Alumini
L'alumini es un element quimic (simbòl : Al) de numèro atomic 13, de massa moleculara 26,98, de massa volumica 2,70 g/cm3 e de temperatura de fusion 660°C. Dins lei condicions normalas de temperatura e de pression, se presenta sota la forma d'un metau blanc e leugier. Es un element relativament frequent dins l'Univèrs que forma aisament de compausats coma la baucita. Per consequéncia, l'alumini natiu es fòrça rar dins la natura.

Foguèt isolat per lo quimista danés Hans Christian Oersted (1777-1851) en 1825 e lo quimista alemand Friedrich Wöhler (1800-1882) en 1827. Es produch industrialament dempuei lei trabalhs realizats entre 1854 e 1860 per lo Francés Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881). Sa produccion demorèt lòngtemps limitada en causa de son besonh fòrça important en electricitat. Pasmens, sa resisténcia a la corrosion e sa leugieretat li permetèron de trobar d'aplicacions dins l'industria e sa produccion aumenta regularament dempuei leis ans 1940. En 2014, la produccion mondiala èra de 49,3 milions de tonas e l'alumini èra ansin lo segond metau pus utilizat après lo fèrre.

Istòria 

De saus d'alumini foguèron utilizats tre l'Antiquitat, au mens per lei Grècs e lei Romans per sei proprietas astringentas ò medicalas. Pasmens, l'existéncia de l'element foguèt pas sospichada avans la fin dau sègle XVIII. Sa descubèrta aguèt luòc en 1808 e foguèt l'òbra dau fisician e quimista britanic Humphry Davy (1778-1829) qu'identifiquèt la preséncia d'un metau desconegut dins l'alum.

Dich alumini, lo metau novèu foguèt isolat per lo premier còp, sota una forma impura, per lo quimista danés Hans Christian Oersted (1777-1851) a partir d'una reaccion quimica entre lo clorur d'alumini anidre e un amalgama de potassi. Aquò foguèt confiermat dos ans pus tard per lo quimista alemand Friedrich Wöhler (1800-1882). Puei, la preséncia d'alumini foguèt descubèrta dins la baucita per lo Francés Pierre Berthier (1782-1861).

A partir de 1846, lo quimista francés Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) comencèt un lòng trabalh sus l'alumini. En 1854, capitèt de'n produrre lei premiers lingòts que foguèron presentats a l'exposicion universala de 1855. Puei, melhorèt lo procès de produccion, çò que menèt a l'invencion dau procès que pòrta son nom en 1860. Melhorat en 1886 — d'un biais independent — gràcias au desvolopament de l'electrolisi per un autre Francés, Paul Héroult (1863-1914), e per l'Estatsunidenc Charles Martin Hall (1863-1914), aqueu procès (dich Hall-Héroult) demorèt utilizat fins a la Segonda Guèrra Mondiala.

En 1887, un autre procès foguèt trobat per lo quimista austrian Carl Josef Bayer (1847-1904) qu'estudièt la dissolucion de l'alumina, contenguda dins la baucita, dins una solucion de soda. Conegut per sa produccion de fangas rojas fòrça toxicas, lo procès Bayer se desvolopèt lentament en causa de problemas de rendabilitat mai venguèt pauc a pauc largament preponderant dins lo corrent dau sègle XX.

Quimia de l'alumini

Caracteristicas

Caracteristicas fisicas 

L'alumini es un metau non magnetic relativament leugier que sa color varia entre l'argent e lo gris. Es ductible e malleable, çò que permet un usinatge aisat dins l'industria. Es un bòn materiau reflector de la lutz visibla, deis infraroges e deis ultraviolets pròches. Per consequéncia, prend fuòc dificilament. 

Sa densitat (2,6989) e son module d'elasticitat valon aperaquí un tèrç d'aquelei de l'acier. Son limit d'elasticitat se situa entre 7 e 11 MPa. Sei proprietas termicas e conductritz son tanben relativament bònas que sa conductivitat vau 59% d'aquela dau coire per una densitat tres còps pus febla. L'alumini pòu egalament venir supraconductor amb una temperatura critica de 1,2 K e un camp magnetic d'aperaquí 100 Gs.

Caracteristicas quimicas 

La caracteristica quimica pus remarcabla de l'alumini es sa resisténcia a la corrosion quand es expausat a l'accion de l'èr. D'efèct, se forma un jaç protector d'oxid d'alumini a la superficia dau metau. Pasmens, aquela resisténcia es fòrça reducha en preséncia de saus clorats. Per exemple, lo clorur de sòdi l'oxida facilament. 

L'alumini pòu reagir ambé l'aiga a de temperaturas superioras a 280°C ò en preséncia de solucions d'acids ò de basas concentradas. En solucion, se troba generalament sota la forma d'ions Al3+. Enfin, a de proprietats reductritz fòrtas que son utilizadas en aluminotermia ò en pirotecnia.

Isotòps 

Un nombre important d'isotòps de l'alumini existisson ambé de nombres de massa evolucionant de 21 a 42. Pasmens, solament dos isotòps s'observan dins la natura. Lo principau es l'alumini-27 (quasi 100%) qu'es l'unic isotòp estable. Lo segond es l'alumini-26 qu'es radioactiu mai qu'a un periòde pron lòng (7,17.105 ans) per formar de traças detectablas. Se forma a partir de la desintegracion d'atòms d'argon tocats per de raionaments cosmics de protons. Aquel isotòp es utilizat per la datacion d'objèctes.

Ocurréncia 

L'alumini seriá lo 14 element pus frequent dins l'Univèrs per fraccion massica. Dins la crosta terrèstra, es lo metau pus abondós (8,3% per fraccion massica) e lo tresen element pus frequent, après l'oxigèn e lo silici, en causa de la preséncia importanta de silicats contenent d'atòms d'alumini. En revènge, en causa de sa densitat febla, seriá pus rar dins lei jaç pus prefonds (2% dins lo mantèu, negligible dins lo nuclèu).

Se troba rarament sota forma nativa dins la natura car, en causa de son afinitat importanta ambé l'oxigèn, forma facilament d'oxids ò de silicats. Per exemple, lei feldspats, que son lei mineraus pus comuns de la superficia terrèstra son d'aluminosilicats. Dins aquò, en despiech dau taus aut d'alumini dins la crosta terrèstra, lei mineraus susceptibles d'una esplecha economica son relativament rars. D'efèct, la baucita, minerau principau d'alumini, necessita de condicions climaticas tropicalas per se formar. Ansin, lei jaciments principaus se situan en Austràlia, en Brasil, en Surinam, en Guinèa, en China, en Índia, en Indonesia, en Russia e en Jamaica. La descubèrta d'alumini natiu dins la natura es recenta ambé d'observacions dins d'environaments privats d'oxigèn (interior de certanei volcans... etc.), dins de fònts frejas oceanicas e coma produch dei procès biologics de certanei bactèris.

Metallurgia de l'alumini

Procès Deville 

Inventat en 1860, lo procès Deville foguèt utilizat fins a la Segonda Guèrra Mondiala. Es basat sus l'utilizacion de carbonat de sòdi per extraire l'alumina contenguda dins la baucita. Per aquò, la baucita es premier calcinada a °C, trissada e mesclada ambé de carbonat de sòdi e de carbon. Dins aquelei condicions, l'alumina se transforma en aluminata de sòdi mai leis autrei compausats dau minerau, especialament leis oxids de fèrre, demoran incambiats.

Après aquela etapa, la mescla es plonjada dins una solucion de soda que permet de dissòudre unicament l'aluminata de sòdi. Gràcias a una filtracion, se separa ansin l'aluminata de sòdi liquid dau rèsta dau minerau. Puei, un barbotatge de dioxid de carbòni permet de precipitar l'alumina (sota forma idratada) e de tornar constituir lo carbonat de sòdi (qu'es generalament reciclat). L'alumina recuperada es alora calcinada per eliminar l'aiga, çò que permet son utilizacion industriala.

Combinason dei procès Bayer e Hall-Héroult 

Lo mecanisme actuau pus utilizat per la produccion d'alumini utiliza la baucita coma minerau e combina lei procès Bayer e Hall-Héroult per extraire e purificar lo metau. Necessita quatre a cinc tonas de minerau per obtenir una tona de metau.  A tanben besonh de quantitats importantas d'electricitat e engendra la formacion de fòrça curum, principalament lei fangas rojas. Sa premiera etapa es la conversion de la baucita en alumina (oxid d'alumini Al2O3) segon lo procès Bayer. Lei doas reaccions quimicas seguentas ne'n son lo còr :
Al2O3 + 2 NaOH  →  2 NaAlO2 + H2O 
2 H2O + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH
L'aluminat de sòdi intermediari NaAlO2 es fòrça soluble dins lei solucions fòrça basicas. Pasmens, leis autrei compausants de la baucita lo son generalament pas. Aquò causa sa precipitacion e entraïna la formacion de fangas rojas que concentran de produchs toxics coma de metaus pesucs (en particular, lo cadmi).

Puei, l'alumina es convertida en alumini segon lo procès Hall-Héroult. Son principi de basa es l'electrolisi d'una solucion d'alumina e de criolita portada a una temperatura situada entre 950 e 980°C. Au catòde, a luòc la reaccion que dona lo metau amb una puretat de 99% :
 Al3+ + 3 e- →  Al(l)
A l'anòde, se debana la reaccion seguenta :
 2 O2- + C → CO2(g) + 4 e-
L'alumini format au catòde raja au fons de la solucion ont es recuperat. Aqueu movement dau metau degalha pauc a pauc l'electròde qu'es generalament remplaçada totei lei cinc ans. L'anòde de carbòni es consomada per la produccion de dioxid de carbòni que s'acompanha d'un desgatjament de difluor. Dins leis installacions modèrnas, l'anòde es donc regularament remplaçada e lo gas carbonic es filtrat per recuperar lo difluor qu'es tornat injectar dins la solucion per regenerar la criolita.

S'es necessari, l'alumini produch pòu subir una purificacion suplementària segon lo procès Hoopes. Es tanben un metòde utilizant una electrolisi dins un bacin de fèrre que son fons es cubèrt per un jaç format d'una una mescla de coire, d'alumini e de silici que tèn lo ròtle d'anòde. Es cubèrta per de jaç de carbòni. Lei jaç intermediaris son fachs d'una mescla de fluorurs de sòdi, d'alumini, de bari e de criolita. Lei jaç superiors son formats d'alumini en fusion. De cambas de grafit i son sotadas e jogan lo ròtle de catòdes. Aqueu procès permet la migracion d'ions Al3+ vèrs la superficia e purifica lei jaç superiors. Permet d'agantar de taus de puretat d'aperaquí 99,99%.

La quantitat d'electricitat necessitada per aqueu procès es fòrça importanta de l'òrdre de  a  kWh per tona. Per exemple, en 2001, aperaquí 5% de la produccion d'electricitat estatsunidenca totala èra destinada a la produccion d'alumini. La consomacion electrica es generalament de l'òrdre de 15 kWh per quilograma d'alumini produch (siá 52-56 MJ/kg). Ansin, lei despensas d'electricitat representan entre 20 e 40% dau còst totau de la produccion e leis usinas son donc generalament localizadas dins d'endrechs ambé de fònts d'energia pauc caras e abondosas (rius, jaciments de gas naturau... etc.).

Reciclatge 

 

L'alumini es teoricament reciclable a 100% sensa pèrda de sei qualitats naturalas. Lo procès principau qu'existís necessita de fondre de curum d'alumini (principalament de botelhons) e de desgasar lo produch en fusion avans apondre lei metaus (fèrre, zinc, coire... et.c) necessaris en foncion de l'aliatge desirat. L'avantatge major d'aqueu metòde es la consomacion pus febla d'electricitat que representa solament 5% de la quantitat utilizada per lo procès de produccion a partir de la baucita. En revènge, lo reciclatge aganta pas 100% dau metau car de pèrdas existisson sota forma de « dross » (de curum d'oxid d'alumini se formant a la superficia dau liquid en fusion). De mai, es pas possible de mesclar d'aliatges diferents durant lo procès de fusion. Conegut dempuei leis ans 1900, lo reciclatge de l'alumini foguèt rarament utilizat fins ais ans 1960 avans de conóisser un desvolopament important a la fin dau sègle XX. Ansin, per exemple, en 2009, 32% de la produccion francesa èra eissida dau reciclatge.

Produccion e aplicacions

Produccion 

Lo minerau principau d'alumini es la baucita qu'es una mescla d'oxids e d'idroxids d'alumini e de fèrre. Descubèrta en 1821 dins lo vilatge dei Bauç, en Provença, son esplecha industriala acomencèt en 1860. França e leis Estats Units d'America ne'n foguèron lei dos productors pus importants fins ais ans 1950-1960. Dempuei aqueu periòde, lei jaciments principaus, que son l'objècte d'una esplecha industriala, se tròban en Austràlia (1 productor mondiau), en America dau Sud e en Africa.

L'industria de transformacion dau minerau se tròba fòrça alunchada dei jaciments en causa de sei besonhs importants d'energia electrica. De mai, en causa de la natura estrategica de l'alumini, mai d'un país mantèn una produccion sus son territòri. En 2014, la produccion mondiala èra de 49,9 milions de tonas. China n'èra largament lo premier productor (47%) seguida per Russia (7%), Canadà (6%), leis Emirats Arabis Units (4,9%) e Índia (4,3%). Lo rèsta dau mond n'assegurava 30,5%.

Aplicacions generalas 

L'alumini es lo metau non ferrós pus produch dins lo mond. Es utilizat sota la forma d'aliatges, amb una concentracion d'alumini situada entre 92% e 99%, que permèton de melhorar sei proprietats mecanicas. Lei metaus intrant dins la fabricacion d'aqueleis aliatges son principalament lo coire, lo zinc, lo manganès, lo magnèsi e lo silici. Leis aplicacions son fòrça nombrosas :
 dins leis industrias dau transpòrt (automobilas, aeronaus, trens, naviris... etc.), son utilizats per fabricar de pèças d'estructuras pus leugieras que de pèças d'acier e mens somesas ai problemas de corrosion.
 dins l'industria agroalimentària, es utilizat per produrre de botelhons ò d'embalatges alimentaris.
 dins lo domeni de la construccion, plusors objèctes coma, per exemple, de fenèstras ò de pòrtas.
 divèrseis objèctes utilizats dins la vida vidanta (aisinas de cosina, mòstras... etc.) ò dins certaneis espòrts (base-ball... etc.).
 dins l'industria electronica.
 dins l'industria quimica coma reactiu.
 dins certanei país (França, Itàlia, Polonha, Iogoslavia... etc.), per fabricar de pèças de moneda.

Aplicacions dei compausats aluminats 

L'oxid d'alumini Al2O3 dich alumina es fòrça utilizat coma minerau d'alumini. Pasmens, pòu tanben servir coma absorbent de l'aiga dissòuta dins leis idrocarburs e empachar lo desvolopament de mosiduras, coma catalisador de certanei reaccions quimicas e coma abrasiu dins l'industria.

Plusors sulfats d'alumini an d'utilizacions diversificadas dins l'industria modèrna. Lo pus important es Al2(SO4)3·(H2O)18 que sèrv per produrre d'aiga potabla ò per fabricar dau papier, deis agents d'amorçatge dau fuòc, d'additius alimentaris ò dau cuer. Lo sulfat d'alumini e d'ammonium (NH4)Al(SO4)2·12H2O e lo sulfat d'alumini e de potassi ([Al(K)](SO4)2)·(H2O)12 intran dins la fabricacion de mordents e dins la preparacion dau cuer.

Enfin, lo clorur d'alumini AlCl3 es utilizat dins lo rafinatge dau petròli e dins lei sintèsis dau cauchó e de divèrsei polimèrs.

Toxicologia 

L'alumini es un metau pauc toxic (DL50 orala de 6207 mg/kg dins lo rat siá aperaquí 500 g per un èsser uman de 80 kg) qu'a ges de ròtle conegut dins lei procès biologics. Pasmens, en causa de sa difusion mai e mai importanta dins l'environament e dins lo comèrci, l'estudi de sa toxicitat es vengut un subjècte important.

Dins l'òme, de traças toxicas d'alumini pòdon se formar dins leis òs e dins lo sistèma nerviós centrau, especialament dins lo cas de pacients amb una foncion renala demenida. D'efèct, l'alumini pòu intrar en competicion ambé lo calci entraïnant un risc d'osteoporòsi. Quand se troba a de concentracions fòrça autas, pòu tanben atacar la barriera ematoencefalica. Totjorn, dins lo sistèma nerviós, l'alumini es sospichat de tenir un ròtle — encara pauc clar — dins la malautiá d'Alzheimer. Enfin, de riscs d'allergia existisson.

Regardant la toxicitat de l'alumini dins l'environament, es un factor de reduccion de la creissença dei plantas dins lei tèrras acidas car lei cations Al3+ son toxics per lei vegetaus. En revènge, aquel efèct es pas observat dins lei tèrras de pH neutre. Dins aquò, lo risc principau per l'environament es eissit dau procès d'extraccion Bayer qu'entraïna la formacion de fanjas rojas corrosivas e cargadas de metaus pesucs toxics. Plusors accidents an ja causat de pollucions grèvas dei mitans aqüatics coma aqueu de l'usina ongresa d'Akja en 2010.

Liames intèrnes

Generalitats 

 Metau.
 Humphry Davy.
 Hans Christian Oersted.
 Friedrich Wöhler.

Metallurgia de l'alumini 

 Alumina.
 Baucita.
 Procès Bayer.
 Procès Hall-Héroult
 Procès Hoopes.
 Fanga roja.
 Carl Josef Bayer.
 Pierre Berthier.
 Henri Sainte-Claire Deville.
 Charles Martin Hall
 Paul Héroult.

Bibliografia

Nòtas e referéncias 

Element quimic