Aurélie 23/10/09

 

Recyclage des piles usagées : concours agrégation 2009

En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres d’intérêts.



 


Généralités.
Quel savant,  et à quelle époque, a conçu le première générateur électrochimique ? Quelle en était  la conception ?
Le physicien italien Volta réalise en 1800 la première pile électrochimique en empilant des disques de cuivre et de zinc, séparés par des tissus imprégnés d'une saumure.

Les élèves  peuvent être tentés d'assimiler cette pile  à la pile Daniell.
Quels sont les couples mis en jeu dans chacune de ces deux piles ? Quelles analogies et différences peut-on proposer entre cette première pile et les générateurs électrochimiques qui figurent dans leurs cours ?
Pile Daniell : le zinc réducteur s'oxyde  en ion zinc (II) : couple Zn2+aq / Zn(s). Le zinc constitue l'anode.
Les ions cuivre (II) sont réduits en cuivre : couple
Cu2+aq / Cu(s).
Pile de Volta : le zinc réducteur s'oxyde  en ion zinc (II) : couple Zn2+aq / Zn(s). Le zinc constitue l'anode.
L'eau est réduite  sur l'électrode de cuivre ( électrode inerte) : couple
H2O (liq) / H2(g).
En lycée seules les piles constituées  à partir de couples Mn+aq /M s) sont étudiées.
Qu'est ce qui différencie une pile Leclanché d'une pile alcaline ?
Pile Leclanché : l'électrolyte est acide, le chlorure d'ammonium et l'anode est une lame de zinc.
Pile alcaline : l'électrolyte est basique et l'anode est constituée par de la poudre de zinc.
Comment explique t-on  les fuites observées sur les piles bâtons ?
Les ions zinc(II) forment en milieu basique des oxydes solides :  la carcasse de la pile peut alors gonfler et se fissurer.

Quelques aspects d'un procédé de valorisation des piles usagées.
Les principales étapes d'un procédé de traitement des piles usagées par la société française RECUPYL SA sont les suivantes :





Etude de la lixiviation.
La lixiviation est une technique d'extraction de produits solubles.
Le résidu de lessivage comporte des hydroxydes métalliques ainsi que des particules métalliques fines. La lixiviation est réalisée au moyen d'acide sulfurique concentré à pH proche de 1.
On donne le diagramme E-pH de l'élément zinc pour une concentration totale en solution c = 10-3 mol/L.
Identifier les domaines de prédominance ou existence des espèces concernées : Zn(s), Zn2+aq, Zn(OH)2 (s) et Zn(OH)42-aq.


Retrouver le potentiel standard du couple Zn2+aq / Zn(s) ainsi que la pente du segment (3).

La droite 1 est la frontière entre Zn(s) et Zn2+aq : Zn2+aq + 2e- = Zn(s).
E1 = E1°(
Zn2+aq /Zn(s)) + 0,03 log [Zn2+aq]
Lecture graphe E1 = -0,85 V et  on donne
[Zn2+aq] = 10-3 mol/L ;
E1°( Zn2+aq /Zn(s)) = -0,85 -0,03 log10-3  = -0,85 +0,09 = -0,76 V.
La droite 3 est la frontière entre Zn(s) et Zn(OH)42-aq :
Zn(OH)42-aq  + 2e- = Zn(s) +4 HO-aq.
E3 = E3°( Zn(OH)42-aq /Zn(s)) + 0,03 log ([Zn(OH)42-aq] / [HO-aq]4) avec [HO-aq] = Ke / [H3O+aq]
E3 = E3°( Zn(OH)42-aq /Zn(s)) - 0,12 log Ke + 0,03 log([Zn(OH)42-aq] +0,012 log [H3O+aq]
E3 = E3°( Zn(OH)42-aq /Zn(s)) - 0,12 log Ke + 0,03 log([Zn(OH)42-aq] -0,012 pH.
La pente de la droite 3 vaut  -0,12 V par unité de pH.

A quel condition sur le pH du lessivage alcalin n'élimine t-on pas l'élément zinc au degré II ?
Entre pH = 7,5 et pH = 12,5, l'élément zinc est sous forme d'un hydroxyde solide.
Le pH du lessivage alcalin  doit donc  appartenir  à cet intervalle.

  




 

 


Quelles sont les deux réactions qui se produisent lors de la lixiviation acide des boues contenant entre autres Zn et Zn(OH)2 ?
Dissolution du solide Zn(OH)2  selon une réaction acide base :
Zn(OH)2 (s)+ 2H+aq = Zn2+aq + 2H2O(liq)
Oxydation du zinc métallique en milieu acide :
couples Ox / red : (
Zn2+aq  / Zn(s)) et H2O(liq) / H2(g)

Zn(s)  et H2O(liq) appartiennent  à deux domaines disjoints, en conséquence :
Zn(s) + 2H+aq = Zn2+aq + H2(g)





 



Cémentation.

Définir ce terme.
D'après le schéma ci-dessus, la cémentation consiste  à réduire les ions Ni(II), Pb(II), Cd(II) et Cu(II)  à l'état de métaux solides. Ces solides métalliques constituent le cément  à traiter.

Quel réactif sera t-il judicieux de choisir pour cette étape ? Pourquoi le choisir sous forme de poudre ?
On peut choisir les métaux Zn ou Mn, tous deux de bons réducteurs.
Mais E°(Mn2+aq / Mn(s) = -1,15 V tandis que
E°(Zn2+aq / Zn(s) ) = -0,76 V : en utilisant le manganèse, on va réduire les ions zinc  à l'état de métal : or le schéma indique que les ions zinc(II)  ne doivent pas être réduits.
Le zinc sera le réducteur utilisé.

En l'utilisant sous forme de poudre, la surface de contact entre les réactifs est grande : la vitesse de la réaction sera  importante.
Qu'est ce que le cément ? Que contient-il ici ?
Le cément est le  dépot métallique solide contenant les métaux Pb, Cd, Ni et Cu.
Quelle expérience spectaculaire peut-on  montrer aux élèves en relation  avec ce procédé ?
Décoloration d'une solution de sulfate de cuivre par l'addition de zinc en poudre.




 

.








 


retour -menu