Vidéo de la leçon : Extraction du fer Chimie

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons parler du processus d’extraction du fer de son minerai dans le haut fourneau. Nous allons voir les produits chimiques utilisés dans un haut-fourneau et les températures impliquées.

Le fer est un métal abondant, relativement peu coûteux à produire. On peut trouver des minerais contenant une forte proportion de fer dans le monde entier. De nombreux composés du fer peuvent être trouvés dans la nature. Mais celui qui est le plus couramment utilisé pour l’extraction du fer est l’hématite, que nous allons présenter dans cette vidéo. L’hématite est une forme naturelle d’oxyde de fer (III), Fe2O3. Et elle contient environ 70 pour cent de fer en masse. Cela signifie qu’avec une extraction parfaite, en prenant un kilogramme de minerai, on devrait obtenir 0,7 kilogramme ou 700 grammes de fer pur. Cependant, ce n’est pas si simple, alors regardons les détails.

Le fer peut être extrait de son minerai à l’aide de carbone, ce qui est très bien. Le carbone est peu coûteux et très abondant Le carbone utilisé pour extraire le fer est généralement obtenu à partir du charbon. Le charbon contient souvent des hydrocarbures et d’autres impuretés volatiles. Le traitement thermique du charbon à plus de 1000 degrés Celsius permet d’éliminer certaines de ces impuretés, formant ce qu’on appelle le coke. Le coke est une forme de carbone beaucoup plus pure que le charbon, ce qui signifie qu’il introduit moins d’impuretés dans le fer. Lorsque l’hématite réagit directement avec le carbone, une réaction d’oxydo-réduction se produit.

L’hématite, Fe2O3, est réduite en fer. Et en même temps, le carbone est oxydé en un mélange de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone. La stœchiométrie exacte dépendra des conditions. Si nous regardons la série de réactivité, nous constatons que le carbone est plus réactif que le fer. Donc, quand on chauffe des oxydes de fer avec du carbone, l’oxygène passe du fer au carbone.

Jusque-là, cela semble assez simple. On dirait qu’on doit simplement chauffer l’hématite avec du coke pour obtenir du fer, mais en fait, ce n’est pas si simple que ça. L’hématite pure fond à 1565 degrés Celsius, et le fer fond à une température très similaire, vers 1538 degrés Celsius. Le carbone, cependant, est plutôt capricieux. Il ne fondra pas ; au lieu de fondre, il se sublime, à la température faramineuse de 4827 degrés Celsius. Cela signifie que jusqu’à la température d’environ 1500 degrés Celsius au moins, tous les réactifs sont encore à l’état solide. Les solides sont difficiles à mélanger, et la réaction sera extrêmement lente.

Et même si on chauffe assez pour faire fondre l’hématite, cela n’améliore pas vraiment les choses. Il est difficile de mélanger l’hématite avec le carbone qui est beaucoup moins dense. Mais heureusement, on n’a pas besoin de chauffer jusqu’à 5000 degrés Celsius pour que cette réaction se produise rapidement. Ce qu’on peut faire, c’est profiter d’une caractéristique intéressante du carbone. Quand le carbone réagit avec une quantité limitée d’oxygène, il forme du monoxyde de carbone lors d’une réaction exothermique. Avec de l’oxygène supplémentaire, le monoxyde de carbone peut réagir pour former du dioxyde de carbone, encore une fois dans un processus exothermique. Si, dans les mêmes conditions, on utilise du monoxyde de carbone au lieu du carbone comme agent réducteur, on aura une réaction beaucoup plus efficace car il sera beaucoup plus facile de mélanger un gaz qu’un solide.

Dans le haut fourneau où cette réaction se produit, l’hématite peut être utilisée à l’état solide. Mais le fer qu’on récupère à la fin est bien un liquide. La réaction la plus importante à retenir ici est la réaction entre l’hématite et le monoxyde de carbone. La réaction entre l’hématite et le carbone se produit aussi, mais beaucoup moins.

Ensuite, examinons un des aspects les plus importants de la chimie du monde réel, celui des impuretés. Le vrai coke et le vrai minerai de fer contiennent des impuretés. L’impureté problématique que nous allons examiner est le sable, qui est principalement constitué de dioxyde de silicium. Vous avez peut-être entendu parler du dioxyde de silicium, aussi appelé silice. Si on n’élimine pas la majeure partie de cette impureté, elle finira dans le fer, lui conférant des propriétés qu’on ne veut pas.

Pour éliminer le dioxyde de silicium, on introduit un élément chimique pour réagir avec. L’élément chimique qu’on ajoute est le carbonate de calcium, sous forme de calcaire. Le carbonate de calcium ne fait pas le travail lui-même. Mais à des températures élevées, il peut se décomposer thermiquement, pour produire de l’oxyde de calcium et du dioxyde de carbone. L’oxyde de calcium peut réagir avec le dioxyde de silicium présent comme impureté, produisant du silicate de calcium, CaSiO3. Cette forme de silicate de calcium a un point de fusion d’environ 1540 degrés Celsius, très proche de celui du fer. Le silicate de calcium fondu se sépare naturellement du fer fondu en raison de sa faible densité. L’introduction du carbonate de calcium permet de produire une couche d’impuretés qui peut être éliminée simplement en ouvrant un robinet. On appelle cette couche le laitier.

Maintenant, allons au cœur même de l’extraction du fer, le haut fourneau. Sur toute l’année 2019, 2,5 milliards de tonnes de minerai de fer ont été extraites dans le monde. C’est l’équivalent de 7500 fois la masse de l’Empire State Building. On a besoin d’équipements énormes pour traiter tout ce minerai. C'est là qu'intervient le haut fourneau.

Un haut fourneau moderne mesure environ 15 mètres de large et 35 mètres de haut. Il a le volume d’environ deux piscines olympiques. Avec un de ces fours, on peut s’attendre à obtenir environ 10000 tonnes de fer fondu par jour. Le schéma détaillé d’un haut fourneau est très complexe. Nous allons regarder un schéma simplifié.

Dans la première étape, le coke, le minerai et le calcaire sont introduits dans le four par le haut. Le coke fournit le carbone, le minerai fournit l’oxyde de fer (III) et le calcaire fournit le carbonate de calcium. Dans l’étape suivante, de l’air chaud ayant une température entre 900 et 1300 degrés Celsius est injecté dans le fond du four. Ce sont ces souffles d'air chaud qui caractérisent le haut fourneau. L’oxygène de l’air réagit rapidement avec le carbone solide du coke, produisant du dioxyde de carbone qui monte dans le four. Cette réaction exothermique, parmi d’autres, mène à une température en bas du four entre 1500 et 2000 degrés Celsius.

Quand le dioxyde de carbone monte et se mélange avec du carbone supplémentaire, il réagit pour produire du monoxyde de carbone. Il s'agit encore d'une réaction exothermique. Le monoxyde de carbone monte dans le haut fourneau pour faire le travail le plus important : réduire l’oxyde de fer. Le monoxyde de carbone réagit avec le minerai de fer à partir du haut et lors de sa descente dans le haut fourneau. L’oxyde de fer (III) réagit avec le monoxyde de carbone pour produire du fer et du dioxyde de carbone. Le fer produit en haut est solide car il n’est pas assez chaud pour fondre. Mais il fond quand il arrive en bas. Nous pouvons donc considérer que l’équation globale est celle qui produit le fer à l’état liquide.

Le minerai de fer descend dans la colonne, puis le fer en fusion et le laitier sont extraits à partir du fond. En descendant vers le fond, on a plus de fer et moins de minerai de fer. Il y a également le carbonate de calcium sous forme de calcaire qui descend, je vais faire un peu de place pour expliquer correctement. À environ 800 degrés, le carbonate de calcium introduit sous forme de calcaire se décompose assez rapidement pour produire l’oxyde de calcium nécessaire. La décomposition du carbonate de calcium en oxyde de calcium et dioxyde de carbone est endothermique. Donc, ce processus absorbe une partie de la chaleur générée par la combustion du coke. Le dioxyde de carbone supplémentaire produit peut également réagir avec le carbone pour produire plus de monoxyde de carbone.

Dans l’étape suivante, l’oxyde de calcium réagit avec le dioxyde de silicium présent sous forme d’impureté dans le minerai. Cela aide à limiter la quantité d’impuretés du silicium dans le fer obtenu. Le silicate de calcium produit fond à peu près à la même température que le fer. Donc, en bas, il est fondu. En bas, on a une couche de fer fondu recouverte d’une couche d’impuretés fondues dont le silicate de calcium. Cette couche supérieure est appelée laitier. Le laitier est évacué séparément du fer fondu. Et le fer fondu produit dans ce processus s’appelle la fonte brute.

La fonte brute produite par un haut fourneau est encore relativement impure, avec environ quatre pour cent massiques de carbone, ainsi que d’autres impuretés. Après solidification, ce niveau élevé de carbone rend le fer assez dur mais aussi relativement friable. Pour produire de l’acier destiné à des applications structurelles, une partie de ce carbone doit être éliminée. Cela peut être fait en utilisant le processus à l’oxygène. Cependant, ce n’est pas le sujet de cette vidéo. Faisons plutôt un peu de pratique.

Laquelle des substances suivantes présentes à l'intérieur d'un haut fourneau entraîne la réduction du minerai de fer ? (A) CO, (B) CO2, (C) CaCO3, (D) H2O ou (E) O2.

Un haut fourneau utilise un mélange d’air chaud et de carbone sous forme de coke pour réduire les minerais métalliques, tels que les minerais de fer et de plomb. Dans le cas du fer, le minerai de fer le plus utilisé est l’hématite, une forme d’oxyde de fer (III). La réduction de ce minerai de fer permet d’éliminer l’oxygène, pour obtenir le fer seul.

Une façon d’aborder cette question est de déterminer lequel de ces cinq produits chimiques est capable d’extraire de l’oxygène du minerai de fer. Pour cette question, je vais considérer la réduction comme étant le processus d’élimination de l’oxygène de quelque chose. On pourrait considérer les électrons, mais dans ce cas, il est plus simple de parler en termes d’élimination de l'oxygène.

En tant que test rapide, nous pouvons voir comment ces substances réagissent avec l’oxygène moléculaire. Le monoxyde de carbone réagit avec l’oxygène pour former du dioxyde de carbone. Le monoxyde de carbone est donc capable d’acquérir plus d’oxygène. Par conséquent, nous pouvons considérer le monoxyde de carbone comme un réducteur potentiellement efficace. En revanche, le dioxyde de carbone ne peut pas réagir avec de l’oxygène supplémentaire. Il est donc peu probable qu’il soit un réducteur efficace. Et cela est vrai pour les trois autres produits chimiques. Le carbonate de calcium, l’eau et l’oxygène ne réagissent pas facilement avec de l’oxygène supplémentaire. Ce raisonnement nous conduit à la réponse du monoxyde de carbone. Mais regardons cela d’une autre manière.

Voyons le rôle de chacun de ces produits chimiques dans le haut fourneau. Dans le haut fourneau, le rôle même du monoxyde de carbone est de réduire le minerai de fer, tandis que le rôle du dioxyde de carbone est de réagir avec le carbone pour former le monoxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est donc impliqué dans la chaîne qui produit l’agent qui réduit le minerai. Mais le dioxyde de carbone ne réduit pas lui-même le minerai. Le carbonate de calcium, généralement sous forme de calcaire, est ajouté dans le haut fourneau pour qu’il se décompose en produisant de l’oxyde de calcium. L’oxyde de calcium est là pour éliminer les impuretés de dioxyde de silicium présentes dans le minerai. En comparaison avec les autres produits chimiques, il est peu probable que vous trouviez de l’eau dans le haut fourneau. Cependant, il peut y avoir des hydrocarbures dans le coke, qui lorsqu’ils sont brûlés, produisent H2O. Mais l’eau n’est pas impliquée dans la réduction du minerai.

Regardons la dernière option. L’oxygène est connu comme un oxydant et il est donc peu probable qu’il soit un agent réducteur. Dans le haut fourneau, son rôle est de réagir avec le carbone pour produire du dioxyde de carbone. Par conséquent, la substance présente à l'intérieur d'un haut fourneau entraînant la réduction du minerai de fer est donc le monoxyde de carbone, CO. Et nous avons donc ici l’équation chimique équilibrée pour la réduction de l’hématite, l’oxyde de fer (III).

Enfin, regardons les points clés. Le fer est extrait du minerai de fer à l’aide d’un haut fourneau. Le coke, le minerai de fer et le calcaire sont mélangés et introduits dans le fourneau. Le coke réagit avec l’air chaud, produisant du dioxyde de carbone, qui lui réagit avec plus de coke pour former du monoxyde de carbone. Le minerai de fer est réduit par le monoxyde de carbone, ce qui forme du fer, qui fond en bas du four chaud. Et le calcaire se décompose pour former de l’oxyde de calcium et du dioxyde de carbone. L’oxyde de calcium réagit avec les impuretés de dioxyde de silicium, puis le laitier fondu est évacué. Il reste donc une couche de fer fondu qui est notre produit.

Pendant le fonctionnement, la température au fond du haut fourneau est supérieure à 1500 degrés Celsius. On a une couche de fer fondu avec une couche d’impuretés fondues qu’on appelle le laitier. En haut du four, la température est proche de 400 degrés Celsius. Et entre les deux, on a une région autour de 800 degrés Celsius où le carbonate de calcium commence à se décomposer.