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.

Istòria

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 XVIIIEn 1782, lo Francés Guyton de Morveau (1737-1816) parlèt d'un element « de basa » present dins l'alum. Prepausèt de lo dire « alumina ».. 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)Friedrich Wöhler realizèt d'experiéncias similaras an aquelei d'Oersted en 1825. Pasmens, per eu, lo metau ansin obtengut èra una forma de potassi.. 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(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. que foguèron presentats a l'exposicion universala de 1855(de) Karmarsch, C. (1864), "Fernerer Beitrag zur Geschichte des Aluminiums", Polytechnisches Journal 171 (1): 49.. 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.

Quimia de l'alumini

Caracteristicas

Caracteristicas fisicas

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 (2,6989David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90 edicion.) 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.

Caracteristicas quimicas

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 facilamentPer aquela rason, lei bornelariás domesticas son jamai d'alumini..

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.

Isotòps

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(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..

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 13 922.01952(10)#59(3) ms β+ (96.7%) 22Mg(3)+ β+, 2p (2.5%) 20Ne β+, p (0.8%) 21Na23Al 13 1023.007267(20)470(30) ms β+ (92%) 23Mg5/2+# β+, p (8%) 22Na 23mAl ~0.35 s#7924Al 13 1123.9999389(30)2.053(4) s β+ (99.95%) 24Mg4+ β+, α (.0349%) 20Ne β+, p (.0159%) 23Na 24mAl 425.8(1) keV131.3(25) ms TI (82%) 24Al1+ 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 1830.983947(22)644(25) ms β− (98.4%) 31Si(3/2,5/2)+ β−, n (1.6%) 30Si32Al 13 1931.98812(9)31.7(8) ms β− (99.3%) 32Si1+ β−, n (.7%) 31Si 32mAl 955.7(4) keV 200(20) ns (4+)33Al 13 2032.99084(8)41.7(2) ms β− (91.5%) 33Si(5/2+)# β−, n (8.5%) 32Si34Al 13 2133.99685(12)56.3(5) ms β− (87.5%) 34Si4−# β−, n (12.5%) 33Si35Al 13 2234.99986(19)38.6(4) ms β− (74%) 35Si5/2+# β−, n (26%) 34Si36Al 13 2336.00621(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

Ocurréncia

L'alumini seriá lo 14 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(en) Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997), Chemistry of the Elements (2nd ed.), Butterworth-Heinemann, p. 217.. 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(en) Guilbert, J. F.; Park, C. F. (1986), The Geology of Ore Deposits, W. H. Freeman, pp. 774–795.. 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(en) Barthelmy, D., "Aluminum Mineral Data", Mineralogy Database. ... etc.), dins de fònts frejas oceanicas e coma produch dei procès biologics de certanei bactèris(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..

Metallurgia de l'alumini

Procès Deville

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 °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.

Combinason dei procès Bayer e Hall-Héroult

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 O2- + C → CO2(g) + 4 e-