Aluminium

By Editors Team on July 3, 2022

L’aluminium (ou aluminium en anglais américain et anglais canadien ) est un élément chimique avec le symbole Al et le numéro atomique 13. L’aluminium a une densité inférieure à celles des autres métaux courants , à environ un tiers de celle de l’ acier . Il a une grande affinité pour l’oxygène et forme une couche protectrice d’ oxyde à la surface lorsqu’il est exposé à l’air. L’aluminium ressemble visuellement à l’argent, tant par sa couleur que par sa grande capacité à réfléchir la lumière. Il est doux, non magnétique et ductile. Il a un isotope stable, 27 Al ; cet isotope est très commun, faisant de l’aluminium le douzième élément le plus commun de l’Univers. La radioactivité de 26 Al est utilisée dans la radiodatation .

Aluminium, 13 Al
Aluminium
Prononciation
  • aluminium : / ˌ æ l ( j ) ʊ ˈ m ɪ n i ə m / ( écouter )
    ( AL -(y)uu- MIN -ee-əm )
  • aluminium : / ə ˈ lj uː m ɪ n əm / ( écouter )
    ( ə- LEW -min-əm )
Autre nom aluminium (États-Unis, Canada)
Apparence gris argenté métallisé
Masse atomique standard A r °(Al)
  • 26,981 5384 ± 0,000 0003
  • 26,982 ± 0,001 (abrégé) [1]
Aluminium dans le tableau périodique
Hydrogène Hélium
Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon
Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon
Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Fer Cobalt Nickel Cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodié Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon
Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutétium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure (élément) Thallium Mener Bismuth Polonium astate Radon
francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Berkélium Californie Einsteinium fermium Mendélévium nobélium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium copernic nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessee Oganesson
B
↑
Al
↓
Ga
magnésium ← aluminium → silicium
Numéro atomique ( Z ) 13
Grouper groupe 13 (groupe bore)
Période période 3
Bloc p-bloc
Configuration électronique [ Ne ] 3s 2 3p 1
Électrons par coquille 2, 8, 3
Propriétés physiques
Phase à STP solide
Point de fusion 933,47 K ​(660,32 °C, ​1220,58 °F)
Point d’ébullition 2743 K ​(2470 °C, ​4478 °F)
Densité (près de rt ) 2,70 g/cm 3
lorsqu’il est liquide (à mp ) 2,375 g/cm 3
Température de fusion 10,71 kJ/mole
Chaleur de vaporisation 284 kJ/mole
Capacité calorifique molaire 24,20 J/(mol·K)
La pression de vapeur
P (Pa) 1 dix 100 1 k 10k 100k
à T (K) 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Propriétés atomiques
États d’oxydation −2, −1, +1, [2] +2, [3] +3 (un oxyde amphotère )
Électronégativité Échelle de Pauling : 1,61
Énergies d’ionisation
  • 1er : 577,5 kJ/mol
  • 2ème : 1816,7 kJ/mol
  • 3ème : 2744,8 kJ/mol
  • ( plus )
Rayon atomique empirique : 143h
Rayon covalent 121±16h
Rayon de Van der Waals 184h
Lignes spectrales de l’aluminium
Autres propriétés
Occurrence naturelle primordial
Structure en cristal ​cubique à faces (fcc)
Vitesse du son tige mince (roulé) 5000 m/s (à ta )
Dilatation thermique 23,1 μm/(m⋅K) (à 25 °C)
Conductivité thermique 237 W/(m⋅K)
Résistivité électrique 26,5 nΩ⋅m (à 20 °C)
Commande magnétique paramagnétique [4]
Susceptibilité magnétique molaire +16,5 × 10 −6 cm 3 /mol
Module d’Young 70 GPa
Module de cisaillement 26 GPa
Module de masse 76 GPa
Coefficient de Poisson 0,35
Dureté de Mohs 2,75
Dureté Vickers 160–350 MPa
Dureté Brinell 160–550 MPa
Numero CAS 7429-90-5
Histoire
Appellation de l’alumine , nom obsolète de l’alumine
Prédiction Antoine Lavoisier (1782)
Découverte Hans Christian Ørsted (1824)
Nommé par Humphry Davy (1812 [a] )
Principaux isotopes de l’aluminium
Isotope Abondance Demi-vie ( t 1/2 ) Mode de déclin Produit
26 Al trace 7.17×10 5 ans β + 26 mg
ε 26 mg
γ –
27 Al 100% écurie
Catégorie : Aluminium
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Chimiquement, l’aluminium est un métal post-transition du groupe du bore ; comme il est courant pour le groupe, l’aluminium forme des composés principalement à l’état d’oxydation +3 . Le Cation aluminium Al 3+ est petit et fortement chargé ; en tant que tel, il est polarisant et les liaisons des formes d’aluminium tendent vers la covalence . La forte affinité pour l’oxygène conduit à l’association commune de l’aluminium avec l’oxygène dans la nature sous forme d’oxydes ; pour cette raison, l’aluminium se trouve sur Terre principalement dans les roches de la croûte , où il est le troisième élément le plus abondant après l’oxygène et le silicium , plutôt que dans lemanteau , et pratiquement jamais sous forme de métal libre.

La découverte de l’aluminium a été annoncée en 1825 par le physicien danois Hans Christian Ørsted . La première production industrielle d’aluminium a été initiée par le chimiste français Henri Étienne Sainte-Claire Deville en 1856. L’aluminium est devenu beaucoup plus accessible au public avec le procédé Hall – Héroult développé indépendamment par l’ingénieur français Paul Héroult et l’ingénieur américain Charles Martin Hall en 1886, et la production de masse de l’aluminium a conduit à son utilisation intensive dans l’industrie et la vie quotidienne. Pendant les Première et Seconde Guerres mondiales , l’aluminium était une ressource stratégique cruciale pour l’aviation .. En 1954, l’aluminium est devenu le métal non ferreux le plus produit , dépassant le cuivre . Au 21e siècle, la majeure partie de l’aluminium était consommée dans les transports, l’ingénierie, la construction et l’emballage aux États-Unis, en Europe occidentale et au Japon.

Malgré sa prévalence dans l’environnement, aucun organisme vivant n’est connu pour utiliser métaboliquement les sels d’aluminium , mais l’aluminium est bien toléré par les plantes et les animaux. En raison de l’abondance de ces sels, le potentiel d’un rôle biologique pour eux est d’un intérêt continu, et les études se poursuivent.

Caractéristiques physiques

Isotopes

Parmi les isotopes de l’aluminium, seuls27
Alest stable. Cette situation est courante pour les éléments de numéro atomique impair. [b] C’est le seul isotope primordial de l’aluminium, c’est-à-dire le seul qui ait existé sur Terre sous sa forme actuelle depuis la formation de la planète. Presque tout l’aluminium sur Terre est présent sous la forme de cet isotope, ce qui en fait un élément mononucléidique et signifie que son poids atomique standard est pratiquement le même que celui de l’isotope. Cela rend l’aluminium très utile en résonance magnétique nucléaire (RMN), car son isotope stable unique a une sensibilité RMN élevée. [6] Le poids atomique standard de l’aluminium est faible par rapport à de nombreux autres métaux. [c]

Tous les autres isotopes de l’aluminium sont radioactifs . Le plus stable d’entre eux est l’ 26 Al : alors qu’il était présent avec l’ 27 Al stable dans le milieu interstellaire à partir duquel s’est formé le Système solaire, ayant été également produit par nucléosynthèse stellaire , sa demi-vie n’est que de 717 000 ans et donc une montant n’a pas survécu depuis la formation de la planète. [8] Cependant, des traces infimes de 26 Al sont produites à partir de l’ argon dans l’ atmosphère par spallation causée par les protons des rayons cosmiques . Le rapport de 26 Al àLe 10 Be a été utilisé pour la radiodatation des processus géologiques sur des échelles de temps de 10 5 à 10 6 ans, en particulier le transport, le dépôt, le stockage des sédiments , les temps d’enfouissement et l’érosion. [9] La plupart des scientifiques spécialistes des météorites pensent que l’énergie libérée par la désintégration du 26 Al était responsable de la fonte et de la différenciation de certains astéroïdes après leur formation il y a 4,55 milliards d’années. [dix]

Les isotopes restants de l’aluminium, avec des nombres de masse allant de 22 à 43, ont tous des demi-vies bien inférieures à une heure. Trois états métastables sont connus, tous avec des demi-vies inférieures à une minute. [5]

Coquille d’électrons

Un atome d’aluminium a 13 électrons, disposés dans une configuration électronique de [ Ne ] 3s 2 3p 1 , [11] avec trois électrons au-delà d’une configuration de gaz rare stable. En conséquence, les trois premières énergies d’ionisation combinées de l’aluminium sont bien inférieures à la quatrième énergie d’ionisation seule. [12] Une telle configuration électronique est partagée avec les autres membres bien caractérisés de son groupe, le bore , le gallium , l’ indium et le thallium ; il est également prévu pour le nihonium. L’aluminium peut relativement facilement céder ses trois électrons les plus externes dans de nombreuses réactions chimiques (voir ci- dessous ). L’ électronégativité de l’aluminium est de 1,61 (échelle de Pauling). [13]

Micrographie STEM – HAADF haute résolution d’atomes d’Al vus le long de l’axe de la zone [001].

Un atome d’aluminium libre a un rayon de 143 pm . [14] Avec les trois électrons les plus externes retirés, le rayon se rétrécit à 39 pm pour un atome à 4 coordonnées ou 53,5 pm pour un atome à 6 coordonnées. [14] À température et pression standard , les atomes d’aluminium (lorsqu’ils ne sont pas affectés par des atomes d’autres éléments) forment un système cristallin cubique à faces centrées lié par une liaison métallique fournie par les électrons les plus externes des atomes ; donc l’aluminium (dans ces conditions) est un métal. [15] Ce système cristallin est partagé par de nombreux autres métaux, tels que le plomb et le cuivre; la taille d’une cellule unitaire d’aluminium est comparable à celle de ces autres métaux. [15] Le système, cependant, n’est pas partagé par les autres membres de son groupe ; le bore a des énergies d’ionisation trop élevées pour permettre la métallisation, le thallium a une structure hexagonale compacte et le gallium et l’indium ont des structures inhabituelles qui ne sont pas compactes comme celles de l’aluminium et du thallium. Les quelques électrons disponibles pour la liaison métallique dans l’aluminium métallique sont une cause probable de sa douceur avec un point de fusion bas et une faible résistivité électrique . [16]

Masse

L’aluminium métallique a un aspect allant du blanc argenté au gris terne, selon la rugosité de la surface . [d] Un film d’aluminium frais est un bon réflecteur (environ 92 %) de la lumière visible et un excellent réflecteur (jusqu’à 98 %) du rayonnement infrarouge moyen et lointain . [ citation nécessaire ] Les miroirs en aluminium sont les plus réfléchissants de tous les miroirs métalliques pour le proche ultraviolet et l’ infrarouge lointain , et l’un des plus réfléchissants dans le spectre visible, presque à égalité avec l’argent, et les deux se ressemblent donc. L’aluminium est également bon pour réfléchir le rayonnement solaire, bien qu’une exposition prolongée à la lumière du soleil dans l’air augmente l’usure de la surface du métal ; cela peut être évité si l’aluminium est anodisé , ce qui ajoute une couche protectrice d’oxyde sur la surface.

La densité de l’aluminium est de 2,70 g/cm 3 , soit environ 1/3 de celle de l’acier, bien inférieure à celle des autres métaux couramment rencontrés, ce qui rend les pièces en aluminium facilement identifiables par leur légèreté. [19] La faible densité de l’aluminium par rapport à la plupart des autres métaux provient du fait que ses noyaux sont beaucoup plus légers, tandis que la différence de taille des cellules unitaires ne compense pas cette différence. Les seuls métaux plus légers sont les métaux des groupes 1 et 2 , qui à part le béryllium et le magnésium sont trop réactifs pour une utilisation structurale (et le béryllium est très toxique). [20] L’aluminium n’est pas aussi solide ou rigide que l’acier, mais la faible densité compense cela dans l’ aérospatialel’industrie et pour de nombreuses autres applications où la légèreté et une résistance relativement élevée sont cruciales. [21]

L’aluminium pur est assez mou et manque de solidité. Dans la plupart des applications, divers alliages d’aluminium sont utilisés à la place en raison de leur résistance et de leur dureté supérieures. [22] La limite d’élasticité de l’aluminium pur est de 7 à 11 MPa , tandis que les alliages d’aluminium ont des limites d’élasticité allant de 200 MPa à 600 MPa. [23] L’aluminium est ductile , avec un pourcentage d’allongement de 50 à 70 %, [24] et malléable , ce qui lui permet d’être facilement étiré et extrudé . [25] Il est également facile à usiner et à couler . [25]

L’aluminium est un excellent conducteur thermique et électrique , ayant environ 60% de la conductivité du cuivre , à la fois thermique et électrique, tout en n’ayant que 30% de la densité du cuivre. [26] L’aluminium est capable de supraconductivité , avec une température critique supraconductrice de 1,2 kelvin et un champ magnétique critique d’environ 100 gauss (10 milliteslas ). [27] Il est paramagnétique et donc essentiellement non affecté par les champs magnétiques statiques. [28]La conductivité électrique élevée, cependant, signifie qu’elle est fortement affectée par les champs magnétiques alternatifs par l’induction de courants de Foucault . [29]

Chimie

L’aluminium combine les caractéristiques des métaux pré- et post-transition. Puisqu’il a peu d’électrons disponibles pour la liaison métallique, comme ses congénères plus lourds du groupe 13 , il a les propriétés physiques caractéristiques d’un métal post-transition, avec des distances interatomiques plus longues que prévu. [16] De plus, comme Al 3+ est un petit Cation très chargé, il est fortement polarisant et la liaison dans les composés d’aluminium tend vers la covalence ; [30] ce comportement est similaire à celui du béryllium (Be 2+ ), et les deux présentent un exemple de relation diagonale . [31]

Le noyau sous-jacent sous la coque de valence de l’aluminium est celui du gaz rare précédent , tandis que ceux de ses congénères plus lourds gallium , indium , thallium et nihonium comprennent également une sous-coque d remplie et, dans certains cas, une sous-coque f remplie. Par conséquent, les électrons internes de l’aluminium protègent presque complètement les électrons de valence, contrairement à ceux des congénères plus lourds de l’aluminium. En tant que tel, l’aluminium est le métal le plus électropositif de son groupe et son hydroxyde est en fait plus basique que celui du gallium. [30] [e] L’aluminium présente également des similitudes mineures avec le bore métalloïde du même groupe : les composés AlX 3 sont de valence isoélectroniqueaux composés BX 3 (ils ont la même structure électronique de valence), et tous deux se comportent comme des acides de Lewis et forment facilement des adduits . De plus, l’un des principaux motifs de la chimie du bore est les structures icosaédriques régulières , et l’aluminium constitue une partie importante de nombreux alliages quasi-cristallins icosaédriques , y compris la classe Al – Zn – Mg. [33]

L’aluminium a une affinité chimique élevée pour l’oxygène, ce qui le rend approprié pour être utilisé comme agent réducteur dans la réaction aluminothermique . Une fine poudre d’aluminium métallique réagit de manière explosive au contact de l’oxygène liquide ; dans des conditions normales, cependant, l’aluminium forme une fine couche d’oxyde (~ 5 nm à température ambiante) [34] qui protège le métal d’une corrosion supplémentaire par l’oxygène, l’eau ou l’acide dilué, un processus appelé passivation . [30] [35] En raison de sa résistance générale à la corrosion, l’aluminium est l’un des rares métaux qui conserve la réflectance argentée sous forme de poudre fine, ce qui en fait un composant important de la couleur argentée.des peintures. [36] L’aluminium n’est pas attaqué par les acides oxydants en raison de sa passivation. Cela permet d’utiliser l’aluminium pour stocker des réactifs tels que l’acide nitrique , l’acide sulfurique concentré et certains acides organiques. [37]

Dans l’acide chlorhydrique concentré chaud , l’aluminium réagit avec l’eau avec dégagement d’hydrogène, et dans l’hydroxyde de sodium ou l’hydroxyde de potassium aqueux à température ambiante pour former des aluminates – la passivation protectrice dans ces conditions est négligeable. [38] Aqua regia dissout également l’aluminium. [37] L’aluminium est corrodé par les chlorures dissous , tels que le chlorure de sodium commun , c’est pourquoi la plomberie domestique n’est jamais en aluminium. [38] La couche d’oxyde sur l’aluminium est également détruite par le contact avec le mercure en raison de l’ amalgamationou avec des sels de certains métaux électropositifs. [30] Ainsi, les alliages d’aluminium les plus résistants sont moins résistants à la corrosion en raison des réactions galvaniques avec le cuivre allié [ 23 ] et la résistance à la corrosion de l’aluminium est fortement réduite par les sels aqueux, en particulier en présence de métaux différents. [16]

L’aluminium réagit avec la plupart des non-métaux lors du chauffage, formant des composés tels que le nitrure d’aluminium (AIN), le sulfure d’aluminium (Al 2 S 3 ) et les halogénures d’aluminium (AlX 3 ). Il forme également une large gamme de composés intermétalliques impliquant des métaux de tous les groupes du tableau périodique. [30]

Composés inorganiques

La grande majorité des composés, y compris tous les minéraux contenant de l’aluminium et tous les composés d’aluminium importants sur le plan commercial, contiennent de l’aluminium à l’état d’oxydation 3+. Le nombre de coordination de ces composés varie, mais généralement Al 3+ est à six ou quatre coordonnées. Presque tous les composés de l’aluminium(III) sont incolores. [30]

Hydrolyse de l’aluminium en fonction du pH. Les molécules d’eau coordonnées sont omises. (Données de Baes et Mesmer) [39]

En solution aqueuse, Al 3+ existe sous la forme du Cation hexaaqua [Al(H 2 O) 6 ] 3+ , qui a un K a approximatif de 10 −5 . [6] De telles solutions sont acides car ce Cation peut agir comme un donneur de protons et s’hydrolyser progressivement jusqu’à ce qu’un précipité d’ hydroxyde d’aluminium , Al(OH) 3 , se forme. Ceci est utile pour la clarification de l’eau, car le précipité se nuclée sur les particules en suspension dans l’eau, les éliminant ainsi. Augmenter encore plus le pH conduit à dissoudre à nouveau l’hydroxyde sous forme d’ aluminate, [Al(H 2 O) 2 (OH) 4 ] – , se forme.

L’hydroxyde d’aluminium forme à la fois des sels et des aluminates et se dissout dans l’acide et l’alcali, ainsi que lors de la fusion avec des oxydes acides et basiques. [30] Ce comportement de Al(OH) 3 est appelé amphotère et est caractéristique des cations faiblement basiques qui forment des hydroxydes insolubles et dont les espèces hydratées peuvent également donner leurs protons. L’un des effets de ceci est que les sels d’aluminium avec des acides faibles sont hydrolysés dans l’eau en hydroxyde aquaté et en hydrure non métallique correspondant : par exemple, le sulfure d’ aluminium donne du sulfure d’hydrogène . Cependant, certains sels comme le carbonate d’aluminiumexistent en solution aqueuse mais sont instables en tant que tels ; et seule une hydrolyse incomplète a lieu pour les sels avec des acides forts, tels que les halogénures, le nitrate et le sulfate . Pour des raisons similaires, les sels d’aluminium anhydres ne peuvent pas être fabriqués en chauffant leurs « hydrates » : le chlorure d’aluminium hydraté n’est en fait pas AlCl 3 ·6H 2 O mais [Al(H 2 O) 6 ]Cl 3 , et les liaisons Al–O sont si fort que le chauffage n’est pas suffisant pour les casser et former à la place des liaisons Al-Cl : [30]

2[Al(H 2 O) 6 ]Cl 3 Chauffer→ Al 2 O 3 + 6 HCl + 9 H 2 O

Les quatre trihalogénures sont bien connus. Contrairement aux structures des trois trihalogénures plus lourds, le fluorure d’aluminium (AlF 3 ) contient de l’aluminium à six coordonnées, ce qui explique son involatilité et son insolubilité ainsi que sa chaleur de formation élevée . Chaque atome d’aluminium est entouré de six atomes de fluor dans un arrangement octaédrique déformé , chaque atome de fluor étant partagé entre les coins de deux octaèdres. De telles unités {AlF 6 } existent aussi dans les fluorures complexes comme la cryolite , Na 3 AlF 6 . [f] AlF 3 fond à 1 290 °C (2 354 °F) et est fabriqué par réaction deoxyde d’aluminium avec du fluorure d’hydrogène gazeux à 700 ° C (1 300 ° F). [40]

Avec des halogénures plus lourds, les nombres de coordination sont plus faibles. Les autres trihalogénures sont dimères ou polymères avec des centres d’aluminium tétraédriques à quatre coordonnées. [g] Le trichlorure d’aluminium (AlCl 3 ) a une structure polymérique en couches sous son point de fusion de 192,4 °C (378 °F) mais se transforme lors de la fusion en dimères Al 2 Cl 6 . A des températures plus élevées, ceux-ci se dissocient de plus en plus en monomères AlCl 3 plans trigonaux similaires à la structure de BCl 3 . Tribromure d’aluminium et triiodure d’aluminium sous forme Al 2 X 6dimères dans les trois phases et ne présentent donc pas de changements de propriétés aussi importants lors du changement de phase. [40] Ces matériaux sont préparés en traitant l’aluminium métallique avec l’halogène. Les trihalogénures d’aluminium forment de nombreux composés ou complexes d’addition ; leur nature acide de Lewis les rend utiles comme catalyseurs pour les réactions de Friedel-Crafts . Le trichlorure d’aluminium a d’importantes utilisations industrielles impliquant cette réaction, comme dans la fabrication d’ anthraquinones et de styrène ; il est également souvent utilisé comme précurseur de nombreux autres composés d’aluminium et comme réactif pour convertir les fluorures non métalliques en chlorures correspondants (unréaction de transhalogénation ). [40]

L’aluminium forme un oxyde stable de formule chimique Al 2 O 3 , communément appelé alumine . [41] On peut le trouver dans la nature dans le corindon minéral , l’α-alumine ; [42] il existe également une phase γ-alumine. [6] Sa forme cristalline, le corindon , est très dure ( dureté Mohs 9), a un point de fusion élevé de 2 045 °C (3 713 °F), a une très faible volatilité, est chimiquement inerte et un bon isolant électrique, il est souvent utilisé dans les abrasifs (comme le dentifrice), comme matériau réfractaire et dans la céramique, en plus d’être le matériau de départ pour la production électrolytique d’aluminium métallique. Le saphir et le rubis sont du corindon impur contaminé par des traces d’autres métaux. [6] Les deux principaux oxydes-hydroxydes, AlO(OH), sont la boehmite et la diaspore . Il existe trois principaux trihydroxydes : la bayerite , la gibbsite et la nordstrandite , qui diffèrent par leur structure cristalline ( polymorphes ). De nombreuses autres structures intermédiaires et apparentées sont également connues. [6]La plupart sont produits à partir de minerais par une variété de procédés humides utilisant de l’acide et de la base. Le chauffage des hydroxydes conduit à la formation de corindon. Ces matériaux sont d’une importance capitale pour la production d’aluminium et sont eux-mêmes extrêmement utiles. Certaines phases d’oxydes mixtes sont également très utiles, comme le spinelle (MgAl 2 O 4 ), le Na-β-alumine (NaAl 11 O 17 ) et l’aluminate tricalcique (Ca 3 Al 2 O 6 , une phase minérale importante dans le ciment Portland ) . [6]

Les seuls chalcogénures stables dans des conditions normales sont le sulfure d’aluminium (Al 2 S 3 ), le séléniure (Al 2 Se 3 ) et le tellurure (Al 2 Te 3 ). Tous les trois sont préparés par réaction directe de leurs éléments à environ 1 000 ° C (1 800 ° F) et s’hydrolysent rapidement complètement dans l’eau pour donner de l’hydroxyde d’aluminium et le chalcogénure d’hydrogène respectif . Comme l’aluminium est un petit atome par rapport à ces chalcogènes, ceux-ci ont de l’aluminium tétraédrique à quatre coordonnées avec divers polymorphes ayant des structures liées à la wurtzite, avec les deux tiers des sites métalliques possibles occupés de manière ordonnée (α) ou aléatoire (β) ; le sulfure a également une forme γ liée à la γ-alumine et une forme hexagonale inhabituelle à haute température où la moitié des atomes d’aluminium ont une quadri-coordination tétraédrique et l’autre moitié une quadri-coordination trigonale bipyramidale. [43]

Quatre pnictures – le nitrure d’aluminium (AlN), le phosphure d’aluminium (AlP), l’arséniure d’aluminium (AlAs) et l’antimoniure d’aluminium (AlSb) – sont connus. Ce sont tous des semi-conducteurs III-V isoélectroniques au silicium et au germanium , qui ont tous, sauf AlN, la structure du zinc blende . Tous les quatre peuvent être fabriqués par réaction directe à haute température (et éventuellement à haute pression) de leurs éléments constitutifs. [43]

L’aluminium s’allie bien avec la plupart des autres métaux (à l’exception de la plupart des métaux alcalins et des métaux du groupe 13) et plus de 150 intermétalliques avec d’autres métaux sont connus. La préparation consiste à chauffer ensemble des métaux fixés dans une certaine proportion, suivi d’un refroidissement et d’un recuit progressifs . La liaison en eux est principalement métallique et la structure cristalline dépend principalement de l’efficacité du garnissage. [44]

Il existe peu de composés avec des états d’oxydation inférieurs. Il existe quelques composés d’aluminium (I) : AlF, AlCl, AlBr et AlI existent en phase gazeuse lorsque le trihalogénure respectif est chauffé avec de l’aluminium et à des températures cryogéniques. [40] Un dérivé stable du monoiodure d’aluminium est l’ adduit cyclique formé avec la triéthylamine , Al 4 I 4 (NEt 3 ) 4 . Al 2 O et Al 2 S existent également mais sont très instables. [45] Des composés d’aluminium (II) très simples sont invoqués ou observés dans les réactions du métal Al avec des oxydants. Par exemple, le monoxyde d’aluminium, AlO, a été détecté dans la phase gazeuse après explosion [46] et dans les spectres d’absorption stellaire. [47] Plus soigneusement étudiés sont les composés de formule R 4 Al 2 qui contiennent une liaison Al–Al et où R est un grand ligand organique . [48]

Composés organoaluminiques et hydrures apparentés

Structure du triméthylaluminium , un composé qui contient du carbone à cinq coordonnées.

Une variété de composés de formule brute AlR 3 et AlR 1.5 Cl 1.5 existent. [49] Les trialkyls et triaryles d’aluminium sont des liquides réactifs, volatils et incolores ou des solides à bas point de fusion. Ils s’enflamment spontanément à l’air et réagissent avec l’eau, ce qui nécessite des précautions lors de leur manipulation. Ils forment souvent des dimères, contrairement à leurs analogues du bore, mais cette tendance diminue pour les alkyles à chaîne ramifiée (par exemple Pr i , Bu i , Me 3 CCH 2 ); par exemple, le triisobutylaluminium existe sous la forme d’un mélange à l’équilibre du monomère et du dimère. [50] [51]Ces dimères, tels que le triméthylaluminium (Al 2 Me 6 ), présentent généralement des centres Al tétraédriques formés par dimérisation avec un groupe alkyle pontant entre les deux atomes d’aluminium. Ce sont des acides durs et réagissent facilement avec les ligands, formant des adduits. Dans l’industrie, ils sont principalement utilisés dans les réactions d’insertion d’alcènes, comme l’a découvert Karl Ziegler , surtout dans les “réactions de croissance” qui forment des alcènes et des alcools primaires non ramifiés à longue chaîne, et dans la polymérisation à basse pression de l’éthène et du propène . Il existe également des composés organoaluminiques hétérocycliques et en grappes impliquant des liaisons Al – N. [50]

L’hydrure d’aluminium le plus important sur le plan industriel est l’hydrure de lithium et d’aluminium (LiAlH 4 ), qui est utilisé comme agent réducteur en chimie organique . Il peut être produit à partir d’ hydrure de lithium et de trichlorure d’aluminium . [52] L’hydrure le plus simple, l’hydrure d’aluminium ou l’alane, n’est pas aussi important. C’est un polymère de formule (AlH 3 ) n , contrairement à l’hydrure de bore correspondant qui est un dimère de formule (BH 3 ) 2 . [52]

Occurrence naturelle

Espace

L’abondance par particule d’aluminium dans le système solaire est de 3,15 ppm (parties par million). [53] [h] C’est le douzième le plus abondant de tous les éléments et le troisième le plus abondant parmi les éléments qui ont des nombres atomiques impairs, après l’hydrogène et l’azote. [53] Le seul isotope stable de l’aluminium, 27 Al, est le dix-huitième noyau le plus abondant dans l’Univers. Il est créé presque entièrement après la fusion du carbone dans des étoiles massives qui deviendront plus tard des supernovas de type II : cette fusion crée 26 Mg, qui, en capturant des protons et des neutrons libres, devient de l’aluminium. De plus petites quantités de 27 Al sont créées dansles coquilles d’étoiles évoluées brûlant de l’hydrogène , où 26 Mg peuvent capturer des protons libres. [54] Essentiellement, tout l’aluminium existant actuellement est du 27 Al. 26 Al était présent au début du système solaire avec une abondance de 0,005% par rapport à 27 Al mais sa demi-vie de 728 000 ans est trop courte pour que les noyaux d’origine survivent; 26 Al est donc éteint . [54] Contrairement à 27 Al, la combustion d’hydrogène est la principale source de 26 Al, le nucléide émergeant après qu’un noyau de 25 Mg ait capturé un proton libre. Cependant, les traces de 26Al qui existent sont les émetteurs de rayons gamma les plus courants dans le gaz interstellaire ; [54] si le 26 Al original était toujours présent, les cartes de rayons gamma de la Voie lactée seraient plus brillantes. [54]

Terre

Bauxite , un minerai d’aluminium majeur. La couleur rouge-brun est due à la présence de minéraux d’ oxyde de fer.

Dans l’ensemble, la Terre contient environ 1,59% d’aluminium en masse (septième en abondance en masse). [55] L’aluminium est présent en plus grande proportion dans la croûte terrestre que dans l’Univers en général, car l’aluminium forme facilement l’oxyde et se lie aux roches et reste dans la croûte terrestre , tandis que les métaux moins réactifs coulent au noyau. [54] Dans la croûte terrestre, l’aluminium est l’élément métallique le plus abondant (8,23 % en masse [24] ) et le troisième le plus abondant de tous les éléments (après l’oxygène et le silicium). [56] Un grand nombre de silicates dans la croûte terrestre contiennent de l’aluminium. [57] En revanche, le manteau terrestre ne contient que 2,38 % d’aluminium en masse. [58]L’aluminium est également présent dans l’eau de mer à une concentration de 2 μg/kg. [24]

En raison de sa forte affinité pour l’oxygène, l’aluminium ne se trouve presque jamais à l’état élémentaire ; on le trouve plutôt dans les oxydes ou les silicates. Les feldspaths , le groupe de minéraux le plus courant dans la croûte terrestre, sont des aluminosilicates. L’aluminium est également présent dans les minéraux béryl , cryolite , grenat , spinelle et turquoise . [59] Les impuretés dans Al 2 O 3 , telles que le chrome et le fer , donnent respectivement les pierres précieuses rubis et saphir . [60] Aluminium natifle métal est extrêmement rare et ne peut être trouvé qu’en tant que phase mineure dans des environnements à faible fugacité d’oxygène , tels que l’intérieur de certains volcans. [61] De l’aluminium natif a été signalé dans des suintements froids du talus continental nord -est de la mer de Chine méridionale . Il est possible que ces dépôts résultent d’ une réduction bactérienne du tétrahydroxoaluminate Al(OH) 4 – . [62]

Bien que l’aluminium soit un élément commun et répandu, tous les minéraux d’aluminium ne sont pas des sources économiquement viables de métal. Presque tout l’aluminium métallique est produit à partir du minerai de bauxite (AlO x (OH) 3–2 x ). La bauxite se présente comme un produit d’ altération du substrat rocheux à faible teneur en fer et en silice dans des conditions climatiques tropicales. [63] En 2017, la plupart de la bauxite était extraite en Australie, en Chine, en Guinée et en Inde. [64]

Histoire

Friedrich Wöhler , le chimiste qui a le premier décrit en détail l’aluminium élémentaire métallique

L’histoire de l’aluminium a été façonnée par l’utilisation de l’ alun . La première trace écrite d’alun, faite par l’ historien grec Hérodote , remonte au 5ème siècle avant notre ère. [65] Les anciens sont connus pour avoir utilisé l’alun comme mordant de teinture et pour la défense de la ville. [65] Après les croisades , l’alun, bien indispensable dans l’industrie textile européenne, [66] fait l’objet d’un commerce international ; [67] il a été importé en Europe de la Méditerranée orientale jusqu’au milieu du XVe siècle. [68]

La nature de l’alun restait inconnue. Vers 1530, le médecin suisse Paracelse a suggéré que l’alun était un sel d’une terre d’alun. [69] En 1595, le médecin et chimiste allemand Andreas Libavius ​​l’a confirmé expérimentalement. [70] En 1722, le chimiste allemand Friedrich Hoffmann a annoncé sa croyance que la base d’alun était une terre distincte. [71] En 1754, le chimiste allemand Andreas Sigismund Marggraf a synthétisé l’alumine en faisant bouillir de l’argile dans de l’acide sulfurique et en ajoutant par la suite de la potasse . [71]

Les tentatives de produire de l’aluminium métallique remontent à 1760. [72] La première tentative réussie, cependant, a été achevée en 1824 par le physicien et chimiste danois Hans Christian Ørsted . Il a fait réagir du chlorure d’aluminium anhydre avec de l’ amalgame de potassium , donnant un morceau de métal ressemblant à de l’étain. [73] [74] [75] Il a présenté ses résultats et a démontré un échantillon du nouveau métal en 1825. [76] [77] En 1827, le chimiste allemand Friedrich Wöhler a répété les expériences d’Ørsted mais n’a identifié aucun aluminium. [78] (La raison de cette incohérence n’a été découverte qu’en 1921.) [79]Il a mené une expérience similaire la même année en mélangeant du chlorure d’aluminium anhydre avec du potassium et a produit une poudre d’aluminium. [75] En 1845, il a pu produire de petits morceaux de métal et a décrit certaines propriétés physiques de ce métal. [79] Pendant de nombreuses années par la suite, Wöhler a été crédité comme le découvreur de l’aluminium. [80]

La statue d’ Anteros à Piccadilly Circus , à Londres, a été réalisée en 1893 et ​​est l’une des premières statues coulées en aluminium.

Comme la méthode de Wöhler ne pouvait pas produire de grandes quantités d’aluminium, le métal restait rare ; son coût dépassait celui de l’or. [78] La première production industrielle d’aluminium a été établie en 1856 par le chimiste français Henri Etienne Sainte-Claire Deville et ses compagnons. [81] Deville avait découvert que le trichlorure d’aluminium pouvait être réduit par le sodium, qui était plus pratique et moins cher que le potassium, que Wöhler avait utilisé. [82] Même alors, l’aluminium n’était toujours pas d’une grande pureté et l’aluminium produit différait dans les propriétés d’un échantillon à l’autre. [83] En raison de sa capacité de conduction électrique, l’aluminium a été utilisé comme capuchon du Washington Monument, achevé en 1885. Le plus haut bâtiment du monde à l’époque, le capuchon en métal non corrosif était destiné à servir de pointe de paratonnerre .

La première méthode de production industrielle à grande échelle a été développée indépendamment en 1886 par l’ingénieur français Paul Héroult et l’ingénieur américain Charles Martin Hall ; il est maintenant connu sous le nom de procédé Hall-Héroult . [84] Le procédé Hall-Héroult convertit l’alumine en métal. Le chimiste autrichien Carl Joseph Bayer a découvert un moyen de purifier la bauxite pour produire de l’alumine, maintenant connue sous le nom de procédé Bayer , en 1889. [85] La production moderne de l’aluminium métallique est basée sur les procédés Bayer et Hall-Héroult. [86]

Les prix de l’aluminium ont chuté et l’aluminium est devenu largement utilisé dans les bijoux, les articles de tous les jours, les montures de lunettes, les instruments d’optique, la vaisselle et le papier d’ aluminium dans les années 1890 et au début du XXe siècle. La capacité de l’aluminium à former des alliages durs mais légers avec d’autres métaux a fourni au métal de nombreuses utilisations à l’époque. [87] Pendant la Première Guerre mondiale , les gouvernements importants ont exigé de grandes expéditions d’aluminium pour les fuselages forts légers; [88] pendant la Seconde Guerre mondiale , la demande des principaux gouvernements pour l’aviation était encore plus élevée. [89] [90] [91]

Au milieu du XXe siècle, l’aluminium était devenu une partie de la vie quotidienne et un composant essentiel des articles ménagers. [92] En 1954, la production d’aluminium a dépassé celle du cuivre , [i] historiquement deuxième en production après le fer, [95] ce qui en fait le métal non ferreux le plus produit . Au milieu du 20e siècle, l’aluminium est devenu un matériau de génie civil, avec des applications de construction à la fois dans la construction de base et les travaux de finition intérieure, [96] et est de plus en plus utilisé dans le génie militaire, à la fois pour les moteurs d’avions et de véhicules blindés terrestres. [97] Premier satellite artificiel de la Terre, lancé en 1957, se composait de deux demi-sphères en aluminium séparées jointes et tous les véhicules spatiaux ultérieurs ont utilisé de l’aluminium dans une certaine mesure. [86] La canette en aluminium a été inventée en 1956 et utilisée comme stockage de boissons en 1958. [98]

Production mondiale d’aluminium depuis 1900

Tout au long du XXe siècle, la production d’aluminium augmente rapidement : alors que la production mondiale d’aluminium en 1900 est de 6 800 tonnes, la production annuelle dépasse pour la première fois les 100 000 tonnes en 1916 ; 1 000 000 tonnes en 1941 ; 10 000 000 tonnes en 1971. [93] Dans les années 1970, la demande accrue d’aluminium en a fait une marchandise d’échange ; il est entré à la London Metal Exchange , la plus ancienne bourse de métaux industriels au monde, en 1978. [86] La production a continué de croître : la production annuelle d’aluminium a dépassé 50 000 000 tonnes métriques en 2013. [93]

Le prix réel de l’aluminium est passé de 14 000 dollars la tonne métrique en 1900 à 2 340 dollars en 1948 (en dollars des États-Unis de 1998). [93] Les coûts d’extraction et de traitement ont été réduits en fonction du progrès technologique et de l’échelle des économies. Cependant, la nécessité d’exploiter des gisements de moindre qualité et de qualité inférieure et l’utilisation de coûts d’intrants en augmentation rapide (surtout l’énergie) ont augmenté le coût net de l’aluminium; [99] le prix réel a commencé à croître dans les années 1970 avec la hausse du coût de l’énergie. [100] La production s’est déplacée des pays industrialisés vers des pays où la production était moins chère. [101]Les coûts de production à la fin du XXe siècle ont changé en raison des progrès technologiques, de la baisse des prix de l’énergie, des taux de change du dollar américain et des prix de l’alumine. [102] La part combinée des pays BRIC dans la production primaire et la consommation primaire a considérablement augmenté au cours de la première décennie du XXIe siècle. [103] La Chine accumule une part particulièrement importante de la production mondiale grâce à une abondance de ressources, une énergie bon marché et des stimuli gouvernementaux ; [104] il a également augmenté sa part de consommation de 2 % en 1972 à 40 % en 2010. [105] Aux États-Unis, en Europe occidentale et au Japon, la majeure partie de l’aluminium était consommée dans les transports, l’ingénierie, la construction et l’emballage. [106]En 2021, les prix des métaux industriels tels que l’aluminium ont atteint des niveaux presque records, les pénuries d’énergie en Chine faisant grimper les coûts de l’électricité. [107]

Étymologie

Les noms aluminium et aluminium sont dérivés du mot alumine , un terme obsolète pour l’alumine , [j] un oxyde d’aluminium naturel . [109] L’alumine a été empruntée au français, qui à son tour l’a dérivée de l’ alumen , le nom latin classique de l’ alun , le minéral à partir duquel elle a été collectée. [110] Le mot latin alumen provient de la racine proto-indo-européenne *alu- signifiant “amer” ou “bière”. [111]

Publicité américaine de 1897 avec l’ orthographe de l’ aluminium

Monnaie

Le chimiste britannique Humphry Davy , qui a effectué un certain nombre d’expériences visant à isoler le métal, est crédité comme la personne qui a nommé l’élément. Le premier nom proposé pour le métal à isoler de l’alun était l’alumium , ce que Davy suggéra dans un article de 1808 sur ses recherches électrochimiques, publié dans Philosophical Transactions of the Royal Society . [112] Il est apparu que le nom a été inventé à partir du mot anglais alun et du suffixe latin -ium; cependant, il était d’usage à l’époque que les éléments aient des noms provenant de la langue latine, et en tant que tel, ce nom n’a pas été adopté universellement. Ce nom a été critiqué par des chimistes contemporains de France, d’Allemagne et de Suède, qui ont insisté pour que le métal soit nommé d’après l’oxyde, l’alumine, dont il serait isolé. [113] Le mot anglais nom alun ne fait pas directement référence à la langue latine, alors que alumine / Alumina fait facilement référence au mot latin alumen (lors de la déclinaison , alumen se transforme en alumin- ).

Un exemple était un écrit en français du chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius intitulé Essai sur la Nomenclature chimique , publié en juillet 1811; dans cet essai, entre autres, Berzelius a utilisé le nom d’aluminium pour l’élément qui serait synthétisé à partir de l’alun. [114] [k] (Un autre article dans le même numéro de revue fait également référence au métal dont l’oxyde forme la base du saphir quant à l’aluminium .) [116] Un résumé de janvier 1811 d’une des conférences de Davy à la Royal Society mentionne le nom l’aluminium comme possibilité. [117]L’année suivante, Davy publie un manuel de chimie dans lequel il utilise l’orthographe aluminium . [118] Les deux orthographes ont coexisté depuis ; cependant, leur utilisation s’est divisée par région : l’aluminium est l’orthographe principale aux États-Unis et au Canada, tandis que l’aluminium est dans le reste du monde anglophone. [119]

Orthographe

En 1812, le scientifique britannique Thomas Young [120] écrivit une critique anonyme du livre de Davy, dans laquelle il proposa le nom d’aluminium au lieu d’ aluminium , qui, selon lui, avait un “son moins classique”. [121] Ce nom a fait son chemin : alors que l’ orthographe -um était parfois utilisée en Grande-Bretagne, le langage scientifique américain a utilisé -ium dès le début. [122] La plupart des scientifiques ont utilisé -ium dans le monde entier au 19ème siècle, [119] et il était ancré dans de nombreuses autres langues européennes, telles que le français , l’allemand ou le néerlandais . [l]En 1828, le lexicographe américain Noah Webster a utilisé exclusivement l’ orthographe de l’ aluminium dans son American Dictionary of the English Language . [123] Dans les années 1830, l’ orthographe -um a commencé à être utilisée aux États-Unis ; dans les années 1860, c’était devenu l’orthographe la plus courante en dehors de la science. [122] En 1892, Hall a utilisé l’ orthographe -um dans son prospectus publicitaire pour sa nouvelle méthode électrolytique de production du métal, malgré son utilisation constante de l’ orthographe -ium dans tous les brevets qu’il a déposés entre 1886 et 1903. On ne sait toujours pas si cette orthographe a été introduite par erreur ou intentionnellement ; cependant, Hall a préférél’aluminium depuis son introduction car il ressemblait au platine , nom d’un métal prestigieux. [124] En 1890, les deux orthographes étaient courantes aux États-Unis, l’ orthographe -ium étant légèrement plus courante; en 1895, la situation s’était inversée; en 1900, l’aluminium était devenu deux fois plus courant que l’aluminium ; au cours de la décennie suivante, l’ orthographe -um a dominé l’usage américain. En 1925, l’ American Chemical Society a adopté cette orthographe. [119]

L’ Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) a adopté l’aluminium comme nom international standard pour l’élément en 1990. [125] En 1993, ils ont reconnu l’aluminium comme une variante acceptable ; [125] l’édition 2005 la plus récente de la nomenclature IUPAC de la chimie inorganique reconnaît également cette orthographe. [126] Les publications officielles de l’IUPAC utilisent l’ orthographe -ium comme primaire mais énumèrent les deux le cas échéant. [m]

Production et raffinement

La production d’aluminium commence par l’extraction de la roche de bauxite du sol. La bauxite est traitée et transformée selon le procédé Bayer en alumine , qui est ensuite traitée selon le procédé Hall – Héroult , aboutissant à l’aluminium métallique final.

La production d’aluminium est très consommatrice d’énergie, et les producteurs ont donc tendance à implanter des fonderies dans des endroits où l’électricité est à la fois abondante et peu coûteuse. [128] En 2019, les plus grandes fonderies d’aluminium au monde sont situées en Chine, en Inde, en Russie, au Canada et aux Émirats arabes unis, [129] tandis que la Chine est de loin le premier producteur d’aluminium avec une part mondiale de cinquante- cinq pour cent.

Selon le rapport de l’ International Resource Panel sur les stocks de métaux dans la société , le stock mondial par habitant d’aluminium utilisé dans la société (c’est-à-dire dans les voitures, les bâtiments, l’électronique, etc.) est de 80 kg (180 lb). Une grande partie de cela se trouve dans les pays plus développés (350 à 500 kg (770 à 1 100 lb) par habitant) plutôt que dans les pays moins développés (35 kg (77 lb) par habitant). [130]

Processus Bayer

La bauxite est transformée en alumine par le procédé Bayer. La bauxite est mélangée pour obtenir une composition uniforme, puis est broyée. La bouillie résultante est mélangée avec une solution chaude d’ hydroxyde de sodium ; le mélange est ensuite traité dans un digesteur à une pression bien supérieure à la pression atmosphérique, dissolvant l’hydroxyde d’aluminium dans la bauxite tout en convertissant les impuretés en composés relativement insolubles : [131]

Al(OH) 3 + Na + + OH − → Na + + [Al(OH) 4 ] −

Après cette réaction, la bouillie est à une température supérieure à son point d’ébullition atmosphérique. Il est refroidi en éliminant la vapeur lorsque la pression est réduite. Le résidu de bauxite est séparé de la solution et jeté. La solution, exempte de solides, est ensemencée de petits cristaux d’hydroxyde d’aluminium ; cela provoque la décomposition des ions [Al(OH) 4 ] − en hydroxyde d’aluminium. Après qu’environ la moitié de l’aluminium ait précipité, le mélange est envoyé aux classificateurs. De petits cristaux d’hydroxyde d’aluminium sont collectés pour servir d’agents d’ensemencement ; les particules grossières sont transformées en alumine par chauffage ; la solution en excès est éliminée par évaporation, (si nécessaire) purifiée et recyclée. [131]

Procédé Hall-Héroult

Billettes d’ extrusion d’aluminium

La conversion de l’alumine en aluminium métallique est réalisée par le procédé Hall-Héroult . Dans ce procédé énergivore, une solution d’alumine dans un mélange fondu (950 et 980 °C (1 740 et 1 800 °F)) de cryolite (Na 3 AlF 6 ) avec du fluorure de calcium est électrolysée pour produire de l’aluminium métallique. Le métal d’aluminium liquide coule au fond de la solution et est extrait, et généralement coulé en gros blocs appelés billettes d’aluminium pour un traitement ultérieur. [37]

Les anodes de la cellule d’électrolyse sont en carbone – le matériau le plus résistant à la corrosion par le fluorure – et sont soit cuites au cours du processus, soit précuites. Les premières, également appelées anodes Söderberg, sont moins économes en énergie et les fumées dégagées lors de la cuisson sont coûteuses à collecter, c’est pourquoi elles sont remplacées par des anodes précuites même si elles économisent de l’énergie, de l’énergie et du travail pour précuire les cathodes. Le carbone pour les anodes doit être de préférence pur afin que ni l’aluminium ni l’électrolyte ne soient contaminés par des cendres. Malgré la résistivité du carbone contre la corrosion, il est toujours consommé à raison de 0,4 à 0,5 kg par kilogramme d’aluminium produit. Les cathodes sont en anthracite ; une grande pureté pour eux n’est pas nécessaire car les impuretés sont lixiviéesque très lentement. La cathode est consommée à raison de 0,02 à 0,04 kg par kilogramme d’aluminium produit. Une cellule est généralement terminée après 2 à 6 ans suite à une défaillance de la cathode. [37]

Le procédé Hall-Héroult produit de l’aluminium d’une pureté supérieure à 99 %. Une purification supplémentaire peut être effectuée par le procédé Hoopes . Ce processus implique l’électrolyse de l’aluminium fondu avec un électrolyte de fluorure de sodium, de baryum et d’aluminium. L’aluminium obtenu a une pureté de 99,99 %. [37] [132]

L’énergie électrique représente environ 20 à 40 % du coût de production de l’aluminium, selon l’emplacement de la fonderie. La production d’aluminium consomme environ 5 % de l’électricité produite aux États-Unis. [125] Pour cette raison, des alternatives au procédé Hall-Héroult ont été recherchées, mais aucune ne s’est avérée économiquement réalisable. [37]

Recyclage

Des poubelles communes pour les déchets recyclables ainsi qu’une poubelle pour les déchets non recyclables. Le bac avec un dessus jaune est étiqueté “aluminium”. Rhodes, Grèce.

La récupération du métal par recyclage est devenue une tâche importante de l’industrie de l’aluminium. Le recyclage était une activité discrète jusqu’à la fin des années 1960, lorsque l’utilisation croissante des canettes de boisson en aluminium l’a fait connaître au public. [133] Le recyclage consiste à faire fondre la ferraille, un processus qui ne nécessite que 5 % de l’énergie utilisée pour produire de l’aluminium à partir du minerai, bien qu’une partie importante (jusqu’à 15 % du matériau d’entrée) soit perdue sous forme d’ écume (oxyde semblable à la cendre) . [134] Un fondoir à cheminée d’aluminium produit beaucoup moins de scories, avec des valeurs rapportées inférieures à 1 %. [135]

Les scories blanches issues de la production d’aluminium primaire et des opérations de recyclage secondaire contiennent encore des quantités utiles d’aluminium qui peuvent être extraites industriellement . Le processus produit des billettes d’aluminium, ainsi qu’un déchet très complexe. Ces déchets sont difficiles à gérer. Il réagit avec l’eau en libérant un mélange de gaz (comprenant, entre autres, de l’hydrogène , de l’acétylène et de l’ammoniac ), qui s’enflamme spontanément au contact de l’air ; [136] le contact avec l’air humide entraîne le dégagement de quantités abondantes de gaz ammoniac. Malgré ces difficultés, les déchets sont utilisés comme filler dans l’ asphalte et le béton . [137]

Applications

Austin A40 Sports à carrosserie en aluminium (vers 1951)

Métal

La production mondiale d’aluminium en 2016 était de 58,8 millions de tonnes métriques. Il dépassait celui de tout autre métal à l’exception du fer (1 231 millions de tonnes métriques). [138] [139]

L’aluminium est presque toujours allié, ce qui améliore nettement ses propriétés mécaniques, notamment lorsqu’il est trempé . Par exemple, les feuilles d’aluminium et les canettes de boisson courantes sont des alliages de 92 % à 99 % d’aluminium. [140] Les principaux agents d’ alliage sont le cuivre , le zinc , le magnésium , le manganèse et le silicium (par exemple, le duralumin ) avec des niveaux d’autres métaux de quelques pour cent en poids. [141] L’aluminium, forgé et coulé, a été allié avec : du manganèse , du silicium , du magnésium , du cuivreet le zinc entre autres. [142] Par exemple, la famille d’alliages Kynal a été développée par le fabricant britannique de produits chimiques Imperial Chemical Industries .

Canette en aluminium

Les principales utilisations de l’aluminium métal sont dans : [143]

  • Transport ( automobiles , avions, camions , wagons de chemin de fer , navires, bicyclettes , engins spatiaux, etc. ). L’aluminium est utilisé en raison de sa faible densité ;
  • Emballage ( boîtes , feuille, cadre, etc. ). L’aluminium est utilisé car il est non toxique (voir ci- dessous ), non adsorbant et résistant aux éclats ;
  • Bâtiment et construction ( fenêtres , portes , bardage , fil de construction, revêtement, toiture, etc. ). L’acier étant moins cher, l’aluminium est utilisé lorsque la légèreté, la résistance à la corrosion ou les caractéristiques techniques sont importantes.
  • Usages liés à l’électricité (alliages conducteurs, moteurs et génératrices, transformateurs, condensateurs, etc. ). L’aluminium est utilisé car il est relativement bon marché, hautement conducteur, possède une résistance mécanique adéquate et une faible densité, et résiste à la corrosion ;
  • Une large gamme d’ articles ménagers , des ustensiles de cuisine aux meubles . La faible densité, la bonne apparence, la facilité de fabrication et la durabilité sont les facteurs clés de l’utilisation de l’aluminium.
  • Machines et équipements (équipements de traitement, tuyaux, outils). L’aluminium est utilisé en raison de sa résistance à la corrosion, de sa non- pyrophoricité et de sa résistance mécanique.
  • Mallettes pour ordinateurs portables. Actuellement rarement utilisé sans alliage, [144] mais l’aluminium peut être recyclé et l’aluminium propre a une valeur marchande résiduelle : par exemple, le matériau de la canette de boisson usagée (UBC) a été utilisé pour envelopper les composants électroniques de l’ordinateur portable MacBook Air , du smartphone Pixel 5 ou du Summit Montre connectée Lite . [145] [146] [147]

Composés

La grande majorité (environ 90%) de l’oxyde d’aluminium est convertie en aluminium métallique. [131] Étant un matériau très dur ( dureté Mohs 9), [148] l’alumine est largement utilisée comme abrasif ; [149] étant extraordinairement inerte chimiquement, il est utile dans les environnements hautement réactifs tels que les lampes au sodium à haute pression . [150] L’oxyde d’aluminium est couramment utilisé comme catalyseur pour les procédés industriels ; [131] par exemple le procédé Claus pour convertir le sulfure d’hydrogène en soufre dans les raffineries et pour alkyler les amines . [151][152] De nombreux catalyseurs industrielssont supportés par de l’alumine, ce qui signifie que le matériau catalyseur coûteux est dispersé sur une surface d’alumine inerte. [153] Une autre utilisation principale est comme agent desséchant ou absorbant. [131] [154]

Dépôt laser d’alumine sur un substrat

Plusieurs sulfates d’aluminium ont des applications industrielles et commerciales. Le sulfate d’aluminium (sous sa forme hydratée) est produit à l’échelle annuelle de plusieurs millions de tonnes métriques. [155] Environ les deux tiers sont consommés dans le traitement de l’eau . [155] La deuxième grande application est la fabrication de papier. [155] Il est également utilisé comme mordant dans la teinture, le décapage des graines, la désodorisation des huiles minérales, le tannage du cuir et la production d’autres composés d’aluminium. [155] Deux types d’alun, l’alun d’ammonium et l’alun de potassium, étaient autrefois utilisés comme mordants et dans le tannage du cuir, mais leur utilisation a considérablement diminué suite à la disponibilité du sulfate d’aluminium de haute pureté. [155] Le chlorure d’aluminium anhydre est utilisé comme catalyseur dans les industries chimiques et pétrochimiques, l’industrie de la teinture et dans la synthèse de divers composés inorganiques et organiques. [155] Les hydroxychlorures d’aluminium sont utilisés pour purifier l’eau, dans l’industrie du papier et comme antisudorifiques . [155] L’aluminate de sodium est utilisé dans le traitement de l’eau et comme accélérateur de solidification du ciment. [155]

De nombreux composés d’aluminium ont des applications de niche, par exemple :

  • L’acétate d’aluminium en solution est utilisé comme astringent . [156]
  • Le phosphate d’aluminium est utilisé dans la fabrication de produits de verre, de céramique, de pâtes et papiers, de cosmétiques , de peintures, de vernis et de ciment dentaire . [157]
  • L’hydroxyde d’aluminium est utilisé comme antiacide et mordant ; il est également utilisé dans la purification de l’ eau , la fabrication du verre et de la céramique, et dans l’ imperméabilisation des tissus . [158] [159]
  • L’hydrure de lithium et d’aluminium est un puissant agent réducteur utilisé en chimie organique . [160] [161]
  • Les organoaluminiums sont utilisés comme acides de Lewis et co-catalyseurs. [162]
  • Le méthylaluminoxane est un co-catalyseur pour la polymérisation des oléfines Ziegler – Natta pour produire des polymères vinyliques tels que le polyéthylène . [163]
  • Les ions aluminium aqueux (tels que le sulfate d’aluminium aqueux) sont utilisés pour traiter les parasites des poissons tels que Gyrodactylus salaris . [164]
  • Dans de nombreux vaccins , certains sels d’aluminium servent d’ adjuvant immunitaire (amplificateur de la réponse immunitaire) pour permettre à la protéine du vaccin d’atteindre une puissance suffisante en tant que stimulant immunitaire. [165]

La biologie

Schéma de l’absorption de l’aluminium par la peau humaine. [166]

Malgré sa présence répandue dans la croûte terrestre, l’aluminium n’a aucune fonction connue en biologie. [37] À un pH de 6 à 9 (pertinent pour la plupart des eaux naturelles), l’aluminium précipite hors de l’eau sous forme d’hydroxyde et n’est donc pas disponible ; la plupart des éléments se comportant de cette manière n’ont aucun rôle biologique ou sont toxiques. [167] Le sulfate d’aluminium a une DL 50 de 6207 mg/kg (oral, souris), ce qui correspond à 435 grammes pour une personne de 70 kg (150 lb). [37]

Toxicité

L’aluminium est classé comme non cancérogène par le Département américain de la santé et des services sociaux . [168] [n] Une revue publiée en 1988 a déclaré qu’il y avait peu de preuves qu’une exposition normale à l’aluminium présente un risque pour un adulte en bonne santé, [171] et une revue de toxicologie multi-éléments de 2014 n’a pas été en mesure de trouver des effets délétères de l’aluminium consommé dans des quantités ne dépassant pas 40 mg/jour par kg de masse corporelle . [168] La plupart de l’aluminium consommé quittera le corps dans les matières fécales ; la majeure partie de la petite partie qui pénètre dans la circulation sanguine sera excrétée via l’urine; [172]néanmoins une partie de l’aluminium passe la barrière hémato-encéphalique et se loge préférentiellement dans le cerveau des patients Alzheimer. [173] [174] Les preuves publiées en 1989 indiquent que, pour les patients atteints de la maladie d’Alzheimer, l’aluminium peut agir en réticulant électrostatiquement des protéines, régulant ainsi à la baisse les gènes dans le gyrus temporal supérieur . [175]

Effets

L’aluminium, bien que rarement, peut provoquer une ostéomalacie résistante à la vitamine D , une anémie microcytaire résistante à l’ érythropoïétine et des altérations du système nerveux central. Les personnes souffrant d’insuffisance rénale sont particulièrement à risque. [168] L’ingestion chronique de silicates d’aluminium hydratés (pour le contrôle de l’excès d’acidité gastrique) peut entraîner une liaison de l’aluminium au contenu intestinal et une élimination accrue d’autres métaux, tels que le fer ou le zinc ; des doses suffisamment élevées (> 50 g/jour) peuvent provoquer une anémie. [168]

Il existe cinq formes principales d’aluminium absorbées par le corps humain : le Cation trivalent solvaté libre (Al 3+ (aq) ) ; des complexes neutres solubles de bas poids moléculaire (LMW-Al 0 (aq) ); des complexes solubles neutres de haut poids moléculaire (HMW-Al 0 (aq) ); des complexes solubles chargés de bas poids moléculaire (LMW-Al(L) n +/- (aq) ); nano et micro-particules (Al(L) n(s) ). Ils sont transportés à travers les membranes cellulaires ou les épi-/ endothéliums cellulaires par cinq voies principales : (1) paracellulaire ; (2) transcellulaire; (3) transports actifs ; (4) canaux ; (5) endocytose adsorbante ou médiée par les récepteurs . [166]

Lors de l’ incident de pollution de l’eau de Camelford en 1988, les habitants de Camelford ont eu leur eau potable contaminée par du sulfate d’aluminium pendant plusieurs semaines. Un rapport final sur l’incident de 2013 a conclu qu’il était peu probable que cela ait causé des problèmes de santé à long terme. [176]

L’aluminium a été soupçonné d’être une cause possible de la maladie d’Alzheimer , [177] mais la recherche à ce sujet depuis plus de 40 ans n’a trouvé, à partir de 2018 [update], aucune preuve valable d’un effet causal. [178] [179]

L’aluminium augmente l’expression des gènes liés aux œstrogènes dans les cellules humaines du cancer du sein cultivées en laboratoire. [180] À des doses très élevées, l’aluminium est associé à une altération de la fonction de la barrière hémato-encéphalique. [181] Un petit pourcentage de personnes [182] ont des allergies de contact à l’aluminium et présentent des démangeaisons rouges, des maux de tête, des douleurs musculaires, des douleurs articulaires, une mauvaise mémoire, de l’insomnie, de la dépression, de l’asthme, le syndrome du côlon irritable ou d’autres symptômes au contact des produits. contenant de l’aluminium. [183]

L’exposition à de la poudre d’aluminium ou à des fumées de soudure d’aluminium peut provoquer une fibrose pulmonaire . [184] La fine poudre d’aluminium peut s’enflammer ou exploser, ce qui présente un autre danger sur le lieu de travail. [185] [186]

Voies d’exposition

La nourriture est la principale source d’aluminium. L’eau potable contient plus d’aluminium que les aliments solides; [168] cependant, l’aluminium contenu dans les aliments peut être plus absorbé que l’aluminium présent dans l’eau. [187] Les principales sources d’exposition orale humaine à l’aluminium comprennent les aliments (en raison de son utilisation dans les additifs alimentaires, les emballages d’aliments et de boissons et les ustensiles de cuisine), l’eau potable (en raison de son utilisation dans le traitement de l’eau municipale) et les médicaments contenant de l’aluminium. (en particulier les formulations d’antiacides/antiulcéreux et d’aspirine tamponnée). [188] L’exposition alimentaire chez les Européens est en moyenne de 0,2 à 1,5 mg/kg/semaine, mais peut atteindre 2,3 mg/kg/semaine. [168] Les niveaux d’exposition plus élevés à l’aluminium sont principalement limités aux mineurs, aux travailleurs de la production d’aluminium et à la dialyseles patients. [189]

La consommation d’ antiacides , d’antitranspirants, de vaccins et de produits cosmétiques fournit des voies d’exposition possibles. [190] La consommation d’aliments acides ou de liquides contenant de l’aluminium améliore l’absorption de l’aluminium, [191] et il a été démontré que le maltol augmente l’accumulation d’aluminium dans les tissus nerveux et osseux. [192]

Traitement

En cas de suspicion d’apport soudain d’une grande quantité d’aluminium, le seul traitement est le mésylate de déféroxamine qui peut être administré pour aider à éliminer l’aluminium de l’organisme par chélation . [193] [194] Cependant, cela doit être appliqué avec prudence car cela réduit non seulement les niveaux de corps en aluminium, mais aussi ceux d’autres métaux tels que le cuivre ou le fer. [193]

Effets environnementaux

Installation de stockage des « résidus de bauxite » à Stade , Allemagne . L’industrie de l’aluminium génère environ 70 millions de tonnes de ces déchets par an.

Des niveaux élevés d’aluminium se produisent près des sites miniers; de petites quantités d’aluminium sont rejetées dans l’environnement par les centrales électriques au charbon ou les incinérateurs . [195] L’aluminium dans l’air est emporté par la pluie ou se dépose normalement, mais de petites particules d’aluminium restent longtemps dans l’air. [195]

Les précipitations acides sont le principal facteur naturel de mobilisation de l’aluminium à partir de sources naturelles [168] et la principale raison des effets environnementaux de l’aluminium ; [196] Cependant, le principal facteur de présence d’aluminium dans l’eau salée et l’eau douce sont les procédés industriels qui libèrent également de l’aluminium dans l’air. [168]

Dans l’eau, l’aluminium agit comme un agent toxique sur les animaux à respiration branchiale tels que les poissons lorsque l’eau est acide, dans laquelle l’aluminium peut précipiter sur les branchies, [197] ce qui provoque une perte de plasma et d’ions hémolymphe conduisant à une défaillance de l’ osmorégulation . [196] Les complexes organiques d’aluminium peuvent être facilement absorbés et interférer avec le métabolisme chez les mammifères et les oiseaux, même si cela se produit rarement dans la pratique. [196]

L’aluminium est le principal facteur qui réduit la croissance des plantes sur les sols acides. Bien qu’il soit généralement inoffensif pour la croissance des plantes dans les sols au pH neutre, dans les sols acides, la concentration de cations Al 3+ toxiques augmente et perturbe la croissance et le fonctionnement des racines. [198] [199] [200] [201] Le blé a développé une tolérance à l’aluminium, libérant des composés organiques qui se lient aux cations d’aluminium nocifs . On pense que le sorgho a le même mécanisme de tolérance. [202]

La production d’aluminium présente ses propres défis pour l’environnement à chaque étape du processus de production. Le défi majeur est celui des émissions de gaz à effet de serre . [189] Ces gaz résultent de la consommation électrique des fonderies et des sous-produits de la transformation. Les plus puissants de ces gaz sont les hydrocarbures perfluorés issus du processus de fusion. [189] Le dioxyde de soufre libéré est l’un des principaux précurseurs des pluies acides . [189]

Un rapport scientifique espagnol de 2001 a affirmé que le champignon Geotrichum candidum consomme l’aluminium des disques compacts . [203] [204] D’autres rapports renvoient tous à ce rapport et il n’y a aucune recherche originale à l’appui. Mieux documentées, la bactérie Pseudomonas aeruginosa et le champignon Cladosporium resinae sont couramment détectés dans les réservoirs de carburant des avions qui utilisent des carburants à base de kérosène (et non d’avgas ), et les cultures en laboratoire peuvent dégrader l’aluminium. [205] Cependant, ces formes de vie n’attaquent ni ne consomment directement l’aluminium; au contraire, le métal est corrodé par les déchets microbiens. [206]

Voir également

  • Granulés d’aluminium
  • Assemblage d’aluminium
  • Batterie aluminium-air
  • Teinture des bords du panneau
  • Horloge quantique

Remarques

  1. ↑ L’utilisation écrite du mot aluminium par Davy en 1812 était antérieure à l’utilisation de l’aluminium par d’autres auteurs . Cependant, Davy est souvent mentionné comme la personne qui a nommé l’élément ; il a été le premier à inventer un nom pour l’aluminium : il a utilisé l’aluminium en 1808. D’autres auteurs n’ont pas accepté ce nom, choisissant l’aluminium à la place. Voir ci- dessous pour plus de détails.
  2. ^ Aucun élément avec des numéros atomiques impairs n’a plus de deux isotopes stables; les éléments pairs ont plusieurs isotopes stables, l’étain (élément 50) ayant le plus grand nombre d’isotopes stables de tous les éléments, dix. La seule exception est le béryllium qui est pair mais qui n’a qu’un seul isotope stable. [5] Voir Noyaux atomiques pairs et impairs pour plus de détails.
  3. ↑ La plupart des autres métaux ont des poids atomiques standard plus élevés : par exemple, celui du fer est de 55,8 ; cuivre 63,5; plomb 207,2. [7] qui a des conséquences sur les propriétés de l’élément (voir ci- dessous )
  4. ^ Les deux faces d’une feuille d’aluminium diffèrent par leur éclat : l’une est brillante et l’autre terne. La différence est due aux petits dommages mécaniques sur la surface du côté terne résultant du processus technologique de fabrication de la feuille d’aluminium. [17] Les deux côtés réfléchissent des quantités similaires de lumière visible, mais le côté brillant réfléchit une bien plus grande part de lumière visible de manière spéculaire alors que le côté terne diffuse presque exclusivement de la lumière. [18]
  5. ^ En fait, le comportement électropositif de l’aluminium, sa haute affinité pour l’oxygène et son potentiel d’électrode standard hautement négatifsont tous mieux alignés avec ceux du scandium , de l’yttrium , du lanthane et de l’actinium , qui, comme l’aluminium, ont trois électrons de valence à l’extérieur d’un noyau de gaz noble ; cette série montre des tendances continues alors que celles du groupe 13 sont brisées par la première sous-couche d ajoutée dans le gallium et la contraction résultante du bloc d et la première sous-couche f ajoutée dans le thallium et la contraction résultante des lanthanides . [30]
  6. ^ Ceux-ci ne doivent pas être considérés comme des anions complexes [AlF 6 ] 3− car les liaisons Al – F ne sont pas significativement différentes en type des autres liaisons M – F. [40]
  7. ^ De telles différences de coordination entre les fluorures et les halogénures plus lourds ne sont pas inhabituelles, se produisant dans Sn IV et Bi III , par exemple; des différences encore plus grandes se produisent entre CO 2 et SiO 2 . [40]
  8. ^ Les abondances dans la source sont répertoriées par rapport au silicium plutôt qu’en notation par particule. La somme de tous les éléments pour 10 6 parties de silicium est 2,6682 × 1010 pièces; l’aluminium comprend 8,410 × 104 parties.
  9. ^ Comparez les statistiques annuelles de la production d’aluminium [93] et de cuivre [94] par l’USGS.
  10. ↑ L’orthographe alumine vient du français, alors que l’orthographe alumine vient du latin. [108]
  11. ↑ Davy découvrit plusieurs autres éléments, dont ceux qu’il nomma sodium et potassium , d’après les mots anglais soude et potasse . Berzelius s’est référé à eux comme au natrium et au kalium . La suggestion de Berzelius a été élargie en 1814 [115] avec son système proposé de symboles chimiques à une ou deux lettres, qui sont utilisés jusqu’à nos jours; le sodium et le potassium ont les symboles Na et K , respectivement, après leurs noms latins.
  12. ↑ Certaines langues européennes, comme l’espagnol ou l’italien , utilisent un suffixe différent du latin -um / -ium pour former le nom d’un métal, certaines, comme le polonais ou le tchèque , ont une base différente pour le nom de l’élément, et d’autres , comme le russe ou le grec , n’utilisez pascomplètement l’ écriture latine .
  13. ^ Par exemple, voir le numéro de novembre-décembre 2013 de Chemistry International : dans un tableau de (certains) éléments, l’élément est répertorié comme “aluminium (aluminium)”. [127]
  14. ^ Bien que l’aluminium en soi ne soit pas cancérigène, la production d’aluminium de Söderberg est, comme le note le Centre international de recherche sur le cancer , [169] probablement due à l’exposition aux hydrocarbures aromatiques polycycliques. [170]

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    Le potassium, agissant sur l’alumine et la glucine, produit des substances pyrophoriques d’une couleur gris foncé, qui brûlent en jetant des étincelles brillantes, et en laissant derrière elles de l’alcali et de la terre, et qui, jetées dans l’eau, la décomposent avec une grande violence. Le résultat de cette expérience n’est pas tout à fait décisif quant à l’existence de ce qu’on pourrait appeler l’aluminium et le glucinium

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Lectures complémentaires

  • Mimi Sheller, Aluminium Dream : The Making of Light Modernity . Cambridge, Mass. : Massachusetts Institute of Technology Press, 2014.

Liens externes

Wikimedia Commons a des médias liés à l’ aluminium .
Wikisource contient le texte de l’ article de 1911 de l’ Encyclopædia Britannica ” Aluminium “.
  • Aluminium au tableau périodique des vidéos (Université de Nottingham)
  • Portail des substances toxiques – Aluminium – de l’ Agency for Toxic Substances and Disease Registry , United States Department of Health and Human Services
  • CDC – Guide de poche NIOSH sur les risques chimiques – Aluminium
  • Production mondiale d’aluminium primaire, par pays
  • Historique des prix de l’aluminium, selon le FMI
  • Histoire de l’aluminium – sur le site Web de l’Institut international de l’aluminium
  • Emédecine – Aluminium
  • Le court métrage Aluminium est disponible en téléchargement gratuit sur Internet Archive .

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