L'aluminium
Ce n'est qu'au début du XIXème que l'aluminium a été identifié puis isolé comme un composant de l'alun, un astringent utilisé dans l'industrie lainière. La découverte de la bauxite dans la commune des Baux de Provence date de 1821 (la bauxite est le minerai d'aluminium). La réduction chimique des oxydes d'aluminium a longtemps été le seul procédé permettant d'isoler ce métal pourtant prometteur du fait de sa faible densité, mais sa mise en oeuvre était coûteuse et le résultat obtenu de qualité médiocre. C'est en 1886 que la réduction par électrolyse a été pour la première fois réalisée. C'est depuis le procédé le plus employé.
Propriétés physiques
L'aluminium est l'élément chimique de numéro atomique 13. C'est un métal pauvre de densité 2,7 g/cm3. Son symbole est Al. Sa température de fusion est de 660 degrés et sa température d'ébullition de 2518 degrés. On lui connaît 22 isotopes mais seul l'isotope 27Al est stable. L'isotope 26Al a quant à lui une demi-vie de 0,73 millions d'années et il est utilisé pour réaliser des datations. Il existait en effet en quantité importante à la création du système solaire.
La valence de l'aluminium est de 3 (configuration électronique 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p1). Son degré d'oxydation peut varier de -2 à +3. Son potentiel de première oxydation est 5,95 eV et son électronégativité 1,81 (plus faible que celle de l'hydrogène). La charge la plus courante de l'ion est +3.
L'aluminium pointe en treizième position en termes d'abondance dans l'univers mais il est très présent dans la croûte terrestre (8% en masse) où on le trouve sous forme d'aluminosilicates.
C'est également un oligoélément indispensable à la vie. On le trouve principalement dans les os, les poumon et le foie. La quantité d'aluminium dans le corps humain est cependant très faible : 50 mg environ pour un individu de 70 kg. Utilisés sans discernement, les sels d'aluminium peuvent être toxiques.
L'aluminium est facilement oxydable. Il se couvre d'une couche protectrice et imperméable d'alumine qui lui donne un aspect légèrement patiné et stoppe l'oxydation en profondeur (au contraire de la rouille qui est poreuse).
Alun et bauxite
L'alun est un sel connu depuis l'antiquité pour ses propriétés astringentes. Il était exploité en Egypte et utilisé pour fixer les couleurs sur les tissus (utilisation qui a perduré). Le nom scientifique de l'alun est disulfate d'aluminium et de potassium hydraté : [Al3+ K+, 2 SO42-.12 H2O]
La bauxite est le nom donné au minerai d'aluminium après sa découverte par Pierre Berthier à proximité de la commune des Baux de Provence. La bauxite est caractérisée par sa forte teneur en alumine Al2O3, en gibbsiteAl(OH)3 et en boemhiteAlO(OH). La gibbsite est un hydroxyde d'aluminium très stable dans les conditions normales de température et de pression. La boehmite est un oxy-hydroxyde. L'aluminium présente le même degré d'oxydation dans ces trois composés.
Propriétés chimiques
L'aluminium est attaqué par les acides pour donner l'ion Al3+. Il se combine ensuite avec la base associée pour former des sels ioniques comme le sulfate d'aluminium Al2(SO4)3 ou le nitrate d'aluminium hydraté Al(NO3)3.9H2O. L'action des halogénures est un peu différente puisqu'elle produit des composés covalents comme le trichlorure d'aluminium AlCl3.
L'aluminium est un réducteur fort. (Il est plus électrophile que l'hydrogène : Il existe d'ailleurs un hydrure d'aluminium AlH3 aussi appelé alane.) Cette propriété est utilisée en pyrotechnie et en particulier dans les feux d'artifice. Elle est également utilisée industriellement pour réduire les métaux (fer, nickel) ou le silicium :
Ce procédé porte le nom d'aluminothermie.
L'action des bases sur l'aluminium produit des hydroxydes qui se combinent pour donner des aluminates :
Le composé NaAl(OH)4 est l'aluminate de sodium hydraté. Il est utilisé comme purificateur d'eau. Sa forme anhydre NaAlO2 est obtenue par calcination du composé hydraté.
Alumine et autres oxydes
L'alumine est un oxyde d'aluminium de formule Al2O3. C'est un cristal de structure rhomboédrique au sein duquel chaque atome d'aluminium est au centre d'un octaèdre dont les sommets sont occupés par un atome d'oxygène, chaque atome d'oxygène étant relié à quatre atomes d'aluminium. A l'état naturel, il existe sous forme de corindon, une pierre utilisée pour ses propriétés abrasives lorsqu'elle est réduite en poudre. Les monocristaux d'alumine sont appréciés en joaillerie. Le saphir est un monocristal d'alumine enrichi de traces de fer ou de titane, le rubis est quant à lui porteur de traces d'oxydes de chrome.
Réduit en poudre, l'alumine peut être fritté pour donner une céramique technique qui est un matériau réfractaire (l'alumine fond à 2050°C) et un bon isolant électrique. On peut également produire des céramiques techniques à partir d'aluminates anhydres.
Nota : le frittage est un processus physico-chimique qui consiste à comprimer et à chauffer une poudre de fines particules tout en restant en dessous de sa température de fusion. Ce processus densifie la matière et conduit à produire un matériau massif et résistant. Sous l'effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux, ce qui donne à la pièce sa cohésion.
L'alumine est amphotère : il peut se comporter comme un acide ou comme une base. L'alumine par exemple est attaqué par l'acide phosphorique et produit du phosphate d'aluminium AlPO4. En présence d'un oxyde basique comme l'oxyde de sodium, l'alumine donne de l'aluminate de sodium anhydre :
Il est courant de voir l'aluminate de sodium écrit sous la forme Na2O.Al2O3.
Nota : un oxyde basique forme une base lorsqu'il est dissous dans l'eau. L'oxyde de sodium Na2O, l'oxyde de potassium K2O par exemple sont des oxydes basiques.
On appelle aluminate un composé comportant un oxyanion d'aluminium le plus souvent associé à un autre oxyde. Un oxyanion est un anion formé par un atome métallique (ici un atome d'aluminium) au centre d'un polyèdre dont les sommets sont occupés par des atomes d'oxygène. L'oxyanion d'aluminum le plus simple est l'anion tétraédrique est AlO45- mais on trouve également la configuration AlO2- (comme dans l'aluminate de sodium).
L'alumine réagit également avec la chaux vive CaO, un autre oxyde basique, pour former des aluminates de calcium anhydres comme l'aluminate de monocalcium CaO.Al2O3 ou l'aluminate de tricalcium 3CaO.Al2O3. Les aluminates de calcium rentrent dans la composition de matériaux réfractaires et du ciment.
L'aluminate de béryllium Be(AlO2)2, aussi appelé chrysobéryl, est un cristal translucide apprécié pour sa couleur dorée. L'aluminate de magnésium Mg(AlO2)2 (oxyde de magnésium et d'aluminium) est un cristal rouge utilisé en joaillerie sous le nom de spinelle. L'émeri est une pierre composée de corindon, de spinelle et de traces d'hématite et magnétite. Elle est utilisée en poudre pour ses qualités abrasives.
Hydroxydes d'aluminium et hydroxyaluminates
Les oxydes d'aluminium sont souvent présents sous une forme hydratée. Les hydroxyaluminates forment des cristaux généralement assez résistants. Le ciment par exemple est obtenu par hydratation et cristallisation de poudres d'aluminates de calcium anhydres.
La boehmite AlO(OH) et la gibbsite Al(OH)3 sont les formes hydratées de l'alumine. Le nom donné par les chimistes à la gibbsite est « hydroxyde d'aluminium ». Sa formule s'écrit de manière plus rigoureuse sous la forme Al2O3.3H2O. La boehmite quant à elle est un oxy-hydroxyde d'aluminium dont la formule est Al2O3.H2O. L'hydroxyde d'aluminium tout comme l'alumine est amphotère. En milieu acide, elle libère l'ion Al(OH)2+ et en milieu basique c'est l'ion Al(OH)4- qui prédomine.
Phyllosilicates
Les phyllosilicates sont des silicates composés d'une superposition de feuillets tétraédriques siliceux et de feuillets octaédriques qui peuvent être des hydroxyaluminates. C'est le cas par exemple des argiles et des micas. La kaolinite, le composant principale du kaolin qui sert à fabriquer la porcelaine, a pour formule Al2(OH)4Si2O5.
Aluminosilicates
Les aluminosilicates sont des silicates dans lesquels certains atomes de silicium sont remplacés par des atomes d'aluminium. C'est le cas en particulier des feldspaths (tectosilicates). L'aluminium ayant un degré d'oxydation de 3, il en résulte une charge négative qui doit être compensée par la présence d'un cation dans les interstices du réseau. Dans les feldspaths alcalins, comme l'orthose KAlSi3O8 ou l'albite NaAlSi3O8, le taux de remplacement est de un sur quatre et les cations sont des cations alcalins. Dans un feldspath plagioclase comme l'anorthite CaAl2Si2O8 le taux de remplacement est de 2 sur 4 et le cation est un cation de calcium. Les zéolites, comme le natrolite Na2Al2Si3O10.2H2O sont également des aluminosilicates.
