Le cuivre s'extrait par concentration, pyrométallurgie puis électroaffinage ; son recyclage économise beaucoup d'énergie et réduit la pollution.

Le cuivre — Extraction et recyclage

Objectifs

Comprendre les grandes étapes d'extraction du cuivre (mine → concentré → fusion/raffinage).
Connaitre les principes de l'électroaffinage et du recyclage.
Savoir effectuer un calcul stœchiométrique simple lié au cuivre.

Notions clés

1. Minerai et concentration

Exemple de minerai courant: la chalcopyrite, formule \(\ce{CuFeS2}\). La concentration (ex. flottation) sépare les minéraux utiles de la gangue.

flowchart LR
    A[Mine] --> B[Concassage & broyage]
    B --> C[Flottation (concentré)]
    C --> D[Rôtissage]
    D --> E[Cuivre matte / oxyde]
    E --> F[Affinage (électrolyse)]
    F --> G[Cu pur]

2. Pyrométallurgie et électrométallurgie

Quelques réactions (simplifiées):

Rôtissage/conversion des sulfures (exemple simplifié): \(\ce{2 CuFeS2 + 5 O2 -> Cu2S + 2 FeO + 3 SO2}\).
Électroaffinage (anode qui se dissout, cathode qui se recouvre):
anode: \(\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2 e^-}\)
cathode: \(\ce{Cu^{2+} + 2 e^- -> Cu}\)

3. Recyclage

Le cuivre se recycle très bien : la réutilisation du cuivre nécessite beaucoup moins d'énergie que l'extraction primaire — ordre de grandeur \(\sim90\%\) d'économie d'énergie.

Quel processus permet d'obtenir un concentré riche en cuivre à partir du minerai broyé ?

Électroaffinage
Flottation
Électrolyse

La flottation sépare la matière utile (minéraux de cuivre) de la gangue et produit un concentré.

Exemples résolus

Équation bilan: \(\ce{Cu2O + H2 -> 2 Cu + H2O}\).

Voir la solution

Étape 1 — masses molaires (valeurs usuelles) : \(M(\mathrm{Cu})=63.55\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) et \(M(\mathrm{O})=16.00\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Étape 2 — masse molaire de \(\ce{Cu2O}\) : \[ M(\ce{Cu2O})=2\times63.55+16.00=143.10\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]

Étape 3 — masse de Cu formée par mole de \(\ce{Cu2O}\) : 2 moles de Cu soit \[ 2\times63.55=127.10\,\mathrm{g}. \]

Étape 4 — fraction massique théorique (rendement maximal) : \[ \dfrac{127.10}{143.10}=0.888\approx88.8\% . \]

Si on réduit 286.2 g de \(\ce{Cu2O}\) (2 moles), quelle masse de Cu obtient-on théoriquement ?

254.2 g
127.1 g
143.1 g

2 moles de \(\ce{Cu2O}\) donnent 4 moles de Cu : \(4\times63.55=254.2\,\mathrm{g}\).

Erreurs fréquentes

Autres erreurs courantes : oublier de convertir masse ↔ moles, mélanger étapes de concentration et d'affinage, ou penser que tout le cuivre extrait est immédiatement pur.

Quelle étape permet d'obtenir du cuivre de haute pureté utilisable pour les fils électriques ?

Flottation
Rôtissage
Électrolyse (électroaffinage)

L'électroaffinage purifie le cuivre jusqu'à des taux supérieurs à 99.9% adaptés aux applications électriques.

Schéma synthétique du cycle cuivre

flowchart LR
    Mine --> Concentration
    Concentration --> Extraction
    Extraction --> Affinage
    Affinage --> Produit
    Produit --> Dechets
    Dechets --> Recyclage
    Recyclage --> Affinage

Récapitulatif

Étapes principales : concassage, flottation (concentration), pyrométallurgie, électroaffinage.
Réactions importantes en électroaffinage : \(\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2 e^-}\) et \(\ce{Cu^{2+} + 2 e^- -> Cu}\).
Le recyclage permet d'économiser une grande partie de l'énergie (ordres de grandeur \(\sim90\%\)) et réduit la pollution.

Cartes mémo

Flottation

Séparation de la gangue : on obtient un concentré riche en cuivre.

Électroaffinage

Affinage par électrolyse : l'anode se dissout, le cuivre pur se dépose à la cathode.

Chalcopyrite

Minerai courant : \(\ce{CuFeS2}\).

Recyclage

Réduit fortement la consommation d'énergie et les émissions liées à la production primaire.