Méthodes d’obtention de métaux à partir de minerais

Dans la nature, la plupart des métaux existent sous forme de composés chimiques. Par conséquent, pour pouvoir les utiliser à l’avenir, une personne devait trouver des moyens d’obtenir des métaux à partir de minerais.

• Les métaux natifs sont ceux qui existent à l’état libre dans la nature (cuivre, mercure, argent, or, platine et autres). Pour l’extraction de l’or, on utilise soit la séparation mécanique des impuretés, soit l’extraction à l’aide de réactifs.

• Les métaux restants se présentent sous forme de minerais – minéraux ou roches diverses, qui contiennent des composés métalliques, à partir desquels ils peuvent être extraits industriellement. Le plus souvent, les minerais contiennent des oxydes métalliques ou leurs sels (carbonates, sulfures, etc.). Souvent, les minerais contiennent des composés de plusieurs métaux, ils sont alors dits polymétalliques (plomb-argent, cuivre-zinc, etc.).

• Les principales méthodes d’obtention de métaux à partir de minerais sont associées à leur réduction à partir d’oxydes à l’aide de carbone: la fonte est fondue à partir de minerai de fer, l’étain à partir de pierre d’étain et d’autres métaux à partir de leurs oxydes.

• Lorsque le métal est obtenu à partir de minerai de soufre, il est d’abord converti en un composé soufré par cuisson dans un four spécial.

Métallurgie

L’obtention de métaux à partir de minerais est une tâche de la métallurgie. Ce terme désigne à la fois la science des méthodes industrielles de production des métaux, et la branche de l’industrie directement dédiée à celle-ci.

Tout procédé métallurgique est réduit à la réduction des cations métalliques par divers agents réducteurs. Pour mener à bien le processus d’obtention de métal à partir de minerai, il est nécessaire de sélectionner un agent réducteur en fonction de l’activité du métal, de tenir compte des facteurs environnementaux et économiques, ainsi que de la faisabilité technologique du processus.

Technologies pour obtenir des métaux:

• pyrométallurgique;
• hydrométallurgique;
• électrométallurgique.

En pyrométallurgie, la récupération du minerai métallique se fait à des températures élevées et avec des agents réducteurs (carbone, hydrogène, dioxyde de carbone, magnésium ou aluminium). Par exemple, le cuivre est obtenu à partir de cuprite Cu2O et l’étain est obtenu à partir de cassitérite SnO2 en les calcinant avec du coke (carbone). Il est également important de distinguer le métal du non-métal.

Vidéo sur les méthodes d’obtention de métaux à partir de minerais

Les minerais sulfurés sont d’abord grillés à l’air et l’oxyde résultant est réduit avec du charbon. Les minerais carbonatés sont également calcinés avec du charbon: à haute température, les carbonates se décomposent en formant des oxydes déjà réduits par le charbon. Grâce à la réduction du carbone, il est possible d’obtenir des éléments tels que le fer, le zinc, le cuivre, le cadmium, le plomb, l’étain, le germanium et d’autres métaux qui ne forment pas de carbures solides avec le carbone. Les métaux actifs et l’hydrogène peuvent également agir comme agents réducteurs. Avec cette méthode, un métal assez pur peut être isolé. En règle générale, l’aluminium est utilisé, qui a une chaleur très élevée de formation d’oxyde.

Hydrométallurgie

Elle est engagée dans la récupération des métaux à partir de leurs solutions salines aqueuses. Ce processus est divisé en deux étapes :

• le composé de minerai est dissous dans le réactif correspondant, ce qui donne une solution de sel métallique ;
• le métal de la solution résultante est déplacé par un métal plus actif, ou une réduction électrolytique se produit.

Par exemple, pour obtenir du cuivre pur à partir d’un minerai contenant du CuO, celui-ci est traité avec de l’acide sulfurique dilué. Ensuite, le cuivre pur est obtenu à partir de la solution de sulfate par électrolyse ou déplacement par du fer. Le zinc, l’argent, le molybdène, l’uranium et l’or sont obtenus à l’aide d’une technologie similaire.

Électrométallurgie

C’est le nom de la récupération des métaux par électrolyse d’une masse fondue ou d’une solution de leurs composés. Ainsi, il est possible d’obtenir des métaux à partir de minerais de métaux alcalins et alcalino-terreux et d’aluminium. Les fusions d’hydroxydes, d’oxydes ou de chlorures métalliques subissent une électrolyse.

Obtention de métaux alcalins

Plus complexe est le processus de production en masse de métaux alcalins qui, en raison de leur activité élevée, n’existent dans la nature que sous forme liée. Ce sont des agents réducteurs puissants, leur récupération nécessite donc beaucoup d’énergie. Ils sont obtenus de plusieurs manières.

• Le lithium est obtenu sous vide à partir d’oxyde ou par électrolyse de son chlorure, obtenu par traitement du spodumène.
• En calcinant de la soude et du charbon dans un creuset bien fermé, on obtient du sodium. Une méthode moins chronophage est l’électrolyse d’une masse fondue de chlorure de sodium en présence de calcium.
• Le potassium est également obtenu par électrolyse de sels fondus ou en faisant passer de la vapeur de sodium à travers son chlorure. Il peut également être obtenu en mettant en contact du sodium liquide et de l’hydroxyde de potassium fondu à 440 degrés.
• Le rubidium et le césium encore plus actifs sont obtenus en réduisant leurs chlorures à 700-800 degrés avec du calcium, ou à 650 degrés avec du zirconium. Une telle obtention de métaux à partir de minerais à haute température s’avère extrêmement coûteuse et énergivore.

Différence entre les métaux et les alliages

Il n’y a pas de frontière claire et fondamentale entre eux, car même les métaux les plus purs contiennent au moins des traces d’impuretés. En fait, tous les métaux utilisés par l’industrie et toutes les autres branches de l’activité humaine sont des alliages, qui sont obtenus en ajoutant délibérément d’autres éléments ou composés au métal de base.

L’ingénierie nécessite des matériaux métalliques aux propriétés multiples. Les métaux purs ne sont pratiquement pas utilisés, car ils n’ont pas les propriétés dont nous avons besoin. Par conséquent, les gens ont développé un grand nombre d’alliages métalliques, qui sont devenus le principal matériau de structure pour toutes sortes de produits. Un alliage est compris comme un matériau macroscopiquement homogène constitué de deux éléments chimiques ou plus, dont la majeure partie est du métal. Les alliages ont leur propre structure. Voici les composants qui composent tout alliage :

• une base comprenant un ou plusieurs métaux ;
• petits additifs d’alliage ou de modification;
• impuretés résiduelles (naturelles, technologiques, aléatoires).