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Aluminium

Par rapport à la métallurgie qui a vu le jour il y a plus de 5000 ans, l’aluminium fait partie des métaux les plus modernes. En effet, ce métal a été isolé pour la première fois au début du XIXe siècle, en 1825 plus exactement, par le chimiste danois Hans Cristian Oersted au moyen d’un processus chimique qui employait un amalgame de potassium et de chlorure d'aluminium. En 1827, le chimiste allemand Wöhler a réussi à en obtenir de la poudre à travers une réaction du potassium avec le chlorure d'aluminium, alors qu’en 1845, il a lui-même déterminé pour la première fois les propriétés de ce métal qui venait d’être découvert, sa densité et sa légèreté, puis l’a séparé en forme de billes.

L’aluminium est extrêmement abondant dans la composition de l’écorce terrestre (et sur la lune), puisqu'il représente une proportion d’environ 15 % qui n'est dépassée que par la silice.

Le minéral industriel le plus important est la « bauxite », dont la teneur en alumine (oxyde d’aluminium Al2O3) est d’entre 55 et 65 % et qui se trouve essentiellement dans les régions tropicales. Ce minéral a été découvert par M. Pierre Berthier qui lui a donné ce nom en raison de l’endroit où il l’a trouvé, le village Les Baux-de-Provence, près d’Arles, dans le sud de la France.

En Espagne, il est possible de trouver de la bauxite, mais en quantité très réduites à Teruel, Barcelone, Tarragone et Lérida.

En 1854, Bunsen a réussi à préparer de l’aluminium par électrolyse d’après ses expériences relatives au composé de chlorure d’aluminium sodique. Cette même année, après avoir perfectionné le procédé, Henri Sainte-Claire Deville a fabriqué de l’aluminium, pour la première fois de l’histoire, en remplaçant le potassium par du sodium et l’a présenté à l'exposition de Paris de 1855, sous forme de lingots. Nous pouvons donc considérer que M. Deville a été l’initiateur de la production industrielle de ce métal dont le procédé, auquel ont été apportées de légères modifications, a été utilisé jusqu’en 1888, où il a été remplacé par la méthode électrolytique.

Le Français Héroult, l’Allemand Kiliani et l’Américain Hall ont été les fondateurs de la grande industrie de l’aluminium, à travers la création, par le premier d’entre eux, de la société Aluminium Industrie Aktien Gesellschaft, en 1888. En Espagne, quelque 40 ans après la fondation de l’industrie de l’aluminium, la première usine relativement importante de production d’aluminium a vu le jour en 1929 à Sabiñánigo (Huesca). La production actuelle d’aluminium primaire en Espagne se trouve à Saint-Cyprien (Lugo), La Corogne et Avilés.

L’aluminium est un métal trop actif pour exister seul et, dans la nature, il se trouve combiné à une grande quantité de minéraux, notamment la bauxite et la cryolite. La bauxite est le minéral d'aluminium le plus important. Il s'agit d’un hydroxyde dont la composition ne correspond pas à une formule chimique déterminée, car elle se trouve à chaque fois combinée avec des quantités variables d’éléments tels que le fer, le silicium et le titane, ainsi qu’un volume d'eau inconstant. Sa couleur peut varier entre le grenat et le blanc pur. À l’instar de la bauxite, la cryolite est également un minéral essentiel pour la fabrication d’aluminium, où elle joue principalement le rôle de fondant de l’alumine dans les bains électrolytiques. Actuellement, la cryolite est remplacée par la zéolite, un fluorure artificiel d’aluminium, sodium et calcium.

Métallurgie | L’extraction de l’aluminium de la bauxite s’effectue en trois étapes : exploitation minière, raffinage et réduction.

La bauxite est extraite, lavée et séchée avant d’être envoyée à la raffinerie où elle est séparée de l'aluminium.

Le chimiste autrichien Karl Josef Bayer, fils du fondateur de la société chimique Bayer, a inventé le processus Bayer pour la production d’alumine à grande échelle à partir de la bauxite. Cette méthode est la plus utilisée dans l’industrie de l’aluminium.

La bauxite est d'abord soumise à un processus de dessiccation puis broyée finement. Ensuite, elle est chauffée avec une solution concentrée de soude caustique (NaOH) pour obtenir une solution d’aluminate de soude (Al02Na) et une petite quantité de silicate de soude (Na2SiO2).

Cette solution est filtrée et un précipité d’hydroxyde d’aluminium (Al(OH)3) est réalisé, avec du dioxyde de carbone ou avec une petite dose d’hydroxyde d’aluminium préalablement précipité.

L’alumine est réduite en aluminium dans des cellules électrolytiques du procédé Hall-Héroult, où de la cryolite fondue à 980 ºC est utilisée pour dissoudre l’alumine qui, sous l’effet de l’électrolyse, se divise en aluminium et en oxygène. L’aluminium descend au fond du réservoir où il est extrait régulièrement, alors que l’oxygène se combine au carbone de l'anode pour produire du CO2.

Le courant électrique généré permet de décomposer l’alumine introduite dans la cellule ou le four électrolytique et, selon les lois de l’électrolyse, l’aluminium se dépose sur l’électrode négative (cathode) constituée par le revêtement du four. Ensuite, le métal y est extrait puis filtré sous forme de plaques de laminage, blocs ou billettes pour l'extrusion ou de lingots pour la fonte.

Selon ces mêmes lois, de l'oxygène est généré au niveau de l’électrode positive (anode) et, en raison de sa grande activité, il provoque une réaction avec le carbone de cette électrode pour former les produits gazeux de monoxyde et dioxyde de carbone (CO et CO2). Cette réaction engendre l’usure de l’anode, qui doit donc être remplacée régulièrement. Les blocs de l'anode sont en charbon.

Pour fabriquer 1000 kg d’aluminium, il faut 10 000 kg de bauxite qui produisent 500 kg d’alumine, 80 kg de cryolite, 600 kg de charbon auxquels viennent s'ajouter 14 000 kWh d’énergie électrique. En raison de leur consommation électrique élevée, les usines d’électrolyse d’aluminium sont bâties à proximité d’endroits où l’énergie est moins chère, par exemple près de centrales hydroélectriques et nucléaires ou dans des pays producteurs de pétrole.

L’aluminium recyclé | Une des principales caractéristiques de l’aluminium est sa capacité de recyclage. À l’inverse d’autres métaux, ce matériau peut être réutilisé à 100 %. De plus, ce processus de recyclage peut être appliqué presque indéfiniment sur le même matériau, ce qui fait que la durée de vie utile de l’aluminium est pratiquement illimitée.

Ce processus de recyclage présente également l'avantage de n’utiliser qu’environ 5 % de l’énergie employée pour l’obtention de l’aluminium primaire.

Par ailleurs, les caractéristiques et propriétés du matériau ne varient pas sous l'effet de cette transformation. Par conséquent, l’aluminium recyclé est de la même qualité que le primaire.

Propriétés | L’aluminium est un métal argenté très léger. Sa masse atomique est de 26,9815, son point de fusion est de 660 ºC et celui d’ébullition de 2 467 ºC, et sa densité relative est de 2,7 kg/m3. Il s'agit d’un métal très électropositif et extrêmement réactif.

Au contact de l’air, il est rapidement recouvert d’une couche dure et transparente d’oxyde d’aluminium qui le protège de la corrosion.

 

Nom
propriété
Valeur de
l’aluminium
Nº atomique 13
Valence 3
Électronégativité 1,5
Rayon covalent (Å) État d’oxydation 0,50 (+3)
Rayon atomique (Å) 1,43/1,82
Configuration électronique [Ne]3s23p1
Premier potentiel d’ionisation (eV) 6,00
Masse atomique (g/mol) 26,9815
Densité 2,7
Point d’ébullition (°C) 2467
Point de fusion (°C) 660
Rayon ionique 0,535 Å
Volume atomique 10 cm3/mol
Orbitale occupée 3p
Nbre d’électrons (sans charge) 13
Nbre de protons 13
État de l’oxydation 3
Électrons de valence 3 s2p1
Équivalence électrochimique 0,33556 g/amp-h
Fonction du travail de l’électron 4,28 eV
Électronégativité (Pauling) 1,61
Chaleur de fusion 10,79 kj/mol
Potentiel de l’électron de valence (-eV) 80,7
Module d’élasticité : compression 76 GPa
Module d’élasticité : rigidité 26 GPa
Module d’élasticité : Young 70 GPa
Enthalpie d’atomisation 322,2 kJ/mol à 25 ºC
Enthalpie de fusion 10,67 kJ/mol
Enthalpie de vaporisation 293,7 kJ/mol
Réflectivité optique 71 %
Volume molaire 9,99 cm3/mol
Chaleur spécifique 0,9 J/gk
Pression de vapeur 2,4E-06 Pa à 660,25 ºC
Conductivité électrique 0,377 106/cm
Conductivité thermique 2,37 W/cmK