Aluminium

Généralités

L’aluminium, élément appartenant aux métaux légers, symbole Al, numéro atomique 13, est le métal le plus abondant de l’écorce terrestre. Ce métal important pour ses nombreuses utilisations techniques fait partie du groupe de Bor dans le tableau périodique des éléments.

La première synthèse de l’aluminium réussit au chimiste danois Hans Christian Ørsted en 1825. Ørsted obtint de l’aluminium, bien que très contaminé, en faisant réagir du trichlorure d’aluminium avec du kalium. En 1827 le chimiste Friedrich Wöhler obtint de l’aluminium pur sous forme de poudre par le même procédé que son collègue danois. Il fut également le premier à identifier la densité de l’aluminium. En 1854 Henri Sainte-Claire Deville obtint le métal en France en faisant une réduction d’un mélange de sel de cuisine et de chlorure d’aluminium avec du sodium. Il put bâtir une usine expérimentale grâce au soutien financier de Napoléon III et ainsi présenter de l’aluminium pur lors de l’exposition universelle de 1855. Le procédé de Deville fut utilisé pour produire de l’aluminium de 1855 à 1890, suivi par le procédé électrolytique encore pratiqué aujourd’hui.

Propriétés.

L’aluminium pur est un métal léger, argenté avec une masse atomique de 26,9815 u. Le métal avec une densité de 2,7 fond à 660 °C et entre en ébullition à 2467 °C. L’aluminium est très électropositif et très réactif dans sa forme la plus pure, au point d’entrer en auto-combustion au contact de l’air. Une solide couche transparente d’oxyde d’aluminium recouvre rapidement le métal léger au contact de l’air. Cette couche protège le métal de corrosion successive. Pour cette raison les objets fabriqués en aluminium ne rouillent pas et leur surface ne devient pas matte.

De nombreux composés métalliques peuvent être réduits à l’aide d’aluminium. Si l’on échauffe par exemple la thermite (un mélange de poudre d’oxyde de fer et d’aluminium), l’aluminium retire rapidement l’oxygène au fer (aluminothermie). La chaleur de la réaction est suffisante pour faire fondre le fer. On utilise ce procédé lors de la fonte à la thermite pour souder le fer.

L’oxyde d’aluminium est amphotère. C’est-à-dire qu’il a des caractéristiques basiques aussi bien qu’acides. Les composés les plus importants sont l’oxyde, l’hydroxyde, le sulfate et différents composés sulfatés. Le chlorure d’aluminium privé d’eau joue un rôle important dans l’industrie pétrochimique. De nombreuses pierres précieuses, telles que saphirs et rubis, sont composés essentiellement d’oxyde d’aluminium sous forme cristalline avec différents dépôts.
 

Gisements

L’aluminium est le troisième élément le plus abondant et le métal le plus abondant de l’écorce terrestre. Seuls l’oxygène et le silicium sont plus abondants. L’élément métallique est surtout présent sous forme de composé oxygéné dans la nature, le plus souvent sous forme d’oxyde du type Al2O3, allant du corindon jusqu’aux pierres précieuses saphir et rubis. Les hydroxydes Al(OH)3 tels que la gibbsite ou AlO(OH), tels que le diaspore sont également très représentés. Par ailleurs, des combinaisons d’oxydes et d’hydroxydes, aussi avec d’autres métaux tels que le sodium, le kalium, le fer, le calcium ou le magnésium sont présent dans la nature. Un autre groupe de silicates d’aluminium sont les feldspaths ainsi que les produits de désagrégation argile et bauxite. La présence d’aluminium sous forme de fluorure (tel que la cryolithe) dans la nature est beaucoup plus rare.
 

Fabrication technique

Obtenir de l’aluminium pur à partir des silicates est difficile d’un point de vue chimique et donc trop cher. Pour cette raison on utilise de nos jours la bauxite, un minerai sédimenteux contenant de l’aluminium. En principe il s’agit d’un mélange d’hydroxyde d’oxyde d’aluminium (AlOOH) et d’hydroxyde d’aluminium (Al(OH)3).

L’oxyde d’aluminium nécessaire à l’électrolyse doit d’abord être extrait de la bauxite. Lors du procédé Bayer, de la bauxite broyée est mélangée à de la soude caustique aqueuse dans un réacteur suffisamment grand (de préférence un réacteur à tube), puis portée à environ 150°C. De façon simplifiée la réaction se présente comme suit (dans la réalité le procssus de réaction est beaucoup plus compliqué) :

Al(OH)3 + NaOH <-> Na[Al(OH)4]

Lors de ce processus, les composés d’aluminium se détachent du mélange sous forme d’aluminât de sodium (NA[Al(OH)4]). La solution est ensuite filtrée afin de la séparer des composants solides (contenant souvent du fer). La boue qui en résulte est lavée plusieurs fois et la solution de lavage traitée avec le filtrat. Pour ce faire on traite le mélange refroidi avec de grandes quantités d’hydroxyde d’aluminium. Une grande partie de l’aluminât passe ainsi dans l’hydroxyde (-Al(OH)3, gibbsite). La gibbsite est ensuite filtrée, séchée et transformée en Al2O3 à environ 1300°C (calcification)

En 1886 le français Paul Louis Toussaint Héroult et l’américain Charles Martin Hall ont découvert indépendamment qu’il est possible d’obtenir un métal fondu séparé des autres produits en faisant dissoudre de l’oxyde d’aluminium (ou de la glaise) dans de la cryolithe fondu (Na3AlF6) et en le traitant de façon électrolytique par la suite. Ce procédé est connu de nos jours sous le nom de procédé Hall-Héroult.

L’oxyde d’aluminium pur a un point de fusion très élevé de 2045°C, rendant ainsi une électrolyse impraticable. Pour remédier à cela on ajoute l’oxyde à une masse fondue de cryolithe ayant un point de fusion d’environ 1000°C. Le mélange est ensuite soumis à l’électrolyse à courant continu à une température d’environ 960 °C. Les électrodes pour ce procédé sont faites en carbone. La réaction se fait selon le schéma simplifié suivant :

A la cathode:
2 Al2O3 -> 4 Al + 3 O2

A l’anode:
3 C + 3 O2 -> 3 CO2 respectivement 6 C + 3 O2 -> 6 CO

De nos jours le procédé Hall-Héroult est toujours la méthode la plus importante lors de la production industrielle d’aluminium, bien que de nouveaux procédés soient soumis à des essais. La pureté du produit fini est sans cesse améliorée, tels que de nos jours un lingot d’aluminium industriel est composé de 99,5 % d’aluminium. Il est possible d’augmenter la pureté jusqu’à 99,99 %.

Utilisation

Un certain volume d’aluminium pèse moins du tiers que le même volume en acier. Les seuls métaux plus légers sont le lithium, le béryllium et le magnésium. La relation élevée entre sa masse et sa densité rend l’aluminium très apte à l’utilisation dans la construction aéronautique, ferroviaire et automobile. Ses bonnes capacités de conduction thermique font de l’aluminium un matériau de choix pour les ustensiles de cuisine ainsi que les pistons de moteurs à explosion. Bien que l’aluminium ne possède que 63 % des capacités conductrices électriques du cuivre pour un diamètre de fil donné, ledit fil en aluminium pèse moins de la moitié du même fil en cuivre, ce qui rend le fil d’aluminium utile pour transporter de grandes tensions électriques sur de très grandes distances. Ainsi des fils d’aluminium sont employés pour des lignes à haute tension de 700.000 volts ou plus.

L’oxyde d’aluminium pourra s’avérer intéressant dans la technique des semi-conducteurs pour la production de puces électroniques performantes. Lors de la fabrication de ces puces, des couches d’oxyde et de dioxyde de silicium sont posées sur le matériel semi-conducteur. Des résultats de recherches récents montrent que la capacité de charge de couches d’oxyde d’aluminium est trois fois supérieure à celle de couches d’oxyde de silicium, information importante lorsqu’il s’agit de la taille et de la fiabilité des circuits intégrés. À partir d’une certaine épaisseur des couches, les électrons dévient des pistes conductrices et commencent à passer à travers les couches atomiques par effet tunnel, créant des mauvaises connexions. L’utilisation d’oxyde d’aluminium à la place d’oxyde de silicium dans les composants électroniques permettrait d’augmenter la capacité des puces. Cet emploi de l’aluminium nécessite encore plus de recherche, car la production de couches d’oxyde d’aluminium aussi fines est encore très compliquée d’un point de vue technique.

Des murs en aluminium, des fenêtres avec protection contre les tempêtes et du papier aluminium sont très utiles pour l’isolation des bâtiments. Le matériau est également utilisé à des fins techniques dans le domaine des températures basses, car il garde sa dureté même lors d’un refroidissement important. Son poids faible, Son aptitude à être transformé et sa compatibilité avec les aliments et les boissons en font un matériau de choix pour les récipients et les emballages flexibles. Le recyclage de tels emballages est une mesure gagnant chaque jour d’importance pour économiser de l’énergie. En raison de sa bonne résistance à la corrosion par l’eau de mer, l’aluminium se retrouve souvent dans la construction de coques de bateaux ainsi que pour d’autres produits maritimes.

Une large gamme d’alliages de protection et d’alliages forgeables qui donnent au métal une densité supérieure ou bien le rendent plus résistant à la corrosion et aux températures élevées sont disponibles.
 


"Aluminium," Microsoft Encarta Online Encyclopädie 2002 (http://encarta.msn.de)
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