Comment l’aluminium est-il fondu ?
L'aluminium et ses alliages comptent parmi les matériaux métalliques les plus utilisés aujourd'hui. Actuellement, l'aluminium se classe au deuxième rang, après l'acier, en termes de production et de consommation (mesurées en tonnes), ce qui en fait le deuxième métal le plus utilisé par l'homme. De plus, l'aluminium est une ressource abondante, étant l'élément métallique le plus répandu dans la croûte terrestre.
Cependant, en raison de sa nature chimique réactive, l'aluminium existe naturellement à l'état composé et il est difficile de le réduire à l'aide d'agents réducteurs courants, ce qui rend la fusion de l'aluminium un processus difficile.
Comment l’aluminium peut-il être extrait du minerai d’aluminium ?
Hans Christian Oersted, un scientifique danois, fut le premier à fondre l'aluminium. En 1825, il fit passer du chlore gazeux à travers un mélange de charbon de bois chauffé au rouge et de bauxite (essentiellement composée d'alumine) pour produire du chlorure d'aluminium. Il fit ensuite réagir un amalgame de potassium avec du chlorure d'aluminium pour former un « amalgame d'aluminium ». En évaporant le mercure de cet « amalgame d'aluminium » sous atmosphère inerte, il obtint de l'aluminium contenant des impuretés.
En 1827, le chimiste allemand Friedrich Wöhler publia une méthode de raffinage de l'aluminium : la réaction de carbonate de potassium chaud avec une solution d'alun bouillante permettait d'obtenir de l'hydroxyde d'aluminium. Après lavage et séchage, l'hydroxyde d'aluminium était mélangé à de la poudre de charbon de bois, du sucre, de l'huile, etc., jusqu'à obtenir une pâte, puis chauffé dans un creuset hermétique. On obtenait ainsi un mélange fritté d'alumine et de charbon de bois. En chauffant ce matériau fritté au rouge et en le faisant passer au chlore gazeux sec, on obtenait du chlorure d'aluminium anhydre. Une couche de chlorure d'aluminium anhydre en excès était ensuite déposée sur une petite quantité de potassium métallique dans un creuset en platine, recouvert d'un couvercle. La réaction était achevée après chauffage du creuset à blanc. Après refroidissement, le creuset était immergé dans l'eau. On constata que le mélange dans le creuset ne réagissait pas avec l'eau et que la solution aqueuse n'était pas alcaline, ce qui indiquait que tout le potassium avait réagi, laissant une poudre grise – de l'aluminium métallique, bien que sous forme de petits grains. Aujourd’hui, même s’il est possible de fondre avec succès de l’aluminium avec une grande pureté, le coût reste important.
En 1884, Charles Martin Hall, jeune étudiant au département de chimie de l'Oberlin College aux États-Unis, appliqua la fusion électrolytique de l'alumine fondue à la production d'aluminium. Compte tenu du point de fusion élevé de l'alumine (2 050 °C), Hall y ajouta de la cryolite (Na3AlF6), un matériau qui dissout l'alumine et abaisse son point de fusion. Ce mélange avait un point de fusion compris entre 930 °C et 1 000 °C, et la cryolite restait stable et fluide aux températures d'électrolyse, facilitant ainsi le processus. À l'aide d'un creuset en porcelaine, d'une tige de carbone (anode) et d'une batterie artisanale, Hall observa des bulles de gaz pendant l'électrolyse, mais aucune précipitation d'aluminium métallique. Il supposa que le courant décomposait la silice dans le creuset ; il modifia donc la batterie en le revêtant de carbone et en utilisant du carbone comme cathode, ce qui résout le problème. Entre-temps, le chimiste français Paul Héroult inventa la même méthode de fusion de l'aluminium la même année.
L’électrolyse a considérablement réduit le coût de la fusion de l’aluminium, permettant son application industrielle à grande échelle.
Concernant la fusion électrolytique de l'aluminium, il est essentiel de noter que l'aluminium est principalement présent dans la nature, notamment dans le minerai de bauxite. Pour extraire l'aluminium de la bauxite, il faut d'abord préparer de l'alumine de haute pureté. Ce processus consiste à éliminer les impuretés telles que l'oxyde de fer et la silice du minerai. Une solution concentrée d'hydroxyde de sodium est ensuite utilisée pour traiter la bauxite, produisant ainsi une solution d'aluminate de sodium. Le passage du dioxyde de carbone dans cette solution précipite l'hydroxyde d'aluminium, qui est ensuite chauffé pour se décomposer en alumine de haute pureté.