Pourquoi l’aluminium a-t-il coûté plus cher que l’or ?
L’aluminium représente environ 8 % de la croûte terrestre en masse — davantage que tout autre métal, et le troisième de tous les éléments après l’oxygène et le silicium. Au milieu du XIXᵉ siècle, il valait plus cher au gramme que l’or.
L’écart entre abondance et disponibilité tient à un seul nombre. L’aluminium lie l’oxygène très fortement ; l’enthalpie de formation de Al₂O₃ vaut environ −1 676 kJ/mol. Extraire l’aluminium de son oxyde suppose de surmonter cela, et aucun réducteur ordinaire n’y parvient. Le carbone réduit volontiers l’oxyde de fer dans un haut fourneau, et ne fait pratiquement rien à l’alumine aux températures accessibles.
Les premières productions employaient le sodium ou le potassium métalliques comme réducteurs — autrement dit dépenser un métal coûteux et difficile pour en fabriquer un autre. La production se comptait en kilogrammes par an. Le sommet de la pyramide du Washington Monument fut posé en aluminium en 1884 comme démonstration de prestige technologique, et il pesait moins de trois kilogrammes.
La percée de 1886 fut électrochimique, et survint deux fois indépendamment : Charles Martin Hall dans l’Ohio et Paul Héroult en France, tous deux âgés de 22 ans, la même année. Dissoudre l’alumine dans de la cryolithe fondue, ce qui abaisse la température de travail à environ 950 °C, puis électrolyser. L’électricité fournit l’énergie qu’aucun réducteur chimique ne pouvait apporter.
Le prix chuta d’environ deux cents fois en une décennie. L’aluminium passa du métal de banquet impérial au papier de cuisine en une génération.
Sa production reste intensive en électricité — les usines s’implantent près des barrages hydroélectriques pour cette raison — et c’est pourquoi le recyclage de l’aluminium vaut si cher.
Pourquoi l’aluminium ne se corrode-t-il pas ?
L’aluminium est très réactif. Son potentiel standard est plus négatif que celui du zinc, et thermodynamiquement il devrait être détruit par l’air et l’eau. Or échelles, menuiseries et avions en aluminium durent des décennies.
La raison tient à la nature de la couche d’oxyde. L’aluminium exposé réagit avec l’oxygène en quelques millisecondes pour former Al₂O₃, et ce film est dense, dur, chimiquement inerte et — c’est décisif — de volume proche de celui du métal qu’il remplace. Il forme un scellement continu de quelques nanomètres et arrête la réaction en dessous.
L’oxyde de fer fait l’inverse. Il occupe nettement plus de volume que le fer consommé, il se fissure et s’écaille, exposant continuellement du métal neuf. La rouille ne protège pas ; elle accélère.
L’anodisation exploite délibérément ce phénomène, en faisant croître la couche d’oxyde par voie électrolytique jusqu’à des dizaines de micromètres. La couche épaissie est poreuse pendant sa formation, ce qui permet d’introduire un colorant avant scellement — d’où les finitions anodisées colorées des outils et des boîtiers de téléphone.
Ce film protecteur explique aussi un danger : la poudre d’aluminium, à surface spécifique énorme, brûle violemment une fois enflammée. La thermite est un mélange de poudre d’aluminium et d’oxyde de fer, qui exploite en sens inverse l’affinité de l’aluminium pour l’oxygène et dépasse 2 500 °C.
Comment lire la configuration électronique de l’aluminium ?
L’état fondamental de l’aluminium est [Ne] 3s² 3p¹ : un cœur de néon, deux électrons en 3s et un en 3p. Électrons par couche : 2, 8, 3.
Trois électrons externes, tous retirables à coût modéré, donnent à l’aluminium son degré d’oxydation +3 quasi invariable. Al³⁺ possède une configuration de néon et se révèle petit et fortement chargé, donc très polarisant — les composés d’aluminium ont plus de caractère covalent qu’une image purement ionique ne le suggérerait, et le chlorure d’aluminium se sublime sous forme de dimère covalent au lieu de fondre comme un sel.
Le terme spectroscopique fondamental est ²P₁/₂, la multiplicité de spin de 2 marquant l’unique électron 3p célibataire.
L’aluminium appartient au bloc p tout en se comportant comme un métal, et cette page le classe parmi les métaux pauvres. Il jouxte la bande diagonale des métalloïdes — le bore juste au-dessus est un métalloïde, le silicium à côté aussi — et ce voisinage transparaît dans son amphotérisme : l’oxyde d’aluminium se dissout aussi bien dans un acide fort que dans une base forte, se comportant comme une base dans un cas et comme un acide dans l’autre.
Qu’est-ce qui fait de l’aluminium le métal du vol ?
La masse volumique de l’aluminium avoisine 2 700 kg/m³, environ le tiers de celle de l’acier. L’aluminium pur est trop mou pour être structural, mais l’alliage le transforme.
Le duralumin, découvert par Alfred Wilm vers 1906, y ajoute quelques pour cent de cuivre et de magnésium. Wilm remarqua que l’alliage durcissait au fil des jours à température ambiante — le durcissement structural, où de fins précipités se forment dans le réseau cristallin et gênent les plans le long desquels le métal se déformerait. Le mécanisme resta incompris pendant des décennies, mais l’effet fut immédiatement utile.
Le duralumin rendit possibles les dirigeables rigides puis les avions entièrement métalliques. Le rapport résistance/masse des alliages d’aluminium est ce sur quoi le XXᵉ siècle a bâti son industrie aéronautique, et les cellules modernes s’y appuient encore largement même si les composites y prennent une part croissante.
Les mêmes propriétés, à l’échelle ordinaire, mettent l’aluminium dans les canettes, les menuiseries, les composants de vélo, les blocs moteurs et les dissipateurs thermiques. La paroi d’une canette mesure environ 100 micromètres d’épaisseur.
D’où vient le minerai d’aluminium ?
L’aluminium ne se trouve jamais à l’état métallique dans la nature. Son minerai est la bauxite, une roche altérée rougeâtre composée principalement d’hydroxydes d’aluminium mêlés d’oxydes de fer et d’argile.
La bauxite se forme par altération tropicale intense. De fortes pluies sur de longues périodes lessivent la silice et les autres composants solubles de la roche mère et laissent l’aluminium et le fer. Les gisements se concentrent donc dans les régions tropicales humides — Guinée, Australie, Brésil, Indonésie — et affleurent généralement, ce qui permet une exploitation à ciel ouvert.
Passer de la bauxite au métal exige deux procédés distincts. Le procédé Bayer dissout l’hydroxyde d’aluminium dans de la soude chaude, laissant les oxydes de fer et les silicates insolubles, puis reprécipite de l’alumine pure. Le procédé Hall-Héroult électrolyse ensuite cette alumine en métal.
Le résidu Bayer est la boue rouge, principale charge environnementale du secteur. Fortement alcaline, produite en volume énorme — environ une à deux tonnes par tonne d’alumine — elle n’a aucun débouché à grande échelle et se stocke indéfiniment derrière des digues. La rupture d’Ajka en Hongrie en 2010 a libéré près d’un million de mètres cubes, tué dix personnes et atteint le Danube.
L’abondance de l’aluminium dans la croûte ne raconte donc que la moitié de l’histoire. Le métal est courant ; le minerai économiquement traitable ne l’est pas.