Karamö, le prof virtuelLeçon 10 sur 26
La métallurgie du zinc : le grillage de la blende
Je sais décrire les étapes de la production du zinc à partir de la blende, écrire l'équation du grillage et de la réduction, et calculer les masses et volumes mis en jeu.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Connaître le minerai de zinc (la blende ZnS) et les usages du zinc
- Écrire et équilibrer l'équation du grillage de la blende et expliquer le devenir du dioxyde de soufre
- Décrire les deux voies d'obtention du zinc (réduction par le carbone, électrolyse)
- Résoudre un problème de type BEPC sur le grillage : masses, volumes de gaz, volume d'air
Avant de commencer : L'oxydoréduction, la réduction industrielle des oxydes et le haut fourneau (leçons précédentes) ; la mole, la masse molaire, le volume molaire ; la composition de l'air.
1Je découvre
À Kissidougou, Fanta aide son père à réparer le toit du magasin. Le vendeur de matériaux leur propose deux sortes de tôles : des tôles ordinaires et des tôles galvanisées, un peu plus chères. « Les galvanisées sont couvertes de zinc, elles durent beaucoup plus longtemps », explique-t-il.
Le soir, Fanta ouvre une vieille pile usée pour la lampe torche : l'enveloppe grise à l'intérieur est aussi en zinc. Et la poignée de porte dorée de la maison est en laiton, un alliage de cuivre et de zinc.
Elle cherche dans son manuel d'où vient ce métal si utile. Elle découvre que le zinc est extrait d'un minerai appelé blende, qui ne contient pas d'oxyde de zinc, mais du sulfure de zinc ZnS. Or, elle a appris que l'industrie obtient les métaux en réduisant leurs oxydes.
Comment passe-t-on d'un sulfure, la blende, au zinc métallique, et que fait-on du soufre ?
2Je comprends
1. Le zinc et son minerai
Le zinc (symbole Zn, masse molaire atomique arrondie à 65 g/mol) est un métal gris bleuté, qui fond vers 420 °C et bout vers 907 °C. Sa masse volumique est d'environ 7,1 g/cm³ ; cassant à froid, il se laisse facilement laminer vers 100 à 150 °C.
Ses principales utilisations :
- la galvanisation : protection du fer et de l'acier contre la rouille (tôles, seaux, fils, pylônes) ;
- les alliages : le laiton (cuivre + zinc), utilisé pour la robinetterie, les poignées, certains instruments de musique ;
- les piles : le zinc est le réducteur de nombreuses piles (tu le verras dans le chapitre sur les piles) ;
- l'oxyde de zinc ZnO : poudre blanche utilisée dans les pommades, les peintures, le caoutchouc.
Le principal minerai de zinc est la blende, formée de sulfure de zinc ZnS, souvent accompagnée de sulfure de plomb (la galène) et d'une gangue. On la concasse, on la broie et on l'enrichit pour obtenir un concentré riche en ZnS.
2. La vue d'ensemble
- 1Extraction et enrichissement de la blende : on obtient un concentré de sulfure de zinc ZnS.
- 2Grillage : on chauffe fortement la blende dans un courant d'air ; ZnS devient ZnO et il se dégage du SO₂.
- 3Le dioxyde de soufre SO₂ est récupéré et transformé en acide sulfurique H₂SO₄.
- 4Voie thermique : l'oxyde de zinc est réduit par le carbone ; le zinc se forme à l'état de vapeur, puis on le condense.
- 5Voie électrolytique : l'oxyde de zinc est dissous dans l'acide sulfurique, puis le zinc est déposé par électrolyse.
3. Le grillage de la blende
Le grillage consiste à chauffer un minerai sulfuré à haute température dans un courant d'air (donc de dioxygène), pour le transformer en oxyde.
Pour la blende, l'équation s'établit en deux temps. Le sulfure de zinc donne de l'oxyde de zinc et du dioxyde de soufre :
ZnS + O2 → ZnO + SO2 (non équilibrée)
On compte les atomes d'oxygène : à droite, il y en a 1 + 2 = 3 pour chaque ZnS ; il faut donc 32O2 par ZnS. En multipliant tout par 2 :
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
Vérification : Zn : 2 et 2 ; S : 2 et 2 ; O : 3 × 2 = 6 et 2 × 1 + 2 × 2 = 6. L'équation est équilibrée.
Le grillage est une oxydation : le zinc et le soufre de la blende se combinent avec l'oxygène. Le dioxygène est l'oxydant.
4. Que faire du dioxyde de soufre ?
Le dioxyde de soufre SO2 est un gaz toxique, à l'odeur piquante. Rejeté dans l'air, il irrite les poumons et forme avec l'eau de pluie des pluies acides qui abîment les forêts, les cultures et les bâtiments. Il est donc interdit de le laisser s'échapper.
On le récupère pour fabriquer de l'acide sulfurique, un produit chimique très utilisé (engrais, batteries, industrie) :
- 2SO2 + O2 → 2SO3 (en présence d'un catalyseur) ;
- SO3 + H2O → H2SO4.
Une mole de SO2 donne une mole de H2SO4. Ainsi, une usine de zinc est aussi une usine d'acide sulfurique, et cet acide peut resservir dans la voie électrolytique.
5. Du zinc oxydé au zinc métal
a) La voie thermique (réduction par le carbone). On chauffe l'oxyde de zinc avec du coke vers 1 100 à 1 200 °C :
ZnO + C → Zn + CO ou ZnO + CO → Zn + CO2
À cette température, le zinc est au-dessus de son point d'ébullition : il se forme sous forme de vapeur, que l'on refroidit dans un condenseur pour obtenir du zinc liquide puis solide. L'oxyde de zinc est l'oxydant (il est réduit) ; le carbone ou le monoxyde de carbone est le réducteur.
b) La voie électrolytique (la plus utilisée aujourd'hui).
- On dissout l'oxyde de zinc dans l'acide sulfurique : ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O. On obtient une solution de sulfate de zinc (Zn2+ + SO42-).
- On purifie la solution, puis on l'électrolyse : les ions zinc captent des électrons à la cathode et se déposent en zinc très pur : Zn2+ + 2e^- → Zn.
C'est encore une réduction, cette fois réalisée par le courant électrique.
Méthode
Pour un problème sur le grillage de la blende :
- Masse de ZnS pur = masse de minerai × pourcentage de ZnS (je convertis en grammes).
- n(ZnS) = m / M, avec M(ZnS) = 65 + 32 = 97 g/mol.
- D'après 2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂ : n(ZnO) = n(SO₂) = n(ZnS) et n(O₂) = 3/2 × n(ZnS).
- Masses : m = n × M (M(ZnO) = 81 g/mol) ; volumes de gaz : V = n × Vm.
- Volume d'air : l'air contient environ 1/5 de dioxygène en volume, donc V(air) = 5 × V(O₂).
Exemple
On grille 970 kg de sulfure de zinc pur. Calculer la masse d'oxyde de zinc obtenue et les volumes de dioxygène, d'air et de dioxyde de soufre. (Zn = 65 ; S = 32 ; O = 16 ; Vm = 22,4 L/mol ; l'air contient 1/5 de O₂)
n(ZnS) = 970 000 / 97 = 10 000 mol.
n(ZnO) = 10 000 mol ; M(ZnO) = 65 + 16 = 81 g/mol ; m(ZnO) = 810 000 g = 810 kg.
n(O₂) = 3/2 × 10 000 = 15 000 mol ; V(O₂) = 15 000 × 22,4 = 336 000 L = 336 m³.
V(air) = 5 × 336 = 1 680 m³.
n(SO₂) = 10 000 mol ; V(SO₂) = 10 000 × 22,4 = 224 000 L = 224 m³.
Contrôle des masses : m(O₂) = 15 000 × 32 = 480 kg ; m(SO₂) = 10 000 × 64 = 640 kg. Réactifs : 970 + 480 = 1 450 kg ; produits : 810 + 640 = 1 450 kg. Juste.
Exemple
On réduit par le carbone les 810 kg d'oxyde de zinc obtenus, selon ZnO + C → Zn + CO. Quelle masse de zinc obtient-on ? Quelle masse de carbone faut-il au minimum ?
n(ZnO) = 810 000 / 81 = 10 000 mol.
n(Zn) = 10 000 mol ; m(Zn) = 10 000 × 65 = 650 000 g = 650 kg.
n(C) = 10 000 mol ; m(C) = 10 000 × 12 = 120 000 g = 120 kg.
Remarque : 650 / 970 × 100 ≈ 67 % : la blende pure contient environ 67 % de zinc en masse.
6. Le zinc et la Guinée
La Guinée n'est pas connue comme productrice de zinc, mais elle en consomme beaucoup : dans les tôles galvanisées des toits, les seaux, les fils de clôture et les piles. Comprendre la métallurgie du zinc, c'est aussi comprendre les enjeux de toute industrie minière : valoriser le minerai, récupérer les sous-produits (ici l'acide sulfurique) et protéger la santé des populations et l'environnement contre les gaz toxiques.
3Je retiens
Je retiens
Minerai de zinc : la blende, sulfure de zinc ZnS (M = 97 g/mol).
Grillage : chauffage dans l'air pour transformer le sulfure en oxyde : 2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂.
Le SO₂, toxique et source de pluies acides, est transformé en acide sulfurique : 2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃ ; SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
Voie thermique : ZnO + C → Zn + CO (le zinc se forme en vapeur et on le condense).
Voie électrolytique : ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O, puis Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn.
Usages du zinc : galvanisation, laiton, piles, oxyde de zinc.
Volume d'air = 5 × volume de dioxygène.
4Erreurs fréquentes
- Réduire directement la blende par le carbone : on doit d'abord la griller pour obtenir l'oxyde ZnO.
- Mal équilibrer le grillage : ZnS + O₂ → ZnO + SO₂ n'est pas équilibrée ; la bonne équation est 2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂.
- Confondre le volume d'air et le volume de dioxygène : l'air ne contient qu'environ un cinquième de dioxygène.
- Oublier de convertir les kilogrammes ou les tonnes en grammes avant d'utiliser la masse molaire.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Réponds aux questions.
a) Quel est le nom et la formule du principal minerai de zinc ?
b) Qu'appelle-t-on le grillage d'un minerai ?
c) Cite trois utilisations du zinc.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) La blende, sulfure de zinc ZnS.
b) Le grillage est le chauffage d'un minerai sulfuré à haute température dans un courant d'air, pour le transformer en oxyde.
c) Galvanisation du fer (tôles, seaux), fabrication du laiton, piles ; on peut aussi citer l'oxyde de zinc des pommades et peintures.
2Exercice 2
Équilibre les équations suivantes :
a) ZnS + O2 → ZnO + SO2
b) SO2 + O2 → SO3
c) ZnO + C → Zn + CO2
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a) 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2.
b) 2SO2 + O2 → 2SO3.
c) 2ZnO + C → 2Zn + CO2 (O : 2 et 2 ; Zn : 2 et 2 ; C : 1 et 1).
3Exercice 3
Dans une usine de zinc, on récupère le dioxyde de soufre au lieu de le rejeter dans l'atmosphère.
a) Donne deux raisons de cette récupération.
b) Quel produit fabrique-t-on à partir de ce gaz ? Écris les deux équations.
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a) Le dioxyde de soufre est toxique (il irrite les voies respiratoires) et il provoque des pluies acides ; de plus, il permet de fabriquer un produit utile et vendable.
b) On fabrique de l'acide sulfurique : 2SO2 + O2 → 2SO3 puis SO3 + H2O → H2SO4.
4Exercice 4
On grille 48,5 g de sulfure de zinc pur. On donne : Zn = 65 ; S = 32 ; O = 16 ; Vm = 22,4 L/mol.
a) Calcule la quantité de matière de ZnS.
b) Calcule la masse d'oxyde de zinc obtenue.
c) Calcule le volume de dioxyde de soufre dégagé.
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a) M(ZnS) = 97 g/mol ; n = 48,597 = 0,500 mol.
b) n(ZnO) = 0,500 mol ; m = 0,500 × 81 = 40,5 g.
c) n(SO2) = 0,500 mol ; V = 0,500 × 22,4 = 11,2 L.
5Exercice 5
(Type BEPC) Une usine traite 1,94 tonne de minerai de blende contenant 50 % en masse de sulfure de zinc. On donne : Zn = 65 ; S = 32 ; O = 16 ; C = 12 ; H = 1 ; Vm = 22,4 L/mol ; l'air contient 20 % de dioxygène en volume.
a) Calcule la masse de sulfure de zinc contenue dans le minerai.
b) Écris l'équation du grillage.
c) Calcule le volume de dioxygène nécessaire, puis le volume d'air.
d) Calcule la masse d'oxyde de zinc obtenue.
e) L'oxyde de zinc est réduit par le carbone selon ZnO + C → Zn + CO. Calcule la masse de zinc obtenue.
f) Tout le dioxyde de soufre est transformé en acide sulfurique. Calcule la masse d'acide sulfurique produite.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) m(ZnS) = 1,94 × 0,50 = 0,970 t = 970 kg.
b) 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2.
c) n(ZnS) = 970 00097 = 10 000 mol ; n(O2) = 32 × 10 000 = 15 000 mol.
V(O2) = 15 000 × 22,4 = 336 000 L = 336 m³ ; V(air) = 3360,20 = 1 680 m³.
d) n(ZnO) = 10 000 mol ; m(ZnO) = 10 000 × 81 = 810 000 g = 810 kg.
e) n(Zn) = n(ZnO) = 10 000 mol ; m(Zn) = 10 000 × 65 = 650 000 g = 650 kg.
f) n(SO2) = 10 000 mol, donc n(H2SO4) = 10 000 mol. M(H2SO4) = 2 + 32 + 64 = 98 g/mol ; m = 10 000 × 98 = 980 000 g = 980 kg.
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