014 – Extraction des métaux lourds

Le plomb et le cuivre parviennent aux eaux usées par la corrosion des canalisations, par les bains usés de placage et de décapage, ainsi que par l'élimination négligente de peintures et de solvants. Aucun des deux éléments n'est détruit par la dilution ou par le traitement biologique, et tous deux sont toxiques à faible concentration — c'est pourquoi les stations d'épuration municipales et industrielles éliminent chimiquement les métaux dissous avant le rejet de l'eau. La méthode standard est celle utilisée ici : ajouter un contre-ion qui forme un sel insoluble avec le métal, puis filtrer le solide.

La chimie repose sur la solubilité. Un sel précipite lorsque le produit de ses concentrations ioniques dépasse son produit de solubilité K_sp; en dessous de cette valeur, il reste dissous. Le sulfate de plomb et le carbonate de cuivre sont tous deux très peu solubles, de sorte que l'ajout de sulfate élimine le plomb sous forme de PbSO₄ et l'ajout de carbonate élimine le cuivre sous forme de CuCO₃₃. L'ordre n'est pas arbitraire. Le carbonate pricipiterait le plomb aussi bien que le cuivre, donc si le carbonate était ajouté en premier, les deux métaux sortiraient ensemble et ne pourraient pas être séparés. Le sulfate, en revanche, laisse le cuivre en solution — le sulfate de cuivre est librement soluble — donc le sulfate en premier, le carbonate en second, donne deux fractions propres.

Dans ce laboratoire, vous traiterez un échantillon d'eau usée de 100 mL contenant les deux métaux. Vous péserez un papier filtre, ajouterez du sulfate de sodium à l'échantillon et observerez la formation de sulfate de plomb blanc, le filtrerez et péserez à nouveau le papier pour obtenir la masse du précipité. Vous ajouterez ensuite du carbonate de potassium au filtrat, précipiterez le cuivre sous forme de carbonate de cuivre bleu-vert, filtrerez et péserez à nouveau. À partir des deux masses, vous calculerez la quantité de plomb et de cuivre que contenait l'échantillon d'origine, et évaluerez l'efficacité de l'élimination de chacun d'eux.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Localiser et utiliser le matériel d'un banc gravimétrique : la balance numérique et la coupelle de pesée, la spatule, l'éprouvette graduée, les trois flacons Erlenmeyer, l'entonnoir et les papiers filtre.

Utilisation d'équipements de protection et manipulation sécuritaire des métaux lourds

• Portez des gants et des lunettes de protection en tout temps, et traitez chaque solution de ce laboratoire comme si elle était contaminée.
• Les déchets contenant du plomb et du cuivre sont collectés pour être éliminés plutôt que d'être jetés dans un drain, car ces métaux lourds sont toxiques pour l'environnement et la santé humaine. Ils ne se dégradent pas, polluent les sources d'eau et endommagent les écosystèmes aquatiques ainsi que les infrastructures de traitement des eaux.

Précipitation sélective

• Choisissez un agent précipitant en fonction du métal qu'il éliminera et de celui qu'il n'éliminera pas.
• Justifiez l'ordre des deux ajouts et prédisez ce qui se passerait si le carbonate était ajouté avant le sulfate.

Technique de filtration gravimétrique

• Assemblez un entonnoir et un papier filtre, en humidifiant le papier avec de l'eau distillée de manière à ce qu'il adhère à la paroi de l'entonnoir.
• Pesez le papier filtre avant usage et le papier avec le précipité après, puis obtenez la masse du solide par différence.

Traitement quantitatif des résultats

• Convertir la masse d'un précipité en moles en utilisant la masse molaire du sel.
• Utilisez la stœchiométrie 1:1 de chaque précipitation pour obtenir les moles, puis la masse, du métal qui a été dissous dans l'échantillon d'origine.

Évaluation de l'efficacité d'un traitement

• Comparez la masse de préciputé récupéré à la quantité maximale que la quantité de réactif ajoutée pouvait produire, et identifiez quelle espèce était limitante.
• Énumérez les sources d'erreur dans une détermination gravimétrique et la direction dans laquelle chacune biaise le résultat.

Protocole

Précipitation avec du sulfate de sodium.

1. Pesez un papier filtre et notez sa masse dans le tableau des résultats.
2. Mesurer 100 mL d'eaux usées avec la éprouvette graduée et verser l'échantillon dans le ballon Erlenmeyer 1.
3. Peser 79,8 g (30 mL) de sulfate de sodium.
4. Déposez le sulfate de sodium dans le erlenmeyer 1.
5. Mélanger le contenu du bécher 1 et observer le précipité qui se forme au fond du récipient.

Le sulfate de sodium a la capacité de former un précipité avec le plomb (PbSO4).

6. Placez un entonnoir sur le flacon Erlenmeyer 2.
7. Placez le papier filtre dans l'entonnoir.
8. Collez le papier filtre à la paroi de l'entonnoir avec un peu d'eau distillée.
9. Versez le mélange du ballon Erlenmeyer 1 dans le papier filtre placé sur le ballon Erlenmeyer 2 pour extraire le précipité.
10. Laisser sécher le papier filtre pendant 10 secondes, puis retirer l'ensemble papier filtre + précipité et le peser. La masse est indiquée dans le tableau des résultats.
11. Retirer l'entonnoir du flacon Erlenmeyer 2.

Précipitation avec du carbonate de potassium

1. Peser 60,75 g (25 mL) de carbonate de potassium.
2. Placez le carbonate de potassium dans le flacon Erlenmeyer 2.
3. Mélanger le contenu du flacon Erlenmeyer 2 et observer le précipité qui se forme au fond du récipient.

Le carbonate de potassium a la capacité de former un précipité avec le cuivre (CuCO3).

4. Placez un entonnoir sur le erlenmeyer 3.
5. Placez l'autre papier filtre dans l'entonnoir.
6. Collez le papier filtre à la paroi de l'entonnoir avec un peu d'eau distillée.
7. Verser le mélange de l'erlenmeyer 2 à travers le papier filtre placé sur l'erlenmeyer 3 pour extraire le précipité.
8. Laisser sécher le papier filtre pendant 10 secondes, puis retirer l'ensemble papier filtre + précipité et le peser. La masse est indiquée dans le tableau des résultats.

Ces 2 réactions peuvent être utilisées pour éliminer les métaux lourds des eaux usées.

Résultats attendus

Les deux précipitations. Chaque métal est éliminé par une réaction de double déplacement en une seule étape, et chacun présente une stœchiométrie de 1:1 entre l'ion métallique et le sel qui précipite :

Pb²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) — un solide blanc dense

Cul²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CuCO₃₃(s) — un solide bleu-vert

Mesures attendues. Les chiffres ci-dessous sont ceux que la simulation indique pour un échantillon de 100 mL.

De la masse du précipité au métal dissous. Les masses molaires sont M(PbSO₄) = 303,26 g/mol et M(CuCO₃) = 123.56 g/mol. Pour le plomb :

n(PbSO₄₄) = 140,48 g ÷ 303,26 g/mol = 0,463 mol, et parce qu'un PbSO₄ contient un Pb²⁺, n(Pb²⁺) = 0,463 mol également. La masse de plomb récupérée est donc de 0,463 mol × 207,2 g/mol = 95,9 g, et sa concentration dans l'échantillon de 100 mL était de 0,463 mol ÷ 0,100 L = 4,63 mol/L.

Les trois mêmes étapes pour le cuivre : n(CuCO₃) = 54,04 g ÷ 123,56 g/mol = 0,437 mol, donc n(Cu²⁺) = 0,437 mol, une masse de 0,437 mol × 63,55 g/mol = 27,8 g et une concentration de 4,37 mol/L. Telle est toute la logique de l'analyse gravimétrique : une quantité qui ne peut être pesée — un ion en solution — est mesurée en le capturant dans un solide de composition connue et en pesant ce dernier à la place.

Quel réactif était limitant ?. Cela vaut la peine de vérifier, car cela vous permet de savoir si l'élimination a été complète. La quantité de sulfate de sodium ajoutée correspond à 79,8 g ÷ 142,04 g/mol = 0,562 mol de sulfate, contre 0,463 mol de plomb : il y a un excès de sulfate d'environ 20 %, donc pratiquement tout le plomb est précipité et le résultat pour le plomb est limité par la quantité de plomb présente, comme prévu. Le carbonate de potassium ajouté représente 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mol de carbonate, pour 0,437 mol de cuivre récupéré — ce qui est presque exactement stœchiométrique. L'étape du cuivre ne laisse donc aucune marge : un léger déficit en carbonate laisserait du cuivre dans la solution, et tout carbonate consommé par une autre réaction se traduirait directement par un résultat faible.

Ce que vous devriez voir en chemin. L'échantillon non traité est bleuté, la couleur du Cu hydraté²⁺; le plomb(II) en solution est incolore et ne contribue à rien. Précipiter le plomb laisse donc le filtrat toujours bleu — la couleur ne provient pas du plomb. Ce n'est qu'après l'étape du carbonate, lorsque le cuivre a été éliminé sous forme de solide, que l'eau devient claire. Cette progression constitue en soi la preuve qualitative que le second traitement a fait ce que le premier ne pouvait pas faire.

Pourquoi l'ordre a de l'importance, exprimé en chiffres. Le carbonate de plomb est encore moins soluble que le sulfate de plomb, de sorte que le carbonate ajouté à l'échantillon initial ferait précipiter les deux métaux ensemble et les deux masses ne pourraient jamais être séparées. L'ajout de sulfate en premier exploite la seule différence qui compte ici : le PbSO₄ est peu soluble alors que le CuSO₄ est très soluble, de sorte que l'étape des sulfates est sélective pour le plomb. C'est le principe qui sous-tend toute méthode de précipitation sélective en chimie analytique : trouver un réactif dont les produits de solubilité diffèrent suffisamment entre les deux ions pour les séparer.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Focalisation précipitation comme moyen d'éliminer une substance dissoute, et pesée par différence.
• Activités : peser chaque papier filtre avant utilisation ; réaliser les deux précipitations et décrire la couleur et l'aspect de chaque solide ; filtrer et peser, et obtenir la masse de chaque précipité par soustraction ; décrire comment la couleur de l'eau change à chaque étape et dire ce qu'elle indique.

11e année

• Focalisation le lien quantitatif entre un solide pesé et un ion dissous.
• Activités : Écrivez et équilibrez les deux équations de précipitation, sous forme moléculaire et ionique nette ; convertissez la masse de chaque précipité en moles, puis en masse et en concentration du métal dans l'échantillon d'origine ; déterminez quel réactif était en excès à chaque étape ; expliquez pourquoi le sulfate de sodium doit être ajouté avant le carbonate de potassium.

12e année / Niveau universitaire

• Focalisation précipitation sélective, équilibres de solubilité et analyse des erreurs.
• Activités : exprimez chaque précipitation en fonction de K_sp et calculez la concentration résiduelle de métal laissée en solution une fois la précipitation terminée ; expliquez quantitativement pourquoi lecarbonate ne peut pas être utilisé pour séparer le plomb du cuivre ; discutez de la conséquence du fait que l'étape du cuivre soit presque exactement stoechiométrique, et spécifiez quelle quantité decarbonate vous ajouteriez pour garantir une élimination complète ; comparez les concentrations obtenues ici avec les limites réglementaires pour le plomb et le cuivre dans l'eau rejetée et commentez la différence d'échelle.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Équilibre numérique
• Nacelle de pesée
• Spatule
• Baguette de verre
• Entonnoir
• Papiers filtres ×2
• Erlenmeyers de 250 mL ×3
• Éprouvette graduée (100 mL)
• Flacon laveur d'eau distillée
• Gants et protection oculaire

Produits

• Eaux usées contenant du Pb²⁺ et Cu²⁺ (échantillon de 100 mL)
• Sulfate de sodium, Na₂DONC₄ (poudre, 79,8 g / 30 mL utilisés)
• Carbonate de potassium, K₂CO₃ (poudre, 60,75 g / 25 mL utilisés)
• Eau distillée