Aluminium

L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13.

C'est un métal argenté et malléable ; il est remarquable pour sa bauxite où il est présent sous forme d'oxyde (Alumine Al₂O₃). Il pourrait également être extrait d'autres minerais : néphéline, leucite, silimanite, andalousite, muscovite. L'aluminium est employé dans beaucoup d'industries pour faire de nombreux produits différents et est très important pour l'économie mondiale. Le premier pays producteur est la Chine. Les composants structuraux faits à partir de l'aluminium sont essentiels à l'industrie aérospatiale et très importants dans d'autres secteurs du transport et de la construction où sa faible densité, sa longévité et sa résistance sont nécessaires.

Caractéristiques notables

L'aluminium est un métal mou, léger, mais résistant avec un aspect argent-gris mat, dû à une couche mince d'oxydation qui se forme rapidement quand on l'expose à l'air et qui empêche la corrosion de progresser. À la différence de la plupart des métaux, il est utilisable même s'il est oxydé en surface. L'aluminium a une densité environ trois fois plus faible que celle de l'acier ou du cuivre ; il est malléable, ductile et facilement usiné et moulé. Il possède une excellente résistance à la corrosion et une grande longévité. Il est également non magnétique et ne provoque pas d'étincelles. C'est le deuxième métal le plus malléable et le sixième le plus ductile. En solution, l'aluminium se trouve le plus généralement sous la forme d'ions Al³⁺.

Histoire

En 1808, Humphry Davy, après avoir découvert que le sodium et le potassium entraient dans la composition de l'alun, suppose qu'il s'y trouve aussi un autre métal, qu'il baptise « aluminium ». Pierre Berthier découvre dans un mine près des Baux-de-Provence en 1821 un minerai contenant plus de 50 % d'oxyde d'aluminium. Ce minerai sera appelé bauxite.

On attribue généralement la découverte et l'isolement de l'aluminium à Friedrich Wöhler en 1827. Toutefois, deux ans plus tôt, le chimiste et physicien danois Hans Christian Ørsted avait réussi à produire une forme impure du métal. Wöhler fut le premier à mettre en évidence les propriétés chimiques et physiques de l'aluminium, dont la plus notable est la légèreté.

Le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville améliore en 1846 la méthode de Wöhler en réduisant le minerai par le sodium. Cette méthode est utilisée à travers toute l'Europe pour la fabrication de l'aluminium, mais elle reste extrêmement coûteuse. Le métal est d'ailleurs utilisé pour fabriquer des bijoux, dont la valeur sera évidemment réduite à néant quelques décennies plus tard.

1855 : Le nouveau métal est exposé à l'exposition universelle de Paris.

En 1886, de manière indépendante, Paul Héroult et Charles Martin Hall découvrent une nouvelle méthode de production de l'aluminium en remarquant qu'il est possible de dissoudre l'alumine et de décomposer le mélange par électrolyse (procédé Héroult-Hall) pour donner le métal brut en fusion. Pour cette découverte, Hall obtient un brevet la même année. Ce procédé permet d'obtenir de l'aluminium de manière relativement économique. La méthode mise au point par Héroult et Hall est toujours utilisée aujourd'hui.

1887 : Karl Josef Bayer décrit une méthode connue sous le nom de procédé Bayer pour obtenir de l'alumine à partir de la bauxite. Cette découverte permet de faire entrer l'aluminium dans l'ère de la production de masse.

1888 : les premières sociétés de production d'aluminium sont fondées en Suisse, France et aux États-Unis.

Utilisation

En termes de quantité ou de valeur, l'aluminium est le métal le plus utilisé après le fer. L'aluminium pur est mou et fragile, mais avec des petites quantités de cuivre, magnésium, manganèse, silicone et d'autres éléments, il peut former des alliages aux propriétés variées.

Parmi les secteurs utilisant l'aluminium, on peut citer :

• Les transports (automobiles, avions, camions, trains, bateaux, Tricycles, etc.)
• L'emballage (boîtes de conserve, papier aluminium, canettes, barquettes, aérosols etc.) et notamment les emballages alimentaires.
• La construction (fenêtres, portes etc.)
• Les biens de consommation (appareils, ustensiles de cuisine etc.)
• Les fils électriques (La conductivité de l'aluminium ne représente que 60% de celle du cuivre, mais l'aluminium est plus léger et moins cher)
• De l'aluminium très pur (99,980 à 99,999%) est employé en électronique et pour les CD

Obtention

L'aluminium est un élément abondant dans la croûte terrestre mais il se trouve rarement sous sa forme pure. Le principal minerai d'aluminium est la bauxite. L'aluminium est très difficile à extraire des roches qui le contiennent et a donc été longtemps très rare.

L'aluminium est extrait par électrolyse de la bauxite, dont le principal constituant est l'alumine (Al₂O₃). La bauxite est traitée par une solution de soude. On obtient un précipité de Al(OH)₃ qui donne de l'alumine par chauffage.

Réduction électrolytique de l'aluminium

Principe

L'alumine est dissoute dans un bain d'électrolyse qui est chauffé entre 950°C et 1000°C. Dans le bain d'électrolyse l'alumine s'ionise suivant la réaction suivante :
Al₂O₃ --> 2Al³⁺ + 3O^2-

Suivant le principe de l'électrolyse on fait passer un courant électrique entre l'anode et la cathode. On obtient les réaction suivantes :

Cathode :
2Al³⁺ + 6e^- --> 2Al métal

Anode :
6O^2- + 3C --> 3CO₂ + 6e^-

Réaction globale :
2Al₂O₃ (solution) + 3C (solide) --> 4Al (liquide) + 3CO₂ (gaz)

À noter qu'il existe une réaction concurrente :
2Al (solution) + 3CO₂ (gaz) --> Al₂O₃ (solution) + 3CO ('gaz)

Les réactions ci-dessus ne tiennent pas compte du bain électrolytique. Le bain est ici considéré comme un composé dans lequel se dissout l'oxyde d'aluminium et qui ne tient aucun rôle dans les réactions. Bien que les phénomènes ne semblent pas être parfaitement connus, le bain d'électrolyte tient un rôle.

Le bain d'électrolyse

le bain d'électrolyse est constitué principalement de :

• un fluorure : la cryolithe. Elle représente environ 70% de la masse du bain d'électrolyse. La cryolite à comme composition : (AlF₃, 3NaF).
• Du fluorure d'aluminium : AlF₃. Il est fortement consommé pendant l'élctrolyse en formant du tétrafluoroaluminate de sodium. Qui se décompose en donnant de nouveau de l'alumine, du fluorure de sodium (NaF) et de l'acide fluorhydriques (HF).
• Du fluorure de calcium : CaF₂ qui est pratiquement inerte.

La composition ionique du bain serait donc : Na⁺, F^-, AlF^3-, AlF^4-, et Al_xO_yF_z^(3x-2y-z).

Réactions à l'anode

L'anode est en carbone. Elle est fabriquée à l'aide de coke de pétrole calciné (coke de brai) et brai de houille.

A l'anode, on a la réaction suivante :
4F^- + Al₂O₂F₄^- + C --> 4e^- + 2AlF₄^- + CO₂

On a également la réaction secondaire suivante :
4F^- + Al₂O₂F₄^- + 2C --> 4e^- + 2AlF₄^- + 2CO

Réactions à la cathode

La cathode est en carbone. Elle est en permanence recouverte d'aluminium liquide.

A la cathode, nous avons les réactions électrochimiques suivantes :

• Réaction primaire :
  

AlF₄^- + 3e^- --> Al (liquide) + 4F^-

• Réactions secondaires :
  

Na⁺ + 3C --> Na
4Al + 3C --> Al₄C₃

les produits fabriqués par ces deux réactions, pénétrent dans la cathode et provoquent son endommagement progressif.

L'aluminium liquide est régulièrement pompé (sans en retirer la totalité). L'aluminium est ensuite emmené dans des fours de réchauffage pour enlever les impuretés et ajuster la composition.

Aspects technologiques

Pour fabriquer une tonne d'aluminum, il faut :

• deux tonnes d'alumine
• 0.5 tonne de carbone.

A l'origine, les cuves (les marmites) avaient une intensité de 5000 à 6000 ampères pour un voltage de 6 à 7 volt.

Actuellement (cas de l'usine Alcan de Dunkerque) les cuves ont une intensité de 300 000 ampère pour un voltage de 4 volt. Pour fabriquer une tonne d'aluminium il faut consommer 12 000 Kwh.

La production d'une tonne d'aluminium nécessite de 4 à 5 tonnes de bauxite. Elle nécessite entre 13 000 et 17 000 kilowattheure. Lors de l'électrolyse sont émis des gaz polluants tels que du dioxyde de carbone (CO₂), du monoxyde de carbone (CO), des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), du dioxyde de soufre (SO₂) et des fluorures gazeux.

Recyclage

Pour recycler de l'aluminium, on le fait simplement fondre, ce qui coûte beaucoup moins cher que de l'extraire d'un minerai. Le recyclage de l'aluminium est pratiqué depuis les années 1900. L'aluminium est quasiment recyclable à l'infini sans perdre ses qualités, à condition de ne pas fondre dans un même bain des alliages de composition différente.

Il existe des filières de récupération de l'aluminium industriel. En France, l'aluminium ménager est récupéré avec les emballages dans le cadre du tri sélectif. Dans les centres de tri, l'aluminium est trié manuellement. Il est ensuite cassé et broyé avant d'être fondu pour redonner du métal utilisable appelé aluminium de seconde fusion.

En plus des bénéfices environnementaux, le recyclage de l'aluminium est beaucoup moins coûteux que l'extraction à partir du minerai de bauxite. Il nécessite 95% d'énergie en moins. Et une tonne d'aluminium recyclé permet d'économiser quatre tonnes de bauxite. En sautant l'étape de l'électrolyse, on évite les rejets polluants qui lui sont associés.

Effets sur la santé

Certaines personnes sont allergiques à l'aluminium.

L'aluminium peut avoir des effets néfastes pour le système nerveux. Des personnes exposées à des taux élévés d'aluminium (comme celles qui reçoivent des traitement de dialyse) peuvent développer une encéphalopathie, qui est une forme de démence. Par contre, malgré des soupçons, aucun lien de causalité n'a pu être trouvé entre l'aluminium et la maladie d'Alzheimer. L'ingestion de grandes quantités d'aluminium peut aussi être la cause d'atteintes du tissu osseux.

On peut trouver de l'aluminium dans les aliments, l'eau et les médicaments. Les ustensiles de cuisine en aluminium et le papier aluminium peuvent libérer de l'aluminium dans les aliments mais la quantité libérée est généralement négligeable.

Voir aussi

Bibliographie

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