Ch 4.1      Séparation des ions Fer III et des ions cuivre II  
 
Les minerais de cuivre sont principalement constitués de sulfures ou d’oxydes, contenant moins de 2 % de cuivre et d’autres éléments métalliques (fer, nickel, …) considérés comme des impuretés.
Le cuivre peut être extrait de son minerai par hydrométallurgie où le minerai est attaqué par une solution aqueuse acide.
La mise en solution aqueuse va permettre d’éliminer certains ions métalliques par précipitation.
 
Dans ce Tp, on va réaliser la séparation des ions fer III des ions cuivre II par la technique de précipitation.

1.Introduction

En solution, les ions métalliques précipitent en présence d’ions hydroxyde (HO-(aq)) donnant des hydroxydes métalliques.
 

1.1 Avec les ions Fe3+

Introduire dans un tube à essais 2 mL de solution de chlorure de fer III (Fe3+(aq) + 3 Cl-(aq) ).
Ajouter quelques gouttes de solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO-(aq)).

Noter vos observations. Ecrire l’équation  qui traduit  la réaction.
En présence d’ions hydroxyde, les ions fer III précipitent en donnant un précipité rouille d’hydroxyde de fer III
Fe 3+(aq) + 3 HO-(aq)  =  Fe(OH)3 (s)                  K1 = 1,0.1038     Réaction totale!
 

1.2 Avec les ions Cu2+

Même manipulation avec une solution de sulfate de cuivre II (Cu2+(aq) + SO42-(aq)).
Noter vos observations. Ecrire l’équation  qui traduit  la réaction.
En présence d’ions hydroxyde, les ions cuivre II précipitent en donnant un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre II 
Cu 2+(aq) + 2 HO-(aq)  =  Cu(OH)2 (s)                  K2 = 1,7.1019  Réaction totale!
 
 

2. Principe de la méthode de séparation des ions métalliques

La précipitation des hydroxydes métalliques dépend fortement du pH. On se propose de le vérifier pour des solutions de concentrations C, identiques, en ions métalliques.
 

2.1 Précipitation des ions fer III

1) Manipulation

Introduire dans un bécher 10,0 mL de solution de chlorure de fer III à 0,2 mol.L-1 et ajouter 10 mL d’eau distillée ( pas plus! on dilue donc 2 fois ).
Mesurer le pH initial.
Verser ensuite un volume Vb de solution d’hydroxyde de sodium de 0,5 en 0,5 mL et noter le pH correspondant jusqu’à la fin du saut de pH.


Tracer, sur papier millimétré, la courbe pH = f(Vb).

Noter le pH de début de précipitation.
La précipitation est immédiate ( v < 0.5 mL et pH ~2 )
 
Noter le pH de début de saut et le pH de fin de saut..
Le pH de début de saut est  3            Le pH de fin de saut est 12
 

2) Questions

Exprimer le quotient de réaction Qr1
 
La précipitation commence lorsque Qr1 = K1, calculer le pHthéorique  de début de précipitation ( la concentration des composés ioniques dissous étant égale à 0,1 mol.L-1 car la solution initiale a été diluée 2 fois...).

d’où le pH de début de précipitation : pHdp = 1,7
 
Comparer avec la valeur expérimentale trouvée.
La précipitation expérimentale démarre à pH 2 .
 
Connaissant le pH du début de saut, calculer la concentration restante d’ions fer III  dans la solution à ce moment.
Début de saut : pH  3 .
Donc, à ce moment là : [ H3O+] ~ 10-3 mol.L-1 et   [HO-] ~ 10-11 mol.L-1

Peut-on affirmer que tous les ions ont précipité ?
La concentration des ions fer III a été divisée par 104 . On peut considérer qu’ils ont tous réagi….
 
Expliquer le saut brutal de pH..
Au début les ions HO- versés réagissent avec les ions Fe3+ et forment le précipité d’hydroxyde de fer.
Quand tous les ions fer III ont précipité, les ions hydroxyde ajoutés ne réagissent plus et le pH augmente rapidement.

 

2.2 Précipitation des ions cuivre II

1) Manipulation 

Introduire dans un bécher 10 mL de solution de sulfate de cuivre II à 0,2 mol.L-1. et ajouter 10 mL d’eau distillée .
Mesurer le pH initial.
Verser ensuite un volume Vb de solution d’hydroxyde de sodium de 0,5 en 0,5 mL et noter le pH correspondant jusqu’à la fin du saut de pH.


Tracer, sur papier millimétré, la courbe pH = f(Vb).

Noter le pH de début de précipitation.
La précipitation n’est pas immédiate ( v 4 mL et pH 4,5 )
 
Noter le pH de début de saut et le pH de fin de saut..
Le pH de début de saut est  6            Le pH de fin de saut est  12
 

2) Questions

Exprimer le quotient de réaction Qr2 
 
 
La précipitation commence lorsque Qr2 = K2, calculer le pHthéorique  de début de précipitation ( la concentration des composés ioniques dissous étant égale à 0,1 mol.L-1).

d’où le pH de début de précipitation : pH = 4,9
 
Comparer avec la valeur expérimentale trouvée.
La précipitation expérimentale démarre à pH4.5 donc les valeurs sont voisines.
    
Connaissant le pH du début de saut, calculer la concentration restante d’ions cuivre II  dans la solution à ce moment.
Début de saut : pH  6
Donc, à ce moment là : [ H3O+]  10-6 mol.L-1 et   [HO-] 10-8 mol.L-1

Peut-on affirmer que tous les ions ont précipité ?
La concentration des ions cuivre est passée de 1,0.10-1 à 6.10-4 mol.L-1 . On peut considérer qu’ils ont tous réagi….
 
 
Expliquer le saut brutal de pH..
Au début les ions HO- versés réagissent avec les ions Cu2+ et forment le précipité d’hydroxyde de cuivre. Quand tous les ions Cu2+ ont précipité, les ions hydroxyde ajoutés ne réagissent plus et le pH augmente rapidement. 

2.3 Conclusion

Quels sont les domaines de précipitation de chaque ion ?
 

les 2 domaine de précipitation sont disjoints
Proposer une méthode permettant de séparer les ions Cu2+ et Fe3+ dans un mélange.
On  versera une quantité d’ions hydroxyde telle que pH  3,5
Tous les ions Fe3+ auront alors précipité.
A ce moment, il suffit de filtrer afin de récupérer les ions cuivre II en solution aqueuse
 
 

3.  Séparation des ions Cu2+ et des ions Fe3+ dans un mélange 

 

3.1 Manipulation

 Reprendre le montage précédent.

Introduire dans le bécher 10 mL de solution de chlorure de fer III à 0,2 mol.L-1 et 10 mL de solution de sulfate de cuivre II à 0,2 mol.L-1.

Mesurer le pH initial.

Verser ensuite l’hydroxyde de sodium à 0,5 mol.L-1 jusqu’à ce que le pH atteigne une valeur entre le pH de fin de précipitation des ions fer III et le pH de début de précipitation des ions cuivre II.

Filtrer alors le mélange contenu dans le bécher.

3.2 Conclusion

Quelle est l’espèce éliminée de la solution ? Sous quelle forme est-elle obtenue ?
On a éliminé les ions Fe3+ de la solution ; ils ont dans le précipité d’hydroxyde de fer III rouille
 
Quelle est la couleur du filtrat ? bleu clair
Quelle est l’espèce chimique contenue dans le filtrat ? les ions cuivre II : Cu2+(aq)
 
Comment vérifier qu’il ne contient qu’un type d'ions ?
par ajout de soude, on obtient un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre II:  Cu(OH)2(s) 
 
 
L’objectif est-il atteint ? Conclure.
L’objectif est atteint : il est possible, par variation de la concentration [HO-], donc du pH, de faire précipiter la quasi-totalité de l’élément fer sous forme d’hydroxyde de fer III tout en conservant les ions cuivre II en solution :on a réalisé une précipitation fractionnée.