Alumini

L'alumini es un element quimic (simbòl : Al) de numèro atomic 13, de massa moleculara 26,98, de massa volumica 2,70 g/cm³ e de temperatura de fusion 660°C. Dins lei condicions normalas de temperatura e de pression, se presenta sota la forma d'un metau blanc e leugier. Es un element relativament frequent dins l'Univèrs que forma aisament de compausats coma la baucita. Per consequéncia, l'alumini natiu es fòrça rar dins la natura.

Foguèt isolat per lo quimista danés Hans Christian Oersted (1777-1851) en 1825 e lo quimista alemand Friedrich Wöhler (1800-1882) en 1827. Es produch industrialament dempuei lei trabalhs realizats entre 1854 e 1860 per lo Francés Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881). Sa produccion demorèt lòngtemps limitada en causa de son besonh fòrça important en electricitat. Pasmens, sa resisténcia a la corrosion e sa leugieretat li permetèron de trobar d'aplicacions dins l'industria e sa produccion aumenta regularament dempuei leis ans 1940. En 2014, la produccion mondiala èra de 49,3 milions de tonas e l'alumini èra ansin lo segond metau pus utilizat après lo fèrre.

De saus d'alumini foguèron utilizats tre l'Antiquitat, au mens per lei Grècs e lei Romans per sei proprietas astringentas ò medicalas. Pasmens, l'existéncia de l'element foguèt pas sospichada avans la fin dau sègle XVIII^[1]. Sa descubèrta aguèt luòc en 1808 e foguèt l'òbra dau fisician e quimista britanic Humphry Davy (1778-1829) qu'identifiquèt la preséncia d'un metau desconegut dins l'alum.

Dich alumini, lo metau novèu foguèt isolat per lo premier còp, sota una forma impura, per lo quimista danés Hans Christian Oersted (1777-1851) a partir d'una reaccion quimica entre lo clorur d'alumini anidre e un amalgama de potassi. Aquò foguèt confiermat dos ans pus tard per lo quimista alemand Friedrich Wöhler (1800-1882)^[2]. Puei, la preséncia d'alumini foguèt descubèrta dins la baucita per lo Francés Pierre Berthier (1782-1861).

A partir de 1846, lo quimista francés Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) comencèt un lòng trabalh sus l'alumini. En 1854, capitèt de'n produrre lei premiers lingòts^[3] que foguèron presentats a l'exposicion universala de 1855^[4]. Puei, melhorèt lo procès de produccion, çò que menèt a l'invencion dau procès que pòrta son nom en 1860. Melhorat en 1886 — d'un biais independent — gràcias au desvolopament de l'electrolisi per un autre Francés, Paul Héroult (1863-1914), e per l'Estatsunidenc Charles Martin Hall (1863-1914), aqueu procès (dich Hall-Héroult) demorèt utilizat fins a la Segonda Guèrra Mondiala.

En 1887, un autre procès foguèt trobat per lo quimista austrian Carl Josef Bayer (1847-1904) qu'estudièt la dissolucion de l'alumina, contenguda dins la baucita, dins una solucion de soda. Conegut per sa produccion de fangas rojas fòrça toxicas, lo procès Bayer se desvolopèt lentament en causa de problemas de rendabilitat mai venguèt pauc a pauc largament preponderant dins lo corrent dau sègle XX.

L'alumini es un metau non magnetic relativament leugier que sa color varia entre l'argent e lo gris. Es ductible e malleable, çò que permet un usinatge aisat dins l'industria. Es un bòn materiau reflector de la lutz visibla, deis infraroges e deis ultraviolets pròches. Per consequéncia, prend fuòc dificilament.

Sa densitat (2,6989^[5]) e son module d'elasticitat valon aperaquí un tèrç d'aquelei de l'acier. Son limit d'elasticitat se situa entre 7 e 11 MPa. Sei proprietas termicas e conductritz son tanben relativament bònas que sa conductivitat vau 59% d'aquela dau coire per una densitat tres còps pus febla. L'alumini pòu egalament venir supraconductor amb una temperatura critica de 1,2 K e un camp magnetic d'aperaquí 100 Gs.

La caracteristica quimica pus remarcabla de l'alumini es sa resisténcia a la corrosion quand es expausat a l'accion de l'èr. D'efèct, se forma un jaç protector d'oxid d'alumini a la superficia dau metau. Pasmens, aquela resisténcia es fòrça reducha en preséncia de saus clorats. Per exemple, lo clorur de sòdi l'oxida facilament^[6].

L'alumini pòu reagir ambé l'aiga a de temperaturas superioras a 280°C ò en preséncia de solucions d'acids ò de basas concentradas. En solucion, se troba generalament sota la forma d'ions Al³⁺. Enfin, a de proprietats reductritz fòrtas que son utilizadas en aluminotermia ò en pirotecnia.

Un nombre important d'isotòps de l'alumini existisson ambé de nombres de massa evolucionant de 21 a 42. Pasmens, solament dos isotòps s'observan dins la natura. Lo principau es l'alumini-27 (quasi 100%) qu'es l'unic isotòp estable. Lo segond es l'alumini-26 qu'es radioactiu mai qu'a un periòde pron lòng (7,17.10⁵ ans) per formar de traças detectablas. Se forma a partir de la desintegracion d'atòms d'argon tocats per de raionaments cosmics de protons. Aquel isotòp es utilizat per la datacion d'objèctes^[7].

Isotòp	Z(p)	N(n)	Massa isotropica (u)	Mieja vida	Mòde de desintegracion	Nuclèu fiu	Espin nuclear	Composicion isotopica (fraccion molara)	Variacion naturala (fraccion molara)
	Energia d'excitacion
19Al	13	6	19.0218#	<35 ns	p	18Mg
20Al	13	7	20.0194#	<35 ns	p	19Mg
21Al	13	8	21.02804(32)#	<35 ns	p	20Mg	1/2+#
22Al	13	9	22.01952(10)#	59(3) ms	β+ (96.7%)	22Mg	(3)+
					β+, 2p (2.5%)	20Ne
					β+, p (0.8%)	21Na
23Al	13	10	23.007267(20)	470(30) ms	β+ (92%)	23Mg	5/2+#
					β+, p (8%)	22Na
23mAl				~0.35 s			#79
24Al	13	11	23.9999389(30)	2.053(4) s	β+ (99.95%)	24Mg	4+
					β+, α (.0349%)	20Ne
					β+, p (.0159%)	23Na
24mAl	425.8(1) keV			131.3(25) ms	TI (82%)	24Al	1+
					β+ (18%)	24Mg
					β+, α	20Ne
25Al	13	12	24.9904281(5)	7.183(12) s	β+	25Mg	5/2+
26Al	13	13	25.98689169(6)	7.17(24)×105 years	β+	26Mg	5+	Traças
26mAl	228.305(13) keV			6.3452(19) s	β+	26Mg	0+
27Al	13	14	26.98153863(12)	Estable			5/2+	1.0000
28Al	13	15	27.98191031(14)	2.2414(12) min	β−	28Si	3+
29Al	13	16	28.9804450(13)	6.56(6) min	β−	29Si	5/2+
30Al	13	17	29.982960(15)	3.60(6) s	β−	30Si	3+
31Al	13	18	30.983947(22)	644(25) ms	β− (98.4%)	31Si	(3/2,5/2)+
					β−, n (1.6%)	30Si
32Al	13	19	31.98812(9)	31.7(8) ms	β− (99.3%)	32Si	1+
					β−, n (.7%)	31Si
32mAl	955.7(4) keV			200(20) ns			(4+)
33Al	13	20	32.99084(8)	41.7(2) ms	β− (91.5%)	33Si	(5/2+)#
					β−, n (8.5%)	32Si
34Al	13	21	33.99685(12)	56.3(5) ms	β− (87.5%)	34Si	4−#
					β−, n (12.5%)	33Si
35Al	13	22	34.99986(19)	38.6(4) ms	β− (74%)	35Si	5/2+#
					β−, n (26%)	34Si
36Al	13	23	36.00621(23)	90(40) ms	β− (69%)	36Si
					β−, n (31%)	35Si
37Al	13	24	37.01068(36)	10.7(13) ms	β−	37Si	3/2+
38Al	13	25	38.01723(78)	7.6(6) ms	β−	38Si
39Al	13	26	39.02297(158)	7.6(16) ms	β−	39Si	3/2+#
40Al	13	27	40.03145(75)#	10# ms [>260 ns]
41Al	13	28	41.03833(86)#	2# ms [>260 ns]			3/2+#
42Al	13	29	42.04689(97)#	1 ms

L'alumini seriá lo 14^en element pus frequent dins l'Univèrs per fraccion massica. Dins la crosta terrèstra, es lo metau pus abondós (8,3% per fraccion massica) e lo tresen element pus frequent, après l'oxigèn e lo silici, en causa de la preséncia importanta de silicats contenent d'atòms d'alumini^[8]. En revènge, en causa de sa densitat febla, seriá pus rar dins lei jaç pus prefonds (2% dins lo mantèu, negligible dins lo nuclèu).

Se troba rarament sota forma nativa dins la natura car, en causa de son afinitat importanta ambé l'oxigèn, forma facilament d'oxids ò de silicats. Per exemple, lei feldspats, que son lei mineraus pus comuns de la superficia terrèstra son d'aluminosilicats. Dins aquò, en despiech dau taus aut d'alumini dins la crosta terrèstra, lei mineraus susceptibles d'una esplecha economica son relativament rars. D'efèct, la baucita, minerau principau d'alumini, necessita de condicions climaticas tropicalas per se formar^[9]. Ansin, lei jaciments principaus se situan en Austràlia, en Brasil, en Surinam, en Guinèa, en China, en Índia, en Indonesia, en Russia e en Jamaica. La descubèrta d'alumini natiu dins la natura es recenta ambé d'observacions dins d'environaments privats d'oxigèn (interior de certanei volcans^[10]... etc.), dins de fònts frejas oceanicas e coma produch dei procès biologics de certanei bactèris^[11].

Inventat en 1860, lo procès Deville foguèt utilizat fins a la Segonda Guèrra Mondiala. Es basat sus l'utilizacion de carbonat de sòdi per extraire l'alumina contenguda dins la baucita. Per aquò, la baucita es premier calcinada a 1 200°C, trissada e mesclada ambé de carbonat de sòdi e de carbon. Dins aquelei condicions, l'alumina se transforma en aluminata de sòdi mai leis autrei compausats dau minerau, especialament leis oxids de fèrre, demoran incambiats.

Après aquela etapa, la mescla es plonjada dins una solucion de soda que permet de dissòudre unicament l'aluminata de sòdi. Gràcias a una filtracion, se separa ansin l'aluminata de sòdi liquid dau rèsta dau minerau. Puei, un barbotatge de dioxid de carbòni permet de precipitar l'alumina (sota forma idratada) e de tornar constituir lo carbonat de sòdi (qu'es generalament reciclat). L'alumina recuperada es alora calcinada per eliminar l'aiga, çò que permet son utilizacion industriala.

Lo mecanisme actuau pus utilizat per la produccion d'alumini utiliza la baucita coma minerau e combina lei procès Bayer e Hall-Héroult per extraire e purificar lo metau. Necessita quatre a cinc tonas de minerau per obtenir una tona de metau. A tanben besonh de quantitats importantas d'electricitat e engendra la formacion de fòrça curum, principalament lei fangas rojas. Sa premiera etapa es la conversion de la baucita en alumina (oxid d'alumini Al₂O₃) segon lo procès Bayer. Lei doas reaccions quimicas seguentas ne'n son lo còr :

Al₂O₃ + 2 NaOH → 2 NaAlO₂ + H₂O

2 H₂O + NaAlO₂ → Al(OH)₃ + NaOH

L'aluminat de sòdi intermediari NaAlO₂ es fòrça soluble dins lei solucions fòrça basicas. Pasmens, leis autrei compausants de la baucita lo son generalament pas. Aquò causa sa precipitacion e entraïna la formacion de fangas rojas que concentran de produchs toxics coma de metaus pesucs (en particular, lo cadmi).

Puei, l'alumina es convertida en alumini segon lo procès Hall-Héroult. Son principi de basa es l'electrolisi d'una solucion d'alumina e de criolita portada a una temperatura situada entre 950 e 980°C. Au catòde, a luòc la reaccion que dona lo metau amb una puretat de 99% :

Al³⁺ + 3 e^- → Al(l)

A l'anòde, se debana la reaccion seguenta :

2 O^2- + C → CO₂(g) + 4 e^-

L'alumini format au catòde raja au fons de la solucion ont es recuperat. Aqueu movement dau metau degalha pauc a pauc l'electròde qu'es generalament remplaçada totei lei cinc ans. L'anòde de carbòni es consomada per la produccion de dioxid de carbòni que s'acompanha d'un desgatjament de difluor. Dins leis installacions modèrnas, l'anòde es donc regularament remplaçada e lo gas carbonic es filtrat per recuperar lo difluor qu'es tornat injectar dins la solucion per regenerar la criolita.

S'es necessari, l'alumini produch pòu subir una purificacion suplementària segon lo procès Hoopes. Es tanben un metòde utilizant una electrolisi dins un bacin de fèrre que son fons es cubèrt per un jaç format d'una una mescla de coire, d'alumini e de silici que tèn lo ròtle d'anòde. Es cubèrta per de jaç de carbòni. Lei jaç intermediaris son fachs d'una mescla de fluorurs de sòdi, d'alumini, de bari e de criolita. Lei jaç superiors son formats d'alumini en fusion. De cambas de grafit i son sotadas e jogan lo ròtle de catòdes. Aqueu procès permet la migracion d'ions Al³⁺ vèrs la superficia e purifica lei jaç superiors. Permet d'agantar de taus de puretat d'aperaquí 99,99%^[12].

La quantitat d'electricitat necessitada per aqueu procès es fòrça importanta de l'òrdre de 13 000 a 17 000 kWh per tona. Per exemple, en 2001, aperaquí 5% de la produccion d'electricitat estatsunidenca totala èra destinada a la produccion d'alumini^[13]. La consomacion electrica es generalament de l'òrdre de 15 kWh per quilograma d'alumini produch (siá 52-56 MJ/kg). Ansin, lei despensas d'electricitat representan entre 20 e 40% dau còst totau de la produccion e leis usinas son donc generalament localizadas dins d'endrechs ambé de fònts d'energia pauc caras e abondosas (rius, jaciments de gas naturau... etc.)^[14].

L'alumini es teoricament reciclable a 100% sensa pèrda de sei qualitats naturalas. Lo procès principau qu'existís necessita de fondre de curum d'alumini (principalament de botelhons) e de desgasar lo produch en fusion avans apondre lei metaus (fèrre, zinc, coire... et.c) necessaris en foncion de l'aliatge desirat. L'avantatge major d'aqueu metòde es la consomacion pus febla d'electricitat que representa solament 5% de la quantitat utilizada per lo procès de produccion a partir de la baucita. En revènge, lo reciclatge aganta pas 100% dau metau car de pèrdas existisson sota forma de « dross » (de curum d'oxid d'alumini se formant a la superficia dau liquid en fusion^[15]). De mai, es pas possible de mesclar d'aliatges diferents durant lo procès de fusion. Conegut dempuei leis ans 1900, lo reciclatge de l'alumini foguèt rarament utilizat fins ais ans 1960 avans de conóisser un desvolopament important a la fin dau sègle XX. Ansin, per exemple, en 2009, 32% de la produccion francesa èra eissida dau reciclatge.

Lo minerau principau d'alumini es la baucita qu'es una mescla d'oxids e d'idroxids d'alumini e de fèrre. Descubèrta en 1821 dins lo vilatge dei Bauç, en Provença, son esplecha industriala acomencèt en 1860. França e leis Estats Units d'America ne'n foguèron lei dos productors pus importants fins ais ans 1950-1960. Dempuei aqueu periòde, lei jaciments principaus, que son l'objècte d'una esplecha industriala, se tròban en Austràlia (1^èr productor mondiau), en America dau Sud e en Africa.

L'industria de transformacion dau minerau se tròba fòrça alunchada dei jaciments en causa de sei besonhs importants d'energia electrica. De mai, en causa de la natura estrategica de l'alumini, mai d'un país mantèn una produccion sus son territòri. En 2014, la produccion mondiala èra de 49,9 milions de tonas. China n'èra largament lo premier productor (47%) seguida per Russia (7%), Canadà (6%), leis Emirats Arabis Units (4,9%) e Índia (4,3%). Lo rèsta dau mond n'assegurava 30,5%.

L'alumini es lo metau non ferrós pus produch dins lo mond. Es utilizat sota la forma d'aliatges, amb una concentracion d'alumini situada entre 92% e 99%, que permèton de melhorar sei proprietats mecanicas. Lei metaus intrant dins la fabricacion d'aqueleis aliatges son principalament lo coire, lo zinc, lo manganès, lo magnèsi e lo silici^[16]. Leis aplicacions son fòrça nombrosas :

• dins leis industrias dau transpòrt (automobilas, aeronaus, trens, naviris... etc.), son utilizats per fabricar de pèças d'estructuras pus leugieras que de pèças d'acier e mens somesas ai problemas de corrosion.
• dins l'industria agroalimentària, es utilizat per produrre de botelhons ò d'embalatges alimentaris.
• dins lo domeni de la construccion, plusors objèctes coma, per exemple, de fenèstras ò de pòrtas.
• divèrseis objèctes utilizats dins la vida vidanta (aisinas de cosina, mòstras... etc.) ò dins certaneis espòrts (base-ball... etc.).
• dins l'industria electronica.
• dins l'industria quimica coma reactiu.
• dins certanei país (França, Itàlia, Polonha, Iogoslavia... etc.), per fabricar de pèças de moneda.

L'oxid d'alumini Al₂O₃ dich alumina es fòrça utilizat coma minerau d'alumini. Pasmens, pòu tanben servir coma absorbent de l'aiga dissòuta dins leis idrocarburs e empachar lo desvolopament de mosiduras, coma catalisador de certanei reaccions quimicas e coma abrasiu dins l'industria.

Plusors sulfats d'alumini an d'utilizacions diversificadas dins l'industria modèrna. Lo pus important es Al₂(SO₄)₃·(H₂O)₁₈ que sèrv per produrre d'aiga potabla ò per fabricar dau papier, deis agents d'amorçatge dau fuòc, d'additius alimentaris ò dau cuer. Lo sulfat d'alumini e d'ammonium (NH₄)Al(SO₄)₂·12H₂O e lo sulfat d'alumini e de potassi ([Al(K)](SO₄)₂)·(H₂O)₁₂ intran dins la fabricacion de mordents e dins la preparacion dau cuer.

Enfin, lo clorur d'alumini AlCl₃ es utilizat dins lo rafinatge dau petròli e dins lei sintèsis dau cauchó e de divèrsei polimèrs.

L'alumini es un metau pauc toxic (DL50 orala de 6207 mg/kg dins lo rat siá aperaquí 500 g per un èsser uman de 80 kg) qu'a ges de ròtle conegut dins lei procès biologics. Pasmens, en causa de sa difusion mai e mai importanta dins l'environament e dins lo comèrci, l'estudi de sa toxicitat es vengut un subjècte important.

Dins l'òme, de traças toxicas d'alumini pòdon se formar dins leis òs e dins lo sistèma nerviós centrau, especialament dins lo cas de pacients amb una foncion renala demenida. D'efèct, l'alumini pòu intrar en competicion ambé lo calci entraïnant un risc d'osteoporòsi. Quand se troba a de concentracions fòrça autas, pòu tanben atacar la barriera ematoencefalica^[17]. Totjorn, dins lo sistèma nerviós, l'alumini es sospichat de tenir un ròtle — encara pauc clar — dins la malautiá d'Alzheimer^[18]. Enfin, de riscs d'allergia existisson.

Regardant la toxicitat de l'alumini dins l'environament, es un factor de reduccion de la creissença dei plantas dins lei tèrras acidas car lei cations Al³⁺ son toxics per lei vegetaus^[19]. En revènge, aquel efèct es pas observat dins lei tèrras de pH neutre. Dins aquò, lo risc principau per l'environament es eissit dau procès d'extraccion Bayer qu'entraïna la formacion de fanjas rojas corrosivas e cargadas de metaus pesucs toxics. Plusors accidents an ja causat de pollucions grèvas dei mitans aqüatics coma aqueu de l'usina ongresa d'Akja en 2010.

• Metau.
• Humphry Davy.
• Hans Christian Oersted.
• Friedrich Wöhler.

• Alumina.
• Baucita.
• Procès Bayer.
• Procès Hall-Héroult
• Procès Hoopes.
• Fanga roja.
• Carl Josef Bayer.
• Pierre Berthier.
• Henri Sainte-Claire Deville.
• Charles Martin Hall
• Paul Héroult.

1. ↑ En 1782, lo Francés Guyton de Morveau (1737-1816) parlèt d'un element « de basa » present dins l'alum. Prepausèt de lo dire « alumina ».
2. ↑ Friedrich Wöhler realizèt d'experiéncias similaras an aquelei d'Oersted en 1825. Pasmens, per eu, lo metau ansin obtengut èra una forma de potassi.
3. ↑ (fr) Georges Chaudron, La préparation industrielle de l'aluminium et la découverte de ses propriétés par un illustre savant français, Henry Sainte-Claire Deville, Revue de l'aluminium n° 211, junh de 1954, p. 97.
4. ↑ (de) Karmarsch, C. (1864), "Fernerer Beitrag zur Geschichte des Aluminiums", Polytechnisches Journal 171 (1): 49.
5. ↑ David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90^a edicion.
6. ↑ Per aquela rason, lei bornelariás domesticas son jamai d'alumini.
7. ↑ (en) (en) J. Villeneuve, M. Chaussidon et G. Libourel, « Homogeneous Distribution of 26Al in the Solar System from the Mg Isotopic Composition of Chondrules », Science, vol. 325, n° 5943,‎ 21 d'aost 2009, p. 985-988.
8. ↑ (en) Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997), Chemistry of the Elements (2nd ed.), Butterworth-Heinemann, p. 217.
9. ↑ (en) Guilbert, J. F.; Park, C. F. (1986), The Geology of Ore Deposits, W. H. Freeman, pp. 774–795.
10. ↑ (en) Barthelmy, D., "Aluminum Mineral Data", Mineralogy Database.
11. ↑ (en) Chen, Z.; Huang, Chi-Yue; Zhao, Meixun; Yan, Wen; Chien, Chih-Wei; Chen, Muhong; Yang, Huaping; Machiyama, Hideaki; Lin, Saulwood (2011). "Characteristics and possible origin of native aluminum in cold seep sediments from the northeastern South China Sea". Journal of Asian Earth Sciences 40 (1): 363–370.
12. ↑ (en) Totten, G. E.; Mackenzie, D. S. (2003), Handbook of Aluminum. Marcel Dekker, p. 40.
13. ↑ (en) Emsley, J. (2001), "Aluminium", Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford University Press, p. 24.
14. ↑ (en) Brown, T. J. (2009), World Mineral Production 2003–2007, British Geological Survey.
15. ↑ Pasmens, la « dross » es gardada après son eliminacion car contèn generalament de quantitats d'alumini importantas e car pòu èsser reciclada coma curum d'alumini.
16. ↑ (en) Lyle, J. P.; Granger, D. A.; Sanders, R. E. (2005), "Aluminum Alloys", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH.
17. ↑ (en) Banks, W.A.; Kastin, AJ (1989). "Aluminum-induced neurotoxicity: alterations in membrane function at the blood–brain barrier". Neurosci Biobehav Rev 13 (1): 47–53.
18. ↑ (en) Ferreira PC; Piai Kde A; Takayanagui AM; Segura-Muñoz SI (2008). "Aluminum as a risk factor for Alzheimer's disease". Rev Lat Am Enfermagem 16 (1): 151–7.
19. ↑ (en) Belmonte Pereira, Luciane; Aimed Tabaldi, Luciane; Fabbrin Gonçalves, Jamile; Jucoski, Gladis Oliveira; Pauletto, Mareni Maria; Nardin Weis, Simone; Texeira Nicoloso, Fernando; Brother, Denise; Batista Teixeira Rocha, João; Chitolina Schetinger, Maria Rosa Chitolina (2006). "Effect of aluminum on δ-aminolevulinic acid dehydratase (ALA-D) and the development of cucumber (Cucumis sativus)". Environmental and experimental botany 57 (1–2): 106–115.