ALUMINIUM: HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, OBTENTION, UTILISATIONS - CHIMIE - 2024

L' aluminium est un élément métallique appartenant au groupe (III A) 13 du tableau périodique et qui est représenté par le symbole A. Il s'agit d'un métal léger de faible densité et dureté. En raison de ses propriétés amphotères, il a été classé par certains scientifiques comme un métalloïde.

C'est un métal ductile et très malléable, c'est pourquoi il est utilisé pour fabriquer du fil, de fines feuilles d'aluminium, ainsi que tout type d'objet ou de figurine; par exemple, les fameuses boîtes avec leurs alliages, ou le papier d'aluminium avec lequel sont emballés les aliments ou les desserts.

Feuille d'aluminium froissée, l'un des objets les plus simples et les plus quotidiens fabriqués avec ce métal. Source: Pexels.

L'alun (un sulfate d'aluminium de potassium hydraté) est utilisé par les humains depuis l'Antiquité en médecine, en tannage du cuir et comme mordant pour la coloration des tissus. Ainsi, ses minéraux sont connus depuis toujours.

Cependant, l'aluminium en tant que métal a été isolé très tardivement, en 1825, par Øersted, ce qui a conduit à une activité scientifique qui a permis son utilisation industrielle. À ce moment-là, l'aluminium était le métal le plus produit au monde, après le fer.

L'aluminium se trouve principalement dans la partie supérieure de la croûte terrestre, en constituant 8% en poids. Il correspond à son troisième élément le plus abondant, dépassé par l'oxygène et le silicium dans ses minéraux siliceux et silicatés.

La bauxite est une association de minéraux, parmi lesquels: l'alumine (oxyde d'aluminium) et les oxydes métalliques de fer, de titane et de silicium. Il représente la principale ressource naturelle pour l'extraction de l'aluminium.

L'histoire

Alun

En Mésopotamie, 5000 ans avant JC. C., Ils fabriquaient déjà des céramiques en utilisant des argiles contenant des composés d'aluminium. Pendant ce temps, il y a 4000, les Babyloniens et les Égyptiens utilisaient de l'aluminium dans certains composés chimiques.

Le premier document écrit lié à l'alun a été réalisé par Hérodote, un historien grec, au 5ème siècle avant JC. L'alun était utilisé comme mordant dans la teinture des tissus et pour protéger le bois avec lequel les portes de la forteresse étaient conçues des incendies.

De la même manière, Pline «l'Ancien» au 1er siècle se réfère à l'alun, aujourd'hui connu sous le nom d'alun, comme substance utilisée en médecine et mordant.

À partir du XVIe siècle, l'alun est utilisé dans le tannage du cuir et comme encollage du papier. C'était une substance gélatineuse qui donnait la consistance du papier et permettait son utilisation par écrit.

En 1767, le chimiste suisse Torbern Bergman a réalisé la synthèse d'alun. Pour ce faire, il a chauffé le moonite avec de l'acide sulfurique, puis a ajouté de la potasse à la solution.

Reconnaissance en alumine

En 1782, le chimiste français Antoine Lavoisier a souligné que l'alumine (Al ₂ O ₃) était un oxyde d'un élément. Celui-ci a une telle affinité pour l'oxygène que sa séparation était difficile. Par conséquent, Lavoisier a alors prédit l'existence de l'aluminium.

Plus tard, en 1807, le chimiste anglais Sir Humphry Davy soumit l'alumine à l'électrolyse. Cependant, la méthode qu'il a utilisée a produit un alliage d'aluminium avec du potassium et du sodium, de sorte qu'il n'a pas pu isoler le métal.

Davy a fait remarquer que l'alumine avait une base métallique, qu'il a initialement désignée comme «alumium», sur la base du mot latin «alumen», le nom utilisé pour l'alun. Davy a changé plus tard le nom en «aluminium», le nom anglais actuel.

En 1821, le chimiste allemand Eilhard Mitscherlich parvient à découvrir la formule correcte de l'alumine: Al ₂ O ₃.

Isolement

Cette même année, le géologue français Pierre Berthier découvre un minéral d'aluminium dans un gisement d'argile rougeâtre en France, dans la région des Baux. Berthier a désigné le minéral comme la bauxite. Ce minéral est actuellement la principale source d'aluminium.

En 1825, le chimiste danois Hans Christian Øersted a produit une barre de métal à partir d'un aluminium supposé. Il l'a décrit comme «un morceau de métal qui ressemble un peu à l'étain en couleur et en brillant». Øersted a pu y parvenir en réduisant le chlorure d'aluminium, AlCl ₃, avec un amalgame de potassium.

On pensait cependant que le chercheur n’avait pas obtenu d’aluminium pur, mais un alliage d’aluminium et de potassium.

En 1827, le chimiste allemand Friedrich Wöehler a réussi à produire environ 30 grammes d'un matériau en aluminium. Puis, après 18 ans de travail d'investigation, Wöehler a réalisé en 1845 la production de globules de la taille d'une tête d'épingle, avec un éclat métallique et une couleur grisâtre.

Wöehler a même décrit certaines propriétés du métal, telles que la couleur, la densité, la ductilité et la stabilité.

Production industrielle

En 1855, le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville améliore la méthode de Wöehler. Pour cela, il a utilisé la réduction du chlorure d'aluminium ou du chlorure de sodium et d'aluminium avec du sodium métallique, en utilisant du cryolite (Na ₃ AlF ₆) comme flux.

Cela a permis la production industrielle d'aluminium à Rouen, en France, et entre 1855 et 1890, la production de 200 tonnes d'aluminium a été réalisée.

En 1886, l'ingénieur français Paul Héroult et l'étudiant américain Charles Hall créent indépendamment une méthode de production d'aluminium. Le procédé consiste en la réduction électrolytique de l'oxyde d'aluminium dans la cryolithe fondue, en utilisant un courant continu.

La méthode était efficace, mais elle avait le problème de son besoin élevé en électricité, qui rendait la production plus coûteuse. Héroult a résolu ce problème en établissant son industrie à Neuhausen (Suisse), profitant ainsi des chutes du Rhin comme générateurs d'électricité.

Hall s'est d'abord installé à Pittsburg (États-Unis), mais a ensuite délocalisé son industrie près de Niagara Falls.

Enfin, en 1889, Karl Joseph Bayer a créé une méthode de production d'alumine. Cela consiste à chauffer la bauxite dans un récipient fermé avec une solution alcaline. Au cours du processus de chauffage, la fraction d'alumine est récupérée dans la solution saline.

Proprietes physiques et chimiques

Apparence physique

Seau en métal en aluminium. Source: Carsten Niehaus

Gris argenté solide avec éclat métallique (image du haut). C'est un métal mou, mais il durcit avec de petites quantités de silicium et de fer. De plus, il se caractérise par être très ductile et malléable, car des feuilles d'aluminium d'une épaisseur allant jusqu'à 4 microns peuvent être fabriquées.

Poids atomique

26 981 unités

Numéro atomique (Z)

13

Point de fusion

660,32 ºC

Point d'ébullition

2 470 ºC

Densité

Température ambiante: 2,70 g / mL

Point de fusion (liquide): 2,375 g / mL

Sa densité est considérablement faible par rapport à celle d'autres métaux. Pour cette raison, l'aluminium est assez léger.

Température de fusion

10,71 kJ / mol

Chaleur de vaporisation

284 kJ / mol

Capacité calorique molaire

24,20 J / (mol K)

Electronégativité

1,61 sur l'échelle de Pauling

Énergie d'ionisation

-Premier: 577,5 kJ / mol

-Second: 1816,7 kJ / mol

-Troisième: 2744,8 kJ / mol

Dilatation thermique

23,1 µm / (mK) à 25 ºC

Conductivité thermique

237 W / (m K)

L'aluminium a une conductance thermique trois fois supérieure à celle de l'acier.

Résistivité électrique

26,5 nΩ m à 20 ºC

Sa conductance électrique est 2/3 de celle du cuivre.

Ordre magnétique

Paramagnétique

Dureté

2,75 sur l'échelle de Mohs

Réactivité

L'aluminium résiste à la corrosion car lorsqu'il est exposé à l'air, la fine couche d'oxyde d'Al ₂ O ₃ qui se forme à sa surface empêche l'oxydation de se poursuivre à l'intérieur du métal.

Dans les solutions acides, il réagit avec l'eau pour former de l'hydrogène; tandis que dans les solutions alcalines, il forme l'ion aluminate (AlO ₂ ^-).

Les acides dilués ne peuvent pas le dissoudre, mais ils le peuvent en présence d'acide chlorhydrique concentré. Cependant, l'aluminium est résistant à l'acide nitrique concentré, bien qu'il soit attaqué par les hydroxydes pour produire de l'hydrogène et l'ion aluminate.

L'aluminium en poudre est incinéré en présence d'oxygène et de dioxyde de carbone pour former de l'oxyde d'aluminium et du carbure d'aluminium. Il peut être corrodé par le chlorure présent dans une solution de chlorure de sodium. Pour cette raison, l'utilisation d'aluminium dans les tuyaux n'est pas recommandée.

L'aluminium est oxydé par l'eau à des températures inférieures à 280 ºC.

2 Al (s) + 6 H ₂ O (g) => 2Al (OH) ₃ (s) + 3H ₂ (g) + chaleur

Structure et configuration électronique

L'aluminium étant un élément métallique (avec des colorants métalloïdes pour certains), ses atomes d'Al interagissent les uns avec les autres grâce à la liaison métallique. Cette force non directionnelle est régie par ses électrons de valence, qui sont dispersés dans tout le cristal dans toutes ses dimensions.

Ces électrons de valence sont les suivants, selon la configuration électronique de l'aluminium:

3s ² 3p ¹

Par conséquent, l'aluminium est un métal trivalent, car il a trois électrons de valence; deux dans l'orbitale 3s et une dans l'orbite 3p. Ces orbitales se chevauchent pour former des orbitales moléculaires 3s et 3p, si proches les unes des autres qu'elles finissent par former des bandes de conduction.

La bande s est pleine, tandis que la bande p a beaucoup de place pour plus d'électrons. C'est pourquoi l'aluminium est un bon conducteur d'électricité.

La liaison métallique de l'aluminium, le rayon de ses atomes et ses caractéristiques électroniques définissent un cristal fcc (face centrée cubique). Un tel cristal FCC est apparemment le seul allotrope connu de l'aluminium, il résistera donc sûrement aux hautes pressions qui s'exercent dessus.

Numéros d'oxydation

La configuration électronique de l'aluminium indique immédiatement qu'il est capable de perdre jusqu'à trois électrons; c'est-à-dire qu'il a une forte tendance à former le cation Al ³⁺. Lorsque l'existence de ce cation est supposée dans un composé dérivé de l'aluminium, on dit qu'il a un indice d'oxydation de +3; comme on le sait, c'est le plus courant pour l'aluminium.

Cependant, il existe d'autres indices d'oxydation possibles mais rares pour ce métal; tels que: -2 (Al ^2-), -1 (Al ^-), +1 (Al ⁺) et +2 (Al ²⁺).

Dans Al ₂ O ₃, par exemple, l'aluminium a un indice d'oxydation de +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2-); tandis que dans AlI et AlO, +1 (Al ⁺ F ^-) et +2 (Al ²⁺ O ^2-), respectivement. Cependant, dans des conditions ou des situations normales, Al (III) ou +3 est de loin l'indice d'oxydation le plus abondant; puisque Al ³⁺ est isoélectronique au gaz rare néon.

C'est pourquoi, dans les manuels scolaires, on suppose toujours, et à juste titre, que l'aluminium a +3 comme seul nombre ou état d'oxydation.

Où trouver et obtenir

L'aluminium est concentré dans la frange extérieure de la croûte terrestre, étant son troisième élément, seulement dépassé par l'oxygène et le silicium. L'aluminium représente 8% en poids de la croûte terrestre.

On le trouve dans les roches ignées, principalement: aluminosilicates, feldspaths, feldspathoïdes et micas. Egalement dans les argiles rougeâtres, comme c'est le cas avec la bauxite.

- Bauxites

Mine de bauxite. Source: Utilisateur: VargaA

Les bauxites sont un mélange de minéraux qui contient de l'alumine hydratée et des impuretés; tels que les oxydes de fer et de titane et la silice, avec les pourcentages en poids suivants:

-A ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10 à 30%

-SiO ₂ 4 à 10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O de constitution 12-30%.

L'alumine se trouve dans la bauxite sous forme hydratée avec deux variantes:

-monohydrates (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), qui ont deux formes cristallographiques, boémite et diaspore

-Trihydrates (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), représentés par gibbsite.

La bauxite est la principale source d'aluminium et fournit la majeure partie de l'aluminium provenant de l'exploitation minière.

- Dépôts d'aluminium

D'altération

Principalement les bauxites formées de 40 à 50% d'Al ₂ O ₃, 20% de Fe ₂ O ₃ et _{3 à} 10% de SiO ₂.

Hydrothermale

Alunite.

Magmatique

Roches alumineuses contenant des minéraux tels que syénites, néphéline et anorthites (20% d'Al ₂ O ₃).

Métamorphique

Silicates d'aluminium (andalousite, sillimanite et cyanite).

Détritiques

Dépôts de kaolin et argiles diverses (32% Al ₂ O ₃).

- Exploitation de la bauxite

La bauxite est extraite à ciel ouvert. Une fois les roches ou argiles qui le contiennent sont collectées, elles sont concassées et broyées dans des broyeurs à boulets et à barres, jusqu'à l'obtention de particules de 2 mm de diamètre. Dans ces procédés, le matériau traité reste humidifié.

Pour obtenir l'alumine, on suit le procédé créé par Bayer en 1989. La bauxite broyée est digérée par addition d'hydroxyde de sodium, formant l'aluminate de sodium solubilisé; tandis que les polluants oxydes de fer, de titane et de silicium restent en suspension.

Les contaminants sont décantés et le trihydrate d'alumine est précipité à partir de l'aluminate de sodium par refroidissement et dilution. Ensuite, l'alumine trihydratée est séchée pour donner de l'alumine anhydre et de l'eau.

- Electrolyse de l'alumine

Pour obtenir de l'aluminium, l'alumine est soumise à une électrolyse, généralement selon la méthode créée par Hall-Héroult (1886). Le procédé consiste à réduire l'alumine fondue en cryolite.

L'oxygène se lie à l'anode de carbone et est libéré sous forme de dioxyde de carbone. Pendant ce temps, l'aluminium libéré est déposé au fond de la cellule électrolytique où il s'accumule.

Alliages

Les alliages d'aluminium sont généralement identifiés par quatre chiffres.

1xxx

Le code 1xxx correspond à l'aluminium d'une pureté de 99%.

2xxx

Le code 2xxx correspond à l'alliage d'aluminium et de cuivre. Ce sont des alliages solides qui ont été utilisés dans les véhicules aérospatiaux, mais ils se sont fissurés par corrosion. Ces alliages sont connus sous le nom de duralumin.

3xxx

Le code 3xxx couvre les alliages dans lesquels du manganèse et une petite quantité de magnésium sont ajoutés à l'aluminium. Ce sont des alliages très résistants à l'usure, étant utilisé l'alliage 3003 dans l'élaboration des ustensiles de cuisine, et le 3004 dans les canettes de boisson.

4xxx

Le code 4xxx représente les alliages dans lesquels du silicium est ajouté à l'aluminium, ce qui abaisse le point de fusion du métal. Cet alliage est utilisé dans la fabrication de fils de soudage. L'alliage 4043 est utilisé dans le soudage des automobiles et des éléments de structure.

5xxx

Le code 5xxx couvre les alliages où le magnésium est principalement ajouté à l'aluminium.

Ce sont des alliages solides résistants à la corrosion de l'eau de mer, utilisés pour fabriquer des récipients sous pression et diverses applications marines. L'alliage 5182 est utilisé pour fabriquer les couvercles des canettes de soda.

6xxx

Le code 6xxx couvre les alliages dans lesquels du silicium et du magnésium sont ajoutés à l'alliage avec de l'aluminium. Ces alliages sont coulables, soudables et résistants à la corrosion. L'alliage le plus courant de cette série est utilisé dans l'architecture, les cadres de vélo et la construction de l'iPhone 6.

7xxx

Le code 7xxx désigne les alliages dans lesquels du zinc est ajouté à l'aluminium. Ces alliages, également appelés Ergal, résistent à la rupture et sont d'une grande dureté, utilisant les alliages 7050 et 7075 dans la construction aéronautique.

Des risques

Exposition directe

Le contact avec la poudre d'aluminium peut provoquer une irritation de la peau et des yeux. Une exposition prolongée et élevée à l'aluminium peut provoquer des symptômes pseudo-grippaux, des maux de tête, de la fièvre et des frissons; De plus, des douleurs thoraciques et une oppression peuvent survenir.

L'exposition à de fines poussières d'aluminium peut provoquer des cicatrices pulmonaires (fibrose pulmonaire), accompagnées de symptômes de toux et d'essoufflement. L'OSHA a établi une limite de 5 mg / m ³ pour l'exposition à la poussière d'aluminium au cours d'une journée de travail de 8 heures.

La valeur de tolérance biologique pour l'exposition professionnelle à l'aluminium a été établie à 50 µg / g de créatinine dans les urines. Une performance décroissante dans les tests neuropsychologiques se produit lorsque la concentration d'aluminium dans l'urine dépasse 100 µg / g de créatinine.

Cancer du sein

L'aluminium est utilisé comme chlorhydrate d'aluminium dans les déodorants anti-transpirants, ayant été lié au développement du cancer du sein. Cependant, cette relation n'a pas été clairement établie, entre autres, car l'absorption cutanée du chlorhydrate d'aluminium n'est que de 0,01%.

Effets neurotoxiques

L'aluminium est neurotoxique et chez les personnes exposées au travail, il a été associé à des maladies neurologiques, dont la maladie d'Alzheimer.

Le cerveau des patients atteints de la maladie d'Alzheimer a une concentration élevée d'aluminium; mais on ne sait pas si c'est la cause de la maladie ou une conséquence de celle-ci.

La présence d'effets neurotoxiques a été déterminée chez les patients dialysés. Dans cette procédure, des sels d'aluminium ont été utilisés comme liant phosphate, ce qui a produit des concentrations élevées d'aluminium dans le sang (> 100 µg / L de plasma).

Les patients affectés ont présenté une désorientation, des problèmes de mémoire et à un stade avancé, une démence. La neurotoxicité de l'aluminium s'explique car il est difficile à éliminer par le cerveau et affecte son fonctionnement.

Prise en aluminium

L'aluminium est présent dans de nombreux aliments, en particulier le thé, les épices et, en général, les légumes. L'Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) a établi une limite de tolérance pour l'ingestion d'aluminium dans les aliments de 1 mg / kg de poids corporel par jour.

En 2008, l'EFSA a estimé que l'apport quotidien d'aluminium dans les aliments variait entre 3 et 10 mg par jour, c'est pourquoi il est conclu qu'il ne représente pas un risque pour la santé; ainsi que l'utilisation d'ustensiles en aluminium pour cuire les aliments.

Applications

- Comme le métal

Électrique

L'aluminium est un bon conducteur électrique, c'est pourquoi il est utilisé dans les alliages dans les lignes de transmission électrique, les moteurs, les générateurs, les transformateurs et les condensateurs.

Bâtiment

L'aluminium est utilisé dans la fabrication de cadres de portes et de fenêtres, de cloisons, de clôtures, de revêtements, d'isolants thermiques, de plafonds, etc.

Moyens de transport

L'aluminium est utilisé dans la fabrication de pièces pour automobiles, avions, camions, vélos, motos, bateaux, vaisseaux spatiaux, voitures de chemin de fer, etc.

Conteneurs

Canettes en aluminium pour différentes variétés d'aliments. Source: Pxhere.

L'aluminium est utilisé pour fabriquer des canettes de boisson, des fûts de bière, des plateaux, etc.

foyer

Seaux en aluminium. Source: Pexels.

L'aluminium est utilisé pour fabriquer des ustensiles de cuisine: casseroles, poêles, casseroles et papier d'emballage; en plus des meubles, des lampes, etc.

Pouvoir réfléchissant

L'aluminium reflète efficacement l'énergie radiante; de la lumière ultraviolette au rayonnement infrarouge. Le pouvoir réfléchissant de l'aluminium en lumière visible est d'environ 80%, ce qui permet son utilisation comme abat-jour dans les lampes.

De plus, l'aluminium conserve sa caractéristique de réflexion de l'argent même sous forme de poudre fine, de sorte qu'il peut être utilisé dans la production de peintures à l'argent.

- Composés d'aluminium

Alumine

Il est utilisé pour fabriquer de l'aluminium métallique, des isolants et des bougies d'allumage. Lorsque l'alumine se réchauffe, elle développe une structure poreuse qui absorbe l'eau, servant à sécher les gaz et servant de siège à l'action des catalyseurs dans diverses réactions chimiques.

Sulfate d'aluminium

Il est utilisé dans la fabrication du papier et comme charge de surface. Le sulfate d'aluminium sert à former de l'alun de potassium et d'aluminium. C'est l'alun le plus utilisé et avec de nombreuses applications; comme la fabrication de médicaments, de peintures et de mordants pour la teinture de tissus.

Chlorure d'aluminium

C'est le catalyseur le plus utilisé dans les réactions de Friedel-Crafts. Ce sont des réactions organiques synthétiques utilisées dans la préparation de cétones aromatiques et d'anthraquinone. Le chlorure d'aluminium hydraté est utilisé comme antisudorifique et déodorant topique.

Hydroxyde d'aluminium

Il est utilisé pour imperméabiliser les tissus et la production d'aluminates.

Références

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