Aluminium

L'aluminium est l'élément chimique de numéro atomique 13, de symbole Al. Il appartient au groupe 13 du tableau périodique ainsi qu'à la famille des métaux pauvres.

Aluminium
Morceau d'aluminium.
Magnésium ← Aluminium → Silicium B     13 Al                                                                                                                                                                                                                                                                                           ↑ Al ↓ Ga Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole	Al
Nom	Aluminium
Numéro atomique	13
Groupe	13
Période	3e période
Bloc	Bloc p
Famille d'éléments	Métal pauvre
Configuration électronique	[Ne] 3s2 3p1
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 3
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique	26,981 538 6 ± 8 × 10−7 u
Rayon atomique (calc)	125 pm (118 pm)
Rayon de covalence	121 ± 4 pm[1]
Rayon de van der Waals	205 pm
État d’oxydation	+3
Électronégativité (Pauling)	1,61
Oxyde	amphotère
Énergies d’ionisation[2]
1re : 5,985 768 eV	2e : 18,828 55 eV
3e : 28,447 65 eV	4e : 119,992 eV
5e : 153,825 eV	6e : 190,49 eV
7e : 241,76 eV	8e : 284,66 eV
9e : 330,13 eV	10e : 398,75 eV
11e : 442,00 eV	12e : 2 085,98 eV
13e : 2 304,141 0 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD MeV 26Al Traces 717 000 ans β+ 1,17 26Mg 27Al 100 % stable avec 14 neutrons
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire	solide
Masse volumique	2,698 9 g·cm-3[3]
Système cristallin	Cubique à faces centrées
Dureté (Mohs)	1,5
Couleur	blanc lustre métallique
Point de fusion	660,323 °C (congélation)[4]
Point d’ébullition	2 519 °C[3]
Énergie de fusion	10,79 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation	294 kJ·mol-1 (1 atm, 2 519 °C)[3]
Volume molaire	10,00×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur	2,42×10-6 Pa
Vitesse du son	6 400 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique	897 J·K-1·kg-1 (solide, à 298 K)[5] équation[5] : ${\displaystyle C_{P}=(28.08920)+(-5.414849)\times 10^{-3}T+(8.560423)\times 10^{-6}T^{2}+(3.427370)\times 10^{-9}T^{3}+{\frac {(-0.277375)\times 10^{6}}{T^{2}}}}$ Capacité thermique du solide en J·mol-1·K-1 et température en kelvins, de 298 à 933 K. Valeurs calculées : 24,21 J·mol-1·K-1 à 25 °C. T (K) T (°C) Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{mol\times K}})}$ Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{g\times K}})}$ 298 24,85 24,2 0,897 340,33 67,18 24,98 0,9258 361,5 88,35 25,29 0,9373 382,67 109,52 25,57 0,9476 403,83 130,68 25,82 0,9571 425 151,85 26,06 0,9659 446,17 173,02 26,29 0,9743 467,33 194,18 26,51 0,9825 488,5 215,35 26,72 0,9905 509,67 236,52 26,94 0,9984 530,83 257,68 27,16 1,0064 552 278,85 27,37 1,0146 573,17 300,02 27,6 1,0229 594,33 321,18 27,83 1,0314 615,5 342,35 28,07 1,0402 T (K) T (°C) Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{mol\times K}})}$ Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{g\times K}})}$ 300,65 27,5 24,26 0,8991 300,49 27,34 24,26 0,899 300,35 27,2 24,25 0,8989 700,17 427,02 29,11 1,0787 721,33 448,18 29,39 1,0893 742,5 469,35 29,69 1,1003 763,67 490,52 30 1,1118 784,83 511,68 30,32 1,1237 806 532,85 30,65 1,1361 827,17 554,02 31 1,149 848,33 575,18 31,36 1,1624 869,5 596,35 31,74 1,1763 890,67 617,52 32,13 1,1908 911,83 638,68 32,53 1,2058 933 659,85 32,95 1,2213 équation[5] : ${\displaystyle C_{P}=(20.37692)+(0.660817)\times 10^{-3}T+(-0.313631)\times 10^{-6}T^{2}+(0.045106)\times 10^{-9}T^{3}+{\frac {(0.078173)\times 10^{6}}{T^{2}}}}$ Capacité thermique du gaz en J·mol-1·K-1 et température en kelvins, de 2 790,812 à 6 000 K. Valeurs calculées : T (K) T (°C) Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{mol\times K}})}$ Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{g\times K}})}$ 2 790,812 2 517,66 20,77 0,7697 3 004,76 2 731,61 20,76 0,7695 3 111,73 2 838,58 20,76 0,7695 3 218,7 2 945,55 20,77 0,7696 3 325,68 3 052,53 20,77 0,7699 3 432,65 3 159,5 20,78 0,7702 3 539,62 3 266,47 20,79 0,7706 3 646,6 3 373,45 20,81 0,7712 3 753,57 3 480,42 20,83 0,772 3 860,54 3 587,39 20,85 0,7729 3 967,51 3 694,36 20,88 0,774 4 074,49 3 801,34 20,92 0,7753 4 181,46 3 908,31 20,96 0,7768 4 288,43 4 015,28 21 0,7785 4 395,41 4 122,26 21,06 0,7804 T (K) T (°C) Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{mol\times K}})}$ Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{g\times K}})}$ 2 804,18 2 531,03 20,77 0,7697 2 803,4 2 530,25 20,77 0,7697 2 802,7 2 529,55 20,77 0,7697 4 823,3 4 550,15 21,33 0,7906 4 930,27 4 657,12 21,42 0,7939 5 037,24 4 764,09 21,52 0,7974 5 144,22 4 871,07 21,62 0,8013 5 251,19 4 978,04 21,73 0,8055 5 358,16 5 085,01 21,85 0,81 5 465,14 5 191,99 21,99 0,8149 5 572,11 5 298,96 22,13 0,8201 5 679,08 5 405,93 22,28 0,8257 5 786,05 5 512,9 22,44 0,8317 5 893,03 5 619,88 22,61 0,8381 6 000 5 726,85 22,8 0,8449
Conductivité électrique	37,7×106 S·m-1
Conductivité thermique	237 W·m-1·K-1
Solubilité	sol. dans NaOH, KOH ou Na2CO3 aqueux[6], HCl (catalysée par CuCl2, HgCl2 ou une goutte de Hg), HCl + H2O2, H2SO4 dilué (catalysée par les ions Hg (II))[7]
Divers
No CAS	7429-90-5[8]
No ECHA	100.028.248
No CE	231-072-3
No E	E173
Précautions
SGH[9],[10]
Pyrophorique : Danger H250, H261, P210, P222, P280, P231+P232, P335+P334 et P422 H250 : S'enflamme spontanément au contact de l'air H261 : Dégage, au contact de l'eau, des gaz inflammables P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer. P222 : Ne pas laisser au contact de l’air. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P231+P232 : Manipuler sous gaz inerte. Protéger de l’humidité. P335+P334 : Enlever avec précaution les particules déposées sur la peau. Rincer à l’eau fraîche/poser une compresse humide. P422 : Stocker le contenu sous … Stabilisé : Attention H228, H261, P210, P370+P378 et P402+P404 H228 : Matière solide inflammable H261 : Dégage, au contact de l'eau, des gaz inflammables P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer. P370+P378 : En cas d’incendie : utiliser … pour l’extinction. P402+P404 : Stocker dans un endroit sec. Stocker dans un récipient fermé.
SIMDUT[11]
B6, B6 : Matière réactive inflammable dégage un gaz inflammable au contact de l'eau : hydrogène Divulgation à 1,0% selon la liste de divulgation des ingrédients Commentaires : Il existe une classification différente pour l'aluminium (métal) . Pour obtenir plus de détails, consultez ce produit.
Transport[9],[10]
Pyrophorique : 423    1396    Code Kemler : 423 : matière solide réagissant avec l'eau en dégageant des gaz inflammables Numéro ONU : 1396 : ALUMINIUM EN POUDRE NON ENROBÉ Classe : 4.3 Étiquette : 4.3 : Matières qui, au contact de l'eau, dégagent des gaz inflammables Emballage : Groupe d'emballage II/III : matières moyennement/faiblement dangereuses. Stabilisé : 40    1309    Code Kemler : 40 : matière solide inflammable ou matière autoréactive ou matière autoéchauffante Numéro ONU : 1309 : ALUMINIUM EN POUDRE ENROBÉ Classe : 4.1 Étiquette : 4.1 : Matières solides inflammables, matières autoréactives, matières solides explosibles désensibilisées et matières qui polymérisent Emballage : Groupe d'emballage II/III : matières moyennement/faiblement dangereuses.
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le corps simple aluminium est un métal malléable, argenté, peu altérable à l'air^{[note 1]} et peu dense. C'est le métal le plus abondant de l'écorce terrestre et le troisième élément le plus abondant après l'oxygène et le silicium ; il représente en moyenne 8 % de la masse des matériaux de la surface solide de la planète. Il est, en règle générale, trop réactif pour exister à l'état natif dans le milieu naturel^{[note 2]} : on le trouve combiné à plus de 270 minéraux différents. Son minerai principal est la bauxite : il y est présent sous forme d’oxyde hydraté dont on extrait l’alumine. Il peut aussi être extrait de la néphéline, de la leucite, de la sillimanite, de l'andalousite et de la muscovite.

Le métal mis à nu s'auto-passive immédiatement par oxydation, même en condition défavorable : une couche d'alumine Al₂O₃ imperméable épaisse de quelques nanomètres le protège de la corrosion (les conditions favorables sont essentiellement : environnement peu chaud, peu humide, peu pollué, peu salé ; alliage de qualité adaptée). L'oxydabilité de l'aluminium doit être techniquement contrôlée par une série de processus industriels dont les deux principaux sont l'oxydation rapide amplifiée forcée anodique électrolytique et le colmatage rapide par hydratation à chaud.

Sa légèreté, sa résistance à la corrosion, sa mise en forme variée et sa coloration durable en font un matériau important et très utilisé dans l'industrie et l'artisanat, malgré la technicité de sa mise en œuvre, sous forme pure ou alliée, notamment dans l'aéronautique, les transports et la construction. Sa nature réactive en fait également un catalyseur et un additif dans l'industrie chimique ; il est ainsi utilisé pour accroître la puissance explosive du nitrate d'ammonium.

En 2010, 211 millions de tonnes de bauxite ont été extraites dans le monde^[13], l'Australie en assurant 33,2 % devant la Chine (19,0 %), le Brésil (15,2 %), l'Inde (8,5 %) et la Guinée (8,2 %). La Guinée détient à elle seule plus du quart des réserves mondiales connues de bauxite, estimées fin 2010 à 28 milliards de tonnes. La production mondiale d'aluminium métallique s'est élevée à 41,4 millions de tonnes en 2010^[14], dont la Chine a réalisé 40,6 % avec 16,8 millions de tonnes, loin devant la Russie (9,3 %) et le Canada (7,1 %).

Enfin, l'aluminium n'est pas un oligo-élément, sa production nécessite énormément d'énergie, et c'est un contaminant croissant de l'environnement et de l'alimentation^[15].

Bauxite.

Coupe d'honneur en aluminium (1857) rehaussée d'or, offerte à Jules-Xavier Saguez de Breuvery, maire de Saint-Germain-en-Laye.

Échantillon d'aluminium.

Lingot d’aluminium (Regeal Affimet, groupe Aurea).

L'aluminium est isolé et exploité depuis seulement moins de deux siècles : la révolution industrielle accompagne son intégration.

En 1807, Humphry Davy, après avoir découvert que le sodium et le potassium entraient dans la composition de l’alun (substance astringente servant à fixer les teintures), suppose qu’il s’y trouve aussi un autre métal, qu’il baptise « aluminium » (en latin, « alun » se dit alumen)^[16]. Pierre Berthier découvre dans une mine près des Baux-de-Provence en 1821 un minerai contenant de 50 à 60 % d’oxyde d’aluminium. Ce minerai sera appelé bauxite.

En 1825, le chimiste et physicien danois Hans Christian Ørsted réussit à produire une forme impure du métal.

En 1827, Friedrich Wöhler approfondit les travaux d'Ørsted. Il isole l’aluminium par action du potassium sur le chlorure d’aluminium, obtenant une poussière grise d’aluminium. Il est le premier à mettre en évidence les propriétés chimiques et physiques de cet élément, dont la plus notable est la légèreté.

Le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville améliore en 1846 la méthode de Wöhler en réduisant le minerai par le sodium. En 1854, il présente à l'Académie des sciences le premier lingot d'aluminium obtenu, à l'état fondu, par voie chimique^[17]. Il publie ses recherches dans un livre en 1856. Cette méthode est utilisée de façon industrielle à travers toute l’Europe pour la fabrication de l’aluminium (notamment en 1859 par Henry Merle dans son usine de Salindres, berceau de la société Pechiney), mais elle reste extrêmement coûteuse, donnant un métal dont le prix était comparativement à l'or, très élevé pour un minerai, lui, très abondant : le kilo d'aluminium raffiné coûtait en moyenne 1 500 francs-or. Le métal est alors réservé pour fabriquer à la haute joaillerie^[18] ou à l’orfèvrerie, ciblant la haute-bourgeoisie. Il en fut ainsi pour les coupes d'honneur (réalisées notamment par Paul Morin et Cie)^[19] et les objets d'art fabriqués pour la cour impériale de Napoléon III^[20]. Ce dernier reçoit ses hôtes de marque avec des couverts en aluminium, les autres convives devant se contenter de couverts en vermeil^[21],[22].

Les progrès concernant la production d'électricité et la découverte, en 1886, du processus de production de l'aluminium par électrolyse, permettent de baisser les coûts de manière sensible. Dès lors, l'aluminium trouve de nouvelles applications dans les ustensiles de cuisine et, sous forme d'alliage, dans l'industrie naissante de l'aéronautique (alliage duralumin moins cassant créé en 1909) et le câblage électrique (almelec créé en 1921 et utilisé comme conducteur électrique). En 1888, Charles Martin Hall et Alfred Ephraim Hunt créent la Pittsburgh Reduction Company, la future Alcoa. En 1901 naît l’Aluminium Association (AA), cartel qui réunit les entreprises des quatre seuls pays producteurs au monde (Allemagne, États-Unis, France, Royaume-Uni) et qui maintient le prix de l'aluminium stable alors que le cours des métaux concurrents subissent de plus grandes fluctuations^[23].

À la fin des années 1970, la production d’aluminium se contracte et l'arrivée de nouveaux pays producteurs concurrents (Australie, Canada, Russie) fait éclater le cartel qui ne contrôle plus son prix, lequel décline^[24].

• 1855 : les nouveaux métaux sont exposés à l’Exposition universelle de Paris. La Compagnie des produits chimiques d'Alais et de la Camargue est créée en France.
• Le premier site industriel producteur d’aluminium au monde s’installe à Salindres dans le Gard, et commence son activité dès 1860.
• 1876 : William Frishmuth produit la première coulée d’aluminium. En 1884, il réalise la coiffe du Washington Monument dans ce métal.
• 1886 : de manière indépendante, Paul Héroult et Charles Martin Hall, découvrent la méthode de production de l’aluminium en remarquant qu’il est possible de dissoudre l’alumine et de décomposer le mélange par électrolyse (procédé Héroult-Hall breveté) pour donner le métal brut en fusion. Pour cette découverte, Hall obtient un brevet (400655) la même année. Ce procédé permet d’obtenir de l’aluminium de manière relativement plus économique. La méthode mise au point par Héroult et Hall est toujours utilisée aujourd’hui.
• 1887 : Karl Josef Bayer décrit une méthode connue sous le nom de procédé Bayer pour obtenir de l’alumine à partir de la bauxite, en la dissolvant avec de la soude. Cette découverte permet de faire entrer l’aluminium dans l’ère de la production de masse.
• 1888 : les premières sociétés de production d’aluminium sont fondées en Suisse, France et aux États-Unis.
• Les premières pièces de monnaie circulantes en aluminium apparaissent en 1907, via la Royal Mint. De 1941 à 1959, la France a frappé des pièces de monnaie de 50 c, 1 F, 2 F et 5 F en aluminium. Auparavant, pendant la Première Guerre mondiale et dans les années 1920, de très nombreuses monnaies de nécessité avaient déjà été frappées en France et à l'étranger.

L'aluminium possède 22 isotopes connus, avec des nombres de masse entre 21 et 42, ainsi que quatre isomères nucléaires. Seul ²⁷Al est stable, ce qui fait de l'aluminium un élément monoisotopique. De petites quantités du radioisotope ²⁶Al, de demi-vie 0,717 Ma, existent dans la nature mais l'abondance de ²⁷Al est telle qu'on considère l'aluminium comme mononucléidique ; on lui attribue une masse atomique standard de 26,981 538 6(8) u. Tous les autres isotopes de l'aluminium ont des demi-vies inférieures à 7 min, et la plupart des demi-vies inférieures à la seconde.

Datation par l'aluminium 26

• En géomorphologie et paléosismologie, l’isotope ²⁶Al, créé sous l'action des rayons cosmiques, est utilisé pour la datation de surfaces ou la détermination de taux d’érosion.
• Le Système solaire provient d'une nébuleuse où l'aluminium 26 était autrefois réparti de manière homogène (à ± 10 %, d'après l'analyse des chondres et des enclaves réfractaires des météorites les plus primitives). Comme il se désintègre en magnésium 26 avec une demi-vie de 0,717 Ma, il permet de dater la formation des premiers solides du Système solaire^[25].

Propriétés physiques

Raies d’émission.

L’aluminium a une densité de 2,7 c'est-à-dire environ trois fois plus faible que celle de l’acier ou du cuivre.

L'aluminium pur est malléable (le second parmi les métaux) et ductile (le sixième parmi les métaux). Les alliages d'aluminium pour corroyage et pour fonderie ont des propriétés mécaniques améliorées par rapport à l'aluminium pur, tout en restant facilement usinables et moulables.

Les produits en aluminium, lorsqu'ils ne sont pas traités en surface, ont un aspect visuel argent-gris. Cette coloration est en partie due à une mince couche d’oxyde (alumine) de cinq à dix nanomètres qui se forme spontanément et rapidement dans un milieu oxydant comme l’oxygène de l’air. Dans des conditions normales d’exposition chimique, cette couche protectrice limite les différentes formes de corrosion (corrosion par piqûres, filiforme, feuilletante, galvanique, corrosion sous contrainte^[26]). Il est possible d’augmenter artificiellement l’épaisseur de cette couche d’oxydation — tout en donnant une teinte colorée — par anodisation, ou d'améliorer la résistance à la corrosion à l'aide d'autres traitements de surface (e.g. thermolaquage^[26]).

L’aluminium est un très bon conducteur électrique et thermique, contrairement à son oxyde qui est un excellent isolant. Il est paramagnétique et ne provoque pas d’étincelles.

L'aluminium est transparent aux neutrons^[27], et devient transparent aux rayons ultraviolets extrêmes lorsqu'il est bombardé par un laser à électrons libres^[28].

Propriétés chimiques

En solution, l’aluminium se trouve le plus généralement sous la forme d’ions Al³⁺. Il s’oxyde lentement à froid et rapidement à chaud pour former l’alumine Al₂O₃. L’action des acides sur l’aluminium produit l’ion cité plus haut.

La réaction de l'aluminium avec une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (soude) produit de l’aluminate de sodium et de l'hydrogène gazeux, selon une réaction exothermique d’équation :

2 Al + 2 (Na⁺, OH⁻) + 6 H₂O