Étapes d’élaboration d’un métal (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Décrire les étapes de transformation d’un minerai métallique en oxyde (calcination, rôti, lixiviation oxydante). - Expliquer les principes de la réduction chimique des oxydes par le carbone, l’hydrogène ou l’aluminothermie, et réaliser un bilan stoichiométrique simple. - Présenter le fonctionnement d’une réduction électrochimique (électrolyse de sels fondus) et de la carbochloration, en identifiant les réactions clés et les conditions opératoires. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène spécifiques aux procédés d’affinage minier (manipulation de poussières, gaz toxiques, courants élevés). - Réaliser un calcul de rendement ou de consommation de réactif dans un contexte professionnel camerounais. **Prérequis :** - Notions de base en chimie générale (réactions d’oxydo‑réduction, équilibrage d’équations, mole, masse molaire). - Connaissance des principaux minerais métalliques exploités au Cameroun (fer, bauxite, manganèse, titane). - Règles d’hygiène et de sécurité en atelier (port des EPI, ventilation, gestion des déchets). --- ## Introduction contextualisée L’affinage minier consiste à extraire le métal pur à partir du minerai brut. Au Cameroun, les ressources en fer (région de l’Adamaoua), en bauxite (Littoral) et en manganèse (Est) sont soumises à des traitements qui, pour le fer et le manganèse, passent obligatoirement par l’oxydation du minerai puis sa réduction, tandis que la bauxite subit une digestion alcaline (procédé Bayer) suivie d’une calcination de l’hydroxyde d’aluminium pour obtenir l’alumine, qui peut ensuite être réduite électrolytiquement ou par carbochloration pour produire des alliages ou des composés purs. Ce chapitre présente les trois premières étapes du procédé, conformément au programme officiel MINESEC/IGE, en insistant sur les aspects techniques, les normes de sécurité et les exemples d’atelier réalisables dans un lycée technique ou un centre de formation professionnelle du pays. --- ## I. Leçon 19 : Transformation des minerais en oxydes ### A. Principes de l’oxydation L’oxydation d’un minerai consiste à convertir le métal présent sous forme de sulfure, de carbonate ou de silicate en oxyde plus facile à réduire. Les réactions sont généralement exothermiques et se déroulent à haute température (entre 600 °C et 1200 °C selon le minerai). > **>** *Oxydation d’un sulfure de fer* : 4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂ ### B. Procédés industriels | Procédé | Température typique | Réactif gazéieux | Produit principal | Application camerounaise | |---------|--------------------|------------------|-------------------|--------------------------| | Calcination | 800‑1000 °C | Air (O₂) | Oxydes (Fe₂O₃, Al₂O₃) | Déshydratation de la bauxite (élimination de l’eau cristallisée) avant l’usine d’alumine | | Rôti (sulfure) | 600‑900 °C | Air + parfois SO₂ | Oxydes + SO₂ | Traitement du minerai de cuivre‑sulfure de la région de l’Est | | Lixiviation oxydante (acide) | 25‑80 °C | O₂ dissous + H₂SO₄ | Sulfates métalliques | Pilotage d’usine de traitement du manganèse à Bertoua | ### C. Exemple d’atelier au Cameroun Dans un lycée technique de Ngaoundéré, les élèves réalisent une calcination d’un échantillon de bauxite provenant de la carrière de Bélabo. Ils chauffent 50 g de minerai dans un creuset en porcelaine à 900 °C pendant 30 min, puis mesurent la perte de masse (décomposition de l’Al(OH)₃ en Al₂O₃ + H₂O). Pour un échantillon contenant 43 % d’Al(OH)₃, la perte théorique est de 15 % ; les valeurs obtenues permettent d’évaluer l’efficacité du procédé et d’aborder la notion de rendement. ### D. Sécurité et hygiène - Porter un masque anti‑poussière (FFP2) et des lunettes de protection lors de la manipulation de minerais pulvérulents. - Assurer une bonne évacuation des gaz (SO₂, CO) grâce à une hotte aspirante conforme à la norme NF EN 14175. - Ne jamais toucher le creuset chaud sans gants résistants à la chaleur (jusqu’à 1200 °C). --- ## II. Leçon 20 : Réduction chimique des oxydes ### A. Réduction par le carbone (coke, charbon) La réaction la plus répandue est la réduction du fer oxyde par le coke dans un haut fourneau : > **>** *Réduction du hematite* : Fe₂O₃ + 3 C → 2 Fe + 3 CO Le monoxyde de carbone (CO) agit comme véritable réducteur : Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂. ### B. Autres agents réducteurs | Agent | Réaction type | Avantages | Inconvénients / précautions | |-------|---------------|-----------|-----------------------------| | Hydrogène (H₂) | MOₓ + x H₂ → M + x H₂O | Pas de production de CO₂, réduction propre | Nécessité d’une source d’H₂ sûre, risque d’explosion (limite 4 % dans l’air) | | Aluminothermie (Al) | Fe₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Fe (exemple pour oxyde trivalent) | Très exothermique, utile pour métaux réfractaires (Ti, Cr) | Génère beaucoup de chaleur, nécessite un creuset réfractaire et un éloignement de sécurité | | Méthane (CH₄) reformé | CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ (puis réduction) | Utilise du gaz naturel abondant au Cameroun | Nécessite un réformeur, contrôle de la température | ### C. Exemple de haut fourneau simplifié (atelier scolaire) Dans un centre de formation de Bertoua, les élèves construisent un mini‑haut fourneau à l’aide d’un tube en acier réfractaire (diamètre 5 cm, hauteur 30 cm). Ils chargent successivement : 1. 20 g de coke (combustible) 2. 10 g de minerai d’oxyde de fer (Fe₂O₃) 3. Une couche de calcaire (CaCO₃) comme fondant. En allumant le coke à la base, ils obtiennent une température de ~1200 °C mesurée par un thermocouple Type K. Après 20 min, ils récupèrent une pastille de fer spongieux d’environ 4 g. Le rendement théorique de Fe à partir de 10 g de Fe₂O₃ est d’environ 7,0 g (≈70 % de la masse du minerai). Le rendement expérimental (4 g de Fe) donne donc un rendement d’environ 57 %, ce qui permet de discuter des pertes (gaz de combustion, formation de scories). ### D. Sécurité - Interdiction formelle d’utiliser du charbon de bois contenant du soufre (formation de SO₂ toxique). - Vérifier l’étanchéité du tube avant chaque allumage ; toute fuite de CO doit être détectée par un détecteur de CO portable. - Porter un masque à filtration spéciale pour les gaz réducteurs (cartouche pour CO/H₂). - Avoir à portée de main un seau de sable sec pour étouffer un éventuel départ de feu. --- ## III. Leçon 21 : Réduction électrochimique et carbochloration ### A. Réduction électrochimique (électrolyse de sels fondus) Le principe consiste à faire passer un courant continu à travers un électrolyte fondu contenant le cation métallique à réduire. La réaction se déroule à la cathode : > **>** *Électrolyse de l’alumine* : Al³⁺ + 3 e⁻ → Al (l) (cathode) ; globalement : Al₂O₃ → 2 Al (l) + ³⁄₂ O₂ (g) L’électrolyte utilisé industriellement est la cryolite (Na₃AlF₆) qui abaisse le point de fusion de l’alumine de ~2050 °C à ~960 °C. **Conditions opératoires typiques** : - Tension : 4‑5 V - Courant : 100‑300 kA par cuve - Température : 950‑980 °C - Rendement courant : 90‑95 % ### B. Carbochloration Procédé permettant de produire des chlorures métalliques volatils à partir d’oxydes, de carbone et de chlore. Exemple classique : la production de tétrachlorure de titane (TiCl₄) à partir de dioxyde de titane (TiO₂). > **>** *Carbochloration du TiO₂* : TiO₂ + 2 C + 2 Cl₂ → TiCl₄ (g) + 2 CO (g) Le TiCl₄ gazeux est ensuite condensé et purifié par distillation, puis réduit au magnésium ou au sodium pour obtenir le métal titane. ### C. Exemple d’application au Cameroun (projet pilote d’aluminium) Dans le cadre du projet d’industrialisation du secteur minier du Littoral, une étude de faisabilité prévoit une petite électrolyse d’alumine utilisant de la bauxite locale pré‑calcinée. Le dispositif expérimental comprend : - Un creuset en graphite de 10 cm de diamètre, chauffé à 960 °C par une résistance SiC. - Une solution fondue de Na₃AlF₆‑Al₂O₃ (ratio 85 %/15 % en masse). - Une alimentation en courant continu de 150 A, 4,5 V fournie par un redresseur à thyristors. Après 2 h d’électrolyse, 12 g d’aluminium liquide sont récupérés au fond du creuset. La charge passée est Q = I·t = 150 A × 7200 s = 1 080 000 C. Le nombre de moles d’électrons est nₑ = Q/F ≈ 1 080 000 / 96 485 ≈ 11,2 mol e⁻. Comme chaque ion Al³⁺ consomme 3 e⁻, la quantité théorique d’Al est n_Al = nₑ / 3 ≈ 3,73 mol, soit une masse théorique m_Al,theo = 3,73 mol × 26,98 g mol⁻¹ ≈ 100,6 g. Le rendement courant est donc η = m_Al,exp / m_Al,theo ≈ 12 g / 100,6 g ≈ 0,12 (12 %). Cette faible valeur illustre l’importance des pertes par réaction secondaire (volatilisation de l’Al, formation de complexes Al‑F, etc.) et invite les élèves à discuter des moyens d’améliorer l’efficacité (purification de l’électrolyte, optimisation du courant, etc.). ### D. Sécurité et hygiène - Les vapeurs de chlore (Cl₂) sont toxiques et corrosives ; utiliser une hotte à débit d’air ≥ 0,5 m³/s et porter un masque à cartouche pour gaz acides. - L’électrolyse à courants élevés génère un champ magnétique important ; éviter de porter des objets ferreux près des électrodes. - Le métal fondu (Al, Ti) provoque des brûlures graves ; utiliser des pinces en céramique et des gants résistants à la chaleur (> 800 °C). - Surveillance continue de la température avec un pyromètre optique afin de prévenir la surchauffe du creuset. --- ## Synthèse du chapitre - **Oxydation du minerai** : conversion des sulfures, carbonates ou silicates en oxydes (calcination, rôti, lixiviation oxydante). Exemple : 4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂. - **Réduction chimique** : principalement par le carbone (CO comme réducteur réel) : Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂. Autres réducteurs : H₂, Al (ex. Fe₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Fe), CH₄ reformé. - **Réduction électrochimique** : électrolyse de sels fondus (Al₂O₃ en cryolite) : à la cathode Al³⁺ + 3 e⁻ → Al ; globalement Al₂O₃ → 2 Al + ³⁄₂ O₂. - **Carbochloration** : réaction d’oxyde avec carbone et chlore pour produire un chlorure volatil (TiO₂ + 2 C + 2 Cl₂ → TiCl₄ + 2 CO). - **Sécurité** : port d’EPI adaptés (masques FFP2/FFP3, lunettes, gants résistants à la chaleur, détecteurs de CO/Cl₂), ventilation conforme aux normes, procédures d’arrêt d’urgence. - **Calculs pratiques** : bilan stoichiométrique, rendement courant, pertes de masse lors de la calcination. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Calcination | Chauffage d’un minerai en présence d’air pour éliminer l’eau cristallisée ou le dioxyde de carbone, produisant un oxyde. | | Rôti | Oxydation à chaud d’un minerai sulfureux en présence d’air, générant de l’oxyde métallique et du SO₂. | | Lixiviation oxydante | Traitement d’un minerai avec un acide en présence d’oxygène dissous pour mettre en solution des sulfates métalliques. | | Réduction par le carbone | Utilisation du coke/charbon comme source de monoxyde de carbone qui réduit l’oxyde métallique. | | Aluminothermie | Réduction d’un oxyde métallique par l’aluminium en poudre, réaction fortement exothermique ; par exemple Fe₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Fe (pour les oxydes trivalents). La stœchiométrie varie selon l’oxyde (ex. 3 TiO₂ + 4 Al → 2 Al₂O₃ + 3 Ti). | | Électrolyse de sels fondus | Passage d’un courant continu dans un électrolyte fondu permettant la réduction du cation métallique à la cathode (Al³⁺ + 3 e⁻ → Al). | | Cryolite (Na₃AlF₆) | Solvant fondu utilisé pour abaisser le point de fusion de l’alumine lors de l’électrolyse de l’aluminium. | | Carbochloration | Réaction d’un oxyde métallique avec du carbone et du chlore pour produire un chlorure métallique volatil. | | Rendement courant | Rapport entre la quantité réelle de métal produite et la quantité théorique calculée d’après la charge électrique passée (I·t). | | Scorie | Sous‑produit non métallique formé lors de la réduction, principalement composé de silicates et d’oxydes de calcium. | | Pyromètre optique | Instrument de mesure de température sans contact, basé sur l’émission infrarouge d’un corps chaud. | | Cartouche filtrante | Élément d’un masque de protection permettant d’adsorber des gaz ou vapeurs spécifiques (ex. CO, Cl₂, SO₂). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul de perte de masse lors de la calcination Un élève chauffe 80 g de bauxite contenant 60 % d’Al(OH)₃ (masse molaire = 78 g mol⁻¹) et le reste étant des impuretés inertes. Après calcination à 950 °C, l’Al(OH)₃ se décompose selon : 2 Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O **a)** Calculer la masse théorique d’Al₂O₃ obtenue. **b)** Si la masse mesurée après calcination est de 48,0 g, déterminer le rendement de la réaction. **Corrigé** a) Masse d’Al(OH)₃ présente = 0,60 × 80 g = 48,0 g. Nombre de moles d’Al(OH)₃ = 48,0 g / 78 g mol⁻¹ = 0,615 mol. D’après l’équation, 2 mol d’Al(OH)₃ donnent 1 mol d’Al₂O₃ → moles d’Al₂O₃ = 0,615 / 2 = 0,3075 mol. Masse molaire d’Al₂O₃ = 102 g mol⁻¹ → masse théorique = 0,3075 × 102 = 31,4 g. b) Rendement = (masse obtenue / masse théorique) × 100 = (48,0 g / 31,4 g) × 100 = 152 %. Ce résultat > 100 % indique que la masse mesurée comprend encore des impuretés ou que l’hypothèse de pureté de l’échantillon est fausse. En pratique, on constate souvent une surestimation due à l’adsorption d’humidité ou à la présence de carbonates qui se décomposent également en libérant du CO₂, augmentant la masse apparente. L’élève doit donc refaire l’échantillonnage, sécher le matériau à 110 °C avant la calcination, et contrôler la pureté par analyse chimique. ### Exercice 2 – Bilan de réduction du hematite par le coke Dans un mini‑haut fourneau, on introduit 50 g de Fe₂O₃ (masse molaire = 159,7 g mol⁻¹) et 30 g de coke (considéré comme du carbone pur, C = 12,0 g mol⁻¹). La réaction globale est : Fe₂O₃ + 3 C → 2 Fe + 3 CO **a)** Déterminer le réactif limitant. **b)** Calculer la masse théorique de fer produite. **c)** Si 22,0 g de fer sont effectivement récupérés, quel est le rendement du procédé ? **Corrigé** a) Moles de Fe₂O₃ = 50 g / 159,7 = 0,313 mol. Moles de C nécessaires = 3 × 0,313 = 0,939 mol. Masse de C nécessaire = 0,939 mol × 12,0 g mol⁻¹ = 11,27 g. Comme on dispose de 30 g de C (> 11,27 g), le carbone est en excès ; le réactif limitant est le Fe₂O₃. b) D’après l’équation, 1 mol Fe₂O₃ donne 2 mol Fe. Moles de Fe théoriques = 2 × 0,313 = 0,626 mol. Masse molaire du Fe = 55,85 g mol⁻¹ → masse théorique = 0,626 × 55,85 = 34,9 g. c) Rendement = (masse obtenue / masse théorique) × 100 = (22,0 g / 34,9 g) × 100 = 63,0 %. ### Exercice 3 – Électrolyse de l’alumine : calcul du courant nécessaire On veut produire 5,0 g d’Aluminium par électrolyse de l’alumine fondue (Al³⁺ + 3 e⁻ → Al). La durée d’électrolyse prévue est de 1 heure. **a)** Quelle quantité de charge (en coulombs) doit être passée ? **b)** Quel courant moyen (en ampères) faut-il appliquer ? **Données** : F = 96 485 C mol⁻¹, M(Al) = 26,98 g mol⁻¹. **Corrigé** a) Moles d’Al à produire = 5,0 g / 26,98 g mol⁻¹ = 0,185 mol. D’après l’équation, chaque Al³⁺ consomme 3 e⁻, donc moles d’e⁻ nécessaires = 0,185 mol × 3 = 0,555 mol e⁻. Charge Q = n·F = 0,555 mol × 96 485 C mol⁻¹ = 53 560 C (≈ 5,36 × 10⁴ C). b) Courant I = Q / t, avec t = 1 h = 3600 s. I = 53 560 C / 3600 s = 14,9 A ≈ 15 A. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de sécher l’échantillon avant la calcination (présence d’eau adsorbée). | Masse apparente fausse, rendement surestimé, risque de projections d’eau chaude. | Toujours préchauffer l’échantillon à 110 °C pendant 30 min avant toute étape à haute température. | | 2 | Utiliser du coke contenant du soufre comme réducteur dans un haut fourneau de démonstration. | Formation de SO₂ toxique, irritation respiratoire, corrosion du matériel. | Vérifier la composition du coke (analyse soufre < 0,5 %) ; privilégier du coke de métallurgie ou du charbon anthracite lavé. | | 3 | Négliger la mise à la terre du creuset lors de l’électrolyse à courant élevé. | Risque de choc électrique, détérioration de l’alimentation, déclenchement de disjoncteurs. | Connecter le creuset à une prise de terre conforme à la norme NF C 15‑100 ; utiliser un dispositif de différentiel 30 mA. | | 4 | Manipuler du chlore gazeux sans cartouche filtrante adaptée. | Inhalation de Cl₂ → œdème pulmonaire, brûlures des voies respiratoires. | Porter un masque à cartouche pour gaz acides (type A2) et travailler sous hotte à débit d’air ≥ 0,5 m³/s. | | 5 | Verser du métal fondu (Al, Ti) directement dans un récipient en verre ordinaire. | Shock thermique, éclat du verre, projections de métal brûlant. | Utiliser uniquement des récipients en graphite, en céramique réfractaire ou en acier inoxydable résistant à la chaleur (> 800 °C). | | 6 | Ne pas surveiller la température du bain électrolytique avec un pyromètre fiable. | Surchauffe → volatilisation de l’aluminium, formation de fumées d’Al₂O₃, consommation d’énergie excessive. | Installer un pyromètre optique avec alarme à 980 °C ; vérifier son étalonnage chaque mois. | --- *Fin de cours.*