérallurgique (polluante, car rejets de dioxyde de soufre), les seconds par voie hydrométallurgique (moins polluante). Dans cette voie, on traite les minerais par l acide sulfurique afin d obtenir des solutions contenant des ions cuivre II : c est la lixiviation. () Réf. : V CNDP, 99. (2) Réf. : CTI 870CD00 - en vente dans les CRDP. Vol Janvier 200

2 94 BULLETIN DE L UNION DES PHYSICIENS Les minerais contiennent une gangue stérile, des traces de métaux précieux et très souvent des composés du fer. Remarque : Au laboratoire, le minerai reconstitué s obtient en mélangeant du sable de Fontainebleau («gangue»), de l oxyde de cuivre II (oxyde cuivrique) et du sulfate de fer III. Selon les proportions, on aura un minerai riche ou un minerai pauvre..2. La lixiviation avec agitation Le minerai broyé est mis en suspension dans une solution d acide sulfurique par agitation, dans de grandes cuves. Après cinq heures, on obtient une solution contenant 70 gl. - d ions cuivre. Les ions fer sont éliminés par ajout de chaux (ph voisin alors de 3). Enfin, cette solution est électrolysée entre une anode en plomb et une cathode en cuivre (5 kg) sous une tension d environ 2 volts. Quand la teneur en ions cuivre atteint 25 gl. -, la solution est recyclée sur du minerai. Les cathodes de cuivre (60 kg après cinq jours) sont utilisées sans affinage pour des usages non électriques (titre de 99,8 % de cuivre). Il faut 2500 kwh pour produire une tonne de cuivre..3. La lixiviation en tas Cette méthode est utilisée pour valoriser des minerais très pauvres (teneur en cuivre < 0,2 %). Le minerai concassé grossièrement est «arrosé» avec une solution d acide sulfurique qui peut être réutilisée pendant plusieurs mois afin qu elle se charge en ions cuivre. La solution cuivrique obtenue est trop diluée pour être électrolysée. On réalise une «cémentation» : du fer blanc (provenant des boîtes de conserves) désétamé est jeté dans la solution ; le cuivre est récupéré sur le fer, purifié thermiquement (car partiellement oxydé) et affiné par électrolyse..4. L affinage du cuivre Les minerais de cuivre à base de sulfures sont «grillés», fondus (matte) et subissent une «conversion» (réaction entre Cu2 S et Cu 2 O qui donne du cuivre et du dioxyde de soufre). On obtient alors des «blisters» (98 à 99,5 % de cuivre) qui doivent être affinés par électrolyse. Les «blisters» comme le cuivre de récupération sont fondus pour être coulés en anodes : lors de sa fusion, du bois vert est jeté dedans afin de réduire les oxydes (voir documents). Les anodes sont donc en cuivre à affiner, la solution contient 45 gl. - d ions cuivre et 85 gl. - d acide sulfurique et les cathodes sont de minces lames de cuivre déjà affiné Les matériaux dans l environnement BUP n o 830 ()

3 ACTUALITÉS PÉDAGOGIQUES 95 (tension de 0,3 V). Après trois à quatre semaines, on obtient deux cathodes de 40 kg pour une anode (350 kg au départ). Une tonne de cuivre demande environ 250 kwh. Le reste de l anode est remis en fusion. Les boues récupérées au fond des cuves à électrolyse contiennent des métaux précieux (or, argent,...). 2. EXPÉRIENCE : LIXIVIATION AVEC AGITATION L expérience peut être réalisée totalement ou partiellement par les élèves (pour des raisons de matériel et non de sécurité). 2.. Matériel et produits un erlenmeyer de 250 ou 500 ml (ou un flacon ou un verre à pied) ; deux béchers de 250 ou 500 ml (ou un pot à yaourt pour l électrolyse) ; le nécessaire pour filtrer ; un agitateur ; un générateur 6 ou 2 V continu (ou une pile) ; une lampe adaptée d intensité nominale 00 ma ; des fils de liaison ; du sable de Fontainebleau ; de l oxyde de cuivre II ; du sulfate de fer III ; une lame de plomb ; une lame de cuivre, une solution aqueuse d acide sulfurique 05mol,. L -, une solution aqueuse d hydroxyde de sodium mol. L - ; du papier ph ; éventuellement, un agitateur magnétique et un ph-mètre Protocole Mélanger 50 g de sable avec 2 g d oxyde de cuivre II et 2 g de sulfate de fer III pour reconstituer le minerai. Placer le mélange dans un erlenmeyer, y verser 200 ml d acide sulfurique et agiter pendant environ cinq à dix minutes (à la main ou avec un agitateur magnétique si l expérience est faite au bureau). Laisser décanter et récupérer la solution surnageante dans un bécher (éventuellement, préférer une filtration) ; cette solution est de couleur bleue-verte. Vol Janvier 200

4 96 BULLETIN DE L UNION DES PHYSICIENS Ajouter progressivement de la solution d hydroxyde de sodium en agitant pour augmenter le ph jusqu à 3 (tester au fur et à mesure avec le papier ph ou utiliser le phmètre si l expérience est faite au bureau). Les ions fer III précipitent (seul point délicat de la suite de manipulations). Filtrer pour obtenir la solution de sulfate de cuivre. Réaliser alors l électrolyse de la solution : dégagement gazeux à l anode en plomb et dépôt de cuivre sur la cathode en cuivre dont le volume et la masse augmentent. Remarques : en branchant en série une lampe dans le circuit, on évite les risques de court-circuit en cas de contact entre les deux électrodes et on limite l intensité du courant, ce qui permet d obtenir un dépôt de cuivre rouge au lieu d un agrégat noirâtre ; en remplaçant l électrode en cuivre par une électrode en inox, on peut détacher le cuivre déposé (voir le document d accompagnement du programme de troisième) ; penser à garder dans un tube à essai un «témoin» pour montrer éventuellement la décoloration de la solution ; en cas d expérience élève, il est possible de diviser les valeurs indiquées par deux ou par quatre afin d économiser des produits. 3. EXPÉRIENCE 2 : LIXIVIATION EN TAS 3.. Matériel et produits colonne en verre (burette de Mohr, gros tube à essai ou éprouvette à gaz dont le fond est percé,...) ; deux erlenmeyers (ou béchers ou verres à pied ou pot à yaourt) ; sable de Fontainebleau ; solution d acide sulfurique 05mol,. L - ; oxyde de cuivre II ; sulfate de fer III ; fer-blanc désétamé ou lame de fer ; coton Protocole Mélanger 50 g de sable avec g d oxyde de cuivre II et g de sulfate de fer III. Mettre du coton au fond de la colonne et y verser le mélange. Faire couler 00 ml d acide sulfurique à travers le «minerai» et le recueillir dans un Les matériaux dans l environnement BUP n o 830 ()

5 ACTUALITÉS PÉDAGOGIQUES 97 erlenmeyer. Recycler la solution en haut de la colonne jusqu à ce que le minerai se décolore et que la solution devienne bleue. Jeter alors dans la solution 5 g de fer-blanc désétamé et agiter : la solution se décolore et le fer se recouvre de cuivre qu il est facile de récupérer. Remarque : Comment obtenir du fer-blanc désétamé (cf. [3]) : récupérer une boîte de conserve (non vernie, sinon dissoudre le vernis au trichloréthylène ou à l acide sulfurique concentré) et découper en morceaux ; préparer une solution de chlorure de fer III mol. L - et plonger les morceaux dans 00 ml de cette solution pendant trente secondes environ ; rincer et sécher. 3. AFFINAGE DU CUIVRE La réduction des oxydes de cuivre peut être illustrée par l expérience classique consistant à chauffer dans un tube un mélange d oxyde de cuivre II et de carbone en poudre. Après une vive incandescence, on obtient un dégagement de dioxyde de carbone et un dépôt de cuivre sur les parois du tube. L affinage électrolytique correspond à l électrolyse classique avec «anode soluble». BIBLIOGRAPHIE [] VIGNES J.-L., KHODAN A., AILLOUD P. et GRASS D. Une vie de cuivre - Expériences de chimie sur l élaboration et les propriétés d un matériau. BUP, janvier-février 997, vol. 9, n , p [2] VIGNES J.-L., ANDRÉ G. et KAPALA F. Données sur les principaux produits chimiques métaux et matériaux. Union des Physiciens, 997. [3] VIGNES J.-L., ANDRÉ G. et FOUSSE D. Une vie de fer-blanc - Expériences sur l élaboration, les propriétés et le recyclage d un matériau. BUP, avril 994, vol. 88, n 763, p Vol Janvier 200