Cours de Chimie Inorganique - Oxydes d'éléments PDF

II. Les oxydes d’éléments 2. Méthodes de préparation et spécificité de certains oxydes 2.1.3. Alumine Al2O3 Préparation par le procédé Bayer à partir de bauxite gibbsite Al(OH)3 boehmite γ-AlO(OH)...

II. Les oxydes d’éléments 2. Méthodes de préparation et spécificité de certains oxydes 2.1.3. Alumine Al2O3 Préparation par le procédé Bayer à partir de bauxite gibbsite Al(OH)3 boehmite γ-AlO(OH) diaspore α-AlO(OH) Goethite, hématite, TiO2 Oxyhydroxyde de fer et oxydes de fer 1 II. Les oxydes d’éléments Procédé Bayer à partir de bauxite Procédé par voie humide basé sur : - l’attaque de la bauxite par de la soude, sous pression - la précipitation de l’hydrate d’alumine purifié : Al(OH)4- - Lixiviation : , P Al2O3, 3H2O + 2 NaOH 2 NaAl(OH)4 minerai technique d'extraction de produits solubles Passage lent d’un liquide à travers un solide en poudre Obtention d’un lixiviat, liquide qui est peut ensuite être traité pour en 2 extraire les substances dissoutes II. Les oxydes d’éléments - Lixiviation : , P Al2O3, 3H2O + 2 NaOH 2 NaAl(OH)4 minerai oxydes Fe2O3 et TiO2 inattaqués Attaque basique SiO2 transformé en silicate formation d’aluminosilicates en présence d’aluminium - Précipitation : NaAl(OH)4 T ,P Al(OH)3 + NaOH - Calcination  2 Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O 3 alumine  II. Les oxydes d’éléments Procédé Bayer 4 hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiere/content/le-procede-bayer  II. Les oxydes d’éléments Procédé Bayer Tableau 1: Composition moyenne de la Bauxite (Source: Burragato F., 1964) Formation de boues rouges F. Burragato (1964) "Analisi mineralogica e confronto tra alcune bauxiti dell'Italia centrale e meridionale", Periodico di Mineralogia, Rome p. 501-520 5 II. Les oxydes d’éléments 6 II. Les oxydes d’éléments 2. Méthodes de préparation et spécificité de certains oxydes 2.1.3. Alumine Al2O3 Applications dans les fibres Fibres céramiques réfractaires (FCR) Fibres de silicates d’aluminium commercialisées depuis les années 1950 et conçues pour des applications comprises entre 1100 et 1450 °C Elaborées par fusion à haute température : entre 1500 et 2 400 °C 7 II. Les oxydes d’éléments 2. Méthodes de préparation et spécificité de certains oxydes 2.1.3. Alumine Al2O3 Applications Monocristaux d'alumine (saphirs et rubis) : rubis (rouge) : corindon dans lequel les ions Al3+ sont partiellement substitués par des ions Cr3+ (0,1 à 2 %) couleur rouge due à l'effet du champ cristallin, Cr3+ plus gros que Al3+ déforme le site octaédrique Le saphir (bleu) : corindon dans lequel les ions Al3+ sont partiellement substitués par des ions Fe2+ et Ti4+. 8 II. Les oxydes d’éléments 2. Méthodes de préparation et spécificité de certains oxydes 2.1.3 Alumine Al2O3 Applications dans les Prothèses totales de hanche (PTH) 9 II. Les oxydes d’éléments 2. Méthodes de préparation et spécificité de certains oxydes 2.1.3 Alumine Al2O3 Applications dans les PTH Matériaux obtenus à partir d'une poudre d'oxyde d'aluminium compressée à très haute température (1600° C) C'est un matériau stable et chimiquement inerte d'une très grande pureté (>99.5) et de haute densité (>3.94), qui résiste à la corrosion in vivo. 10 II. Les oxydes d’éléments 2. Méthodes de préparation et spécificité de certains oxydes 2.1.3 Alumine Al2O3 Applications dans les PTH Propriétés mécaniques directement influencées par le matériau densité, pureté, taille des grains Résistance aux rayures 30 à 40 fois plus élevée que celle des alliages métalliques résistance exceptionnelle à l'usure à 3 composants (ciment, os, métal, hydroxyapatite) Matériau très rigide 11 II. Les oxydes d’éléments 2. Méthodes de préparation et spécificité de certains oxydes 2.1.3. Alumine Al2O3 Applications dans les PTH Mouillabilité : plus élevée que celle des métaux et des polymères lubrification articulaire optimale fabrication de l'alumine de qualité "chirurgicale" : Haute technologie Contrôles de qualités sévères 12 II. Les oxydes d’éléments 3. Impacts des oxydes dans l’environnement Préambule En géologie on dit qu’une pierre est acide si elle renferme plus de 65% de silicates. Ceci est une règle qui découle des réactions acido-basiques de de Lux-Flood 2MgO+SiO2 Mg2SiO4 Dans le système de classification de Lux-Flood, un couple acide- base est défini par la relation: Acide + O2- Base 13 II. Les oxydes d’éléments 3. Impacts des oxydes dans l’environnement il a y un transfert des ions oxygène : Exemple : Na2O +SiO2 Na2SiO3 Oxyde basique Oxyde acide 14 II. Les oxydes d’éléments 3. Impacts des oxydes dans l’environnement 3. 1. Agents polluants: 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) a. Formation: Résulte d’une réaction entre les constituants de l’air (N2 et O2) à ht température N2 +O2 → 2NO Réaction fortement endothermique à cause de l’enthalpie de dissociation élevée de l’azote moléculaire 15 II. Les oxydes d’éléments 3. Impacts des oxydes dans l’environnement 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) b. Origine Majoritairement utilisation de combustibles fossiles, trafic routier Composants nocifs du gaz d’échappement Hydrocarbures imbrûlés Monoxyde de carbone Oxydes d’azote Dioxyde de carbone Composants inoffensifs du gaz d’échappement Azote H2O 16 II. Les oxydes d’éléments 3. Impacts des oxydes dans l’environnement 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) c. Conséquences Impacts sur la faune et la flore participe à Impact sur la formation la couche Eutrophisation, baisse de pluies d’ozone de rendement des acides cultures, maladie Impact sur les bâtiments Corrosion physique et/ou chimique 17 II. Les oxydes d’éléments 3. Impacts des oxydes dans l’environnement 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) c. Conséquences : impact sur la couche d’ozone 2 NO(g) + 2 O3(g) 2 NO2(g) + 2 O2(g) + 2 hn réaction extrêmement rapide accompagnée d'une émission lumineuse qui est utilisée pour la mesure de NO et de NO2 dans l'air. O2 2 O 2 NO2(g) + 2 O(g) 2 NO(g) + 2 O2(g) Bilan : 2 O3 3 O2 18 II. Les oxydes d’éléments 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) d. Traitements nécessité d’un processus catalytique Un bon catalyseur doit être : - actif - sélectif - sa durée de vie doit être la plus longue possible : Bonne résistance au SO2, aux halogènes, aux métaux lourds (As, Se,...), Bonne résistance aux variations de température, d’humidité et à l'érosion. 19 II. Les oxydes d’éléments 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) d. Traitements Utilisation de : Métaux précieux (platine, rhodium) entre 175 et 290°C Oxydes métalliques (Fe2O3-Cr2O3/ Al2O3,V2O5/ TiO2) entre 260 et 450°C zéolithes entre 400 et 600°C 20 II. Les oxydes d’éléments 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) d. Traitements Pots catalytiques Monolithe alvéolé, en forme de "nid d'abeille" avec 50 à 70 canaux par cm2. constitué : d’un support : le monolithe en céramique d’une phase active: le catalyseur alumine-cérine + nanoparticules de métaux précieux 21 II. Les oxydes d’éléments 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) d. Traitements Pots catalytiques paroi des canaux : - enduite d'un oxyde poreux de haute surface constitué d'alumine stabilisée (Ba, La,…), contenant un oxyde de terre rare (cérine) - Dépôt à la surface de la couche d'enduction de la phase active constituée de métaux nobles (Pt, Rh, Pd) très finement divisés (nanoparticules de 1 à 2 nm dans le catalyseur neuf, de 20 à 40 nm dans le catalyseur usé). 22 II. Les oxydes d’éléments 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) d. Traitements Pots catalytiques Elimination simultanée des NOx par réactions de réduction et de CO et HC par réactions d’oxydation : rhodium: nécessaire pour la réduction des oxydes d'azote (NO, NO2) platine : élément actif dans les réactions d'oxydation CO en CO2 et hydrocarbures en CO2 et eau 23 II. Les oxydes d’éléments Pots catalytiques Efficacité de la transformation (%) 100 Maximum 80 de conversion « Fenêtre » de autour de 95 % ! 60 fonctionnement optimal HC 40 NOx 20 CO 0 13 14 14,6 15 16 Maintien du rapport optimum: Rapport air/essence sonde à oxygène dans le moteur ajout d’un matériau dans le monolithe: l’oxyde de cérium 24 II. Les oxydes d’éléments 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) d. Traitements Pots catalytiques Sonde lambda implantée sur le système informe le boîtier de gestion du moteur, d'échappement en amont du sur la teneur en oxygène des gaz brulés pot catalytique issus de la combustion Le boitier de gestion en déduit la quantité d'essence à injecter dans les cylindres pour que le ratio air/essence soit idéal. 25 II. Les oxydes d’éléments 3.1.1. Oxydes d’azote (NOx) d. Traitements Mobilité de l’oxygène dans le matériau: stockage ou relarga CeO2 Ce O Lacune 26 II. Les oxydes d’éléments 3.1.2. Oxydes de soufre (SOx) a. Origine Les oxydes de soufre proviennent de plusieurs sources: Naturelle (20%): -éruptions volcaniques, Artificielle (due aux activités humaines) -combustion des combustibles fossiles engendre la production de 55% des dioxydes de soufre présents dans l'atmosphère; -industrie chimique : 25% des oxydes de soufre présents dans l'atmosphère sont produits de cette façon. 27 II. Les oxydes d’éléments 3.1.2. Oxydes de soufre (SOx) b. conséquences participe à la Impacts sur la Impacts sur la santé formation de faune et la flore humaine pluies acides Méthodes de contrôle des émissions de SOx Réaction des oxydes acides avec des oxydes ou hydroxydes basiques bon marché : Ca(OH)2 +SO2 + 1/2 O2 -> CaSO4 +H2O Mg(OH)2 préféré à Ca(OH)2 car insoluble dans l’eau 28