Karamö, le prof virtuelLeçon 8 sur 26
L'importance industrielle de la réduction des oxydes
Je sais expliquer pourquoi l'industrie réduit les oxydes métalliques pour obtenir les métaux, choisir le réducteur adapté et calculer la masse de métal que l'on peut extraire d'un minerai.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir minerai, gangue, métallurgie et extraction d'un métal
- Expliquer le principe de la réduction des oxydes et citer les principaux réducteurs industriels (carbone, monoxyde de carbone, dihydrogène, aluminium, électrolyse)
- Décrire la filière bauxite, alumine, aluminium et situer les ressources minières de la Guinée
- Calculer le pourcentage de métal dans un oxyde et la masse de métal obtenue
Avant de commencer : Les notions d'oxydation, de réduction, d'oxydant et de réducteur (leçons précédentes) ; équilibrer une équation ; la mole et la masse molaire.
1Je découvre
Dans la région de Boké, Mamadou voit passer chaque jour des trains et des camions chargés d'une terre rougeâtre : la bauxite. Son oncle, qui travaille à la mine, lui explique qu'elle part vers le port, puis vers d'autres pays, où l'on en tirera de l'aluminium. Il ajoute que la Guinée possède l'une des plus grandes réserves de bauxite au monde.
Mamadou est étonné : cette terre rouge ne ressemble pas du tout aux marmites en aluminium du marché de Madina, légères et brillantes. De même, le minerai de fer des montagnes de Guinée forestière ressemble à des cailloux sombres ou rougeâtres, pas à des barres de fer.
Il comprend que le métal est « caché » dans le minerai, lié à l'oxygène. Pour le libérer, il faut retirer cet oxygène : c'est une réduction, comme celle de l'oxyde de cuivre par le carbone vue au laboratoire.
Pourquoi la réduction des oxydes est-elle au cœur de l'industrie des métaux, et comment passe-t-on du minerai au métal ?
2Je comprends
1. Les métaux dans la nature : les minerais
À part quelques métaux peu réactifs, comme l'or (que l'on trouve à l'état de pépites ou de paillettes, par exemple dans la région de Siguiri), les métaux n'existent presque jamais purs dans la nature. Ils sont combinés à d'autres éléments, surtout à l'oxygène et au soufre.
- Un minerai est une roche qui contient un composé métallique en quantité suffisante pour qu'on puisse l'exploiter avec profit.
- La gangue est la partie sans intérêt du minerai (sable, argile, roches), que l'on élimine.
- La métallurgie est l'ensemble des techniques qui permettent d'extraire un métal de son minerai, puis de l'élaborer et de le mettre en forme.
| Métal | Minerai principal | Composé utile |
|---|---|---|
| Fer | hématite, magnétite | Fe2O3, Fe3O4 (oxydes) |
| Aluminium | bauxite | alumine hydratée Al2O3, nH2O (oxyde) |
| Étain | cassitérite | SnO2 (oxyde) |
| Zinc | blende | ZnS (sulfure) |
| Plomb | galène | PbS (sulfure) |
Les sulfures sont d'abord transformés en oxydes par grillage (chauffage dans l'air), comme tu le verras pour le zinc. Dans presque tous les cas, on arrive donc à un oxyde, qu'il faut réduire.
2. Le principe : enlever l'oxygène avec un réducteur
Pour obtenir le métal M à partir de son oxyde, on fait réagir l'oxyde avec un réducteur, c'est-à-dire un corps qui prend l'oxygène plus facilement que le métal :
oxyde métallique + réducteur → métal + oxyde du réducteur.
Le choix du réducteur dépend de la difficulté à arracher l'oxygène au métal.
| Réducteur | Métaux obtenus | Exemple d'équation |
|---|---|---|
| Carbone C et monoxyde de carbone CO | fer, zinc, plomb, étain, cuivre | Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 |
| Dihydrogène H2 | tungstène, molybdène | WO3 + 3H2 → W + 3H2O |
| Aluminium Al (aluminothermie) | chrome, manganèse ; soudure du fer | Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3 |
| Électrolyse (courant électrique) | aluminium, magnésium, sodium | 2Al2O3 → 4Al + 3O2 |
Le carbone est le réducteur industriel le plus utilisé : il est abondant, bon marché (le coke est tiré du charbon) et, en brûlant partiellement, il fournit à la fois la chaleur nécessaire et le gaz réducteur CO. C'est le principe du haut fourneau, étudié dans la leçon suivante.
Certains oxydes, comme l'alumine Al2O3, sont si stables qu'aucun réducteur chimique bon marché ne peut les réduire : on utilise alors l'électrolyse, qui fournit les électrons grâce au courant électrique. Cela consomme énormément d'électricité.
3. Les étapes de la métallurgie
- 1Extraction du minerai dans une mine à ciel ouvert ou souterraine.
- 2Préparation : concassage, broyage, lavage, pour éliminer une partie de la gangue et enrichir le minerai.
- 3Transformation éventuelle en oxyde : grillage des sulfures, calcination des carbonates.
- 4Réduction de l'oxyde par un réducteur chimique (carbone, CO, H₂, Al) ou par électrolyse.
- 5Affinage : purification du métal brut pour obtenir le métal ou l'alliage voulu.
4. La filière de l'aluminium et la Guinée
La bauxite guinéenne contient de l'alumine hydratée mêlée à de l'oxyde de fer (d'où sa couleur rouge) et à d'autres impuretés. L'aluminium s'obtient en deux grandes étapes :
- De la bauxite à l'alumine : on traite la bauxite à chaud par de la soude, ce qui dissout l'alumine et laisse les impuretés (les « boues rouges »). On récupère ensuite une poudre blanche, l'alumine Al2O3. En Guinée, l'usine de Fria, la première usine d'alumine d'Afrique, transforme de la bauxite en alumine (arrêtée en 2012, elle a redémarré en 2018).
- De l'alumine à l'aluminium : l'alumine est dissoute dans un sel fondu (la cryolithe) vers 950 °C puis décomposée par électrolyse : 2Al2O3 → 4Al + 3O2. L'aluminium liquide se dépose au fond de la cuve.
La Guinée possède aussi d'importants gisements de fer (Simandou, monts Nimba). Le minerai de Simandou, riche en oxydes de fer, est exporté depuis fin 2025 vers des usines étrangères, où il est réduit dans des hauts fourneaux. Exporter un minerai brut rapporte beaucoup moins que vendre le métal : la transformation sur place (alumine, puis métal) crée plus de valeur et d'emplois, mais elle demande beaucoup d'énergie électrique, d'où l'importance des barrages hydroélectriques du pays.
L'industrie métallurgique a aussi des effets sur l'environnement : poussières, boues rouges, rejets de dioxyde de carbone. Le recyclage des métaux (canettes, vieilles marmites, ferraille) permet de produire du métal en consommant beaucoup moins d'énergie qu'à partir du minerai.
5. Calculs en métallurgie
Méthode
Pour calculer la masse de métal extraite d'un oxyde :
- J'écris et j'équilibre l'équation de réduction.
- Je calcule la masse molaire de l'oxyde et celle du métal.
- Je calcule la quantité de matière d'oxyde : n = m / M (attention aux unités : 1 t = 10⁶ g ; 1 kg = 10³ g).
- J'utilise les coefficients de l'équation pour trouver la quantité de métal.
- Je calcule la masse de métal m = n × M et je la convertis dans l'unité demandée.
Raccourci : pourcentage massique de métal dans l'oxyde = (masse du métal dans une mole d'oxyde / masse molaire de l'oxyde) × 100.
Exemple
Quel est le pourcentage massique de fer dans l'hématite Fe₂O₃ et dans la magnétite Fe₃O₄ ? (Fe = 56 ; O = 16)
M(Fe₂O₃) = 2 × 56 + 3 × 16 = 112 + 48 = 160 g/mol. Pourcentage de fer : 112 / 160 × 100 = 70 %.
M(Fe₃O₄) = 3 × 56 + 4 × 16 = 168 + 64 = 232 g/mol. Pourcentage de fer : 168 / 232 × 100 ≈ 72,4 %.
À masse égale d'oxyde pur, la magnétite contient un peu plus de fer.
Exemple
Quelle masse d'aluminium peut-on obtenir par électrolyse de 10,2 tonnes d'alumine ? (Al = 27 ; O = 16)
Équation : 2 Al₂O₃ → 4 Al + 3 O₂.
M(Al₂O₃) = 2 × 27 + 3 × 16 = 54 + 48 = 102 g/mol.
m = 10,2 t = 10,2 × 10⁶ g ; n(Al₂O₃) = 10,2 × 10⁶ / 102 = 1,00 × 10⁵ mol.
n(Al) = 2 × n(Al₂O₃) = 2,00 × 10⁵ mol ; m(Al) = 2,00 × 10⁵ × 27 = 5,4 × 10⁶ g = 5,4 t.
Vérification par le pourcentage : 54 / 102 × 10,2 = 5,4 t. Juste.
Exemple
Aluminothermie : quelle masse d'aluminium faut-il pour réduire 15,2 g d'oxyde de chrome Cr₂O₃ ? Quelle masse de chrome obtient-on ? (Cr = 52 ; O = 16 ; Al = 27)
Équation : Cr₂O₃ + 2 Al → 2 Cr + Al₂O₃.
M(Cr₂O₃) = 2 × 52 + 3 × 16 = 152 g/mol ; n = 15,2 / 152 = 0,100 mol.
n(Al) = 0,200 mol ; m(Al) = 0,200 × 27 = 5,4 g.
n(Cr) = 0,200 mol ; m(Cr) = 0,200 × 52 = 10,4 g.
3Je retiens
Je retiens
Les métaux se trouvent surtout dans des minerais, sous forme d'oxydes ou de sulfures ; la gangue est la partie inutile.
Métallurgie : extraction, préparation du minerai, (grillage), réduction de l'oxyde, affinage.
Obtenir un métal à partir de son oxyde, c'est une réduction : oxyde + réducteur → métal + oxyde du réducteur.
Réducteurs industriels : carbone et CO (fer, zinc, plomb), H₂ (tungstène), Al (aluminothermie) ; électrolyse pour les oxydes très stables (aluminium).
Filière de l'aluminium : bauxite → alumine Al₂O₃ → électrolyse : 2 Al₂O₃ → 4 Al + 3 O₂.
% de métal dans un oxyde = masse du métal dans 1 mol / masse molaire de l'oxyde × 100 (70 % de fer dans Fe₂O₃).
4Erreurs fréquentes
- Dire que l'on « oxyde » le minerai pour obtenir le métal : on le RÉDUIT (on lui enlève l'oxygène).
- Oublier de convertir les tonnes en grammes avant de diviser par la masse molaire en g/mol : 1 t = 10⁶ g.
- Calculer le pourcentage de fer dans Fe₂O₃ avec un seul atome de fer : il y en a deux, soit 112 g par mole.
- Croire que la bauxite est de l'aluminium : c'est un minerai qui contient de l'alumine (un oxyde) mêlée d'impuretés.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Définis : minerai ; gangue ; métallurgie. Cite un minerai d'oxyde et un minerai de sulfure, avec le métal qu'on en tire.
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Un minerai est une roche contenant un composé métallique en quantité suffisante pour être exploité avec profit. La gangue est la partie sans valeur du minerai, que l'on élimine. La métallurgie est l'ensemble des techniques d'extraction et d'élaboration des métaux. Exemples : l'hématite (Fe2O3, oxyde) donne le fer ; la blende (ZnS, sulfure) donne le zinc.
2Exercice 2
Associe chaque métal au procédé de réduction utilisé : fer ; aluminium ; tungstène ; chrome.
Procédés : électrolyse ; monoxyde de carbone dans un haut fourneau ; dihydrogène ; aluminothermie.
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Fer : monoxyde de carbone dans un haut fourneau. Aluminium : électrolyse. Tungstène : dihydrogène. Chrome : aluminothermie.
3Exercice 3
Calcule le pourcentage massique de métal dans : a) l'oxyde de cuivre II CuO ; b) l'alumine Al2O3. On donne : Cu = 63,5 ; Al = 27 ; O = 16.
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a) M(CuO) = 63,5 + 16 = 79,5 g/mol ; 63,579,5 × 100 ≈ 79,9 %.
b) M(Al2O3) = 102 g/mol ; 54102 × 100 ≈ 52,9 %.
4Exercice 4
On réduit 23,2 g d'oxyde de tungstène WO3 par le dihydrogène. On donne : W = 184 ; O = 16 ; Vm = 22,4 L/mol.
a) Écris l'équation-bilan. Précise l'oxydant et le réducteur.
b) Calcule la masse de tungstène obtenue et le volume de dihydrogène consommé.
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a) WO3 + 3H2 → W + 3H2O. L'oxydant est WO3 (il cède son oxygène) ; le réducteur est H2 (il le prend).
b) M(WO3) = 184 + 48 = 232 g/mol ; n(WO3) = 23,2232 = 0,100 mol.
n(W) = 0,100 mol ; m(W) = 0,100 × 184 = 18,4 g.
n(H2) = 3 × 0,100 = 0,300 mol ; V(H2) = 0,300 × 22,4 = 6,72 L.
5Exercice 5
(Type BEPC) Une usine d'électrolyse traite 204 kg d'alumine. On donne : Al = 27 ; O = 16 ; Vm = 22,4 L/mol.
a) De quel minerai extrait-on l'alumine ? Cite une région de Guinée où on l'exploite.
b) Écris l'équation de la décomposition de l'alumine par électrolyse.
c) Calcule la masse d'aluminium obtenue.
d) Calcule le volume de dioxygène libéré, en litres puis en mètres cubes.
e) On suppose que le minerai utilisé contient 50 % d'alumine en masse. Quelle masse de minerai a fourni ces 204 kg d'alumine ?
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a) L'alumine est extraite de la bauxite, exploitée notamment dans la région de Boké (ou à Fria).
b) 2Al2O3 → 4Al + 3O2.
c) m = 204 kg = 204 × 103 g ; n(Al2O3) = 204 000102 = 2 000 mol.
n(Al) = 2 × 2 000 = 4 000 mol ; m(Al) = 4 000 × 27 = 108 000 g = 108 kg.
d) n(O2) = 32 × 2 000 = 3 000 mol ; V(O2) = 3 000 × 22,4 = 67 200 L = 67,2 m³.
e) Si 50 % de la masse du minerai est de l'alumine : m(minerai) = 2040,50 = 408 kg.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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