S'il y avait jamais eu un élément qui aurait pu être voté "le moins susceptible de réussir, " ce serait de l'aluminium. Bien que les anciens potiers persans aient ajouté de l'aluminium à leur argile pour renforcer leur poterie, l'aluminium pur n'a été découvert qu'en 1825. À ce moment-là, les humains utilisaient plusieurs métaux et les alliages de métaux (ou des mélanges de métaux comme le bronze) depuis des milliers d'années.
Même après sa découverte, l'aluminium semblait destiné à l'obscurité. Les chimistes ne pouvaient isoler que quelques milligrammes à la fois, et il était si rare qu'il était assis à côté de l'or et de l'argent en tant que métal semi-précieux. En effet, en 1884, la production totale d'aluminium aux États-Unis n'était que de 125 livres (57 kilogrammes) [source :Alcoa].
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Ensuite, en 1886, L'Américain Charles Martin Hall et le Français Paul L. T. Heroult, travailler de façon autonome, conçu une méthode pour extraire l'aluminium de l'oxyde d'aluminium. Le processus, un type de réduction électrolytique , nécessitait une énorme quantité d'énergie électrique, mais il a produit le métal blanc argenté en grande quantité. En 1891, la production d'aluminium avait atteint bien plus de 300 tonnes (272 tonnes métriques) [source :Alcoa]. Et il se frayait un chemin dans une vaste gamme de produits, des casseroles et poêles aux ampoules et aux lignes électriques aux voitures et aux motos.
Aujourd'hui, plus d'un siècle plus tard, l'aluminium est le symbole même de l'ubiquité. Chaque année, les États-Unis en produisent plus de 5,6 millions de tonnes (5,1 millions de tonnes métriques) [source :International Aluminium Institute]. Une grande partie de cet aluminium entre dans les canettes de bière et de soda - à hauteur de 300 millions de canettes de boisson en aluminium par jour, 100 milliards par an [source :Can Manufacturers Institute]. Pas mal pour un élément qui n'a pas été découvert pendant si longtemps.
Dans cet article, nous allons examiner de plus près l'aluminium -- ses propriétés, occurrence et comportement. Nous examinerons également le cycle de vie de l'aluminium, de sa production selon le procédé Hall-Héroult à sa réincarnation après recyclage. Et, finalement, nous explorerons toutes les utilisations de l'aluminium, y compris certaines utilisations futures qui pourraient vous surprendre.
Commençons par l'essentiel :l'aluminium du point de vue du chimiste.Contenu
Comme des dizaines d'autres éléments du tableau périodique, l'aluminium est d'origine naturelle. Comme pour tous les éléments, l'aluminium est une substance chimique pure qui ne peut pas être décomposée en quelque chose de plus simple. Tous les éléments sont classés dans le tableau périodique par leur numéro atomique -- le nombre de protons dans leur noyau. Le chiffre porte-bonheur de l'aluminium est 13, donc un atome d'aluminium a 13 protons. Il possède également 13 électrons.
Les éléments situés au-dessus et au-dessous de l'aluminium sur le tableau périodique forment un famille, ou grouper , qui partage des propriétés similaires. L'aluminium appartient au groupe 13, qui comprend également le bore (B), gallium (Ga), l'indium (In) et le thallium (Tl). Le tableau de droite montre comment ces éléments seraient disposés dans le tableau périodique. Notez que chaque élément est représenté par un symbole et que le symbole de l'aluminium est Al . Le nombre au-dessus de chaque symbole est celui de l'élément poids atomique , mesuré en unités de masse atomique ( amu ). Le poids atomique est la masse moyenne d'un élément déterminé en considérant la contribution de chaque isotope naturel. Le poids atomique de l'aluminium est de 26,98 amu. Le nombre sous le symbole de l'aluminium est son numéro atomique.
Groupe 13
La famille Bore
10,81
B
5
26,98
Al
13
69,72
Géorgie
31
114,82
Dans
49
204,38
Tl
8
Les chimistes classent les éléments du groupe 13 comme métaux, sauf le bore, qui n'est pas un métal à part entière. Métaux sont généralement des éléments brillants qui conduisent bien la chaleur et l'électricité. Ils sont aussi malléable -- pouvant être martelé dans diverses formes -- et ductile -- capable d'être tiré dans des fils. Ces caractéristiques s'appliquent certainement à l'aluminium. En réalité, l'aluminium est souvent utilisé dans les ustensiles de cuisine parce qu'il conduit la chaleur si efficacement. Et seul le cuivre conduit mieux l'électricité, ce qui fait de l'aluminium un matériau idéal pour le matériel électrique, y compris les ampoules, les lignes électriques et les fils téléphoniques. D'autres propriétés importantes de l'aluminium sont énumérées ci-dessous :
Ces deux dernières propriétés rendent l'aluminium particulièrement utile. Sa résistance à la corrosion est due aux réactions chimiques qui se produisent entre le métal et l'oxygène. Lorsque l'aluminium réagit avec l'oxygène, une couche d'oxyde d'aluminium se forme à l'extérieur du métal. Cette couche mince protège l'aluminium sous-jacent des effets corrosifs de l'oxygène, eau et autres produits chimiques. Par conséquent, l'aluminium est particulièrement précieux pour une utilisation à l'extérieur. Il ne produit pas non plus d'étincelles lorsqu'il est frappé, ce qui signifie que vous pouvez l'utiliser à proximité de matériaux inflammables ou explosifs.
L'aluminium existe dans la nature dans divers composés. Pour profiter de ses propriétés, il doit être séparé des autres éléments qui se combinent avec lui - un long, processus complexe qui commence avec un matériau dur comme la roche connu sous le nom de bauxite .
Après avoir subi ce processus, l'aluminium est très doux et léger dans sa forme pure. Parfois, il est souhaitable de modifier ces propriétés - pour rendre l'aluminium plus solide et plus dur, par exemple. Pour y parvenir, les métallurgistes combineront l'aluminium avec d'autres éléments métalliques, formant ce qu'on appelle alliages . L'aluminium est généralement allié au cuivre, magnésium et manganèse. Le cuivre et le magnésium augmentent la résistance de l'aluminium, tandis que le manganèse améliore la résistance à la corrosion de l'aluminium.
L'aluminium ne se trouve pas dans la nature en tant qu'élément pur. Il présente une réactivité chimique relativement élevée, ce qui signifie qu'il a tendance à se lier à d'autres éléments pour former des composés. Plus de 270 minéraux dans les roches et les sols de la Terre contiennent des composés d'aluminium. Cela fait de l'aluminium le métal le plus abondant et le troisième élément le plus abondant de la croûte terrestre. Seuls le silicium et l'oxygène sont plus courants que l'aluminium. Le métal le plus courant après l'aluminium est le fer, suivi du magnésium, titane et manganèse.
La principale source d'aluminium est un minerai connu sous le nom de bauxite . Un minerai est tout matériau solide naturel à partir duquel un métal ou un minéral de valeur peut être obtenu. Dans ce cas, le matériau solide est un mélange d'oxyde d'aluminium hydraté et d'oxyde de fer hydraté. Hydraté fait référence aux molécules d'eau qui sont chimiquement liées aux deux composés. La formule chimique de l'oxyde d'aluminium est Al
Les dépôts de bauxite se présentent sous forme de couches plates situées près de la surface de la Terre et peuvent couvrir plusieurs kilomètres. Les géologues localisent ces gisements en prospection -- prélèvement de carottes ou forage dans des sols suspectés de contenir le minerai. En analysant les carottes, les scientifiques sont capables de déterminer la quantité et la qualité de la bauxite.
Une fois le minerai découvert, les mines à ciel ouvert fournissent généralement la bauxite qui deviendra éventuellement de l'aluminium. Les premiers bulldozers défrichent le terrain au-dessus d'un gisement. Ensuite, les ouvriers ameubissent le sol avec des explosifs, qui ramènent le minerai à la surface. Des pelles géantes ramassent ensuite le sol riche en bauxite et le déversent dans des camions, qui transportent le minerai jusqu'à une usine de traitement. La France a été le premier site d'extraction de bauxite à grande échelle. Aux Etats-Unis, L'Arkansas était auparavant un important fournisseur de bauxite, pendant et après la Seconde Guerre mondiale. Mais aujourd'hui, le matériau est principalement extrait en Australie, Afrique, Amérique du Sud et Caraïbes.
La première étape de la production commerciale d'aluminium est la séparation de l'oxyde d'aluminium de l'oxyde de fer dans la bauxite. Ceci est accompli en utilisant une technique développée par Karl Joseph Bayer, un chimiste autrichien, en 1888. Dans le processus Bayer , la bauxite est mélangée à de la soude caustique, ou de l'hydroxyde de sodium, et chauffé sous pression. L'hydroxyde de sodium dissout l'oxyde d'aluminium, formation d'aluminate de sodium. L'oxyde de fer reste solide et est séparé par filtration. Finalement, l'hydroxyde d'aluminium introduit dans l'aluminate de sodium liquide provoque la formation d'oxyde d'aluminium précipité , ou sortir de la solution sous forme solide. Ces cristaux sont lavés et chauffés pour se débarrasser de l'eau. Le résultat est de l'oxyde d'aluminium pur, une fine poudre blanche également connue sous le nom de alumine .
L'alumine est un matériau pratique à part entière. Sa dureté le rend utile comme abrasif et comme composant dans les outils de coupe. Il peut également être utilisé pour purifier l'eau et pour fabriquer de la céramique et d'autres matériaux de construction. Mais son utilisation principale est de servir de point de départ pour extraire l'aluminium pur. Dans la section suivante, nous verrons voir les étapes nécessaires pour transformer l'alumine en aluminium.
La transformation de l'alumine - l'oxyde d'aluminium - en aluminium a représenté une étape majeure dans la révolution industrielle. Jusqu'à ce que les techniques de fusion modernes évoluent, seules de petites quantités d'aluminium ont pu être obtenues. La plupart des premiers procédés reposaient sur le déplacement de l'aluminium par des métaux plus réactifs, mais le métal est resté cher et relativement insaisissable. Tout a changé en 1886 - l'année où deux aspirants chimistes et industriels ont développé un procédé de fusion basé sur l'électrolyse.
Électrolyse signifie littéralement "briser par l'électricité, " et il peut être utilisé pour décomposer un produit chimique en composants chimiques. La configuration traditionnelle de l'électrolyse nécessite que deux électrodes métalliques soient immergées dans un échantillon liquide ou fondu d'un matériau contenant des ions positifs et négatifs. Lorsque les électrodes sont connectées à une batterie, une électrode devient une borne positive, ou anode . L'autre électrode devient une borne négative, ou cathode . Parce que les électrodes sont chargées électriquement, ils attirent ou repoussent les particules chargées dissoutes dans la solution. L'anode positive attire les ions chargés négativement, tandis que la cathode négative attire les ions chargés positivement.
Monsieur Humphry Davy, le chimiste britannique crédité d'avoir donné son nom à l'aluminium, essayé sans succès de produire de l'aluminium par électrolyse au début des années 1800. L'instituteur et chimiste amateur français Henri Saint-Claire Deville est également venu les mains vides. Puis, en février 1886, après plusieurs années d'expérimentation, L'Américain Charles Martin Hall est tombé sur la bonne formule :faire passer un courant continu dans une solution d'alumine dissoute dans cryolite , ou fluorure d'aluminium et de sodium (Na
Les étapes de la fusion de l'aluminium sont décrites ci-dessous :
2Al
Le processus de fusion de l'aluminium développé par Hall a permis d'obtenir de grandes quantités d'aluminium pur. Soudainement, le métal n'était plus rare. L'idée de produire de l'aluminium par réduction électrolytique en cryolite n'était pas rare, Soit. Un Français du nom de Paul L.T. Heroult a eu la même idée quelques mois plus tard. Salle, cependant, reçu un brevet pour le procédé en 1889, un an après avoir fondé la Pittsburgh Reduction Company, qui deviendra plus tard l'Aluminium Company of America, ou Alcoa. En 1891, la production d'aluminium a atteint bien plus de 300 tonnes (272 tonnes métriques) [source :Alcoa].
Sur la page suivante, nous verrons ce qu'il advient de l'aluminium après sa sortie des cellules électrolytiques.
Les cuves utilisées dans le procédé Hall-Héroult sont appelées casseroles . Une grande marmite peut produire plus de 2 tonnes d'aluminium par jour. Mais les entreprises peuvent multiplier cette production et le font en connectant plusieurs pots ensemble dans potlines . Une fonderie peut contenir une ou plusieurs cuves, chacun avec 200 à 300 pots. A l'intérieur de ces pots, la production d'aluminium se poursuit jour et nuit pour s'assurer que le métal reste sous sa forme liquide.
Une fois par jour, les ouvriers siphonnent l'aluminium des lignes de cuve. Une grande partie du métal est mise de côté pour devenir fabrication de lingots . Pour fabriquer un lingot de fabrication, l'aluminium fondu est acheminé vers de grands fours où il peut être mélangé à d'autres métaux pour former des alliages. De là, le métal subit un processus de nettoyage appelé fluxage . Le fluxage utilise des gaz tels que l'azote ou l'argon pour séparer les impuretés et les ramener à la surface afin qu'elles puissent être écumées. L'aluminium purifié est ensuite coulé dans des moules et refroidi rapidement par pulvérisation d'eau froide sur le métal.
Une partie de l'aluminium siphonné des lignes de cuve n'est ni allié ni nettoyé. Au lieu, il est coulé directement dans des moules, où il refroidit lentement et durcit pour se former fonderie (ou refondre ) lingots . Les usines d'aluminium primaire vendent des lingots refondus aux fonderies. Les fonderies remettent l'aluminium à l'état liquide et procèdent elles-mêmes à l'alliage et au fluxage. Ils transforment ensuite l'aluminium en diverses pièces - pour les appareils électroménagers, automobiles et autres applications -- en utilisant les techniques de fabrication suivantes.
L'aluminium est un métal attrayant et ne nécessite souvent aucune finition. Mais il peut être poli, peint et galvanisé. Par exemple, Les fabricants de bière et de soda utilisent un procédé d'impression pour apposer leurs étiquettes sur des canettes en aluminium (voir encadré). Les formulations d'impression typiques sont souvent des revêtements de laque qui à la fois adhèrent bien à l'aluminium et offrent un attrait esthétique. Bien sûr, de telles finitions sont une préoccupation lorsqu'il s'agit de recyclage car elles doivent être supprimées. Dans la section suivante, nous allons explorer en détail comment l'aluminium est recyclé.
En raison de sa polyvalence, l'aluminium se prête à de nombreuses applications. En réalité, c'est le deuxième métal le plus utilisé après l'acier, avec une production primaire annuelle atteignant 24,8 millions de tonnes (22,5 millions de tonnes métriques) en 2007 [source :International Aluminium Institute]. Une grande partie de cette production va aux 187 milliards de canettes en aluminium produites dans le monde [source :Novelis]. L'industrie automobile est le marché de l'aluminium qui connaît la croissance la plus rapide. Fabriquer des pièces automobiles en aluminium - tout, des jantes aux culasses, pistons et radiateurs - rend une voiture plus légère, réduire la consommation de carburant et les niveaux de pollution. Selon certaines estimations, une voiture incorporant 331 livres (150 kg) d'aluminium devrait voir sa consommation de carburant réduite de 0,43 gallon par 100 milles [source :Autoparts Report].
Voici quelques autres utilisations importantes de l'aluminium.
L'aluminium en chiffres
*Source :Alcoa
Étonnamment, la plupart de l'aluminium jamais fabriqué est encore utilisé aujourd'hui. C'est parce qu'il peut être recyclé maintes et maintes fois sans perdre sa qualité. La plupart de l'aluminium recyclé provient de l'une des trois sources suivantes :canettes de boisson usagées, pièces d'automobiles anciennes et ferrailles collectées lors de la fabrication de produits en aluminium [source :World Book]. Le recyclage des canettes en aluminium est l'un des grands succès du mouvement de durabilité moderne (si vous êtes un grand recycleur, assurez-vous de lire Quelle chose dois-je recycler ?). Le premier programme national de recyclage des canettes a débuté en 1968, et aujourd'hui, environ 66 milliards de canettes sont recyclées chaque année rien qu'aux États-Unis [source :Alcoa].
Le recyclage des canettes en aluminium est un processus en boucle fermée , ce qui signifie que le nouveau produit fabriqué après le processus de recyclage est le même que le précédent. Le recyclage des canettes en boucle fermée comporte six étapes :
Une grande partie de l'innovation dans l'industrie de l'aluminium est liée à l'amélioration de l'efficacité de la production et du recyclage. Mais, comme nous le verrons dans la section suivante, la demande d'aluminium ne fera que croître à mesure que de nouvelles applications passionnantes émergeront.
La production primaire d'aluminium nécessite énormément d'énergie. Il produit également des gaz à effet de serre qui affectent le réchauffement climatique. Selon l'Institut international de l'aluminium, la fabrication de nouveaux stocks d'aluminium libère 1 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre d'origine humaine. L'une des principales priorités de l'industrie est de réduire ces émissions grâce à des mesures de réduction, augmentation du recyclage et de l'utilisation de l'aluminium dans les véhicules, avion, bateaux et trains. En réalité, L'utilisation de composants légers en aluminium dans les véhicules est l'une des avancées les plus importantes dans la conception et la fabrication automobile. Chaque kilogramme (2,2 livres) de matériau plus lourd remplacé par de l'aluminium entraîne l'élimination de 22 kilogrammes (44 livres) de dioxyde de carbone au cours de la durée de vie du véhicule [source :International Aluminium Institute].
Une autre application prometteuse est l'utilisation de l'aluminium dans les voitures à pile à combustible. Des chercheurs de l'Université Purdue ont récemment découvert que l'aluminium pouvait être utilisé pour produire efficacement de l'hydrogène. Le processus commence avec des pastilles d'aluminium, qui sont mélangés dans du gallium liquide pour produire de l'aluminium-gallium liquide. Lorsque l'on ajoute de l'eau, l'aluminium réagit avec l'oxygène pour former un gel. Gaz hydrogène, qui peut être collecté et utilisé pour alimenter une pile à combustible, est également produit.
De telles innovations augmenteront la demande d'aluminium. Et même si le métal est relativement jeune, c'est l'un des plus importants de l'histoire de la civilisation humaine. Quand les archéologues et anthropologues de demain réfléchissent à la société du 19e, 20e et 21e siècles, ils pourraient très probablement l'étiqueter l'âge de l'aluminium, le plaçant à côté de la pierre, Les âges du bronze et du fer sont l'une des périodes les plus importantes du développement culturel humain.
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