Bien que l'aluminium soit le troisième élément le plus abondant de la croûte terrestre, son extraction a longtemps été un défi majeur. En 1807, Humphry Davy (1778-1829) identifie l'existence d'un métal dans l'alumine (oxyde d'aluminium) et propose le nom aluminum. En 1825, Hans Christian Ørsted (1777-1851) produit une petite quantité d'aluminium impur en réduisant le chlorure d'aluminium avec un amalgame de potassium. En 1827, Friedrich Wöhler (1800-1882) améliore le procédé et obtient de la poudre d'aluminium. C'est Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) qui, en 1854, développe le premier procédé industriel utilisant le sodium comme réducteur. Enfin, en 1886, Paul Héroult (1863-1914) en France et Charles Martin Hall (1863-1914) aux États-Unis découvrent simultanément le procédé d'électrolyse qui révolutionne la production d'aluminium et le rend accessible au grand public.
L'aluminium (symbole Al, numéro atomique 13) est un métal de la famille des éléments du groupe 13 (anciennement groupe IIIA). Son atome possède 13 protons, 13 électrons et généralement 14 neutrons dans son isotope stable unique (\(\,^{27}\mathrm{Al}\)).
À température ambiante, l'aluminium est un métal solide, blanc argenté brillant, remarquablement léger (densité ≈ 2.70 g/cm³), malléable, ductile et excellent conducteur électrique et thermique. La température de fusion de l'aluminium : 933,47 K (660,32 °C). La température d'ébullition : 2 792 K (2 519 °C). L'aluminium forme spontanément une fine couche d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) à sa surface, qui le protège remarquablement de la corrosion.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Décroissance / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Aluminium-27 — \(\,^{27}\mathrm{Al}\,\) | 13 | 14 | 26.981539 u | 100 % | Stable | Seul isotope stable de l'aluminium ; base de toutes ses applications. |
| Aluminium-26 — \(\,^{26}\mathrm{Al}\) | 13 | 13 | 25.986892 u | Trace cosmique | 717 000 ans | Radioactif β\(^+\) et capture électronique donnant \(\,^{26}\mathrm{Mg}\). Produit dans les étoiles et par rayons cosmiques ; utilisé pour dater les météorites. |
| Aluminium-28 — \(\,^{28}\mathrm{Al}\) | 13 | 15 | 27.981910 u | Non naturel | 2.245 minutes | Radioactif β\(^-\) se désintégrant en silicium-28. Produit en laboratoire. |
| Aluminium-29 — \(\,^{29}\mathrm{Al}\) | 13 | 16 | 28.980445 u | Non naturel | 6.56 minutes | Radioactif β\(^-\) donnant du silicium-29. Utilisé en recherche nucléaire. |
| Autres isotopes — \(\,^{21}\mathrm{Al}\) à \(\,^{43}\mathrm{Al}\) | 13 | 8 — 30 | — (variables) | Non naturels | Millisecondes à secondes | Isotopes très instables produits artificiellement ; recherche en physique nucléaire. |
N.B. :
Les couches électroniques : Comment les électrons s'organisent autour du noyau.
L'aluminium possède 13 électrons répartis sur trois couches électroniques. Sa configuration électronique complète est : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹, ou de manière simplifiée : [Ne] 3s² 3p¹. Cette configuration peut aussi s'écrire : K(2) L(8) M(3).
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est également complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 3 électrons répartis en 3s² 3p¹. Les orbitales 3s sont complètes, tandis que les orbitales 3p ne contiennent qu'un seul électron sur 6 possibles. Cette couche externe est donc très incomplète.
Les 3 électrons de la couche externe (3s² 3p¹) constituent les électrons de valence de l'aluminium. Cette configuration explique ses propriétés chimiques :
En perdant ses 3 électrons de valence, l'aluminium forme l'ion Al³⁺ (degré d'oxydation +3), son état d'oxydation unique et systématique dans tous ses composés.
L'ion Al³⁺ adopte alors une configuration électronique identique à celle du néon [Ne], un gaz noble, ce qui confère une grande stabilité à cet ion.
Contrairement à d'autres métaux, l'aluminium ne présente pas d'états d'oxydation intermédiaires stables ; seul le degré +3 est observé en chimie.
La configuration électronique de l'aluminium, avec 3 électrons sur sa couche de valence, le classe dans le groupe 13 du tableau périodique (famille du bore). Cette structure lui confère des propriétés caractéristiques : tendance exclusive à former l'ion Al³⁺ en perdant tous ses électrons de valence, capacité à former des liaisons à la fois ioniques (avec les non-métaux) et métalliques (structure cristalline), et aptitude à former des composés covalents dans certains cas. L'aluminium possède une forte affinité pour l'oxygène, formant spontanément à l'air une fine couche d'oxyde Al₂O₃ (alumine) qui le protège de la corrosion. Cette passivation naturelle explique sa remarquable résistance à la corrosion malgré sa réactivité intrinsèque. Son importance industrielle est majeure : l'aluminium est le métal le plus utilisé après le fer, grâce à sa légèreté (densité de 2,7 g/cm³), sa bonne conductivité électrique et thermique, sa malléabilité et sa résistance à la corrosion. Il est largement employé dans l'aéronautique, l'emballage, la construction, et l'industrie électrique. L'aluminium est le troisième élément le plus abondant de la croûte terrestre.
Malgré sa réactivité thermodynamique élevée, l'aluminium apparaît chimiquement inerte grâce à la couche d'oxyde protectrice qui se forme instantanément à sa surface. Cette passivation peut être renforcée artificiellement par anodisation. L'aluminium réagit avec les acides (libérant du dihydrogène) et les bases fortes (formant des aluminates). À haute température, il peut réduire de nombreux oxydes métalliques dans des réactions très exothermiques (réaction thermite). L'aluminium forme principalement des composés à l'état d'oxydation +III, notamment l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), le chlorure d'aluminium (AlCl₃) et le sulfate d'aluminium (Al₂(SO₄)₃).
L'aluminium est le métal non ferreux le plus produit au monde, avec une production annuelle dépassant 65 millions de tonnes. Sa production primaire par électrolyse est très énergivore, consommant environ 15 000 kWh par tonne d'aluminium produit. Cependant, le recyclage de l'aluminium présente un bilan énergétique remarquable : refondre de l'aluminium recyclé ne nécessite que 5 % de l'énergie requise pour la production primaire. Environ 75 % de tout l'aluminium jamais produit est encore en usage aujourd'hui grâce au recyclage. Cette recyclabilité infinie sans perte de qualité fait de l'aluminium un matériau clé de l'économie circulaire et de la transition écologique.
L'aluminium est principalement extrait de la bauxite, un minerai riche en oxyde d'aluminium hydraté. Le procédé Bayer permet de purifier la bauxite en alumine (Al₂O₃). L'alumine est ensuite réduite en aluminium métallique par le procédé Hall-Héroult : électrolyse dans un bain de cryolithe fondue à environ 960 °C. Les principaux pays producteurs de bauxite sont l'Australie, la Guinée, le Brésil et la Chine. La production d'aluminium nécessitant beaucoup d'électricité, elle se concentre dans les pays disposant d'énergie hydroélectrique abondante et bon marché.
L'aluminium est produit dans les étoiles massives par fusion nucléaire lors des phases avancées de leur évolution. L'isotope radioactif aluminium-26 (\(\,^{26}\mathrm{Al}\)), avec une demi-vie de 717 000 ans, est particulièrement important en astrophysique. Sa désintégration produit un rayonnement gamma caractéristique qui permet de cartographier les régions de formation stellaire active dans notre galaxie. La présence d'aluminium-26 dans les météorites primitives indique que le système solaire s'est formé dans un environnement riche en supernovae récentes. Cet isotope a également contribué au chauffage interne des premiers corps du système solaire, jouant un rôle dans leur différenciation géochimique.
N.B. :
L'aluminium était autrefois plus précieux que l'or. Au milieu du XIXᵉ siècle, avant l'invention du procédé Hall-Héroult, l'aluminium coûtait plus cher que l'or et était réservé aux objets de luxe. Napoléon III possédait un service de table en aluminium qu'il réservait à ses invités les plus prestigieux, tandis que les autres devaient se contenter de vaisselle en or. Le sommet du Washington Monument, inauguré en 1884, était coiffé d'une pyramide en aluminium de 2,8 kg, alors le plus gros morceau d'aluminium coulé au monde, symbole de modernité et de progrès technique.
