Chap 7: Extraction of metals.

# Chap 7: Extraction of metals. ## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l'élève sera capable de : - Expliquer l'occurrence naturelle des métaux et les facteurs influençant leur méthode d'extraction. - Utiliser la série électrochimique pour prédire la faisabilité de l'extraction d'un métal par réduction. - Décrire les procédés d'extraction de l'aluminium, du fer, du cuivre et du titane, y compris les réactions chimiques clés. - Identifier les propriétés physiques et chimiques de ces métaux et leurs applications industrielles. - Résoudre des problèmes quantitatifs liés à la stœchiométrie des réactions d'extraction. - Comparer les coûts énergétiques et environnementaux des différents procédés d'extraction. **Prérequis** : Connaissances en : - Structure atomique et configuration électronique. - Liaison ionique et covalente. - Réactions d'oxydo-réduction (oxydation, réduction, agents oxydants/réducteurs). - Calculs stœchiométriques (moles, masses molaires, rendement). - Propriétés des oxydes, sulfures et chlorures métalliques. - Notions de base sur l'électrolyse (anode, cathode, électrolyte). --- ## I. Occurrence and methods of extraction of metals Les métaux se trouvent dans la croûte terrestre principalement sous forme de composés chimiques (minerais), rarement à l'état natif (ex : or, argent, platine). Leur occurrence dépend de leur réactivité : plus un métal est réactif, plus il est susceptible d'être trouvé sous forme oxydée (oxydes, sulfures, carbonates). > **Définition** : Un minerai est une roche contenant suffisamment de métal pour que son extraction soit économiquement viable. Les méthodes d'extraction dépendent de la position du métal dans la série électrochimique : - **Métaux très réactifs** (K, Na, Ca, Mg, Al) : trop réducteurs pour être réduits par carbone ; nécessitent l'électrolyse de leurs composés fondus. - **Métaux modérément réactifs** (Zn, Fe, Sn, Pb) : peuvent être réduits par agent réducteur comme le carbone (coke) ou le monoxyde de carbone. - **Métaux peu réactifs** (Cu, Ag, Au, Pt) : souvent présents sous forme sulfure ; peuvent être extraits par chauffage simple (rôtissage) ou réduction par des agents plus faibles. > **Règle** : Un métal peut être extrait par réduction thermique si son oxyde est moins stable que celui du réducteur utilisé (ex : C, CO). **Exemple résolu** : Pourquoi l'aluminium ne peut-il pas être extrait par réduction du Al₂O₃ par le carbone ? - Réaction proposée : $2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$ - Calcul du ΔG° : L'oxyde d'aluminium a une énergie libre de formation très négative ($\Delta G_f^\circ(Al_2O_3) = -1582 \text{ kJ/mol}$), tandis que celle du CO₂ est $-394 \text{ kJ/mol}$. - Pour la réaction : $\Delta G^\circ = [4 \times 0 + 3 \times (-394)] - [2 \times (-1582) + 3 \times 0] = -1182 + 3164 = +1982 \text{ kJ/mol}$ - Comme $\Delta G^\circ > 0$, la réaction n'est pas spontanée → l'extraction par carbone n'est pas faisable thermodynamiquement. **Exercice d'application** : Le minerai de fer contient principalement de l'hematite (Fe₂O₃). Peut-on le réduire par du carbone à 1000 K sachant que $\Delta G_f^\circ(Fe_2O_3) = -742 \text{ kJ/mol}$ et $\Delta G_f^\circ(CO) = -137 \text{ kJ/mol}$, $\Delta G_f^\circ(CO_2) = -394 \text{ kJ/mol}$ ? - Réaction : $Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 2Fe + 3CO$ - Mais en réalité, le réducteur est souvent le CO : $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ - $\Delta G^\circ = [2 \times 0 + 3 \times (-394)] - [1 \times (-742) + 3 \times (-137)] = -1182 + 742 + 411 = -29 \text{ kJ/mol}$ - Comme $\Delta G^\circ < 0$, la réaction est spontanée → oui, la réduction par CO est faisable. - **Réponse** : Oui, car $\Delta G^\circ = -29 \text{ kJ/mol} < 0$. --- ## II. Electrochemical series and principles of extraction La série électrochimique classe les éléments par leur potentiel d'oxydo-réduction standard ($E^\circ$). Plus le potentiel est négatif, plus l'élément est un fort réducteur (tendance à perdre des électrons). Plus il est positif, plus il est un fort oxydant. > **Définition** : La série électrochimique est un classement des éléments par leur potentiel d'oxydo-réduction standard mesuré contre l'électrode hydrogène standard (EHS). Les métaux situés en haut de la série (K, Na, Ca, Mg, Al) ont des potentiels très négatifs → difficiles à réduire → nécessitent l'électrolyse. Les métaux en bas (Cu, Ag, Au) ont des potentiels positifs → facilement réduits → souvent natifs ou facilement extractibles. > **Principe** : Un métal peut réduire l'ion d'un autre métal situé en dessous de lui dans la série électrochimique. **Exemple résolu** : Le zinc peut-il réduire les ions cuivre(II) ? - Demi-réactions : - $Zn^{2+} + 2e^- \rightarrow Zn$ ; $E^\circ = -0.76 \text{ V}$ - $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ ; $E^\circ = +0.34 \text{ V}$ - Pour la réaction : $Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu$ - $E^\circ_{\text{cellule}} = E^\circ_{\text{cathode}} - E^\circ_{\text{anode}} = 0.34 - (-0.76) = +1.10 \text{ V}$ - Comme $E^\circ > 0$, la réaction est spontanée → oui, le Zn réduit Cu²⁺. **Exercice d'application** : Peut-on utiliser le cuivre pour réduire les ions fer(III) en Fe²⁺ ? - Demi-réactions : - $Fe^{3+} + e^- \rightarrow Fe^{2+}$ ; $E^\circ = +0.77 \text{ V}$ - $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ ; $E^\circ = +0.34 \text{ V}$ - Pour oxyder le Cu : $Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2e^-$ ; $E^\circ_{\text{ox}} = -0.34 \text{ V}$ - Pour réduire Fe³⁺ : $2Fe^{3+} + 2e^- \rightarrow 2Fe^{2+}$ ; $E^\circ = +0.77 \text{ V}$ - $E^\circ_{\text{cellule}} = 0.77 + (-0.34) = +0.43 \text{ V} > 0$ → réaction spontanée. - **Réponse** : Oui, le cuivre peut réduire Fe³⁺ en Fe²⁺. --- ## III. Extraction of Aluminium, its properties and uses L'aluminium est extrait de la bauxite (Al₂O₃·xH₂O) par le procédé Hall-Héroult, qui implique l'électrolyse de l'alumine fondue dans un bain de cryolithe (Na₃AlF₆). > **Définition** : Le procédé Hall-Héroult est l'électrolyse de l'alumine (Al₂O₃) dissoute dans de la cryolithe fondue à environ 960°C, produisant de l'aluminium à la cathode et de l'oxygène à l'anode. Étapes : 1. **Purification de la bauxite** (procédé Bayer) : traitement à la NaOH chaude → formation de Na[Al(OH)₄], filtration, précipitation d'Al(OH)₃, calcination → Al₂O₃ pur. 2. **Électrolyse** : Dans une cuve revêtue de carbone (cathode), anodes en carbone. - À la cathode : $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al(l)$ - À l'anode : $2O^{2-} \rightarrow O_2(g) + 4e^-$ ; l'O₂ réagit avec l'anode en carbone : $C + O_2 \rightarrow CO_2$ - Réaction globale : $2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$ Propriétés de l'aluminium : - Métal léger ($\rho = 2.7 \text{ g/cm}^3$), ductile, malléable. - Bonne conductivité thermique et électrique. - Résiste à la corrosion grâce à une couche d'oxyde passive (Al₂O₃). - Point de fusion : 660°C. Utilisations : - Alliages légers (aéronautique, automobile). - Emballages (canettes, papier aluminium). - Conducteurs électriques. - Ustensiles de cuisine. **Exemple résolu** : Calculer la masse d'aluminium produite par électrolyse avec un courant de 100 A pendant 1 heure. - Charge : $Q = I \times t = 100 \text{ A} \times 3600 \text{ s} = 360\,000 \text{ C}$ - Nombre de moles d'électrons : $n_e = \frac{Q}{F} = \frac{360000}{96485} \approx 3.73 \text{ mol e}^-$ - Pour Al : $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$ → 3 mol e⁻ produisent 1 mol Al - Moles d'Al : $n_{Al} = \frac{3.73}{3} \approx 1.243 \text{ mol}$ - Masse : $m = n \times M = 1.243 \times 27.0 \approx 33.6 \text{ g}$ **Exercice d'application** : Quel volume d'oxygène (à STP) est produit lors de l'électrolyse qui donne 54 g d'Al ? - Moles d'Al : $\frac{54}{27} = 2 \text{ mol}$ - D'après la réaction globale : $2Al_2O_3 \rightarrow 4Al + 3O_2$ → 4 mol Al produisent 3 mol O₂ - Donc 2 mol Al produisent $\frac{3}{4} \times 2 = 1.5 \text{ mol O}_2$ - Volume à STP : $1.5 \times 22.4 = 33.6 \text{ L}$ - **Réponse** : 33,6 L d'O₂ à STP. --- ## IV. Extraction of iron, its properties and uses Le fer est principalement extrait de l'hematite (Fe₂O₃) ou de la magnétite (Fe₃O₄) dans un haut fourneau par réduction au monoxyde de carbone dérivé du coke. > **Définition** : Le haut fourneau est un réacteur métallique où le minerai de fer, le coke et la chaux sont chargés par le haut, tandis qu'un souffle d'air chaud est injecté par le bas, produisant de la fonte liquide et du laitier. Étapes dans le haut fourneau : 1. **Zone de combustion** (bas) : $C + O_2 \rightarrow CO_2$ ; $\Delta H < 0$ 2. **Zone de réduction** (milieu) : $CO_2 + C \rightarrow 2CO$ (réaction de Boudouard) 3. **Réduction du minerai** : - $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ - $Fe_3O_4 + 4CO \rightarrow 3Fe + 4CO_2$ 4. **Formation du laitier** : La chaux (CaO) réagit avec les impuretés (SiO₂) : $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ Le produit sortant est la **fonte** (Fe avec 4% C, Si, Mn, P, S), qui est ensuite affinée en acier par décarburation (procédé Bessemer ou four électrique). Propriétés du fer pur : - Métal malléable, ductile, ferromagnétique. - Point de fusion : 1538°C. - Density : 7.87 g/cm³. - Sensible à la corrosion (rouille : $4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$). Utilisations : - Construction (poutres, armatures). - Fabrication d'acier (structures, voitures, appareils). - Tuyauterie, outils. - Catalyseur (Haber-Bosch pour NH₃). **Exemple résolu** : Calculer la masse de coke nécessaire pour produire 1 tonne de fer par réduction de l'hematite, en supposant que tout le carbone se transforme en CO. - Réaction : $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ - Mais le CO vient de : $C + CO_2 \rightarrow 2CO$ → pour produire 3 mol CO, il faut 1,5 mol C et 1,5 mol CO₂ - Globalement : $Fe_2O_3 + 1.5C \rightarrow 2Fe + 1.5CO_2$ (en combinant les deux étapes) - Masse molaire Fe₂O₃ = 160 g/mol → produit 2×56 = 112 g Fe - Pour produire 112 g Fe → besoin de 1,5 × 12 = 18 g C - Pour 1000 kg Fe : masse de C = $\frac{18}{112} \times 1000 \approx 160,7 \text{ kg}$ - **Réponse** : Environ 161 kg de coke. **Exercice d'application** : Dans un haut fourneau, 500 kg de Fe₂O₃ sont traités. Quelle masse de fer théorique peut-on obtenir ? - Moles de Fe₂O₃ = $\frac{500000}{160} = 3125 \text{ mol}$ - Chaque mol Fe₂O₃ donne 2 mol Fe → $6250 \text{ mol Fe}$ - Masse de Fe = $6250 \times 56 = 350\,000 \text{ g} = 350 \text{ kg}$ - **Réponse** : 350 kg de Fe théorique. --- ## V. Extraction of copper, its properties and uses Le cuivre est souvent extrait de sulfures (chalcopyrite CuFeS₂, chalcocite Cu₂S) par un procédé en plusieurs étapes : concentration, rôtissage, conversion, raffinage électrolytique. > **Définition** : Le procédé de extraction du cuivre par voie pyrométallurgique implique le chauffage du sulfure en présence d'air pour produire du cuivre métallique via des intermédiaires comme le matte (Cu₂S-FeS) et le cuivre blanc. Étapes : 1. **Concentration** : Flottation mousse pour séparer le minerai des stériles. 2. **Rôtissage** : $2CuFeS_2 + 4O_2 \rightarrow Cu_2S + 2FeO + 3SO_2$ (élimination du soufre et du fer sous forme d'oxyde) 3. **Conversion** : Le matte (Cu₂S) est soufflé d'air : - $2Cu_2S + 3O_2 \rightarrow 2Cu_2O + 2SO_2$ - $Cu_2S + 2Cu_2O \rightarrow 6Cu + SO_2$ (réaction d'auto-réduction) 4. **Raffinage électrolytique** : Anode de cuivre impur, cathode de cuivre pur, électrolyte CuSO₄/H₂SO₄. - À l'anode : $Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2e^-$ - À la cathode : $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ - Les impuretés plus nobles (Ag, Au) tombent comme boue d'anode ; les moins nobles (Zn, Fe) restent en solution. Propriétés du cuivre : - Métal rougeâtre, excellent conducteur électrique et thermique ($\sigma \approx 5,96 \times 10^7 \text{ S/m}$). - Ductile, malléable. - Point de fusion : 1085°C. - Résiste bien à la corrosion (forme une patine verte : Cu₂CO₃(OH)₂). Utilisations : - Câbles électriques. - Tuyauterie (plomberie, chauffage). - Alliages (laiton Cu-Zn, bronze Cu-Sn). - Monnaie, ustensiles de cuisine. - Échangeurs de chaleur. **Exemple résolu** : Lors du raffinage électrolytique du cuivre, quelle masse de cuivre est déposée à la cathode avec un courant de 50 A pendant 2 heures ? - $Q = 50 \times 7200 = 360\,000 \text{ C}$ - $n_e = \frac{360000}{96485} \approx 3,73 \text{ mol e}^-$ - Pour Cu : $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ → 2 mol e⁻ donnent 1 mol Cu - $n_{Cu} = \frac{3,73}{2} = 1,865 \text{ mol}$ - Masse = $1,865 \times 63,5 \approx 118,4 \text{ g}$ **Exercice d'application** : Un minerai de chalcopyrite (CuFeS₂) contient 30% de Cu en masse. Quelle masse de minerai faut-il traiter pour obtenir 10 kg de cuivre pur, en supposant un rendement global de 80% ? - Masse de Cu nécessaire dans le minerai : $\frac{10}{0,8} = 12,5 \text{ kg}$ - Comme le minerai contient 30% de Cu : masse de minerai = $\frac{12,5}{0,3} \approx 41,67 \text{ kg}$ - **Réponse** : Environ 41,7 kg de minerai. --- ## VI. Extraction of titanium (Ti), its properties and uses Le titane est extrait principalement du minerai rutile (TiO₂) ou ilménite (FeTiO₃) par le procédé Kroll, qui implique la réduction du tétrachlorure de titane (TiCl₄) par du magnésium ou du sodium. > **Définition** : Le procédé Kroll est la réduction du TiCl₄ vapeur par du magnésium fondu sous atmosphère inerte (argon) pour produire du titane éponge et du chlorure de magnésium : $TiCl_4 + 2Mg \rightarrow Ti + 2MgCl_2$. Étapes : 1. **Chloruration** : Le minerai d'oxyde de titane est traité avec du chlore et du carbone à haute température : - $TiO_2 + 2Cl_2 + 2C \rightarrow TiCl_4 + 2CO$ 2. **Purification du TiCl₄** : Distillation fractionnée pour éliminer les impuretés (FeCl₃, SiCl₄). 3. **Réduction (Kroll)** : Dans un récipient en acier inoxydable chauffé à ~800°C sous argon : - $TiCl_4(g) + 2Mg(l) \rightarrow Ti(s) + 2MgCl_2(l)$ - Le titane produit est une éponge poreuse, ensuite broyée et fondue sous vide ou en arc électrique pour produire des ingots. 4. **Affiner** : Fusion sous vide ou en arc électrique pour éliminer les dernières impuretés et obtenir du titane malléable. Propriétés du titane : - Métal blanc argenté, faible densité ($\rho = 4,5 \text{ g/cm}^3$), haute résistance mécanique. - Excellent résistance à la corrosion (couche d'oxyde TiO₂ passive). - Point de fusion élevé : 1668°C. - Biocompatible → utilisé en médecine. - Faible module d'élasticité. Utilisations : - Industrie aéronautique (structures d'avions, moteurs). - Implants médicaux (hanches, dents, plaques osseuses). - Industrie chimique (réacteurs résistants à la corrosion). - Équipements sportifs (vélos, clubs de golf). - Alliages avec Al, V, Mo (ex : Ti-6Al-4V). **Exemple résolu** : Calculer la masse de magnésium nécessaire pour produire 100 g de titane par le procédé Kroll. - Réaction : $TiCl_4 + 2Mg \rightarrow Ti + 2MgCl_2$ - Masse molaire Ti = 47,9 g/mol → moles de Ti = $\frac{100}{47,9} \approx 2,088 \text{ mol}$ - D'après l'équation : 1 mol Ti nécessite 2 mol Mg → moles de Mg = $2 \times 2,088 = 4,176 \text{ mol}$ - Masse de Mg = $4,176 \times 24,3 \approx 101,5 \text{ g}$ - **Réponse** : Environ 101,5 g de Mg. **Exercice d'application** : Si le rendement du procédé Kroll est de 85%, quelle masse de TiCl₄ doit-on traiter pour obtenir 50 g de titane ? - Masse théorique de Ti nécessaire : $\frac{50}{0,85} \approx 58,82 \text{ g}$ - Moles de Ti = $\frac{58,82}{47,9} \approx 1,228 \text{ mol}$ - D'après la réaction : 1 mol TiCl₄ produit 1 mol Ti → moles de TiCl₄ nécessaires = 1,228 mol - Masse molaire TiCl₄ = 47,9 + 4×35,5 = 189,9 g/mol - Masse de TiCl₄ = $1,228 \times 189,9 \approx 233,2 \text{ g}$ - **Réponse** : Environ 233 g de TiCl₄. --- ## Synthèse du chapitre - L'occurrence des métaux dépend de leur réactivité : les métaux réactifs sont trouvés sous forme oxydée, les moins réactifs sous forme sulfure ou natif. - La série électrochimique permet de prédire la faisabilité de l'extraction : un métal peut réduire l'ion d'un autre situé en dessous de lui dans la série. - L'extraction des métaux très réactifs (Al) nécessite l'électrolyse de leurs composés fondus. - Les métaux modérément réactifs (Fe, Cu) sont souvent extraits par réduction thermique (coke, CO) ou procédés pyrométallurgiques (rôtissage, conversion). - Le titane nécessite un procédé spécial (Kroll) en raison de sa forte affinité pour l'oxygène et l'azote à haute température. - Chaque métal possède des propriétés physiques et chimiques spécifiques qui déterminent ses utilisations industrielles. - Les calculs stœchiométriques basés sur les réactions d'extraction permettent de déterminer les quantités de réactifs nécessaires ou les rendements théoriques. - L'impact environnemental et énergétique varie selon le procédé : l'électrolyse consomme beaucoup d'électricité, tandis que la réduction au coke produit du CO₂. --- ## Glossaire > **Minéral** : Substance naturelle solide, inorganique, de composition chimique définie et de structure cristalline ordonnée. > **Minerai** : Roche contenant suffisamment de métal pour que son extraction soit économiquement rentable. > **Série électrochimique** : Classement des éléments par leur potentiel d'oxydo-réduction standard, indiquant leur tendance à gagner ou perdre des électrons. > **Électrolyse** : Décomposition d'un composé ionique par passage d'un courant électrique, se produisant dans un électrolyte fondu ou en solution. > **Procédé Hall-Héroult** : Méthode industrielle d'extraction de l'aluminium par électrolyse de l'alumine fondue dans de la cryolithe. > **Haut fourneau** : Réacteur utilisé pour la réduction du minerai de fer en fonte par apport de coke et d'air chaud. > **Procédé Kroll** : Méthode d'extraction du titane par réduction du TiCl₄ avec du magnésium sous atmosphère inerte. > **Raffinage électrolytique** : Procédé de purification d'un métal par électrolyse, où le métal impur se dissout à l'anode et se dépose pur à la cathode. > **Matte** : Mélange fondu de sulfures de cuivre et de fer obtenu lors du traitement initial des minerais de cuivre sulfureux. > **Laitier** : Sous-produit non métallique formé lors de la fusion des minerais, composé principalement de silicates et utilisé dans la construction ou les revêtements routiers. > **Rendement** : Rapport entre la quantité réelle de produit obtenu et la quantité théorique maximale, exprimé en pourcentage. > **Passivation** : Formation d'une couche mince, adhésive et protectrice (souvent oxyde) à la surface d'un métal, empêchant toute corrosion ultérieure.