Pyrométallurgie du zinc, électrolyse, concours technicien de l'industrie et des mines 2008.

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La blende ZnS est le principal minerai de zinc. Son traitement débute par le grillage dans le dioxygène O2(g). Cette réaction produit de l'oxyde de zinc ZnO(s) et du dioxyde de soufre SO2(g), recyclé pour synthétiser l'acide sulfurique. Ecrire l'équation de la réaction de grillage. ZnS(s) + 1,5O2(g) = ZnO(s) + SO2(g). Déterminer la quantité de matière (moles) correspondant à 2,0 tonnes de blende. M(Zn) = 65,4 ; M(S) = 32,1 g/mol. Masse molaire de ZnS : M =65,4 +32,1 =97,5 g/mol ; m = 2,0 106 g. n = m / M = 2,0 106 / 97,5 =2,051 104 ~2,1 104 mol. Déterminer la quantité de matière de dioxygène nécessaire pour le grillage ainsi que les quantités de matière d'oxyde de zinc et de dioxyde de soufre formés. D'après les nombres stoechiométriques de l'équation :  n(ZnO) = n(SO2 ) =n =  2,1 104 mol. n(O2) = 1,5 n = 1,5 *2,051 104 =3,077 104 ~  3,1 104 mol. En déduire le volume de dioxygène nécessaire. Vm = 25 L/mol.. V = n(O2) Vm =3,077 104 *25 =7,692 105 ~7,7 105 L = 7,7 102 m3. Quelle est la masse d'oxyde de zinc produite ? M(ZnO) = 65,4+16 = 81,4 g/mol. m = M(ZnO) n(ZnO) =2,051 104 *81,4 =1,67 106 g ~1,7 t. Quel est le volume de dioxyde de soufre ainsi recueilli ? V = n(SO2) Vm =2,051 104 *25 =5,1 105 L = 5,1 102 m3. Elaboration du zinc par électrolyse.  Certains métaux sont préparés par électrolyse d'une solution aqueuse contenant à l'état de cations. Plus de 50 % de la production mondiale de zinc sont obtenus par électrolyse d'une solution de sulfate de zinc acidifiée à l'acide sulfurique. les ions sulfate ne participent pas aux réactions électrochimiques. On observe un dépôt métalique sur l'une des électrodes et un dégagement gazeux sur l'autre. Etude de la transformation. Quelles sont les réactions susceptibles de se produire sur chaque électrode sachant que s'est le solvant qui est oxydé en dioxygène ? Réduction des ions Zn2+aq à la cathode : Zn2+aq + 2e- = Zn(s). Eventuellement réduction de H+aq à la cathode : 2H+aq + 2e-  = H2(g) Oxydation de l'eau à l'anode : H2O(l) = ½O2 +2H+aq + 2e-. Ecrire l'équation de la réaction globale de cette électrolyse. Zn2+aq + H2O(l) = Zn(s) +½O2 +2H+aq . Schématiser l'électrolyseur, en précisant le nom de chaque électrode, leur polariité et le sens de déplacement des espèces chargées. S'agit-il d'une transformation spontanée ou forcée ? Une électrolyse est une réaction forcée qui nécessite un apport d'énergie sous forme électrique. Exploitation des résultats. L'électrolyse a lieu sous 3,5 V. L'intensité du courant peut atteindre 80 kA. Après 48 heures de fonctionnement,le dépôt de zinc est sufisamment épais. Il est alors séparé de l'électrode, fondu et coulé en lingots. Calculer la quantité d'électricité Q circulant dans l'électrolyseur en 48 heures. Q = I t = 8 104 * 48*3600 =1,3824 1010 ~1,4 1010 C. En déduire la quantité de matière d'électrons qui circule. n(e-)= Q / 96500 =1,3824 1010 /96500 = 1,4325 105 ~ 1,4 105 mol. Déterminer la quantité de matière de zinc formé en 48 heures. Zn2+aq + 2e- = Zn(s). n(Zn) = ½ n(e-)= 0,5*1,4325 105 =7,1627 104 ~7,2 104 mol. En déduire la masse de zinc produire en 24 heures. m= n(Zn) M(Zn) = 7,1627 104 *65,4 =4,68 106 g ~ 4,7 t. En fait on obtient  une quantité de matière de zinc inférieure. Pourquoi ? Réduction de H+aq à la cathode : 2H+aq + 2e-  = H2(g). Réduction concurente de celle du zinc. A l'autre électrode on récupère le dioxygène. Le rendement de la réaction qui le produit est de 80 % et le volume molaire Vm = 24 L /mol dans les conditions expérimentales. Calculer le volume de dioxygène récupéré. Zn2+aq + H2O(l) = Zn(s) +½O2 +2H+aq . d'après les nombres stoechiométriques, la quantité de matière de dioxygène est égale  à la moitié de la quantité de matière de zinc. n(O2) =0,5 * 7,1627 104 =3,5814 104 mol. Volume V = n(O2)Vm =3,5814 104 *24 =8,6 105 L= 8,6 102 m3. Puis tenir compte  du rendement : 0,8 *8,6 102  =6,88 102 ~ 6,9 102 m3.

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