L’élément aluminium — Atome d’aluminium

L’aluminium (ou aluminum en anglais nord-américain) est un élément chimique du tableau périodique qui porte le symbole Al et le numéro atomique 13. Membre argenté et ductile du groupe des métaux pauvres, l’aluminium se trouve principalement sous la forme du minerai de bauxite et est remarquable pour sa résistance à l’oxydation (l’aluminium est en fait presque toujours déjà oxydé, mais est utilisable sous cette forme contrairement à la plupart des métaux), sa résistance et sa légèreté. L’aluminium est utilisé dans de nombreuses industries pour fabriquer des millions de produits différents et est très important pour l’économie mondiale. Les composants structurels fabriqués à partir d’aluminium sont vitaux pour l’industrie aérospatiale et très importants dans d’autres domaines du transport et du bâtiment dans lesquels la légèreté, la durabilité et la résistance sont nécessaires.

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magnésium – aluminium – silicium B Al Ga
Général
Nom, symbole, Numéro	aluminium, Al, 13
Série chimique	métaux pauvres
Groupe, Période, Bloc	13 (IIIA), 3, p
Densité, Dureté	2700 kg/m3, 2.75
Apparence	silvery
Propriétés atomiques
Poids atomique	26.981538 amu
Rayon atomique (calc.)	125 pm (118 pm)
Rayon covalent	118 pm
van der Waals	no data
Configuration des électrons	3s2 3p1
e- par niveau d’énergie	2, 8, 3
Etats d’oxydation (oxyde)	3 (amphotère)
Structure cristalline	cubique à faces centrées
Propriétés physiques
Etat de la matière	solide
Point de fusion	933.47 K (1220,58 °F)
Point d’ébullition	2792 K (4566 °F)
Volume molaire	10,00 ×10-6 m3/mol
Chaleur de vaporisation	293.4 kJ/mol
Chaleur de fusion	10,79 kJ/mol
Pression de vapeur	2.42 E-06 Pa à __ K
Vitesse du son	5100 m/s à 933 K
Divers
Electronégativité	1.61 (échelle de Pauling)
Capacité thermique spécifique	900 J/(kg*K)
Conductivité électrique	37.7 106/m ohm
Conductivité thermique	237 W/(m*K)
1er potentiel d’ionisation	577.5 kJ/mol
2ème potentiel d’ionisation	1816,7 kJ/mol
3ème potentiel d’ionisation	2744.8 kJ/mol
4ème potentiel d’ionisation	11577 kJ/mol
5ème potentiel d’ionisation	14842. kJ/mol
6ème potentiel d’ionisation	18379 kJ/mol
7ème potentiel d’ionisation	23326 kJ/mol
8ème potentiel d’ionisation	27465 kJ/mol
9ème potentiel d’ionisation	31853 kJ/mol
10ème potentiel d’ionisation	38473 kJ/mol
Unités SI & STP sont utilisées sauf lorsque cela est indiqué.

Caractéristiques notables

L’aluminium est un métal souple et léger mais résistant, d’aspect gris argenté terne, dû à une fine couche d’oxydation qui se forme rapidement lorsqu’il est exposé à l’air et qui empêche toute corrosion supplémentaire. L’aluminium pèse environ un tiers du poids de l’acier ou du cuivre ; il est malléable, ductile et facile à usiner et à couler ; il présente une excellente résistance à la corrosion et une grande durabilité. Il est également non magnétique et non étincelant et est le deuxième métal le plus malléable et le sixième le plus ductile.

2 Applications

Que l’on mesure en termes de quantité ou de valeur, l’utilisation de l’aluminium dépasse celle de tout autre métal, à l’exception du fer, et il est important dans pratiquement tous les segments de l’économie mondiale. L’aluminium pur est mou et faible, mais il peut former des alliages avec de petites quantités de cuivre, de magnésium, de manganèse, de silicium et d’autres éléments pour produire des alliages ayant une variété de propriétés utiles.

Ces alliages forment des composants vitaux des avions et des fusées. Lorsque l’aluminium est évaporé sous vide, il forme un revêtement qui reflète à la fois la lumière visible et la chaleur rayonnante. Ces revêtements forment une fine couche d’oxyde d’aluminium protectrice qui ne se détériore pas comme les revêtements en argent. Le revêtement des miroirs de télescope est une autre utilisation de ce métal.

Certaines des nombreuses utilisations de l’aluminium sont dans

Son oxyde, l’alumine, se trouve à l’état naturel sous forme de corindon, d’émeri, de rubis et de saphir et est utilisé dans la fabrication du verre. Le rubis et le saphir synthétiques sont utilisés dans les lasers pour la production de lumière cohérente. L’aluminium s’oxyde très énergiquement et, par conséquent, a trouvé une utilisation dans les combustibles solides pour fusées et la thermite.

3 Histoire

La plus ancienne référence soupçonnée (bien que non prouvable) à l’aluminium se trouve dans le Naturalis Historia de Pline l’Ancien:

Un jour, un orfèvre de Rome fut autorisé à montrer à l’empereur Tibère une assiette à dîner d’un nouveau métal. L’assiette était très légère, et presque aussi brillante que l’argent. L’orfèvre expliqua à l’empereur qu’il avait fabriqué le métal à partir d’argile ordinaire. Il assura également à l’Empereur que seuls lui, lui-même et les Dieux savaient comment produire ce métal à partir d’argile. L’empereur s’est montré très intéressé, et en tant qu’expert financier, il était aussi un peu inquiet. Cependant, l’empereur a immédiatement senti que tous ses trésors d’or et d’argent perdraient de leur valeur si les gens commençaient à produire ce métal brillant à partir de l’argile. Par conséquent, au lieu de donner à l’orfèvre les égards attendus, il ordonna qu’il soit décapité.

Les anciens Grecs et Romains utilisaient les sels de ce métal comme mordants de teinture et comme astringents pour lier les blessures, et l’alun est encore utilisé comme styptique. En 1761, Guyton de Morveau a proposé d’appeler l’alun de base alumine. En 1808, Humphry Davy a identifié l’existence d’une base métallique d’alun, qu’il a nommée (voir l’orthographe ci-dessous pour plus d’informations sur le nom).

Friedrich Wöhler est généralement crédité d’avoir isolé l’aluminium (latin alumen, alun) en 1827. Cependant, ce métal a été produit pour la première fois sous forme impure deux ans plus tôt par le physicien et chimiste danois Hans Christian Ørsted.

Charles Martin Hall a reçu le brevet(400655) en 1886, sur le procédé électrolytique pour extraire l’aluminium. Henri Sainte-Claire Deville (France) a amélioré la méthode de Wohler (1846) et les a présentées dans un livre en 1859 avec deux améliorations du procédé comme la substitution du potassium au sodium et le double au lieu du simple chlorure. L’invention du procédé Hall-Héroult en 1886 a rendu l’extraction de l’aluminium des minéraux peu coûteuse, si bien qu’il est aujourd’hui couramment utilisé dans le monde entier.

4 Occurrence et ressources

Bien que l’Al soit un élément abondant dans la croûte terrestre (8,1%), il est très rare sous sa forme libre et était autrefois considéré comme un métal précieux plus précieux que l’or (On raconte que Napoléon avait un jeu d’assiettes en Aluminium réservé à ses meilleurs invités. Les autres devaient se contenter d’assiettes en or). Il est donc comparativement nouveau en tant que métal industriel et n’est produit en quantités commerciales que depuis un peu plus de 100 ans.

L’aluminium était, lorsqu’il a été découvert, extrêmement difficile à séparer des roches dont il faisait partie. Comme tout l’aluminium de la Terre était lié sous forme de composés, c’était le métal le plus difficile à obtenir sur terre, malgré le fait qu’il soit l’un des plus communs de la planète.

La récupération de ce métal à partir de déchets (via le recyclage) est devenue une composante importante de l’industrie de l’aluminium. Le recyclage consiste simplement à fondre le métal, ce qui est bien moins coûteux que de le créer à partir du minerai. De plus, la création d’aluminium nécessite d’énormes quantités d’électricité. Le recycler en demande 95% de moins. Pratique courante depuis le début des années 1900, le recyclage de l’aluminium n’est pas nouveau. Il s’agissait toutefois d’une activité discrète jusqu’à la fin des années 1960, lorsque le recyclage des canettes en aluminium a permis de sensibiliser le public au recyclage. Les sources d’aluminium recyclé comprennent les automobiles, les portes et fenêtres, les appareils électroménagers, les conteneurs et d’autres produits.

L’aluminium est un métal réactif et ne peut être extrait de son minerai, la bauxite (Al2O3), par réduction avec du carbone. Au lieu de cela, il est extrait par électrolyse – le métal est oxydé en solution, puis réduit à nouveau en métal pur. Pour cela, le minerai doit être à l’état liquide. Cependant, la bauxite a un point de fusion de 2000°C, ce qui est une température trop élevée pour être atteinte de manière économique. Pendant de nombreuses années, la bauxite a donc été dissoute dans de la cryolithe fondue, ce qui abaisse le point de fusion à environ 900°C. Mais aujourd’hui, la cryolithe n’est plus utilisée pour le traitement de la bauxite. Mais aujourd’hui, la cryolite a été remplacée par un mélange artificiel de fluorures d’aluminium, de sodium et de calcium. Ce procédé nécessite encore beaucoup d’énergie, et les usines d’aluminium ont généralement leurs propres centrales électriques à proximité.

Les électrodes utilisées dans l’électrolyse de la bauxite sont toutes deux en carbone. Une fois que le minerai est à l’état fondu, ses ions sont libres de se déplacer. La réaction à la cathode négative est

Al3+ + 3e- ! Al

Ici, l’ion aluminium est réduit (des électrons sont ajoutés). L’aluminium métallique descend alors au fond et est soutiré.

L’anode positive oxyde l’oxygène de la bauxite, qui réagit ensuite avec l’électrode de carbone pour former du dioxyde de carbone :

2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2

Cette cathode doit être remplacée souvent car elle fait partie de la réaction. Malgré le coût de l’électrolyse, l’aluminium est un métal très largement utilisé. On peut maintenant extraire l’aluminium de l’argile, mais ce procédé n’est pas économique.

L’énergie électrique représente environ un tiers du coût du raffinage de l’aluminium. Pour cette raison, les raffineries ont tendance à être situées là où l’énergie électrique est abondante et peu coûteuse, comme dans le nord-ouest des États-Unis et au Québec au Canada.

La Chine est actuellement (2004) le premier producteur mondial d’aluminium.

5 Isotopes

L’aluminium possède neuf isotopes, dont les numéros de masse vont de 23 à 30. Seuls l’Al-27 (isotope stable) et l’Al-26 (isotope radioactif, t1/2 = 7,2 × 105 y) existent à l’état naturel. L’Al-26 est produit à partir de l’argon présent dans l’atmosphère par spallation causée par les protons des rayons cosmiques. Les isotopes de l’aluminium ont trouvé une application pratique dans la datation des sédiments marins, des nodules de manganèse, de la glace glaciaire, du quartz dans les expositions rocheuses et des météorites. Le rapport entre l’Al-26 et le béryllium-10 a été utilisé pour étudier le rôle du transport, du dépôt, du stockage des sédiments, des temps d’enfouissement et de l’érosion sur des échelles de temps de 105 à 106 ans.

L’Al-26 cosmogène a été appliqué pour la première fois dans les études de la Lune et des météorites. Les fragments de météorites, après leur départ de leur corps parent, sont exposés à un bombardement intense de rayons cosmiques pendant leur voyage dans l’espace, ce qui entraîne une production substantielle d’Al-26. Après leur chute sur la Terre, le blindage atmosphérique protège les fragments de météorite de toute nouvelle production d’Al-26, et sa désintégration peut alors être utilisée pour déterminer l’âge terrestre de la météorite. Les recherches sur les météorites ont également montré que l’Al-26 était relativement abondant au moment de la formation de notre système planétaire. Il est possible que l’énergie libérée par la désintégration de l’Al-26 ait été responsable de la refonte et de la différenciation de certains astéroïdes après leur formation, il y a 4.6 milliards d’années

6 Précautions

L’aluminium est l’un des rares éléments abondants qui semblent n’avoir aucune fonction bénéfique dans les cellules vivantes, mais quelques pour cent des personnes y sont allergiques — elles présentent une dermatite de contact à partir de n’importe quelle forme de cet élément : une éruption cutanée avec démangeaisons à la suite de l’utilisation de produits styptiques ou antisudoraux, des troubles digestifs et une incapacité à absorber les nutriments à la suite de la consommation d’aliments cuits dans des poêles en aluminium, et des vomissements et autres symptômes d’empoisonnement à la suite de l’ingestion de produits tels que Kaopectate® (produit anti-diarrhée), Amphojel® et Maalox® (antiacides). Chez d’autres personnes, l’aluminium n’est pas considéré comme aussi toxique que les métaux lourds, mais il existe des preuves d’une certaine toxicité s’il est consommé en quantités excessives, bien qu’il n’ait pas été démontré que l’utilisation d’ustensiles de cuisine en aluminium, populaire en raison de sa résistance à la corrosion et de sa bonne conduction de la chaleur, entraîne une toxicité de l’aluminium en général. La consommation excessive d’antiacides contenant des composés d’aluminium et l’utilisation excessive d’antisudorifiques contenant de l’aluminium sont des causes plus probables de toxicité. Il a été suggéré que l’aluminium pourrait être lié à la maladie d’Alzheimer, bien que cette recherche ait été récemment réfutée.

7 Orthographe

L’orthographe officielle de l’élément selon l’UICPA est aluminium ; cependant, les Américains et les Canadiens l’orthographient et le prononcent généralement aluminium. En 1808, Humphry Davy proposa initialement l’alumium pour le nom de ce métal alors non découvert, mais quatre ans plus tard, il décida de changer le nom en aluminium. Ce changement a été accepté en Amérique, mais contesté en Grande-Bretagne parce qu’il n’était pas conforme au précédent du suffixe -ium établi par le potassium, le sodium, le magnésium, le calcium et le strontium (tous découverts par Davy). Ainsi, l’orthographe aluminium est devenue la plus courante en Grande-Bretagne. Les États-Unis ont continué à utiliser l’aluminium, bien que le nom officiel utilisé aux États-Unis et en Grande-Bretagne dans le domaine de la chimie soit resté aluminium. En 1926, l’American Chemical Society décida officiellement d’utiliser l’aluminium dans ses publications.

En 1990, l’UICPA adopta l’aluminium comme nom international standard de l’élément. Aluminium est également le nom utilisé en français, néerlandais, allemand, danois, norvégien et suédois ; l’italien utilise alluminio, le portugais alumínio et l’espagnol aluminio. (L’utilisation de ces mots dans ces autres langues est l’une des raisons pour lesquelles l’UICPA a choisi aluminium au lieu d’aluminium). En 1993, l’UICPA a reconnu l’aluminium comme une variante acceptable, mais préfère toujours l’utilisation de l’aluminium.