Chimie de l'aluminium

1 - Avec des éléments électronégatifs :

L'aluminium se combine facilement avec ces éléments vu son électropositivité, ainsi obtient on les composés suivants : Al₂Cl₆, Al₂Br₆, Al₂S₃, AlN, AlP

De l'autre côté du laminoir, la fine feuille d'aluminium est extraite. © Thoune, wikimedia commons, DP

2 - Réduction à chaud de certains composés :

Par exemple réduction de l'eau avec obtention d'hydrogène gazeux et d'alumine, ou encore avec les oxydes de métauxmétaux comme Cr, Mn, Fe qui permettent d'obtenir le métal à partir de l'oxyde du mineraiminerai. La réduction de l'oxyde de fer III dégage tellement de chaleur que cette réaction est un procédé de souduresoudure de pièces métalliques.

L'aluminothermie est la production de hautes températures par réaction exothermiqueexothermique d'aluminium en poudre (réducteur) sur divers oxydes métalliques (oxydant). La réaction aluminothermique sur une pièce en fer permet le soudage des rails de chemin de fer à partir d'un mélange de poudre d'hématitehématite (oxyde de fer Fe₂O₃) et d'aluminium (Al) :

Soudure rail

Fe₂O₃ + 2Al -> 2Fe + Al₂O₃

C'est une réaction d'oxydo-réduction ; elle se décompose en deux demies réactions :

- oxydationoxydation de l'aluminium
2Al + 3O^2- -> Al₂O₃ + 6e^-

- réduction de l'oxyde de fer
Fe₂O₃ + 6e^- -> 2Fe + 3O^2-

L'oxydant est donc l'oxyde de fer et le réducteur est l'aluminium.

Un autre oxydant utilisé en aluminothermie est l'oxyde de fer noir ou bleu (Fe₃O₄), la magnétitemagnétite. La thermite est un type de réaction aluminothermique dans laquelle le métal aluminium est oxydé par l'oxyde d'un autre métal, généralement l'oxyde de fer. Elle a été découverte par Hans Goldschmidt en 1893 qui a breveté le procédé en 1895.

3 - Réactions avec les sels de métaux :

L'aluminium déplace de nombreux métaux de leurs sels, il réduit les cationscations cuivrecuivre, zinczinc, argentargent, plombplomb, fer à l'état de métaux.

4 - Réactions avec les acides :

L'aluminium est plus réducteur que l'hydrogène et réagit bien avec les acides chlorhydriqueacides chlorhydrique et sulfurique par exemple.

5 - Réactions sur les bases :

Il réagit bien avec la soudesoude ou l'ammoniacammoniac concentré et s'il est plus réducteur que l'hydrogène son hydroxyde est amphotèreamphotère. L'oxydation en aluminate en milieu très basique permet le dosagedosage des ionsions nitrates (réduits en ammoniac) par la méthode de Dewarda.

6 - Réaction avec le dioxygène :

Les risques d'incendie et d'explosion posés par la poudre d'aluminium nue

2Al + 3O₂ -> 2AlO₃  avec ΔH= - 1700kJ

L'aluminium métallique en vrac n'est pas combustiblecombustible en soi, mais la poudre d'aluminium nue est un solidesolide réactifréactif très inflammable. Au contact de l'eau, la poudre ou les poussières d'aluminium peuvent chauffer spontanément. La poudre d'aluminium très fine et humide peut s'allumer dans l'airair et dégager de l'hydrogène. Le danger croît avec la diminution de la taille des particules d'aluminium. Au contact de l'eau, l'aluminium enflammé dégage de l'hydrogène, d'où un danger d'explosion très grave, surtout si on est en espace clos.

Dans certaines conditions, un nuagenuage de poussières de poudre d'aluminium peut exploser lorsqu'une étincelle ou une flamme l'allume. Lors de l'évaluation du risque d'explosion d'un processus, les facteurs importants dont il faut tenir compte sont :

- la taille et la forme des particules,
- la concentration des poussières,
- la nature de toute impureté,
- la teneur en oxygèneoxygène,
- le taux d'humidité et
- l'importance du confinement.

Sensibilité à l'allumage : 1,4 (aluminium atomisé); 7,3 (paillettes d'aluminium)
Facteur de sévérité de l'explosion : 7,7 (aluminium atomisé); 10,2 (paillettes d'aluminium)

- Indice d'explosivité supérieur à 10 ( grave) pour l'aluminium atomisé ainsi que pour les paillettes d'aluminium. On calcule cet indice en multipliant la sensibilité à l'allumage par le facteur de gravitégravité de l'explosion.

- Température minimum d’explosion :

650 ° C nuage;
760 ° C couche d'aluminium atomisé;
320-326 ° C couche de paillettes d'aluminium;
420 ° C particules  de 6 µm de diamètre

- Energie minimum d'allumage d'un nuage :
50 mJ pour l'aluminium atomisé;
10 mJ pour les paillettes ;
13 mJ pour des particules de 6 µm de diamètre;
28 mJ pour des particules de 17 µm de diamètre

- Pression explosive maximum :

579,2 kPa pour l'aluminium atomisé;
875,7 kPa pour des paillettes
640 kPa pour des particules de 6 mµm de diamètre...

- VitesseVitesse maximale d'augmentation de la pressionpression supérieure à 138 000 kPa/s pour l'aluminium atomisé et en paillettes.

- Précautions : elles sont nombreuses

• Éviter la production de poussières, l'humidité, la chaleur, les étincelles, les flammes ou toute autre source d'allumage.
• Les personnes qui travaillent avec cette matièrematière doivent avoir une formation adéquate relativement à ses dangers et à la façon de s'en servir sans risque.
• Ne jamais utiliser en présence de matières incompatibles comme l'eau, les acides forts, les bases fortes, et les agents oxydantsagents oxydants.
• Éliminer toute source d'allumage.
• Conserver loin des sources de chaleur.
• Ne pas utiliser la poudre d'aluminium nue à l'intérieur des lieux équipés de systèmes d'extincteurs automatiques.
• Conserver loin de l'eau.
• Éviter d'utiliser des contenants à bouchon vissant à joints de carton, ce dernier pouvant favoriser l'accumulation d'humidité.
• Il est essentiel que les aires de travail soient bien entretenues afin d'empêcher l'accumulation de poussières.
• L'utilisation d'air comprimé pour nettoyer le matériel, les vêtements, etc., est déconseillée.
• Le balayage à sec est aussi déconseillé.
• Utiliser un aspirateuraspirateur antidéflagrant équipé de filtre(s) à haute efficacité.
• Avant de manipuler les contenants, s'assurer qu'ils ne comportent aucun dommage ou fuite.
• Utiliser des contenants étanches aux poussières et étiquetés.
• Les maintenir fermés lorsqu'ils ne sont pas utilisés.
• Ne jamais remettre une matière contaminée dans son contenant d'origine.
• Les contenants vides peuvent renfermer des résidus dangereux.
• Avoir à sa disposition le matériel approprié en cas d'incendie, de déversement et de fuites.
• Utiliser un système de ventilationventilation anti-étincelles, avec mise à la massemasse, séparé des autres systèmes d'évacuation.
• Évacuer les vapeurs directement à l'extérieur.
• Utiliser des dépoussiéreurs munis d'évents d'explosion.
• Fournir assez d'air frais pour remplacer l'air évacué par le système.

7 - Les sels d’aluminium

Nous avons vu que le métal peut se trouver dans les cations ou les anionsanions vu son caractère amphotère. Dans un cas comme dans l'autre les sels sont des complexes et lorsqu'on a des solutions aqueusessolutions aqueuses on a des ions complexes hydratés que nous avons déjà mentionnés. La cryolithe est un sel d'aluminium Na₃AlF₆

Cryolithe © John Veevaert

C'est un minéralminéral associé aux grands gisementsgisements de pegmatitepegmatite. Le gisement les plus connu est celui d'Ivigtut au Groënland.

Mine de cryolithe d'Ivigtut

Les cristaux pseudo-cubiques forment des groupements polysynthétiquespolysynthétiques ou se présentent en individus pseudo-octaédriques d'apparence cubique et en groupements parallèles. Transparente à translucidetranslucide un peu nacrée sur le clivageclivage, parfois teintée de brun ou de rouge, la cryolite est utilisée comme fondant dans l'industrie de la céramiquecéramique et celle de l'aluminium. La cryolithe naturelle est tout à fait insuffisante aussi utilise-t-on principalement le composé synthétique actuellement.

Cryolithe blanche et grise © Jeff Weissman / Photographic Guide to Mineral Species