Une étape de l élaboration de l aluminium

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1 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 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 par tir 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). TS spé ASDS + TP : Une étape de l élaboration de l aluminium 1 C. Grange-Reynas

2 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 (Al 2 O 3 ) 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 refroi die, 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. TS spé ASDS + TP : Une étape de l élaboration de l aluminium 2 C. Grange-Reynas

3 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 n on 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 Al 3+ et Al(HO) 4 - et en Fe 3+ (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 H 3 O + en solution, et plus on ajoute de l acide à une solution, plus son ph diminue et plus la quantité d ion H 3 O + 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 (H 3 O + + Cl - ) est l un des acides les plus courants. Il contient notamment l ion oxonium H 3 O+. 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 TS spé ASDS + TP : Une étape de l élaboration de l aluminium 3 C. Grange-Reynas

4 Aide : Livre p.106 Aide 1 Soude = Hydroxyde de sodium : (Na + + HO - ) Acide chlorhydrique : (H + + Cl - ) Chlorure ou sulfate de fer III : (Fe Cl - ) ou (2 Fe SO 4 2- ) Sulfate d aluminium : (2 Al SO 4 2- ) Alumine Al 2 O 3, nh 2 O ou hydroxyde d aluminium Al(OH) 3 L alumine Al 2 O 3 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 H 2 O = Al 2 O 3, 3H 2 O La représentation Al(OH) 3, constituée d un ion Al 3+ et de 3 ions HO -, est très simplifiée ; le composé est généralement plus ou moins hydraté. Une représentation plus rigoureuse serait donc Al 2 O3, nh 2 O. 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? 2. 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 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? TS spé ASDS + TP : Une étape de l élaboration de l aluminium 4 C. Grange-Reynas

5 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 Al 2 O 3 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. composition de la bauxite de l'hérault Al2O3 Fe2O3 SiO2 TiO2 H2O 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 Réactions autour de l ion aluminium : Al 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 ] 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 Al 3+ (aq). TS spé ASDS + TP : Une étape de l élaboration de l aluminium 5 C. Grange-Reynas

6 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 : Al 3+ (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 o o soit en solution sous forme d ions hydratés Al 3+ (aq), soit associés à des ions hydroxyde dans un précipité d hydroxyde d aluminium Al(OH) 3 (s) (solide insoluble) 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 : Fe 3+ 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) 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 Fe 3+ (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 : Fe 3+ (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. TS spé ASDS + TP : Une étape de l élaboration de l aluminium 6 C. Grange-Reynas

7 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 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? 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. 2. 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 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 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. TS spé ASDS + TP : Une étape de l élaboration de l aluminium 7 C. Grange-Reynas

8 4.4 Ecrire l équation de la réaction de dissolution de l alumine Al(OH) 3 + HO - - Al(OH) 4 ou Al 2 O 3, 3H2O + 2 HO Al(OH) Que contient le filtrat? - Le filtrat contient des ions aluminates Al(OH) 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 + H 2 O 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 Al 2 O 3. 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 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 : TS spé ASDS + TP : Une étape de l élaboration de l aluminium 8 C. Grange-Reynas