Le cuivre se retire de minerais par concentration puis métallurgie (pyro ou hydro) et par électrolyse ; son recyclage permet d'économiser énergie et ressources.

Le cuivre — Extraction et recyclage

Niveau : Seconde • Durée : 1 séance synthétique

Objectifs

Connaître les principales étapes de l'extraction du cuivre.
Savoir calculer la masse de cuivre récupérable à partir d'un minerai et d'un rendement.
Comprendre les principes de la purification électrolytique et de la filière de recyclage.

Notions clés

Minerai, teneur et concentration

Définition : Un minerai contient un certain pourcentage de cuivre. La masse de cuivre contenue dans une quantité de minerai est donnée par :

\(m_{\mathrm{Cu}} = G \times m_{\mathrm{minerai}}\)

où \(G\) est la teneur (ex. 0{,}02 pour 2\%) et les masses sont en kg ou t selon l'unité choisie.

Si un minerai a une teneur de 1{,}5\% et que l'on traite 2 tonnes, quelle masse de cuivre est contenue ?

30 kg
300 g
15 kg

1{,}5\% de 2 t = 0{,}015 \times 2000 kg = 30 kg.

Concentration et flottation

Principe : séparer les minéraux utiles (sulfures de cuivre) de la gangue par flottation : on produit un concentré à teneur plus élevée.

La flottation n'enlève pas tout le cuivre : on parle de récupération (rendement) \(R\), fraction de cuivre effectivement portée au concentré.

Que mesure le rendement \(R\) de la concentration ?

La pureté du cuivre après raffinage
La fraction du cuivre initial récupérée dans le concentré
La masse totale de minerai extraite

Le rendement de concentration indique la fraction du cuivre initial retrouvée dans le concentré.

Extraction métallurgique (pyro vs hydro)

Pyrométallurgie (ex. pour les sulfures) : grillage, fusion et séparation des phases (matte, scories). Des gaz comme \(\ce{SO2}\) sont produits et doivent être traités.

Hydrométallurgie : lixiviation chimique du minerai pour passer le cuivre en solution, puis récupération (précipitation ou électrolyse).

Réaction simplifiée d'électrolyse/électrorafinage (réduction au cathode) :

\(\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}\)

Quel procédé produit directement du cuivre métallique par réduction en solution ?

Electrollyse / électrorafinage
Flottation
Concassage

L'électrolyse réduit les ions \(\ce{Cu^{2+}}\) en cuivre métallique au niveau de la cathode.

Recyclage

Principe : collecte, tri, démantèlement puis fusion et affinage du cuivre issu de ferraille ou de produits. Le recyclage économise énergie et réduit l'extraction minière.

Quel avantage principal donne le recyclage du cuivre ?

Augmentation de la teneur en minerai
Production de nouveaux minerais
Économie d'énergie et préservation des ressources

Le recyclage évite l'extraction et demande moins d'énergie pour produire le cuivre utilisable.

Schéma des étapes (vue d'ensemble)

Les grandes étapes entre mine et produit final (et la boucle du recyclage) :

Étape 1 : Le minerai est extrait et broyé pour libérer les minéraux.

Étape 2 : La flottation concentre le cuivre dans un concentré plus riche.

Étape 3 : Le concentré est fondu, puis le cuivre est affiné par électrolyse ; la ferraille revient en boucle via le recyclage.

Exemples résolus

Calcul de masse de cuivre récupérée

Énoncé : On traite \(1~\mathrm{t}\) de minerai (soit \(1000~\mathrm{kg}\)) ayant une teneur en cuivre de \(2\%\). Le rendement global de récupération est de \(90\%\). Quelle masse de cuivre métallique obtient-on ?

Voir la solution

Étape 1 — masse de cuivre dans le minerai

On calcule la masse initiale de cuivre contenue :

\begin{align} m_{\mathrm{minerai}} &= 1000~\mathrm{kg} \\ G &= 2\% = 0{,}02 \\ m_{\mathrm{Cu\,initial}} &= G \times m_{\mathrm{minerai}} = 0{,}02 \times 1000 = 20~\mathrm{kg} \end{align}

Étape 2 — appliquer le rendement

Avec un rendement \(R=90\% = 0{,}90\) la masse récupérée est :

\[m_{\mathrm{Cu\,récupéré}} = R \times m_{\mathrm{Cu\,initial}} = 0{,}90 \times 20 = 18~\mathrm{kg}\]

Réponse : 18 kg de cuivre métallique.

Exemple simplifié d'électrorafinage

Principe : une anode impure en cuivre se dissout, les impuretés non solubles tombent comme boues et le cuivre pur se dépose à la cathode.

Quelle équation décrit la réduction au niveau de la cathode ?

\(\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-}\)
\(\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}\)
\(\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}\)

La réduction des ions cuivre donne du cuivre métallique : \(\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}\).

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir tonnes en kilogrammes (1 t = 1000 kg) lors des calculs de masse.
Confondre teneur et rendement : la teneur est dans le minerai, le rendement est la fraction récupérée.
Penser que tout le cuivre des concentrés est récupéré : il y a toujours des pertes.

Récapitulatif

Étapes : extraction et concassage → concentration (flottation) → métallurgie (pyro/hydro) → affinage (électrolyse) → produit fini.
Formule utile : \(m_{\mathrm{Cu}} = G \times m_{\mathrm{minerai}}\) puis appliquer le rendement \(R\).
Le recyclage réduit consommation d'énergie et impacts environnementaux.

Cartes mémo

Minerai (teneur)

Masse de cuivre par masse de minerai (ex. 2\%).

Concentration

Séparer minéraux utiles (flottation) pour augmenter la teneur.

Pyrométallurgie

Traitement à haute température (fusion, matte).

Électrorafinage

Affinage électrolytique : \(\ce{Cu^{2+}}\) réduit en Cu pur.

Recyclage

Réutilisation du cuivre recyclé pour économiser énergie et ressources.