Sens pratique d’une bonne connaissance des propriétés physiques et chimiques
Certaines connaissances des propriétés chimiques et physiques de l'aluminium revêtent une importance particulière pour les fabricants mais aussi pour les utilisateurs liés à cette industrie.
Une juste compréhension des qualités et des caractéristiques du métal sont un bon préalable à sa mise en application et à son emploi.
A cela doit s’ajoutter une bonne connaissance des réactions sur les autres matières et vice-versa afin d'optimiser les procédés de fabrication, de manipulation et de stockage.
Le tableau périodique des éléments
Le tableau périodique des éléments sert à classer et ordonner les éléments chimiques, à partir desquels toutes les autres matières sont composées. Le principe d'ordre est le suivant: chaque élément a son nombre de protons (charge atomique) qui lui donne sa position sur le tableau (sur le tableau ci-joint : le chiffre au-dessus de la désignation chimique). On fait la distinction entre les périodes, ordonnées par rangées (dans le sens horizontal), et les propriétés analogues qui forment des groupes (dans le sens vertical) Le tableau périodique compte sept rangées, à savoir sept périodes, dont chacune comprend un nombre variable d'éléments. Les éléments qui figurent sur une même rangée ont chacun un nombre différent d’éléctrons, mais leurs éléctrons sont répartis sur un même nombre de couches éléctroniques. Le nombre de ces couches correspond au numéro de la rangée (p.ex. rangée 5 = période 5 = 5 couches éléctroniques.)
Les colonnes, à savoir les groupes, se subdivisent en groupes principaux et en sous-groupes. Les éléments qui figurent dans un même groupe on des propriété similaires. Les éléments, qui figurent respectivement dans la deuxième et troisième période se répartissement dans les huit groupes principaux (A I- A VIII). Ils se nomment:
Groupe principal A I: métaux alcalins
Groupe principal A II: métaux alcalins métalliques
Groupe principal A III:bores
Groupe principal A IV : carbones
Groupe principal A V : azoteux
Groupe principal A VI : calciques
Groupe principal A VII : halogènes
Groupe principal A VIII : gaz techniques
Le nombre d'éléments par période à partir de la quatrième augmente de 8 à 18. Les éléments surnuméraires des périodes 4 et 5 sont repartis dans les huit sous-groupes. Le tableau est ainsi fait qu'à partir de la quatrième période à chaque groupe principal correspond un sous-groupe (B I - B VIII). Le huitième groupe principal (A VIII) est particulier. Il reçoit à chaque nouvelle période (périodes 4 et 5), trois éléments supplémentaires à lui seul. C’est pourquoi le huitième sous-groupe (B VIII) occupe trois colonne.
Les éléments qui ont des propriétés analogues sont toujours regroupés puis classés dans les groupes principaux ou dans les sous-groupes. Les huit sous-groupes prennent le nom de l'élément de la quatrième période, qui figure en tête du sous-groupe:
Sous-groupe B I: cuivre
Sous-groupe B II: zinc
Sous-groupe B III: scandium
Sous-groupe B IV: titane
Sous-groupe B V: vanadium
Sous-groupe B VI: chrome
Sous-groupe B VII: manganèse
Sous-groupe B VIII: ferro-platine
A partir de la sixième période le nombre d'éléments augmente de 18 à 32. Les éléments surnuméraires du lanthane jusqu'à l'ytterbium (57 à 58 selon le nombre atomique) sont, en raison de leur similitude, classés à part et se nomment les lanthanides. Il en va de même pour la huitième période, en ce qui concerne les éléments de l'actinium jusqu'au nobélium (93 à 103), ils sont connus sous le nom d’actinides.
Système périodique et structure atomique
Les plus petites parties des éléments chimiques sont les atomes. L'atome d'un élément donné a toujours la même structure, par contre chaque élément a une structure atomique différente. Les combinaisons chimiques entre deux ou plusieurs éléments se forment lorsque les atomes deviennent des molécules.
Au centre de l'atome se trouve le noyau, qui dispose de toute la charge positive et de presque toute la masse. Il est composé de protons, les supports de la charge positive, ainsi que de neutrons, électriquement neutres. Les électrons négatifs gravitent, eux, autour du noyau et forment la quasi-totalité du volume de l’atome. Pour qu'un atome soit neutre électriquement il faut que le nombre d'électrons et de protons qui constituent noyau soit identique. Le nombre de protons définit ainsi chaque élément et lui donne son ordre de classement dans le tableau périodique.
Le tableau périodique des éléments ne fournit pas seulement un classement par groupe, il permet de trouver des informations sur la structure de l’élément. Le numéro d'ordre (la charge atomique) indique le nombre de protons. Le chiffre de la masse atomique (en dessous du symbole chimique) moins le nombre de protons indique le nombre de neutrons. Chaque éléments peut toutefois (dans des limites connues) avoir un nombre de neutrons différent. D'où la variation de la masse atomique, qui n'est donnée qu'à titre indicatif. Les atomes avec un même nombre de protons et un nombre de neutrons différent sont appelés des isotopes. L'hydrogène en possède environ 3; au noyau s’ajoutte 0, 1 ou 2 neutrons, mais il garde toujours un seul proton.
Le tableau renseigne aussi sur le nombre et l'échelonnement des électrons. Ils gravitent autour du noyau sur différentes orbites, et comme chaque électron occupe de la place, leur nombre est limité pour chaque orbite. Lorsque le nombre d’électrons augmente les plus petites orbites sont débordées et par effet de remplissage des orbites supérieures accueillent sur leur trajectoire plus d'électrons. Ces couches orbitales sont le lieu de l'énergie primaire. Dans le cas de l'aluminium (charge atomique 13), les deux premières orbites sont remplies, la première l’est avec deux électrons, la deuxième avec huit. Les trois derniers électrons se trouvent sur une troisième orbite, la plus éloignée du noyau.
Chaque groupe d’éléments (les colonnes verticales) correspond à la réunion d’ éléments disposant d'une configuration d'électrons similaires, à savoir un même nombre d'électrons sur l'orbite extérieure. Cette disposition détermine la faculté de se combiner avec d'autres éléments. On désigne ainsi un groupe par des éléments ayant en commun des propriétés semblables et on le représente au moyen des colonnes sur le tableau périodique.
L'aluminium dans le tableau périodique
L'aluminium (Al) appartient au groupe 3A du système de classification périodique, le groupe du bore. Ce groupe comprend dans l'ordre, du haut vers le bas; le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium et le thallium. (voir tableau)
L'appartenance au même groupe entraîne une disposition d'électrons similaires. Tous les atomes de ces éléments sont entourés de trois électrons et peuvent se lier avec les autres éléments.
Tous les éléments du groupe 3A sont des métaux, à l'exception du bore. Ils sont réactifs et ils ne se trouvent pas à l'état naturel dans la croûte terrestre, c’est à dire qu’ils sont toujours liés à d'autres éléments. La dureté de ces métaux augmente du haut en bas de la colonne. Entre tous ces éléments c'est l'aluminium qui est le plus présent dans la nature où il est toujours lié à l'oxygène pour lequel il a beaucoup d'affinités.
Éléments alliés et alliages d'aluminium
En général est considéré comme alliage tout composé contenant au moins un élément métallique et qui se comporte comme un métal.
L'aluminium est essentiellement utilisé sous forme d'alliage et ces alliages contiennent un ou plusieurs éléments.
Ces derniers ont une grosse influence sur la structure interne (en particulier au niveau atomique) et donc sur les caractéristiques physiques de la matière.
Le choix des éléments d'alliage peut déterminer les procédés d'usinage et d'emploi. De ce fait certains alliages sont spécifiques à la fonderie tandis que d'autres ont des caractéristiques mécaniques élevées.
Les alliages sont réalisés en ajoutant les éléments d'alliage à l'aluminium en fusion dans un four. On peut également fabriquer des alliages par frittage en chauffant à haute température les poudres d'aluminium et celles du métal d'appoint.
Les alliages sont réalisés en ajoutant les éléments d'appoint à l'aluminium en fusion dans un four. On peut également fabriquer des alliages par frittage en chauffant à haute température les poudres d'aluminium et celles du métal d'appoint.
Les principaux éléments des alliages d'aluminium sont:
LeMagnésium (Mg), le Silicium (Si), le Manganèse (Mn), le Fer (Fe), le Cuivre (Cu) et le Zinc (Zn).
En faibles proportions peuvent encore être ajoutés les éléments suivants:
Le Lithium (Li), le Titane (Ti), le Vanadium (V), le Chrome (Cr), le Cobalt (Co), le Nickel (Ni), le Zirconium (Zr), l’Argent (Ag), l’Étain (Sn), Le Plomb (Pb) et le Bismuth (Bi).
Le magnésium
Le magnésium est un métal léger, il appartient au groupe principal A II du tableau périodique: les minerais métalliques alcalins. C’est un élément très réactif qui n'existe pas à l'état naturel dans la croûte terrestre, mais sous forme de combinaison avec d'autres éléments. Ses propriétés ne sont pas très éloignées de celles de l'aluminium, au contact avec l'atmosphère il se couvre aussi d'oxide
L’augmentation de la proportion de magnésium dans un alliage entraîne de meilleures résistances mécaniques, en particulier l'allongement et la résistance à la rupture.
Même à de basses températures, les alliages aluminium magnésium ne deviennent pas cassants. Le magnésium améliore la résistance à la corrosion. Il est employé comme alliage de corroyage et de fonderie.
Le silicium
Le silicium n'est pas un métal, il appartient au groupe principal A IV du tableau périodique: le groupe carbonique. Il n'existe pas à l'état naturel dans la croûte terrestre, mais uniquement sous forme de combinaison avec d'autres éléments.
Après l'oxygène c'est l’élément le plus abondant de la croûte terrestre. Le silicium est dur et, au contact de l’air, grâce à la couche de dioxyde de silicium qui le protège, il reste relativement non réactif. Il résiste aussi à la plupart des acides.
L'appoint de silicium réduit le point de fusion et améliore la fluidité des alliages en fusion, ce qui facilite la coulée et le remplissage des moules de fonderie. Il évite le retrait en refroidissant, au contraire il se dilate. Il est sollicité pour obtenir principalement des alliages de fonderie.
Le manganèse
Le manganèse est un métal dur et cassant qui appartient au sous-groupe B VII du tableau périodique, à qui il donne son nom. Il est assez réactif et constitue un des composants importants de l'acier. C'est aussi un des éléments à l'état de traces dans le corps humain qui influence l'action de la vitamine B.
Comme élément d'alliage il améliore la résistance à la corrosion et la résistance mécanique. Comme alliage de corroyage , il empêche la recristallisation lors du filage à la presse et lors du recuit.
Le fer
Le fer est, de par son volume, le quatrième élément présent dans la croûte terrestre. Il est aussi le métal lourd le plus important. Par sa périodicité il appartient au sous-groupe ferro-platine, numéroté B VIII dans le tableau périodique. Le fer est dur, ductile et très réactif. Il se corrode facilement au contact avec l'air ambiant humide et/ou lorsqu’il est soumis à des hautes températures, alors les hydrates d'oxydes le font rouiller. Pour cette raison il est souvent enveloppé par un autre métal.
D’un point de vue biologique, il est vital dans corps humain et constitue un élément clé de l'hémoglobine. Comme alliage avec l'aluminium, il augmente la résistance mécanique.
Le cuivre
Le cuivre est un des métaux les plus importants. Dans le tableau périodique, il appartient au sous-groupe B I qui porte son nom.
Ses principales qualités sont sa ductilité, sa conductibilité, ainsi que sa très bonne conductivité électrique qui en fait une matière incontournable de l'industrie électrique.
Comme élément des alliages d'aluminium il améliore la résistance mécanique à température ambiante mais réduit toutefois la résistance à la corrosion. Le cuivre se trouve aussi bien dans les alliages de fonderie que ceux de corroyage. En fonderie, il réduit le retrait durant tout le processus de refroidissement.
Le zinc
Le zinc est un métal mi-dur avec un point de fusion relativement bas à 419 °C. Il possède de bonnes propriétés quant à la conductivité électrique et se couvre d'une couche d'oxyde bleuâtre à l'air ambiant. Il n'existe pas à l'état naturel, mais uniquement en combinaison avec d'autres éléments. Son principal emploi est le revêtement d'autres métaux par galvanisation, ce qui constitue une protection contre la corrosion.
Comme élément d'un alliage d'aluminium il augmente sensiblement la résistance mécanique et la dureté, qualités qu’il partage avec le magnésium. Dans les alliages de fonderie, il améliore la fluidité et le remplissage des moules.
Réactions chimiques de l'aluminium
L'aluminium est un métal tendre, bien peu noble et très réactif. Il a une très grande affinité avec l'oxygène et n'existe pas sur terre à l'état naturel, il y est toujours combiné à l'oxygène. A l'air ambiant il se couvre rapidement d'une couche d'oxyde étanche. Celle-ci le protège des substances agressives. Les acides et bases dissolvent toutefois aisément la couche d'oxyde, la protection disparaît et l'aluminium peut être alors sensible aux produits agressifs.
Avec sa couche d'oxyde l'aluminium présente une très bonne résistance à la corrosion. Il le reste aussi sans traitement de surface et résiste très bien aux conditions climatiques difficiles, à l'eau et à de nombreux produits chimiques. Il ne réagit pas non plus au contact des aliments.
L'aluminium réagit extrêmement au sodium et aux sels acides, dans une moindre mesure à l'acide sulfurique et pas du tout à l'acide nitrique. Il réagit encore fortement aux halogènes tels que le chlore, le brome et l’iode.
Quelques compositions d'aluminium:
Oxyde d'aluminium (alumine) Al2O3,
Hydroxyde d'aluminium Al(OH)3,
Chlorure d'aluminium 3,
Phosphate d'aluminium 4,
Carbure d'aluminium Al4C3
Sulfate d'aluminium Al2(SO4)3.
