Fiche explicative de la leçon : Extraction de l’aluminium Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire l’extraction de l’aluminium de son minerai par électrolyse.

L’aluminium est l’un des matériaux les plus importants au monde;c’est un métal solide, flexible et léger, et ses alliages ont un large éventail d’applications. La production d’aluminium a lieu sur des sites du monde entier, dans des fonderies d’aluminium utilisant l’électrolyse selon le « procédé Hall-Héroult », pour produire environ 200‎ ‎000 tonnes d’aluminium par an.

Définition : Électrolyse

L’électrolyse est un processus chimique où de l’électricité traverse un électrolyte, provoquant la décomposition de cet électrolyte en ses éléments constitutifs.

La photo ci-dessous montre une mine à ciel ouvert au Kazakhstan où la bauxite, le plus abondant des minerais d’aluminium, est extraite. La bauxite peut être considérée comme un oxyde d’aluminium impur qui tire sa couleur rouge-marron, clairement visible sur la photo, de l’oxyde de fer (III) qui est dans ce cas l’impureté.

Une mine de bauxite à ciel ouvert au Kazakhstan

Les fonderies d’aluminium sont gigantesques et prennent énormément d’espace, comme cette usine en Russie illustrée par la photo ci-dessous. Elles se composent de plusieurs bancs de cellules et d’installations de coulée ainsi que de zones de production d’anodes. Mais avant que le processus d’extraction ne puisse commencer, la bauxite doit être traitée pour obtenir l’alumine pure, AlO23. La purification de l’alumine issue de la bauxite est connue sous le nom de « procédé Bayer », et est basée sur une réaction entre l’oxyde d’aluminium et l’hydroxyde de sodium.

Une vaste usine de fusion d'aluminium en Russie

Définition : Anode

L’anode est l’électrode positive dans une cellule électrolytique.

L’alumine est décomposée par électrolyse, un processus industriel coûteux pour sa forte consommation d’électricité. Une fonderie d’aluminium utilise environ 200 MW de puissance chaque an, alors voyons pourquoi l’électrolyse est nécessaire à l’extraction de l’aluminium.

L’aluminium est un métal très réactif, plus réactif que des agents réducteurs tels que le carbone et l’hydrogène. Par exemple, il n’est pas possible de réduire l’alumine en utilisant du carbone, comme on peut le faire avec d’autres minerais métalliques tels que l’hématite. L’hématite est un minerai de fer contenant de l’oxyde de fer (III), qui peut être réduit par le carbone dans le haut fourneau pour former du fer métallique. Pour l’aluminium, comme pour d’autres métaux réactifs tels que le sodium, on doit utiliser le procédé d’électrolyse.

Pour que l’électrolyse ait lieu à une aussi grande échelle industrielle, on a recours à de nombreuses cellules électrolytiques. Plus de 300 cellules individuelles, cuves disposées en série, ont besoin de courants électriques de plus de 150‎ ‎000 A à environ 4 V par cellule. Chaque cellule est constituée d’une coque en acier garnie de briques résistantes à la chaleur et qui sont recouvertes d’une couche de carbone qui joue le rôle de cathode négative dans le processus d’électrolyse.

Définition : Cathode

La cathode est l’électrode négative dans une cellule électrolytique.

La cryolite fondue, NaAlF36, remplit les cellules et a plusieurs fonctions, notamment aider l’alumine à conduire l’électricité et à abaisser son point de fusion. Le point de fusion de l’alumine est 2072C, mais lorsqu’elle est mélangée avec de la cryolite, le mélange obtenu fond à une température plus basse, autour de 900C. L’alumine dissoute dans la cryolite forme le mélange électrolyte pour cette réaction.

Définition : Électrolyte

Un électrolyte est une substance contenant des ions qui se déplacent librement et peuvent conduire l’électricité.

Exemple 1: Pourquoi la cryolite est utilisée dans l’extraction de l’aluminium

Laquelle des affirmations suivantes n’est pas une raison pour laquelle la cryolite fait partie de l’électrolyte en fusion impliqué dans l’extraction de l’aluminium?

  1. La cryolite réduit la température de fusion de l’alumine.
  2. La cryolite augmente la conductivité de l’électrolyte.
  3. La cryolite réduit la température de fonctionnement de la cellule électrolytique.
  4. La cryolite augmente la quantité d’électricité utilisée.
  5. La cryolite fournit des ions sodium qui aident à transporter le courant électrique.

Réponse

La question nous demande quelle affirmation n’est pas une raison pour laquelle la cryolite est ajoutée aux cellules pour le processus d’électrolyse.

La réponse A suggère que la cryolite réduit la température à laquelle l’alumine fond. Cependant, la température à l’intérieur de la cellule électrolytique est d’environ 1000C, donc la cryolite doit en effet réduire la température de fusion de l’alumine. Cette réduction a des conséquences sur les coûts car moins d’énergie est utilisée, ce qui est probablement une bonne raison pour que la cryolite fasse partie du mélange électrolytique;donc A n’est pas la bonne réponse. Nous savons que la cryolite augmente la conductivité de l’électrolyte, comme indiqué dans la réponse B;alors B n’est pas la bonne réponse non plus. Les raisons exactes sont plutôt complexes, mais la cryolite augmente la mobilité des ions dans l’électrolyte. La réponse C suggère que la cryolite réduit la température de fonctionnement de la cellule électrolytique, ce qui est le cas, car sans la cryolite, la cellule devrait être chauffée à environ 2000C pour faire fondre l’alumine;C n'est pas la bonne réponse. La réponse D suggère que la cryolite augmente la quantité d’électricité utilisée;cependant, la quantité d’électricité ne devrait pas être influencée par une substance qui n’est pas impliquée dans les réactions aux deux électrodes,et donc D est probablement la bonne réponse, mais nous allons également vérifier la réponse E. La réponse E suggère que la cryolite fournit des ions sodium, qui aident à transporter le courant électrique. La cryolite contient bien l’élément sodium, et on sait que la cryolite améliore la conductivité. Ainsi, la réponse E est incorrecte et la réponse D est la bonne réponse.

L’alumine, qui est le nom couramment donné à l’oxyde d’aluminium, est dissoute dans la cryolite fondue à des températures d’environ 900C. Des rangées d’anodes en carbone sont ensuite abaissées dans le mélange électrolyte, ce qui ferme le circuit. La cellule électrolytique utilisée pour l’extraction de l’aluminium (représentée par le diagramme ci-dessous) a été développée en 1886 simultanément par le chimiste américain Charles Martin Hall et le chimiste français Paul Héroult.

On peut décrire les réactions qui ont lieu pendant l’électrolyse en termes d’oxydoréduction et de mouvement des électrons. L’oxydation est considérée comme la perte d’électrons, tandis que la réduction implique le gain d’électrons. L’acronyme anglais OIL RIG est souvent utilisé peut aider à mémoriser cette idée:Oxidation Is Loss of electrons, Reduction Is Gain of electrons.

Pendant l’électrolyse, les ions aluminium sont attirés vers la cathode où ils sont réduits, en gagnant trois électrons chacun, et se transforment en atomes d’aluminium;l’aluminium métallique ainsi obtenu coule ensuite au fond de la cellule. Les ions oxyde, qui ont une charge négative, se déplacent vers l’anode où ils sont oxydés, perdant chacun deux électrons, puis s’associent pour former des molécules d’oxygène. Les demi-équations de l’électrolyse de l’alumine sont Al()+3eAl()3+ll2O()O()+4e22lg

Il faut additionner ces deux demi-équations pour obtenir l’équation globale de la cellule électrolytique. On doit équilibrer le nombre d’électrons de chaque côté de l’équation:4Al()+12e4Al()3+ll6O()3O()+12e22lg

Cela nous donne une équation globale de la réaction, qui peut être écrite comme 2AlO()4Al()+3O()232llg

Exemple 2: Mouvement des électrons lors de la réduction des ions aluminium

Complétez:Lors de l’extraction de l’aluminium, les aluminium sont parce qu’ils des électrons.

  1. ions, réduits, perdent
  2. atomes, oxydés, perdent
  3. atomes, réduits, perdent
  4. ions, oxydés, gagnent
  5. ions, réduits, gagnent

Réponse

On nous demande dans cette question de compléter une phrase portant sur l’aluminium et les électrons. En regardant les réponses possibles, on peut voir qu’il y a deux choix pour compléter le premier espace vide:ions ou atomes. Nous savons qu'on essaye de former des atomes d’aluminium par ce processus, et qu’on démarre avec l’alumine qui est une substance ionique, et ainsi, le bon choix pour le premier espace vide est probablement « ions », ce qui exclut les réponses B et C, mais continuons et vérifions le reste de la phrase. Pour que les ions métalliques deviennent des atomes, ils doivent gagner des électrons. On sait que le gain d’électrons est une réduction, et donc la phrase correcte est « lors de l’extraction de l’aluminium, les ions aluminium sont réduits parce qu’ils gagnent des électrons ». Ainsi, la bonne réponse est E.

Le processus d’électrolyse se poursuit 365 jours par an, 24 heures par jour, avec de l’oxyde d’aluminium se décomposant en aluminium métallique et en oxygène gazeux. Une croûte se forme continuellement en haut de la cellule, qui doit être cassée toutes les 3 à 4 minutes, pour que la cellule puisse être remplie avec de la nouvelle alumine. La température élevée provoque une réaction entre les anodes de carbone et l’oxygène produit lors de l’électrolyse, formant du dioxyde de carbone:C()+O()CO()sgg22 Par conséquent, les anodes de carbone se consument et doivent être remplacées chaque mois.

Exemple 3: Identifier les déchets gazeux produits par une cellule de Hall-Héroult

Étant donné le contenu de la cellule électrolytique utilisée pour l’extraction de l’aluminium, lequel des gaz suivants n’est probablement pas un déchet gazeux?

  1. O2
  2. H2
  3. CO
  4. CO2

Réponse

Cette question nous demande quel gaz, parmi quatre gaz différents, est peu susceptible d’être généré par une cellule électrolytique lors de l’extraction de l’aluminium.

Le premier choix est l’oxygène, O2:nous savons que l’alumine est en fait de l’oxyde d’aluminium, et que ses ions oxyde forment des molécules d’oxygène à l’anode;il est très probable que de l’oxygène gazeux soit produit, et ainsi, la réponse A est incorrecte.

La réponse B se réfère à l’hydrogène gazeux, H2. Il n’y a aucun composé contenant de l’hydrogène dans l’électrolyte ou dans la cellule;il est donc difficile d’imaginer d’où l’hydrogène pourrait venir. Par conséquent, la réponse B est probablement correcte, mais nous allons vérifier les deux derniers choix. Les réponses C et D correspondent à des oxydes de carbone;on sait que les anodes placées au sommet des cellules sont en carbone et que de l’oxygène est produit à l’anode, et il est donc fort probable qu’on obtienne du dioxyde de carbone ou du monoxyde de carbone, ce dernier provenant d’une oxydation incomplète, tous deux formant des déchets gazeux.

Maintenant que les réponses A, C et D sont éliminées, on peut confirmer que la bonne réponse est B.

Chaque cellule produit environ 50 kg d’aluminium par heure;une fois retiré de la cellule, l’aluminium est coulé sous forme de lingots d’aluminium pur ou associé avec d’autres métaux tels que le fer, le silicium, le manganèse et le magnésium pour produire des alliages. Après être coulés dans les formes et les quantités souhaitées, l’aluminium et ses alliages sont expédiés dans le monde entier pour être utilisés dans un large éventail de produits. Les menuiseries en aluminium, le papier alu dans nos cuisines et les câbles électriques aériens sont quelques applications classiques de ce métal extraordinaire, ainsi que les alliages d’aluminium qui sont également indispensables dans la fabrication des avions.

Points clés

  • L’aluminium doit être extrait de son minerai par électrolyse car il s’agit d’un métal très réactif, plus réactif que l’hydrogène et le carbone.
  • L’électrolyse se déroule dans une cellule électrolytique, avec un électrolyte composé d’alumine et de cryolite.
  • La cryolite aide à réduire la température de fonctionnement de la cellule et réduit ainsi les coûts.
  • L’aluminium fondu est produit par réduction dans la cellule, ainsi que l’oxygène gazeux en tant que déchet, qui réagit avec l’anode en carbone.
  • L’aluminium est un métal incroyablement important pour la société grâce à ses applications diverses et variées.

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