Quel minerai est la principale source d’aluminium ?
bauxite
L'aluminium ou aluminium (en anglais américain) est un élément chimique du groupe du bore avec le symbole Al et le numéro atomique 13. C'est un métal blanc argenté, doux, non magnétique et ductile. L'aluminium est le troisième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (après l'oxygène et le silicium) et le métal le plus abondant. L'aluminium représente environ 8 % de la masse de la croûte, bien qu'il soit moins courant dans le manteau situé en dessous. L'aluminium métallique est si chimiquement réactif que les spécimens natifs sont rares et limités aux environnements extrêmement réducteurs. Au lieu de cela, on le trouve combiné dans plus de 270 minéraux différents. Le principal minerai d'aluminium est la bauxite. Bien que l’aluminium soit un élément commun et répandu, tous les minéraux d’aluminium ne sont pas des sources de métal économiquement viables. Presque tout l’aluminium métallique est produit à partir du minerai de bauxite (AlOx(OH)3–2x). La bauxite est un produit d'altération d'un substrat rocheux à faible teneur en fer et en silice dans des conditions climatiques tropicales. La bauxite est extraite d'importants gisements en Australie, au Brésil, en Guinée et en Jamaïque ; il est également extrait de gisements moindres en Chine, en Inde, en Indonésie, en Russie et au Suriname. La bauxite est convertie en oxyde d'aluminium (Al2O3) par le procédé Bayer. Les équations chimiques pertinentes sont : L'intermédiaire, l'aluminate de sodium, de formule simplifiée NaAlO2, est soluble dans l'eau fortement alcaline, et les autres composants du minerai ne le sont pas. Selon la qualité du minerai de bauxite, on génère deux fois plus de déchets (« résidus de bauxite ») que d'alumine. Au cours des 50 dernières années, l'Australie est devenue le premier producteur mondial de minerai de bauxite et un important producteur et exportateur d'alumine (avant d'être dépassée par la Chine en 2007). L'Australie a produit 77 millions de tonnes de bauxite en 2013. Les gisements australiens connaissent quelques problèmes de raffinage, certains étant riches en silice, mais ont l'avantage d'être peu profonds et relativement faciles à exploiter. La forte consommation énergétique du procédé Hall-Héroult a motivé le développement du procédé électrolytique à base de chlorure d'aluminium. L'usine pilote d'une production de 6 500 tonnes/an a été lancée en 1976 par Alcoa. L'usine offrait deux avantages : (i) les besoins énergétiques étaient 40 % inférieurs à ceux des usines utilisant le procédé Hall-Héroult, et (ii) la kaolinite, plus accessible (au lieu de la bauxite et de la cryolite) était utilisée comme matière première. Néanmoins, l'usine pilote a été fermée. Les raisons de l'échec étaient le coût du chlorure d'aluminium, des problèmes généraux de maturité technologique et des fuites de traces de composés biphényles polychlorés extrêmement toxiques. Le métal a été produit pour la première fois en 1825 sous une forme impure par le physicien et chimiste danois Hans Christian Ørsted. Il a fait réagir du chlorure d'aluminium anhydre avec de l'amalgame de potassium, produisant un morceau de métal ressemblant à de l'étain. Friedrich Wöhler était au courant de ces expériences et les citait, mais après avoir répété les expériences d'Ørsted, il conclut que ce métal était du potassium pur. Il mena une expérience similaire en 1827 en mélangeant du chlorure d'aluminium anhydre avec du potassium et produisit de l'aluminium. C'est pourquoi on attribue généralement à Wöhler l'isolation de l'aluminium (du latin alumen, alun). De plus, Pierre Berthier a découvert de l'aluminium dans le minerai de bauxite. Henri Etienne Sainte-Claire Deville a amélioré la méthode de Wöhler en 1846. Comme décrit dans son livre de 1859, le trichlorure d'aluminium pouvait être réduit par le sodium, ce qui était plus pratique et moins coûteux que le potassium, que Wöhler avait utilisé.
L'aluminium ou aluminium (en anglais américain) est un élément chimique du groupe du bore avec le symbole Al et le numéro atomique 13. C'est un métal blanc argenté, doux, non magnétique et ductile. L'aluminium est le troisième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (après l'oxygène et le silicium) et le métal le plus abondant. L'aluminium représente environ 8 % de la masse de la croûte, bien qu'il soit moins courant dans le manteau situé en dessous. L'aluminium métallique est si chimiquement réactif que les spécimens natifs sont rares et limités aux environnements extrêmement réducteurs. Au lieu de cela, on le trouve combiné dans plus de 270 minéraux différents. Le principal minerai d'aluminium est la bauxite.
L'aluminium est remarquable par la faible densité du métal et sa capacité à résister à la corrosion grâce au phénomène de passivation. L'aluminium et ses alliages sont essentiels à l'industrie aérospatiale et importants dans les transports et les structures, telles que les façades de bâtiments et les cadres de fenêtres. Les oxydes et sulfates sont les composés les plus utiles de l'aluminium.
Malgré sa prévalence dans l’environnement, aucune forme de vie connue n’utilise les sels d’aluminium de manière métabolique, mais l’aluminium est bien toléré par les plantes et les animaux. En raison de leur abondance, le potentiel d’un rôle biologique présente un intérêt continu et les études se poursuivent.
Caractéristiques
Physique
L'aluminium est un métal relativement mou, durable, léger, ductile et malléable dont l'apparence varie de l'argenté au gris terne, selon la rugosité de la surface. Il n’est pas magnétique et ne s’enflamme pas facilement. Un nouveau film d'aluminium sert de bon réflecteur (environ 92 %) de la lumière visible et d'excellent réflecteur (jusqu'à 98 %) du rayonnement infrarouge moyen et lointain. 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. L'aluminium a environ un tiers de la densité et de la rigidité de l'acier. Il est facilement usiné, coulé, étiré et extrudé.
Les atomes d'aluminium sont disposés dans une structure cubique à faces centrées (fcc). L'aluminium a une énergie de défaut d'empilement d'environ 200 mJ/m2.
L'aluminium est un bon conducteur thermique et électrique, ayant 59 % de la conductivité du cuivre, à la fois thermique et électrique, tout en n'ayant que 30 % de la densité du cuivre. 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).
Chimique
La résistance à la corrosion peut être excellente car une fine couche superficielle d'oxyde d'aluminium se forme lorsque le métal nu est exposé à l'air, empêchant efficacement une oxydation ultérieure, dans un processus appelé passivation. Les alliages d'aluminium les plus résistants sont moins résistants à la corrosion en raison des réactions galvaniques avec le cuivre allié. Cette résistance à la corrosion est fortement réduite par les sels aqueux, particulièrement en présence de métaux différents.
Dans les solutions très acides, l'aluminium réagit avec l'eau pour former de l'hydrogène et dans les solutions très alcalines pour former des aluminates ; la passivation protectrice dans ces conditions est négligeable. Principalement parce qu’elle est corrodée par les chlorures dissous, comme le chlorure de sodium ordinaire, la plomberie domestique n’est jamais fabriquée en aluminium.
Cependant, en raison de sa résistance générale à la corrosion, l’aluminium est l’un des rares métaux qui conserve une réflectivité argentée sous forme de poudre fine, ce qui en fait un composant important des peintures argentées. La finition miroir en aluminium présente la réflectance la plus élevée de tous les métaux dans les régions de 200 à 400 nm (UV) et de 3 000 à 10 000 nm (IR lointain) ; dans la plage visible de 400 à 700 nm, il est légèrement surpassé par l'étain et l'argent et dans la plage de 700 à 3 000 nm (proche IR) par l'argent, l'or et le cuivre.
L'aluminium est oxydé par l'eau à des températures inférieures à 280 ° C pour produire de l'hydrogène, de l'hydroxyde d'aluminium et de la chaleur :
2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2
Cette conversion est intéressante pour la production d'hydrogène. Cependant, l'application commerciale de ce fait présente des défis pour contourner la couche d'oxyde passivant, qui inhibe la réaction, et pour stocker l'énergie nécessaire à la régénération de l'aluminium métallique.
Isotopes
L'aluminium possède de nombreux isotopes connus, dont les nombres de masse varient de 21 à 42 ; cependant, seuls le 27Al (stable) et le 26Al (radioactif, t1⁄2 = 7,2 × 105 ans) sont présents naturellement. Le 27Al a une abondance naturelle supérieure à 99,9 %. Le 26Al est produit à partir de l'argon présent dans l'atmosphère par spallation provoquée par des protons des rayons cosmiques. Les isotopes d'aluminium sont utiles pour dater les sédiments marins, les nodules de manganèse, la glace glaciaire, le quartz présent dans les roches et les météorites. Le rapport de 26Al à 10Be a été utilisé pour étudier le transport, le dépôt, le stockage des sédiments, les temps d'enfouissement et l'érosion sur des échelles de temps de 105 à 106 ans. Le 26Al cosmogénique a été appliqué pour la première fois dans les études de la Lune et des météorites. Les fragments de météoroïdes, après avoir quitté leur corps d'origine, sont exposés à un intense bombardement de rayons cosmiques au cours de leur voyage dans l'espace, provoquant une production substantielle de 26Al. Après sa chute sur Terre, le blindage atmosphérique réduit considérablement la production de 26Al, et sa désintégration peut ensuite être utilisée pour déterminer l'âge terrestre de la météorite. Les recherches sur les météorites ont également montré que le 26Al était relativement abondant au moment de la formation de notre système planétaire. La plupart des scientifiques spécialistes des météorites pensent que l'énergie libérée par la désintégration du 26Al était responsable de la fusion et de la différenciation de certains astéroïdes après leur formation il y a 4,55 milliards d'années.
Occurrence naturelle
L'aluminium stable est créé lorsque l'hydrogène fusionne avec le magnésium, soit dans de grandes étoiles, soit dans des supernovae. On estime qu’il s’agit du 14ème élément le plus répandu dans l’Univers, en termes de fraction de masse. Cependant, parmi les éléments qui ont un numéro atomique impair, l’aluminium est le troisième plus abondant en termes de fraction massique, après l’hydrogène et l’azote.
Dans la croûte terrestre, l'aluminium est l'élément métallique le plus abondant (8,3 % en masse) et le troisième de tous les éléments (après l'oxygène et le silicium). La croûte terrestre contient une plus grande abondance d'aluminium que le reste de la planète, principalement sous forme de silicates d'aluminium. Dans le manteau terrestre, qui ne contient que 2 % d’aluminium en masse, ces minéraux de silicate d’aluminium sont en grande partie remplacés par des oxydes de silice et de magnésium. Dans l’ensemble, la Terre contient environ 1,4 % d’aluminium en masse (le huitième en abondance en masse). L'aluminium est présent en plus grande proportion sur Terre que dans le système solaire et l'Univers, car les éléments les plus courants (hydrogène, hélium, néon, azote, carbone comme hydrocarbure) sont volatils à proximité de la Terre et du Soleil et de grandes quantités d'entre eux ont été perdues.
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 répandu dans la croûte terrestre, sont les aluminosilicates. L'aluminium métal natif ne peut être trouvé que sous forme de phase mineure dans des environnements à faible fugacité d'oxygène, tels que l'intérieur de certains volcans. De l'aluminium natif a été signalé dans des suintements froids du talus continental nord-est de la mer de Chine méridionale. Chen et coll. (2011) proposent la théorie selon laquelle ces dépôts résulteraient d'une réduction bactérienne du tétrahydroxoaluminate Al (OH) 4−.
L'aluminium est également présent dans les minéraux béryl, cryolite, grenat, spinelle et turquoise. Les impuretés contenues dans Al2O3, telles que le chrome et le fer, donnent respectivement les pierres précieuses rubis et saphir.
Bien que l’aluminium soit un élément commun et répandu, tous les minéraux d’aluminium ne sont pas des sources de métal économiquement viables. Presque tout l’aluminium métallique est produit à partir du minerai de bauxite (AlOx(OH)3–2x). La bauxite est un produit d'altération d'un substrat rocheux à faible teneur en fer et en silice dans des conditions climatiques tropicales. La bauxite est extraite d'importants gisements en Australie, au Brésil, en Guinée et en Jamaïque ; il est également extrait de gisements moindres en Chine, en Inde, en Indonésie, en Russie et au Suriname.
Production et raffinement
Procédé Bayer et procédés Hall-Héroult
La bauxite est convertie en oxyde d'aluminium (Al2O3) par le procédé Bayer. Les équations chimiques pertinentes sont :
Al2O3 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + H2O
2 H2O + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH
L'intermédiaire, l'aluminate de sodium, de formule simplifiée NaAlO2, est soluble dans l'eau fortement alcaline, et les autres composants du minerai ne le sont pas. Selon la qualité du minerai de bauxite, on génère deux fois plus de déchets (« résidus de bauxite ») que d'alumine.
La conversion de l'alumine en aluminium métallique est réalisée par le procédé Hall-Héroult. Dans ce processus énergivore, une solution d'alumine dans un mélange fondu (950 et) de cryolite (Na3AlF6) avec du fluorure de calcium est électrolysée pour produire de l'aluminium métallique :
Al3+ + 3 e− → Al
L'aluminium métallique liquide coule au fond de la solution et est extrait, puis généralement coulé en gros blocs appelés billettes d'aluminium pour un traitement ultérieur. L'oxygène est produit à l'anode :
2 O2− + C → CO2 + 4 e−
L'anode de carbone est consommée par réaction avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone, avec une petite quantité de fluorure gazeux. Dans les fonderies modernes, le gaz est filtré à travers l’alumine pour éliminer les composés fluorés et renvoyer le fluorure d’aluminium vers les cellules électrolytiques. L'anode de cette cellule de réduction doit être remplacée régulièrement, car elle est consommée au cours du processus. La cathode est également érodée, principalement par des processus électrochimiques et le mouvement du métal liquide induit par des courants électrolytiques intenses. Au bout de cinq à dix ans, selon le courant utilisé dans l'électrolyse, une cellule doit être reconstruite en raison de l'usure de la cathode.
L'électrolyse de l'aluminium avec le procédé Hall-Héroult consomme beaucoup d'énergie. La consommation spécifique moyenne mondiale d’énergie est d’environ 15 ± 0,5 kilowattheures par kilogramme d’aluminium produit (52 à 56 MJ/kg). Certaines fonderies atteignent environ 12,8 kW·h/kg (46,1 MJ/kg). (Comparez cela à la chaleur de réaction, 31 MJ/kg, et à l'énergie libre de réaction de Gibbs, 29 MJ/kg.) Les courants de ligne minimisés pour les technologies plus anciennes sont généralement de 100 à 200 kiloampères ; les fonderies les plus modernes fonctionnent à environ 350 kA. Des essais ont été rapportés avec des cellules de 500 kA.
Le procédé Hall-Héroult produit de l'aluminium d'une pureté supérieure à 99 %. Une purification plus poussée peut être effectuée par le procédé Hoopes. Ce processus implique l'électrolyse de l'aluminium fondu avec un électrolyte de sodium, de baryum et de fluorure d'aluminium. L'aluminium obtenu a une pureté de 99,99 %.
L'énergie électrique représente environ 20 à 40 % du coût de production de l'aluminium, selon la localisation de la fonderie. La production d'aluminium consomme environ 5 % de l'électricité produite aux États-Unis. Les producteurs d'aluminium ont tendance à installer leurs fonderies dans des endroits où l'énergie électrique est à la fois abondante et peu coûteuse, comme les Émirats arabes unis avec leurs importantes réserves de gaz naturel, et l'Islande et la Norvège avec l'énergie produite à partir de ces sources. de sources renouvelables. Les plus grandes fonderies d'alumine au monde sont situées en République populaire de Chine, en Russie et dans les provinces du Québec et de la Colombie-Britannique au Canada.
En 2005, la République populaire de Chine était le premier producteur d'aluminium avec près d'un cinquième de la part mondiale, suivie par la Russie, le Canada et les États-Unis, rapporte le British Geological Survey.
Au cours des 50 dernières années, l'Australie est devenue le premier producteur mondial de minerai de bauxite et un important producteur et exportateur d'alumine (avant d'être dépassée par la Chine en 2007). L'Australie a produit 77 millions de tonnes de bauxite en 2013. Les gisements australiens connaissent quelques problèmes de raffinage, certains étant riches en silice, mais ont l'avantage d'être peu profonds et relativement faciles à exploiter.
Procédé d'électrolyse du chlorure d'aluminium
La forte consommation énergétique du procédé Hall-Héroult a motivé le développement du procédé électrolytique à base de chlorure d'aluminium. L'usine pilote d'une production de 6 500 tonnes/an a été lancée en 1976 par Alcoa. L'usine offrait deux avantages : (i) les besoins énergétiques étaient 40 % inférieurs à ceux des usines utilisant le procédé Hall-Héroult, et (ii) la kaolinite, plus accessible (au lieu de la bauxite et de la cryolite) était utilisée comme matière première. Néanmoins, l'usine pilote a été fermée. Les raisons de l'échec étaient le coût du chlorure d'aluminium, des problèmes généraux de maturité technologique et des fuites de traces de composés biphényles polychlorés extrêmement toxiques.
Le procédé au chlorure d'aluminium peut également être utilisé pour la coproduction de titane, en fonction de la teneur en titane de la kaolinite.
Procédé carbothermique de l'aluminium
Le procédé carbothermique non électrolytique de production d’aluminium serait théoriquement moins cher et consommerait moins d’énergie. Cependant, il est en phase expérimentale depuis des décennies car la température de fonctionnement élevée crée des difficultés dans la technologie des matériaux qui n'ont pas encore été résolues.
Recyclage
L'aluminium est théoriquement recyclable à 100% sans aucune perte de ses qualités naturelles. Selon le rapport Metal Stocks in Society de l'International Resource Panel, 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. Une grande partie de cette quantité se trouve dans les pays plus développés (350 kg par habitant) plutôt que dans les pays moins développés (35 kg par habitant). Connaître les stocks par habitant et leur durée de vie approximative est important pour planifier le recyclage.
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 de canettes de boissons en aluminium l’a fait prendre conscience au public.
Le recyclage consiste à faire fondre les déchets, 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 % de la matière première) soit perdue sous forme de scories (oxyde semblable à des cendres). Un fondoir à pile d'aluminium produit beaucoup moins de scories, avec des valeurs signalées inférieures à 1 %. Les scories peuvent subir un autre processus pour extraire l’aluminium.
L'Europe a atteint des taux élevés de recyclage de l'aluminium, allant de 42 % des canettes de boissons, 85 % des matériaux de construction et 95 % des véhicules de transport.
L'aluminium recyclé est appelé aluminium secondaire, mais conserve les mêmes propriétés physiques que l'aluminium primaire. L'aluminium secondaire est produit dans une large gamme de formats et est utilisé dans 80 % des injections d'alliages. Une autre utilisation importante est l’extrusion.
Les crasses 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 que des déchets très complexes. Ces déchets sont difficiles à gérer. Il réagit avec l'eau en libérant un mélange de gaz (dont, entre autres, de l'hydrogène, de l'acétylène et de l'ammoniac), qui s'enflamme spontanément au contact de l'air ; le contact avec l'air humide entraîne le dégagement de grandes quantités d'ammoniac gazeux. Malgré ces difficultés, les déchets sont utilisés comme filler dans l'asphalte et le béton.
Composés
État d'oxydation +3
La grande majorité des composés, y compris tous les minéraux contenant de l’Al et tous les composés d’aluminium commercialement importants, contiennent de l’aluminium à l’état d’oxydation 3+. Le numéro de coordination de ces composés varie, mais généralement Al3+ est à six ou tétracoordonnés. Presque tous les composés d'aluminium (III) sont incolores.
Halogènes
Les quatre trihalogénures sont bien connus. Contrairement aux structures des trois trihalogénures plus lourds, le fluorure d'aluminium (AlF3) présente de l'Al à six coordonnées. L’environnement de coordination octaédrique d’AlF3 est lié à la compacité de l’ion fluorure, dont six peuvent s’adapter autour du petit centre Al3+. AlF3 se sublime (avec fissuration) à 1291 °C. Avec des halogénures plus lourds, les nombres de coordination sont inférieurs. Les autres trihalogénures sont dimères ou polymères avec des centres Al tétraédriques. Ces matériaux sont préparés en traitant l'aluminium métallique avec l'halogène, bien que d'autres méthodes existent. L'acidification des oxydes ou hydroxydes donne des hydrates. En solution aqueuse, les halogénures forment souvent des mélanges, contenant généralement des centres Al à six coordonnées comportant à la fois des ligands halogénures et aquo. Lorsque l'aluminium et le fluorure sont ensemble en solution aqueuse, ils forment facilement des ions complexes tels que , , et . Dans le cas du chlorure, des amas de polyaluminium se forment tels que [Al13O4(OH)24(H2O)12]7+.
Oxyde et hydroxydes
L'aluminium forme un oxyde stable, connu sous son nom minéral corindon. Le saphir et le rubis sont du corindon impur contaminé par des traces d’autres métaux. Les deux oxydes-hydroxydes, AlO(OH), sont la boehmite et la diaspore. Il existe trois trihydroxydes : la bayérite, la gibbsite et la nordstrandite, qui diffèrent par leur structure cristalline (polymorphes). La plupart sont produits à partir de minerais par divers procédés humides utilisant des acides et des bases. Le chauffage des hydroxydes conduit à la formation de corindon. Ces matériaux revêtent une importance capitale pour la production d’aluminium et sont eux-mêmes extrêmement utiles.
Carbure, nitrure et matériaux associés
Le carbure d'aluminium (Al4C3) est fabriqué en chauffant un mélange d'éléments au-dessus de 1 000 °C. Les cristaux jaune pâle sont constitués de centres tétraédriques en aluminium. Il réagit avec l'eau ou les acides dilués pour donner du méthane. L'acétylure, Al2(C2)3, est obtenu en faisant passer de l'acétylène sur de l'aluminium chauffé.
Le nitrure d'aluminium (AlN) est le seul nitrure connu pour l'aluminium. Contrairement aux oxydes, il présente des centres Al tétraédriques. Il peut être fabriqué à partir des éléments à 800 °C. C’est un matériau stable à l’air avec une conductivité thermique utilement élevée. Le phosphure d'aluminium (AlP) est fabriqué de la même manière ; il s'hydrolyse pour donner de la phosphine :
AlP + 3 H2O → Al(OH)3 + PH3
Composés organoaluminiques et hydrures associés
Il existe une variété de composés de formule empirique AlR3 et AlR1.5Cl1.5. Ces espèces présentent généralement des centres Al tétraédriques, par ex. Le « triméthylaluminium » répond à la formule Al2(CH3)6 (voir figure). Avec de grands groupes organiques, les triorganoaluminium existent sous forme de monomères à trois coordonnées, comme le triisobutylaluminium. De tels composés sont largement utilisés en chimie industrielle, malgré le fait qu'ils soient souvent hautement pyrophoriques. Il existe peu d’analogues entre les composés organoaluminiques et organoborés autres que les grands groupes organiques.
L'hydrure d'aluminium important est l'hydrure de lithium et d'aluminium (LiAlH4), qui est utilisé comme agent réducteur en chimie organique. Il peut être produit à partir d'hydrure de lithium et de trichlorure d'aluminium :
4 LiH + AlCl3 → LiAlH4 + 3 LiCl
Plusieurs dérivés utiles de LiAlH4 sont connus, par ex. bis(2-méthoxyéthoxy)dihydridoaluminate de sodium. L'hydrure le plus simple, l'hydrure d'aluminium ou alane, reste une curiosité de laboratoire. Il s'agit d'un polymère de formule (AlH3)n, contrairement à l'hydrure de bore correspondant de formule (BH3)2.
États d'oxydation +1 et +2
Bien que la grande majorité des composés d’aluminium comportent des centres Al3+, des composés présentant des états d’oxydation inférieurs sont connus et parfois importants en tant que précurseurs des espèces Al3+.
Aluminium(I)
AlF, AlCl et AlBr existent en phase gazeuse lorsque le trihalogénure est chauffé avec de l'aluminium. La composition est instable à température ambiante, se transformant en triiodure :
3 AlI -> {AlI3} + 2 Al
Un dérivé stable du monoiodure d'aluminium est le produit d'addition cyclique formé avec la triéthylamine. Al2O et Al2S présentent également un intérêt théorique, mais seulement d'existence éphémère. Al2O est fabriqué en chauffant l'oxyde normal, Al2O3, avec du silicium à 1 800 °C sous vide.
 De tels matériaux deviennent rapidement disproportionnés par rapport aux matières premières.
Aluminium(II)
Des composés Al(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 et dans les spectres d'absorption stellaire. Des études plus approfondies sont menées sur les composés de formule R4Al2 qui contiennent une liaison Al-Al et où R est un grand ligand organique.
Analyse
La présence d'aluminium peut être détectée lors d'une analyse qualitative utilisant l'aluminon.
Applications
Usage général
L'aluminium est le métal non ferreux le plus utilisé. La production mondiale d'aluminium en 2005 était de 31,9 millions de tonnes. Il a dépassé celui de tout autre métal à l'exception du fer (837,5 millions de tonnes). Les prévisions pour 2012 étaient de 42 à 45 millions de tonnes, tirées par la hausse de la production chinoise.
L'aluminium est presque toujours allié, ce qui améliore sensiblement ses propriétés mécaniques, notamment lorsqu'il est trempé. Par exemple, les feuilles d'aluminium et les canettes de boissons courantes sont des alliages contenant entre 92 et 99 % d'aluminium. 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.
Certaines des nombreuses utilisations de l’aluminium métallique sont les suivantes :
* Transport (automobiles, avions, camions, wagons de chemin de fer, navires, vélos, engins spatiaux, etc.) sous forme de tôles, de tubes et de pièces moulées.
* Emballage (canettes, papier d'aluminium, cadre de etc.).
* Contenants pour aliments et boissons, en raison de sa résistance à la corrosion.
* Construction (fenêtres, portes, revêtement extérieur, fil de construction, revêtement extérieur, toiture, etc.).
* Une large gamme d'articles ménagers, des ustensiles de cuisine aux battes de baseball et aux montres.
* Poteaux d'éclairage public, mâts de voiliers, poteaux de marche.
* Coques extérieures et étuis pour appareils électroniques grand public et équipements photographiques.
* Lignes de transmission électrique pour la distribution d'énergie (« fluage » et oxydation ne sont pas des problèmes dans cette application car les terminaisons sont généralement des « sertissages » multi-faces qui entourent tous les côtés du conducteur avec un joint étanche aux gaz).
* Acier MKM et aimants Alnico.
* Aluminium de super pureté (SPA, 99,980 % à 99,999 % Al), utilisé dans l'électronique et les CD, ainsi que dans les fils/câblage.
* Dissipateurs thermiques pour transistors, processeurs et autres composants d'appareils électroniques.
* Matériau de substrat constitué de stratifiés recouverts de cuivre à noyau métallique utilisé dans l'éclairage LED à haute luminosité.
* Surfaces et peinture réfléchissant la lumière.
* Pyrotechnie, combustibles solides pour fusées et thermite.
* Production d'hydrogène gazeux par réaction avec de l'acide chlorhydrique ou de l'hydroxyde de sodium.
* En alliage avec du magnésium pour fabriquer des carrosseries d'avions et d'autres composants de transport.
* Ustensiles de cuisine, en raison de leur résistance à la corrosion et de leur légèreté.
* Pièces de monnaie de pays comme la France, l'Italie, la Pologne, la Finlande, la Roumanie, Israël et l'ex-Yougoslavie frappées en aluminium ou en alliage aluminium-cuivre.
* Instruments de musique. Certains modèles de guitares arborent des plaques de diamant en aluminium sur la surface des instruments, généralement chromées ou noires. Kramer Guitars et Travis Bean sont tous deux connus pour avoir produit des guitares avec des manches en aluminium, ce qui confère à l'instrument un son très distinctif. L'aluminium est utilisé pour fabriquer certains résonateurs de guitare et certains haut-parleurs de guitare électrique.
L'aluminium est généralement allié – il est utilisé comme métal pur uniquement lorsque la résistance à la corrosion et/ou l'ouvrabilité sont plus importantes que la résistance ou la dureté. La résistance des alliages d'aluminium est brusquement augmentée par de petits ajouts de scandium, de zirconium ou de hafnium. Une fine couche d'aluminium peut être déposée sur une surface plane par dépôt physique en phase vapeur ou (très rarement) dépôt chimique en phase vapeur ou par d'autres moyens chimiques pour former des revêtements optiques et des miroirs.
Composés d'aluminium
Parce que l’aluminium est abondant et que la plupart de ses dérivés présentent une faible toxicité, les composés de l’aluminium bénéficient d’applications larges et parfois à grande échelle.
Alumine
L'oxyde d'aluminium (Al2O3) et les oxy-hydroxydes et trihydroxydes associés sont produits ou extraits de minéraux à grande échelle. La grande majorité de ce matériau est transformée en aluminium métallique. En 2013, environ 10 % des expéditions intérieures aux États-Unis étaient utilisées pour d’autres applications. Une utilisation majeure consiste à absorber l’eau là où elle est considérée comme un contaminant ou une impureté. L'alumine est utilisée pour éliminer l'eau des hydrocarbures en vue de processus ultérieurs qui seraient empoisonnés par l'humidité.
Les oxydes d'aluminium sont des catalyseurs courants pour les processus industriels ; par exemple. le procédé Claus pour convertir le sulfure d'hydrogène en soufre dans les raffineries et pour alkyler les amines. De nombreux catalyseurs industriels sont « supportés » par de l'alumine, ce qui signifie que le matériau catalytique coûteux (par exemple le platine) est dispersé sur une surface de l'alumine inerte.
Étant un matériau très dur (dureté Mohs 9), l’alumine est largement utilisée comme abrasif ; étant extraordinairement chimiquement inerte, il est utile dans les environnements hautement réactifs tels que les lampes au sodium haute pression.
Sulfates
Plusieurs sulfates d'aluminium ont des applications industrielles et commerciales. Le sulfate d'aluminium (Al2(SO4)3·(H2O)18) est produit à l'échelle annuelle de plusieurs milliards de kilogrammes. Environ la moitié de la production est consommée dans le traitement de l'eau. La prochaine application majeure concerne la fabrication du papier. Il est également utilisé comme mordant, dans les extincteurs, comme ignifugeant, comme additif alimentaire (numéro E E173) et dans le tannage du cuir. Le sulfate d'aluminium et d'ammonium, également appelé alun d'ammonium, (NH4)Al(SO4)2·12H2O, est utilisé comme mordant et dans le tannage du cuir,
 tout comme le sulfate d'aluminium et de potassium ([Al(K)](SO4)2)·(H2O)12. La consommation des deux anciens est en baisse.
Chlorures
Le chlorure d'aluminium (AlCl3) est utilisé dans le raffinage du pétrole et dans la production de caoutchouc synthétique et de polymères. Bien qu’il porte un nom similaire, le chlorhydrate d’aluminium a des applications moins nombreuses et très différentes, notamment comme agent colloïdal dans la purification de l’eau et comme anti-transpirant. C'est un intermédiaire dans la production d'aluminium métal.
Composés de niche
De nombreux composés d’aluminium ont des applications de niche :
* L'acétate d'aluminium en solution est utilisé comme astringent.
* Le borate d'aluminium (Al2O3·B2O3) et le fluorosilicate d'aluminium (Al2(SiF6)3) sont utilisés dans la production de verre, de céramique et de pierres précieuses synthétiques.
* Phosphate d'aluminium (AlPO4) utilisé dans la fabrication de produits en verre, en céramique, en pâte à papier et en papier, de cosmétiques, de peintures, de vernis et dans le ciment dentaire.
* L'hydroxyde d'aluminium (Al(OH)3) 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 les tissus imperméabilisants.
* L'hydrure de lithium et d'aluminium est un puissant agent réducteur utilisé en chimie organique.
* Les organoaluminiums sont utilisés comme acides de Lewis et cocatalyseurs.
* Le méthylaluminoxane est un cocatalyseur pour la polymérisation des oléfines Ziegler-Natta afin de produire des polymères vinyliques tels que le polyéthylène.
* Les ions d'aluminium aqueux (tels que le sulfate d'aluminium aqueux) sont utilisés pour traiter les parasites des poissons tels que Gyrodactylus salaris.
* Dans de nombreux vaccins, certains sels d'aluminium servent d'adjuvant immunitaire (rappel de la réponse immunitaire) pour permettre à la protéine du vaccin d'atteindre une puissance suffisante en tant que stimulant immunitaire.
Alliages d'aluminium dans les applications structurelles
Les alliages d'aluminium dotés d'un large éventail de propriétés sont utilisés dans les structures techniques. Les systèmes d'alliages sont classés par un système de numérotation (ANSI) ou par des noms indiquant leurs principaux constituants d'alliage (DIN et ISO).
La résistance et la durabilité des alliages d'aluminium varient considérablement, non seulement en raison des composants de l'alliage spécifique, mais également en raison des traitements thermiques et des processus de fabrication. Le manque de connaissance de ces aspects a parfois conduit à des structures mal conçues et a valu à l’aluminium une mauvaise réputation.
Une limitation structurelle importante des alliages d’aluminium est leur résistance à la fatigue. Contrairement aux aciers, les alliages d’aluminium n’ont pas de limite de fatigue bien définie, ce qui signifie qu’une rupture par fatigue finit par se produire, même sous de très faibles charges cycliques. Les ingénieurs doivent évaluer les applications et la conception pour une durée de vie fixe et finie de la structure, plutôt que pour une durée de vie infinie.
Une autre propriété importante des alliages d’aluminium est la sensibilité à la chaleur. Les procédures d'atelier sont compliquées par le fait que l'aluminium, contrairement à l'acier, fond sans devenir rouge au préalable. Les opérations manuelles au chalumeau nécessitent des compétences et une expérience supplémentaires. Les alliages d'aluminium, comme tous les alliages de construction, sont soumis à des contraintes internes après des opérations thermiques telles que le soudage et la coulée. Les points de fusion plus bas des alliages d’aluminium les rendent plus sensibles aux distorsions dues au soulagement des contraintes induites thermiquement. Les contraintes peuvent être soulagées et contrôlées pendant la fabrication en traitant thermiquement les pièces dans un four, suivi d'un refroidissement progressif, ce qui revient à recuire les contraintes.
Le faible point de fusion des alliages d'aluminium n'empêche pas leur utilisation dans les fusées, même dans les chambres de combustion où les gaz peuvent atteindre 3 500 K. L'étage supérieur du moteur Agena utilisait de l'aluminium refroidi par régénération dans certaines parties de la tuyère, y compris la région du col thermiquement critique.
Un autre alliage d'une certaine valeur est le bronze d'aluminium (alliage Cu-Al).
Histoire
Les Grecs et les Romains de l’Antiquité utilisaient les sels d’aluminium comme mordants de teinture et comme astringents pour panser les plaies ; l'alun est toujours utilisé comme styptique.
En 1782, Guyton de Morveau a suggéré d'appeler la « base » de (c'est-à-dire l'élément métallique) l'alun alumine. En 1808, Humphry Davy a identifié l'existence d'une base métallique d'alun, qu'il a d'abord appelée aluminium, puis aluminium (voir la section étymologie ci-dessous).
Le métal a été produit pour la première fois en 1825 sous une forme impure par le physicien et chimiste danois Hans Christian Ørsted. Il a fait réagir du chlorure d'aluminium anhydre avec de l'amalgame de potassium, produisant un morceau de métal ressemblant à de l'étain. Friedrich Wöhler était au courant de ces expériences et les citait, mais après avoir répété les expériences d'Ørsted, il conclut que ce métal était du potassium pur. Il mena une expérience similaire en 1827 en mélangeant du chlorure d'aluminium anhydre avec du potassium et produisit de l'aluminium. C'est pourquoi on attribue généralement à Wöhler l'isolation de l'aluminium (du latin alumen, alun). De plus, Pierre Berthier a découvert de l'aluminium dans le minerai de bauxite. Henri Etienne Sainte-Claire Deville a amélioré la méthode de Wöhler en 1846. Comme décrit dans son livre de 1859, le trichlorure d'aluminium pouvait être réduit par le sodium, ce qui était plus pratique et moins coûteux que le potassium, que Wöhler avait utilisé.
Au milieu des années 1880, l’aluminium était extrêmement difficile à produire, ce qui rendait l’aluminium pur plus précieux que l’or. Le métal était si célèbre que des barres d'aluminium furent exposées à l'Exposition Universelle de 1855. Napoléon III de France est réputé pour avoir organisé un banquet au cours duquel les invités les plus honorés recevaient des ustensiles en aluminium, tandis que les autres se contentaient d'or.
L'aluminium a été choisi comme matériau à utiliser pour la pierre angulaire de 100 onces du Washington Monument en 1884, à une époque où une once (30 grammes) coûtait le salaire journalier d'un ouvrier ordinaire sur le projet (en 1884, environ 1 $ pour 10 heures de travail). ; aujourd'hui, aux États-Unis, un ouvrier du bâtiment travaillant sur un tel projet pourrait gagner entre 25 et 35 dollars de l'heure, soit environ 300 dollars pour une journée équivalente de 10 heures).
 La pierre de couronnement, qui fut mise en place le 6 décembre 1884 lors d'une cérémonie d'inauguration élaborée, était à l'époque la plus grande pièce d'aluminium moulée.
Les sociétés Cowles fournissaient des alliages d'aluminium en quantité aux États-Unis et en Angleterre en utilisant des fonderies comme le four de Carl Wilhelm Siemens en 1886.
Procédé Hall-Héroult : disponibilité de métal aluminium bon marché
Charles Martin Hall de l'Ohio aux États-Unis et Paul Héroult de France ont développé indépendamment le procédé électrolytique Hall-Héroult qui a facilité la production à grande échelle d'aluminium métallique. Ce procédé reste utilisé aujourd'hui. En 1888, avec le soutien financier d'Alfred E. Hunt, la Pittsburgh Reduction Company fut créée ; aujourd'hui, elle est connue sous le nom d'Alcoa. Le procédé de Héroult était en production en 1889 en Suisse chez Aluminum Industrie, aujourd'hui Alcan, et chez British Aluminium, aujourd'hui Luxfer Group et Alcoa, en 1896 en Écosse.
En 1895, le métal était utilisé comme matériau de construction jusqu'à Sydney, en Australie, dans le dôme du bâtiment du secrétaire en chef.
Avec l’expansion explosive de l’industrie aéronautique pendant la Première Guerre mondiale (1914-1917), les principaux gouvernements ont exigé de grandes quantités d’aluminium pour fabriquer des cellules légères et solides. Ils subventionnaient souvent les usines et les systèmes d'alimentation électrique nécessaires.
De nombreuses marines ont utilisé une superstructure en aluminium pour leurs navires ; l'incendie de 1975 à bord de l'USS Belknap qui a vidé sa superstructure en aluminium, ainsi que l'observation des dommages causés aux navires britanniques pendant la guerre des Malouines, ont conduit de nombreuses marines à adopter uniquement des superstructures en acier.
Le fil d'aluminium était autrefois largement utilisé pour le câblage électrique domestique aux États-Unis, et un certain nombre d'incendies résultaient de défaillances induites par le fluage et la corrosion au niveau des jonctions et des terminaisons ; des facteurs supplémentaires et évitables dans les échecs ont été identifiés. L'aluminium est toujours utilisé dans les services électriques avec du matériel de terminaison de fil spécialement conçu.
Étymologie
Les différents noms dérivent tous de sa présence élémentaire dans l’alun. Le mot vient en anglais du vieux français, de alumen, un mot latin signifiant « sel amer ».
Deux variantes du nom sont actuellement utilisées : aluminium et aluminium. Il existe également une variante obsolète en aluminium. L'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) a adopté l'aluminium comme nom international standard pour cet élément en 1990, mais trois ans plus tard, il a été reconnu