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L'aluminium est par importance le 3ème élément constituant l'écorce terrestre; celle-ci en contient 8,23 % jusqu'à une profondeur de 16 km.
Les minéraux les plus importants sont:
l'albite NaAlSi3O8 l'aluminite Al2(SO4)(OH)4.7H2O l'alunite ou la pierre d'alun (SO4)3.4Al(OH)3 l'alunogène Al2(SO4)3.17H2O la bauxite AlOx(OH)3-2x, 0 < x < 1
le béryl Be3Al2Si6O18 la chiolite Na5Al3F14
le corindon Al2O3 le diaspore AlO(OH) la gibbsite Al(OH)3 la kaolinite ou la terre à porcelaine Al2Si2O5(OH)4
la cryolithe ou fluorure double
d'aluminium et de sodium Na3AlF6 le mica {Na,K,Ca,Mg}{Al,Mg,Fe,Li}2-3{Si,Al}4O10{OH,F}2
l'orthoclase KAlSi3O8 la pétalite LiAlSi4O10 le spinelle MgAl2O4 la topaze Al2SiO4(F,OH)2 la turquoise CuAl6(PO4)4(OH)8.4H2O la zéolithe pas de formule fixe; rapport (Al+Si):O = 1 : 2
K2SO4.Al2
KAlSi3O8
Les régions d'exploitation les plus importantes pour la bauxite, la matière première de l'aluminium, se situent en Guinée, en Australie, au Brésil, en Russie, en Jamaïque, au Mali, en Guyane, au Cameroun, en Grèce, au Ghana, en Indonésie, au Suriname, au Tadjikistan, en Inde, aux Etats-Unis d'Amérique, dans la République Dominicaine, en Sierra Leone, en Slovénie, au Monténégro, en Bosnie-Herzégovine, en Hongrie, en France et dans de nombreux états africains.
Le nom dérive du latin alumen, ce qui signifie amer. Le nom a été attribué à cause du goût amer de la pierre d'alun qui était utilisée dans l'Antiquité par les égyptiens, par les grecs et par les romains comme agent hémostatique. On utilise également l'alun lors de la teinture de la laine et lors du tannage. Sir H. Davy a proposé le nom "aluminum" (nom que l'on utilise toujours en Amérique du Nord dans des publications officielles); en 1925, il a été remplacé par le nom "aluminium".
Le nom du minerai le plus important, la bauxite, provient du lieu-dit "Les Baux "dans le Midi de la France où ce minéral a été découvert pour la première fois (en 1821 par P. Berthier).
L'aluminium a été reconnu par Sir H. Davy comme élément, mais il n'est pas parvenu à l'isoler sous forme métallique.
L'aluminium a été préparé sous une forme très impure pour la première fois en 1825 par H. C. Oersted. Il a réduit du chlorure d'aluminium anhydre avec du potassium (amalgame).
En 1854, il a été obtenu sous une forme raisonnablement pure par H. E. Sainte-Claire Deville par électrolyse du chlorure de sodium-aluminium (NaAlCl4).
A cette époque, le métal était si rare qu'il était exposé au même titre que les joyaux de la couronne. L'empereur Louis Napoléon utilisait, lors de visites officielles d'hommes d'états, des couverts en aluminium.
En 1886, après la découverte de la dynamo par le belge Z. Gramme in 1871, P. L. T. Héroult et C. M. Hall ont mis au point un processus d'électrolyse avec des électrodes en carbone, dans lequel on dissout de l'oxyde d'aluminium dans de la cryolithe en fusion (Na3AlF6). De cette manière, on a pu obtenir de l'aluminium pur en quantités plus importantes.
Après une série de traitements physiques, à température élevée et sous pression élevée (250° C, 35.105 Pa), on dissout la bauxite (Al2O3) dans de la lessive de soude concentrée, donnant lieu à la dissolution de l'oxyde d'aluminium:
Al2O3 + 3 H2O + 6 OH- → 2 Al(OH)63-
Le liquide est ensuite séparé de la substance solide (les particules insolubles de la bauxite, telles que le sable et l'oxyde de fer) et est refroidi; en l'occurrence, l'hydroxyde d'aluminium {Al(OH)3} précipite:
Al(OH)63- → Al(OH)3 + 3 OH-
La lessive formée est réutilisée pour la dissolution de la bauxite.
Après purification, on transforme l'hydroxyde d'aluminium à température élevée (environ 975° C) en oxyde d'aluminium que l'on dissout entre autres dans de la cryolithe en fusion (Na3AlF6), après quoi, on procède à une électrolyse :
pôle -: Al3+ + 3 e- Al
pôle +: 2 O2- O2 + 4 e-
A cet effet, on utilise une cuve d'électrolyse en carbone (dans une enveloppe métallique) qui fait office de cathode (pôle -), ainsi qu'une anode (pôle +) en carbone (graphite).
Le graphite de l'anode réagit avec une partie de l'oxygène qui se libère donnant lieu à la formation de dioxyde de carbone.
L'aluminium qui se forme est liquide et est évacué. Après addition éventuelle d'autres métaux pour obtenir un alliage désiré, on transforme l'aluminium en lingots qui peuvent être travaillés (pour obtenir des plaques, des tubes, des profilés, etc.).
La production d'aluminium requiert une très grande quantité d'énergie - pour une tonne d'aluminium, on a besoin d'environ 13.500 kWh d'énergie! - et elle ne peut être réalisée qu'en des lieux où l'on dispose d'électricité à bon marché. Grâce à l'énergie très peu coûteuse au Moyen Orient et dans le Golf Persique, on produit de plus en plus d'aluminium dans ces pays, par exemple au Qatar. L'Inde est un fournisseur important de la bauxite requise.
Pour le recyclage de l'aluminium, on a seulement besoin de 5 à 10 % de l'énergie requise pour de l'aluminium nouveau, si bien que le recyclage prend une place de plus en plus importante.
La production mondiale s'élève à environ 28 millions de tonnes par an, dont 8 millions de tonnes par recyclage.
Alliages
En ajoutant d'autres métaux à l'aluminium, on obtient pour ainsi dire "sur mesure" des propriétés telles que la solidité, la résistance à la corrosion, etc. à l'usage recherché. Les alliages sont désignés par des nombres:
groupe allié avec application, entre autres
1000 - feuille, plaquage
2000 cuivre construction aéronautique, matériau de construction
3000 manganèse recouvrement de façade
5000 magnésium matériau de construction
6000 magnésium, silicium matériau de construction (bonne aptitude au soudage)
7000 zinc matériau de construction, entre autres pour des constructions portantes
relativement lourdes
Aluminium super-résistant
L'aluminium liquide, qui se refroidit très rapidement (dans un laps de temps de quelques microsecondes !), possède d'autres propriétés que celles de l'aluminium ordinaire. De par sa structure spécifique, il possède une résistance comparable à celle du titane. Ce procédé n'a pu être réalisé pendant longtemps qu'à l'échelle de laboratoire; à l'heure actuelle, il peut être appliqué à l'échelle industrielle. On utilise de l'aluminium super-résistant pour des patins, des vélos, des moteurs de véhicules automobiles, des clubs de golf et du matériel destiné aux alpinistes.
Fenêtres, portes, châssis dormants
L'aluminium est léger et résistant, et par conséquent approprié comme matériau de construction. En outre, il résiste aux influences atmosphériques, étant donné qu'il forme une mince couche d'oxyde d'aluminium pratiquement imperméable qui assure une protection contre l'oxydation ultérieure. Par anodisation, non seulement on protège mieux l'aluminium, mais encore on lui confère un aspect externe agréable à la vue. Des châssis dormants, des portes, des plaques de revêtements de façades, etc. réalisés en aluminium requièrent un entretien particulièrement minime. La matière utilisée est la plupart du temps alliée avec 0,7 % de magnésium et 0,4 % de silicium.
Dans des constructions plus lourdes, on utilise de plus en plus de l'aluminium, par exemple dans le cas de plates-formes de forage et de ponts. Le toit coulissant du stade "Arena" d'Amsterdam est réalisé en aluminium.
Feuille, tube
L'aluminium est particulièrement approprié comme matériau d'emballage et de protection. Il n'est pas absorbant, il n'est pas toxique, il résiste à la corrosion et il est imperméable à l'air. En outre, il est très flexible.
On l'utilise sous la forme de boîtes de conserves, de tubes (feuilles épaisses) ou de feuilles (par exemple pour un usage culinaire). On peut obtenir des feuilles très minces jusqu'à environ 6 mm).
Câbles
L'aluminium possède un pouvoir conducteur raisonnable (spécifiquement un pouvoir conducteur correspondant à 61 % de celui du cuivre), il est particulièrement léger et résistant à la corrosion. On l'utilise sous forme de câbles dans des conducteurs haute tension. La plupart du temps, on utilise un alliage avec approximativement 97,9 % d'aluminium et des quantités minimes de cuivre, de magnésium, de chrome et de silicium.
CD
La couche réfléchissante des CD est constituée la plupart du temps d'aluminium. A l'origine, on utilisait de l'argent, mais celui-ci peut être facilement attaqué par des composés du soufre provenant de l'air ou du matériau d'emballage.
Feu d'artifice
On utilise de l'aluminium pulvérulent aussi bien dans des feux d'artifices festifs que dans des feux d'artifices crépitant et du type éclairant dans lesquels on obtient une lumière blanche vive. Pour obtenir ce que l'on appelle des effets de jaillissement et de chutes d'eaux, on utilise des particules d'aluminium possédant une granulométrie maximale de 40µ. Aussi bien l'aluminium pur que des mélanges avec du magnésium (au maximum à concurrence de 50 %) conviennent pour ces usages.
Canettes
On fabrique de plus en plus des canettes à partir d'un alliage d'aluminium avec quelques pour cent de magnésium (au maximum 5 %). La quantité de canettes produites est évaluée à environ 100.000.000.000 par an. Le recyclage commence à entrer dans les murs; à l'heure actuelle, on réutilise chaque canette à peu près trois fois.
Véhicule automobile
L'aluminium est léger, il possède une résistance élevée à la traction, une bonne conductibilité thermique, ainsi qu'une bonne coulabilité et une bonne aptitude au laminage. On le transforme pour obtenir de nombreuses pièces détachées pour des véhicules automobiles, par exemple le bloc moteur, les culasses, le carter, les pistons, le châssis et les roues. On l'utilise également pour des réflecteurs (puissance de réflexion de 95 %) et pour des pièces détachées décoratives telles que des caches et des poignées. Aussi bien l'aluminium pur que des alliages d'aluminium conviennent pour ces utilisations.
On équipe de plus en plus les véhicules automobiles de pièces détachées de carrosserie en aluminium. La première voiture possédant une carrosserie complète en aluminium a été mise sur le marché en 1994 par Audi. Le véhicule de tourisme moyen contient environ 70 kg d'aluminium. Le gain de poids, que l'on atteint ainsi, permet d'améliorer la capacité d'accélération et de freinage, tandis que l'on diminue la consommation de carburant.
Dans le transport professionnel de marchandises, on utilise de plus en plus l'aluminium par exemple pour la construction de camions et de camions-citernes.
Métro
Dans la construction de véhicules pour le métro, pour les trams, pour les trains, pour le TGV, etc., on utilise des profilés en aluminium et des pièces détachées de carrosseries en aluminium. A côté d'alliages, on utilise de plus en plus des panneaux "Hylite". Il s'agit de "panneaux sandwich" comprenant une couche de polypropène intercalée entre deux couches d'aluminium. Ces panneaux fournissent un gain de poids de 50 % par rapport à celui de l'acier. Pour les mêmes raisons, on a mis au point pour le TGV des trains de roues très légers et très résistants en aluminium.
Dans la construction navale, on utilise de plus en plus souvent l'aluminium et ses alliages, des matières légères, solides et résistant à la corrosion. Aussi bien dans les ferry-boats à grande vitesse de la nouvelle génération que dans les yachts (de compétition), dans les bateaux de sauvetage, de la police et dans les bateaux-pilotes, on utilise de plus en plus l'aluminium. Un bateau rapide possédant une coque légère revient meilleur marché à la longue.
La construction de grands ferry-boats rapides est possible grâce à des techniques de construction spécifiques avec de l'aluminium (alliages Al-Mg-Mn et Al-Mg-Si).
Avion (fusée)
Pour des pièces détachées d'avions et de fusées, en plus des exigences concernant la résistance et le poids, on exige également une résistance importante à la corrosion et à la chaleur. Des alliages avec de l'aluminium comme constituant principal font l'objet d'utilisations multiples. L'aluminium est allié avec du cuivre et du magnésium, mais également avec du titane, du zirconium, du vanadium et d'autres métaux en fonction des utilisations.
Les ailes des avions sont fabriquées à partir d'un alliage constitué de Mg, de Al et de Zn. Cet alliage est 20 % plus légers que l'aluminium pur et résiste bien à la corrosion. De même, on fabrique le fuselage, le train d'atterrissage et la passerelle avec un alliage de ce type.
Un autre alliage très utilisé est constitué par du magnésium avec 6 % d'aluminium, 3 % de zinc et 0,2 % de manganèse (on utilise également du zirconium à concurrence d'environ 0,7 %).
Pour un gros avion, on a besoin de plus de 100 tonnes d'alliage d'aluminium. A peu près 80 % du poids de l'Airbus et des nouveaux Boeings sont constitués par un alliage d'aluminium.
Pour le Concorde, on utilise l'hiduminium RR58, un alliage d'aluminium (92,5 %), de cuivre (2,2 %), de magnésium (1,5 %), de fer (1,2 %), de nickel (1,1 %), de silicium (1,2 %) et de manganèse, de zinc, de plomb et d'étain (ensemble 0,3 %).
Les alliages avec du lithium fournissent un meilleur rapport entre la résistance et le poids et sont fréquemment utilisés dans des appareils militaires.
Dans l'industrie aéronautique, on utilise de plus en plus des stratifiés très légers et ignifuges constitués par des couches d'aluminium et de fibres (par exemple des fibres de carbone, des fibres de verre ou une fibre super-résistante telle que Twaron®).
Ciment de prothèse dentaire
Comme ciment de prothèse dentaire, entre autres pour des plombages, on utilise du verre d'aluminofluorosilicate. Il est imperméable et possède de bonnes propriétés mécaniques.
Epuration de l'eau
Pour l'épuration des eaux de piscines et des eaux usées, on utilise du sulfate d'aluminium {Al2(SO4)3}. En ajoutant cette substance, on élimine les saletés dissoutes sous forme colloïdale, ainsi que des résidus d'algues, de bactéries et de squames qui ne peuvent être retirés de l'eau via les filtres. Lors de la dissolution, on obtient les réactions ci-après avec l'eau:
3 Al3+ + 2 PO43- + 6 H2O → (AlOH)3(PO4)2 + 3 H3O+
et:
Al3+ + 6 H2O → Al(OH)3 + 3 H3O+
Al3+ + 4 H2O → Al(OH)2+ + 2 H3O+
2 Al3+ + 4 H2O → Al2(OH)24+ + 2 H3O+
Les particules des composés d'aluminium qui se forment déstabilisent la solution colloïdale, si bien que l'on obtient un précipité qui peut être éliminé par filtration.
Applications sous forme d'une substance indécomposable (élément) et sous forme d'alliage:
feuilles anti-refroidissement (entre autres pour des bébés nés prématurément, pour des sportifs et pour des victimes d'accidents)
tonneaux à bière
combustibles dans l'aéronautique
ponts, pylônes, échelles, pipelines
capsules pour bouteilles
disques informatiques
vases cryogéniques
cunial (alliages de Cu, de Ni, de Al; on l'utilise entre autres pour des hélices de bateaux)
jalousies
matériel de cuisine
colorant, par exemple pour des sucreries (E173)
objets d'arts (par exemple statue d'Eros à Picadilly-Circus à Londres)
pièces de monnaie (aluminium bronze)
rails (entre autres pour le TGV)
combustible pour fusée (entre autres dans le combustible solide pour les boosters de la navette Spaceshuttle)
bicyclettes, voiliers, bateaux, caravanes
peinture antirouille
volets roulants
machines à écrire, aspirateurs
soudures
miroirs et réflecteurs
jantes (avec de 7 à 10 % de Si; ou avec Mg/Zn: voir élément 12 - Magnésium)
peintures (métallisées)
construction d'habitations et constructions utilitaires (plaques de recouvrement de façades, etc.)
Applications sous forme d'une substance décomposable (composé):
poterie Al2O3 Al2(SiO3)3 additif pour aliments NaAl(SO4)2 agent anti-transpirant dans un déodorant Al2(OH)5Cl AlZr(OH)5Cl AlCl3 agent de serrage/prise du béton (entre autres dans des ponts et des digues de retenue) NaAlO2 liant pour la céramique AlPO3 Al(H2PO4)3 agent ignifuge Al(CH3COO)3 ciment bauxite ciment pour des applications à des températures élevées Al2O3 cosmétiques Al(C17H35COO)3 Al(OH)3 Al2(SiO3)3 désinfectants pour cosmétiques Al(HCOO)3 désinfection du bois AlCl3 support pour catalyseurs Al2O3 encres d'impression (additif) Al(C17H35COO)3 chromatographie en couche mince Al2O3 émail Na3AlF6 agent d'extractionlors du retraitement des barres de combustibles de réacteurs nucléaires Al(NO3)3 fixage des teintures pour textiles Al(HCOO)3 médicament hémostatique KAl(SO4)2.12H2O
gargarisme, comprimé pour la gorge KAl(SO4)2.12H2O neutralisation de l'acide gastrique Al2O3 pommade contre les démangeaisons Al(OH)(CH3COO)2 /
Al(OH)2(CH3COO)
le cas échéant en mélange avec de l'acide tartrique COOH-CHOH-CHOH-COOH verre Na3AlF6 adjuvant pour le démoulage de matières synthétiques Al(C17H35COO)3 insecticide Na3AlF6 catalyseur lors du raffinage du pétrole Al2O3 Al2O3.(SiO2)x catalyseur dans des synthèses chimiques organiques AlCl3 céramique AlF3 Al(OH)3 Al2O3 Al2O3 Na3AlF6 céramique à conductibilité thermique élevée pour l'électronique
AlN teinture des textiles Al(CH3COO)3 Al(OH)3 cristal pour de la lumière (laser) monochromatique Y3Al5O12 dopé avec des composés de Nd creusets de laboratoire AlN tannage Al(NO3)3 tannage (daim) KAl(SO4)2.12H2O fabrication de verre translucide Na3AlF6 eau pour collutoires et pour gargarisme KAl(SO4)2.12H2O lutte contre la vermine (plus précisément dans la batellerie) AlP papier Al(C17H35COO)3 NaAlO2 encollage du papier KAl(SO4)2.12H2O
pigment pour cosmétiques bauxite porcelaine Al2O3 Al2(SiO3)3 raffinage des métaux Na3AlF6 poudre abrasive Al2O3 poudre à meuler bauxite pierre à meuler Al(OH)3 lubrifiant Al(C17H35COO)3 dentifrice Al(OH)3 Al2O3 additif pour peintures Al(C17H35COO)3 retardateur de flamme Al(OH)3 traitement pour rendre des tapis ignifuges bauxite fondant lors de la mise en fusion de métaux AlF3 fondant dans la céramique, l'émail, le verre AlPO4 matière de charge (pour matières synthétiques et caoutchouc) l(OH)3 matière de charge pour papier, caoutchouc, matières synthétiques, peintures 2(SiO3)3 silex Al2(SiO3)3 Al2O3 traitement pour rendre les textiles hydrofuges Al(HCOO)3 Al2(SO4)3 traitement pour rendre les textiles imperméables à l'eau KAl(SO4)2.12H2O traitement pour rendre les textiles et le cuir imperméables à l'eau Al(C17H35COO)3 pommade et poudre vulnéraire KAl(SO4)2.12H2O fabrication de savon NaAlO2