Aluminium

- Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire. L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C'est un élément important sur la planète Terre avec 1,5% de la masse totale en élément Al.

C'est un métal argenté et malléable. Il est remarquable pour sa résistance à l'oxydation et sa faible densité. En fait, il est très oxydable mais à l'air, il se forme une couche de quelques micromètres d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) imperméable qui protège le reste du métal et qui se reforme très rapidement. On parle alors d'une protection cinétique (contrairement à la protection thermodynamique car il est très oxydable).

Il est principalement extrait d'un minerai appelé bauxite où il est présent sous forme d'oxyde hydraté dont on extrait l'alumine (Al₂O₃). Il pourrait également être extrait d'autres minéraux : néphéline, leucite, silimanite, andalousite, muscovite. L'aluminium est employé dans beaucoup d'industries pour faire de nombreux produits différents et il est très important pour l'économie mondiale. La Chine est un important pays producteur loin derrière l'Amérique du Nord (États-Unis et Canada). Les composants structuraux faits à partir d'aluminium sont essentiels à l'industrie aérospatiale et très importants dans d'autres secteurs du transport et de la construction où sa faible densité, sa longévité et sa résistance sont nécessaires.

Histoire

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

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

Le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville améliore en 1846 la méthode de Wöhler en réduisant le minerai par le sodium. Il publie ses recherches dans un livre en 1859. Cette méthode est utilisée à travers toute l'Europe pour la fabrication de l'aluminium, mais elle reste extrêmement coûteuse. Le métal est d'ailleurs utilisé pour fabriquer des bijoux, dont la valeur sera évidemment réduite à néant quelques décennies plus tard.

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

En 1886, de manière indépendante, Paul Héroult et Charles Martin Hall découvrent une nouvelle méthode de production de l'aluminium en remarquant qu'il est possible de dissoudre l'alumine et de décomposer le mélange par électrolyse (procédé Héroult-Hall) pour donner le métal brut en fusion. Pour cette découverte, Hall obtient un brevet (400655) la même année. Ce procédé permet d'obtenir de l'aluminium de manière relativement économique. La méthode mise au point par Héroult et Hall est toujours utilisée aujourd'hui. 1887 : Karl Josef Bayer décrit une méthode connue sous le nom de procédé Bayer pour obtenir de l'alumine à partir de la bauxite. Cette découverte permet de faire entrer l'aluminium dans l'ère de la production de masse.

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

Propriétés

Propriétés physiques

L'aluminium est un métal mou, léger, mais résistant avec un aspect argent-gris mat, dû à une couche mince d'oxydation qui se forme rapidement quand on l'expose à l'air et qui empêche la corrosion de progresser. À la différence de la plupart des métaux, il est utilisable même s'il est oxydé en surface. On peut même dire que sans cette couche d'oxyde, il serait impropre à la plupart de ses applications. Il est possible de créer artificiellement cette couche d'oxydation par anodisation, ce qui permet de colorer l'aluminium. Contrairement à l'aluminium qui est un très bon conducteur, l'oxyde d'aluminium est un excellent isolant.

L'aluminium a une densité environ trois fois plus faible que celle de l'acier ou du cuivre ; il est malléable, ductile et facilement usiné et moulé. Il possède une excellente résistance à la corrosion et une grande longévité. Il est également non magnétique et ne provoque pas d'étincelles. C'est le deuxième métal le plus malléable et le sixième le plus ductile.

Propriétés chimiques

En solution, l'aluminium se trouve le plus généralement sous la forme d'ions Al³⁺.

Toxicologie

Certaines personnes sont allergiques à l'aluminium.

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

On peut trouver de l'aluminium dans les aliments, l'eau et les médicaments. Les ustensiles de cuisine et le papier en aluminium peuvent également en libérer (en quantité généralement négligeable) dans les aliments. En revanche, son utilisation comme conduite d'eau est prohibée. Sur les vaccins aluminiques, l'OMS ne soupçonne aucun danger.

Alliages remarquables et utilisations

En quantité et en valeur, l'aluminium est le métal le plus utilisé après le fer, grâce à sa légèreté et sa bonne conductivité électrique et thermique. L'aluminium pur est mou et fragile, mais avec des petites quantités de cuivre, magnésium, manganèse, silicium et d'autres éléments, il peut former des alliages aux propriétés variées.

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

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

En géomorphologie et paléosismologie, l'isotope 26Al, créé par les rayons cosmiques, est utilisé pour la datation par isotopes cosmogéniques de surfaces ou la détermination de taux d'érosion.

Gisements

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

Production

L'aluminium est extrait par électrolyse de la bauxite, dont le principal constituant est l'alumine (Al₂O₃). La bauxite est traitée par une solution de soude. On obtient un précipité de Al(OH)₃ qui donne de l'alumine par chauffage. L'alumine est introduite dans des cuves d'électrolyse avec des additifs comme la cryolithe (Na₂AlF₃) et le fluorure d'aluminium (AlF₃) afin d'abaisser le point de fusion de 2 040°C à 960°C.

article détaillé : Réduction électrolytique de l'aluminium

La production d'une tonne d'aluminium nécessite de 4 à 5 tonnes de bauxite. Elle nécessite entre 13 000 et 17 000 kWh (entre 47 et 61 GJ). Lors de l'électrolyse, sont émis des gaz polluants tels que du dioxyde de carbone (CO₂), du monoxyde de carbone (CO), des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), du dioxyde de soufre (SO₂) et des fluorures gazeux.

Statistiques de production

année Afrique Amérique
du Nord Amérique
latine Asie Europe
et Russie Océanie Total

- align="right" 1973 249 5039 229 1439 2757 324 10037

- align=right 1978 336 5409 413 1126 3730 414 11428

- align=right 1982 501 4343 795 1103 3306 548 10496

- align=right 1987 572 4889 1486 927 3462 1273 12604

- align=right 1992 617 6016 1949 1379 3319 1483 14763

- align=right 1997 1106 5930 2116 1910 6613 1804 19479

- align=right 2003 1428 5945 2275 2457 8064 2198 21935

- align=right 2005 1711 5110 2356 2735 8433 2246 22591

- align=center Production d'aluminium en milliers de tonnes

Source : International Aluminium Institute

Voir aussi: Péchiney, Alcan, Alcoa et autres groupes industriels.

Recyclage

L'aluminium a une excellente recyclabilité. Pour recycler l'aluminium, on le fait simplement fondre. En plus des bénéfices environnementaux, le recyclage de l'aluminium est beaucoup moins coûteux que l'extraction à partir du minerai de bauxite. Il nécessite 95 % d'énergie en moins et une tonne d'aluminium recyclé permet d'économiser quatre tonnes de bauxite. En sautant l'étape de l'électrolyse, qui réclame beaucoup d'énergie, on évite les rejets polluants qui lui sont associés. L'aluminium est quasi recyclable à l'infini sans perdre ses qualités, à condition de ne pas fondre dans un même bain des alliages de composition différente.

Le recyclage de l'aluminium est pratiqué depuis les années 1900 et il existe des filières de récupération de l'aluminium industriel. En France, l'aluminium ménager est récupéré avec les emballages dans le cadre du tri sélectif. Dans les centres de tri, l'aluminium est trié manuellement ou plus couramment grâce aux courants de Foucault. Il est ensuite cassé et broyé avant d'être fondu pour redonner du métal utilisable appelé aluminium de seconde fusion.

Après la Seconde Guerre mondiale la pénurie d'énergie et de métal a conduit à refondre dans de très mauvaises conditions toutes sortes d'alliages d'aluminium pour en faire des ustensiles ménagers et d'autres objets n'exigeant pas de caractéristiques mécaniques très élevées. La composition du métal ainsi obtenu était plus qu'aléatoire et les fondeurs le qualifiaient à juste titre de « cochonium ». Cette mauvaise qualité se constatait facilement sur les casseroles et autres marmites qui ne tardaient pas à se piquer, voire à se percer, sous l'effet de l'acidité des aliments. Les conséquences à long terme d'une alimentation polluée par l'aluminium ont été évoquées plus haut.

Pollution engendrée

Pollution fluorée lors de la transformation de l'alumine en aluminium. Les rejets gazeux au-dessus des bacs d'électrolyse doivent être captés.

Voir aussi

Métallurgie extractive de l'aluminium

Alliage d'aluminium

Réalisation de pièces en alliages d'aluminium

Fonderie d'aluminium

Lien externe

Aluminium Élément chimique | Métallurgie

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