Aurélie 26/09/08
 

 

Elaboration industrielle du zinc bac S Antilles 09/08.

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Dans la nature, le zinc (Zn) se rencontre dans la blende, minerai constitué essentiellement de sulfure de zinc solide ZnS(s). Pour récupérer le métal zinc, dont la principale application est l'élaboration de l'acier zingué, la blende subit des transformations physico-chimiques.

La blende est transformée en calcine ( constituée principalement de ZnO) au moyen d'une opération appelé grillage. La calcine est alors traitée par hydrométallurgie pour obtenir le métal zinc quasiment pur.

Grillage de la blende.

Le grillage est effectué en chauffant fortement le sulfure de zinc en présence du dioxygène de l'air. L'équation de la réaction associée à la transformation est :

2 ZnS(s) + 3O2(g) =2ZnO (s) +2 SO2(g).

Déterminer la masse mZnS de sulfure de zinc qu'il faut utiliser pour produire mZnO = 1,0 103 kg d'oxyde de zinc.

O : 16,0 ; S : 32,1 ; Zn : 65,4 g/mol.

Masse molaire ( g/mol) : MZnS =65,4 + 32,1 =97,5 g/mol ; MZnO =65,4 + 16,0 =81,4 g/mol ;

Quantité de matière de ZnO : mZnO = 1,0 106 g.
n =
m
M
=
1,0 106
81,4
=
1,228 104 mol.
D'après les nombres stoechiométriques de l'équation : nZnO = nZnS = 1,228 104 mol.


mZnS= nZnS MZnS
= 1,228 104 *97 ,5
=
1,2 106 g.

Obtention du zinc par hydrométallurgie de la calcine.

Etape 1 : Lixiviation et élimination des ions fer (III).

La calcine est attaquée par une solution d'acide sulfurique. La solution obtenue contient des ions Zn2+ mais également un grand nombre d'impuretés.

Parmi ces impuretés figure l'ion Fe3+ qu'on élimine par précipitation avec les ions hydroxyde HO-. L'équation de la réaction est :

Fe3+ (aq) + 3 HO- (aq) = Fe(OH)3 (s).

Une décantation permet de séparer la solution des résidus insolubles tel que l'hydroxyde de fer (III) Fe(OH)3 (s).

L'hydroxyde de fer (III) commence à précipiter dès que le pH est supérieur à 2,0. Le domaine d'existence de Fe(OH)3 (s) en fonction du pH est hachuré sur le diagramme ci-dessous :

En présence d'ion hydroxyde, les ions zinc peuvent également précipiter selon l'équation :

Zn2+(aq) + 2HO-(aq) = Zn(OH)2(s).

La valeur de la constante d'équilibre associée à cette équation est K= 1017 à 25°C.

Donner l'expression littérale de la constante K.

 

K
=
1
[Zn2+(aq)] [HO-(aq)]2

Pour une concentration molaire effective en ion zinc [Zn2+(aq)] = 2,3 mol/L,

calculer la concentration molaire effective en ion hydroxyde lorsque l'hydroxyde de zinc Zn(OH)2 (s) commence à précipiter.

[HO-(aq)]2
=
1
[Zn2+(aq)] K
=
1
2,3 1017
= 4,35 10-18
Puis prendre la racine carrée :

[HO-(aq)]
=
2,1 10-9 mol/L.

En déduire la valeur du pH pour laquelle l'hydroxyde de zinc commence à précipiter.
[H3O+(aq)]
=
Ke
[HO-(aq)]
=
10-14
2,1 10-9
=4,8 10-6 mol/L.
pH= -log [H3O+(aq)]
= -log 4,8 10-6
= 5,3.
ur le diagramme suivant, indiquer le pH de début de précipitation de l'ion zinc (II) et hachurer le domaine d'existence de l'espèce Zn(OH)2(s).


Dans quel intervalle de pH se place t-on industriellement pour faire seulement précipiter l'hydroxyde de fer (III) ? Justifier.

Il faut éviter de faire précipiter l'ion zinc (II) sous forme Zn(OH)2(s) : le pH doit être inférieur à 5,3.

Il faut faire précipiter l'ion fer (III) sous forme Fe(OH)3(s) : donc pH supérieur à 2,0.

2,0< pH <5,3.

étape 2 : cémentation.

Opération de purification qui vise à débarrasser la solution contenant les ions Zn2+, destinée à l'électrolyse, de cations métalliques génants tels que Cu2+. Ces derniers sont réduits à l'aide d'une poudre de zinc métallique. Le métal cuivre ainsi obtenu se dépose sur le zinc.

Ecrire l'équation de la réaction associée à la transformation entre les ions Cu2+(aq) et le métal zinc Zn(s). On précisera les couples oxydant / réducteur mis en jeu.

Couples oxydant / réducteur : Zn2+(aq) / Zn(s) et Cu2+(aq) / Cu(s)

Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s).

Nommer une technique de laboratoire simple permettant de séparer la solution destinée à l'électrolyse des impuretés solides.

Filtration.




Electrolyse.

Industriellement l'électrolyse est réalisée dans de grandes cuves. Le zinc métallique obtenu est très pur. L'intensité du courant électrique dans le circuit atteint 1,0 105 A. La solution électrolytique est recyclée lorsque sa teneur en ion Zn2+ a atteint le tiers de sa valeur initiale.

Les électrodes en alliage de plomb sont le siège d'une réaction dont l'équation s'écrit :

2H2O(l) = 4H+(aq) + O2(g) + 4e-.

Les électrodes en alluminium sont le siège d'une réaction dont l'équation s'écrit :

Zn2+(aq) + 2e- = Zn(s).

Le zinc métallique se dépose t-il aux électrodes appelées anode ou cathode ? Justifier.

Les ions Zn2+(aq) sont réduits en zinc métallique ; une réduction a lieu à la cathode.

On considère une solution de concentration molaire effective initiale en ion zinc (II) [ Zn2+(aq)]i = 2,3 mol/L et de volume V= 1,0 103 L.

Déterminer la durée de l'électrolyse nécessaire pour atteindre une concentration molaire effective finale en ion zinc (II) telle que :[ Zn2+(aq)]f =0,76 mol/L.

On donne : I = 1,0 105 A, supposée constante ; e = 1,6 10-19 C ; NA = 6,02 1023 mol-1 ; F= 9,65 104 C mol-1.

Exprimons de deux manières différentes la quantité d'électricité Q :
Q= I t ;
Q = ne- F
;
t =
ne- F
I
Quantité de matière d'ion zinc initiale :

n (Zn2+ )i =
[ Zn2+(aq)]i V
= 2,3*1,0 103
= 2,3 103 mol
Quantité de matière d'ion zinc finale :

n (Zn2+ )f=
[ Zn2+(aq)]fV
= 0,76*1,0 103
= 0,76 103 mol
Quantité de matière d'ion zinc ayant réagit :

n Zn2+ =(2,3-0,76) 103 = 1,54 103 mol.

Quantité de matière d'électrons ne- :

Zn2+(aq) + 2e- = Zn(s).

D'après les nombres stoechiométriques de cette équation : ne- = 2 n Zn2+ =2*1,54 103 = 3,08 103 mol.

t =
ne- F
I
=
3,08 103 *9,65 104
1,0 105
=
3,0 103 s




 



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