L'aluminium (Z = 13)

Pour ce que l'on en sait, l'aluminium possède 22 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons., mais un seul d'entre eux, l'aluminium 27 (²⁷Al), est stable. Très abondant dans la croûte terrestre, dont il représente environ 8 % de la masse, il vient en troisième position après l'oxygène et le silicium. On le trouve généralement sous forme d'aluminosilicates (argiles, schistes...), mais on l'extrait principalement de la bauxite, minerai qui tire son nom du village des Baux-de-Provence.

Origine de l'aluminium

Lorsque de vieilles étoiles massives arrivent au terme de leur existence, elles finissent, quand la température atteint deux milliards de kelvins dans leur coeur, par réaliser la fusion de l'oxygène. Parmi les nombreuses réactions qui ont alors lieu, l'une d'entre elles produit de l'aluminium 27 :

¹⁶O + ¹⁶O ---> ²⁷Al + ⁴He + ¹H (proton)

D'autres noyaux d'atomes vont être synthétisés dans le même temps (silicium, phosphore, soufre...), qui seront ensuite disséminés (en partie) dans l'espace, au moment où l'étoile, à cours de combustible, terminera sa vie dans une explosion apocalyptique (une supernova).

Un peu d'histoire

Bien que l'aluminium soit omniprésent dans la croûte terrestre, l'en extraire demande beaucoup d'énergie. C'est la raison pour laquelle il fallut attendre le début du XIXè siècle pour que l'on découvre enfin l'existence de cet élément, et la fin de ce même XIXè siècle pour que des procédés d'extraction efficaces voient le jour, permettant ainsi d'en produire des quantités significatives. Mais reprenons les choses dans l'ordre.

En 1807, le chimiste et physicien britanique Humphry Davy (1778-1829) soupçonne l'alun, un minéral longtemps utilisé comme mordant pour teindre les tissus, de contenir un nouvel élément qu'il appelle aluminium, nom forgé à partir du latin "alumen" servant à désigner l'alun. On sait aujourd'hui que l'alun ordinaire est un sulfate double d'aluminium et de potassium.
En 1827, le chimiste allemand Friedrich Wöhler (1800-1882) parvient à isoler un peu d'aluminium en faisant agir du potassium sur du chlorure d'aluminium, mais la méthode n'est guère efficace. En 1854, le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) réussit néanmoins à fabriquer le tout premier lingot d'aluminium. Ce métal étant alors extrêmement difficile à produire, son coût reste très élevé, comparable à celui de l'or. On raconte à ce sujet que l'empereur Napoléon III réservait à ses invités les plus prestigieux des couverts en aluminium, les autres devant se contenter de simples couverts en or.
En 1886, une nouvelle méthode d'extraction voit le jour, mise au point indépendamment par le chimiste français Paul Héroult (1863-1914), et l'ingénieur américain Charles Martin Hall (1863-1914). La méthode consiste à faire fondre de l'alumine (Al₂O₃) dans un bain de cryolitheLa cryolite est une espèce minérale composée de fluorure double de sodium et d'aluminium (wikipedia)., et à soumettre le tout à un courant très fort (électrolyse), ce qui permet d'obtenir à la cathode de l'aluminium en fusion.

En 1887, ce procédé est amélioré par le chimiste autrichien Karl Josef Bayer (1847-1904), qui obtient de grandes quantités d'alumine en faisant agir de la soude concentrée sur de la bauxite. Mais nous y reviendrons...

Propriétés de l'aluminium

A la fois léger (sa masse volumique est de 2,7 g/cm³) et résistant, l'aluminium est le métal le plus utilisé après le fer. Contrairement à ce dernier, il présente l'avantage de bien résister à la corrosion, puisqu'au contact de l'oxygène de l'air, il se recouvre d'une couche d'alumine (Al₂O₃), à la fois solide et imperméable, d'une dizaine de nanomètres d'épaisseur. L'alumine est d'ailleurs le principal constituant de l'une des substances les plus dures qui soient, le corindon, espèce minérale à laquelle appartiennent le rubis et le saphir.

L'aluminium est un bon conducteur de l'électricité et de la chaleur, il est facile à recycler, facile à usiner et à mouler, sa température de fusion n'étant que de 660°C. On l'utilise le plus souvent allié à d'autres éléments, notamment le cuivre, le magnésium, le manganèse et le silicium.

Production industrielle de l'aluminium

Nous l'avons vu précédemment, l'aluminium est le plus souvent extrait de la bauxite, minerai qui contient généralement entre 50% et 60% d'alumine (Al₂O₃) hydratée, mélangée à de la silice et à de l'oxyde de fer (qui lui donne sa couleur). Dans le procédé Bayer, utilisé dans l'industrie, la bauxite est broyée puis attaquée par de la soude caustique (hydroxyde de sodium) chaude (vers 200 - 250°C) , qui dissout l'alumine mais pas les impuretés. Il se forme alors une solution d'aluminate de sodium, selon la réaction suivante :

Al₂O₃ + 2 NaOH ---> 2 (Na⁺ + AlO₂^-) + H₂O

Les impuretés sont ensuite éliminées par décantation et filtration, formant une "boue rouge" alcaline (elle est riche en hydroxyde de sodium) et toxique. Quant à la solution d'aluminate de sodium, elle est diluée et refroidie, entraînant la formation (par précipitation) de trihydrate d'aluminium. Ce dernier est ensuite calciné aux alentours de 1 100°C, ce qui élimine l'eau et permet de produire de l'alumine pure :

Al₂O₃.(H₂O)₃ ---> Al₂O₃ + 3 H₂O

L’aluminium est ensuite obtenu par électrolyse de l’alumine, selon le procédé mis au point en 1886 par Hall et Héroult (que nous avons décrit un peu plus haut).

En 2019, au niveau mondial, ce sont près de 64 millions de tonnes d'aluminium primaire (extrait de la bauxite, donc non recyclé) qui ont été produites, par plus de 230 usines réparties sur 45 pays (les principaux étant la Chine, la Russie, l'Inde, le Canada, les Émirats Arabes Unis et l'Australie). La Chine arrive toutefois très largement en tête de ce palmarès, puisqu'elle fournit 35 millions de tonnes à elle seule.

Quelques exemples d'utilisation de l'aluminium

- Le secteur des transports fait grand usage de l'aluminium. Dans l'industrie automobile, ce dernier occupe une place croissante, se substituant progressivement à l'acier. Les camions, les bateaux, les vélos et les avions ne sont bien entendu pas en reste. Pour ne prendre qu'un exemple, l'aluminium représente près de 60 % de la masse de la structure d'un Airbus A 380.

- L'almelec, alliage à base d'aluminium, de magnésium et de silicium, est utilisé comme conducteur dans les lignes électriques aériennes. Il présente l'avantage d'être moins lourd et (un peu) moins coûteux que le cuivre.

- Le duralumin, alliage à base d'aluminium (95 %), de cuivre, de magnésium et de manganèse, à la fois léger et résistant, est utilisé dans l'industrie aéronautique.

- L'aluminium est omniprésent dans les emballages, que ce soit sous forme de boites de conserve, de canettes, de papier aluminium...

- Le bâtiment fait également grand usage de ce métal, que l'on retrouve fréquemment dans les fenêtres et portes-fenêtres.

- Certains ustensiles de cuisine (couverts, casseroles) sont en aluminium. Ils ont l'avantage d'être très légers, ce qui peut être pratique quand on fait du camping, mais il faut toutefois être prudent, notamment avec les casseroles, car des particules d'aluminium peuvent migrer dans les aliments durant la cuisson, surtout si l'exposition à la chaleur est forte, et si les aliments sont acides. Le sujet est controversé, mais l'aluminium est soupçonné d'avoir un impact négatif sur la santé (il provoquerait notamment la maladie d’Alzheimer). Un minimum de prudence restant de mise, mieux vaut ne pas faire usage de ce type de matériel si on peut l'éviter.

- La poudre d'aluminium présente un caractère très réducteur (l'aluminium cède facilement ses électrons). Concrêtement, cela se traduit par le fait que l'aluminium a tendance à s'accaparer les atomes d'oxygène présents dans les autres métaux. Cette propriété est à l'origine d'un procédé appelé aluminothermie, où l'on emploie un mélange de poudre d'aluminium et d'oxydes métalliques (ou thermite) afin de produire du métal pur (débarrassé de son oxygène). C'est d'ailleurs comme cela que l'on soude les rails de chemins de fer : un mélange de poudre d'hématite (oxyde de fer de formule Fe₂O₃) et d'aluminium est porté à haute température, ce qui permet d'initier la réaction suivante :

Fe₂O₃ + 2 Al ---> Al₂O₃ + 2 Fe

Cette réaction étant très exothermique (elle libère de la chaleur), on obtient du fer à l'état liquide (la température dépasse 2900°C), que l'on fait couler sur les deux pièces à souder (voir ici !).

- Certains propergols solides de fusées contiennent de la poudre d'aluminium. C'est le cas des propulseurs d'appoint (boosters) des lanceurs de type Ariane 5 ou Atlas V (ci-dessous).

- L'alumine (corindon), en raison de sa dureté, est utilisée comme abrasif dans certains papiers de verre.

- Les miroirs des télescopes, après avoir été taillés dans différents types de verres, sont recouverts (entre autres), d'une couche d'alumine très réfléchissante.

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