Transcription de la vidéo
Dans cette vidéo, nous allons apprendre comment décrire l’extraction de l’aluminium à partir de son minerai en utilisant l'électrolyse. Pourquoi extrait-on l’aluminium ? Pourquoi est-il aussi important ? L’aluminium a de nombreuses applications utiles dans l’industrie et dans notre vie quotidienne. C’est donc un métal d’une grande importance économique. Il est léger, solide et flexible. Une couche d’oxyde se forme à la surface de l’aluminium quand il est exposé à l’air pendant un certain temps, mais c’est une couche protectrice qui aide le métal à rester solide et intact. Et le métal en dessous est protégé de la corrosion.
D’où vient l’aluminium pur ? L’aluminium, le métal le plus abondant de la croûte terrestre, doit être extrait d’un minerai d’aluminium. Les minerais sont des matériaux solides tels que les roches, qui se produisent naturellement et qui contiennent des métaux précieux ou des minéraux qui peuvent être extraits. Des millions de tonnes d’aluminium sont produites chaque année dans le monde à partir de ses minerais. Le minerai d’aluminium le plus courant est la bauxite. La bauxite est une roche sédimentaire rouge-brun composée principalement d’oxyde d’aluminium, Al2O3, qu’on appelle l’alumine, ainsi que de dioxyde de silicium, SiO2, silice, le principal composant du sable, et elle contient aussi quelques impuretés d’oxyde de fer, le plus notable étant l’oxyde de fer (III), Fe2O3, qui donne à ce minerai sa couleur rouge-brun distinctive, et de petites quantités de dioxyde de titane blanc, TiO2.
L’extraction de l’aluminium, et sa séparation des autres composés contenus dans ses minerais, ont lieu dans de grandes fonderies. La bauxite est d’abord convertie en alumine par le procédé de Bayer, puis l’alumine est transformée en aluminium métallique par le procédé de Hall-Héroult. Dans le procédé de Bayer, le minerai de bauxite est d’abord concassé, broyé et réduit en poudre. Ensuite, il est ajouté à une solution chaude d’hydroxyde de sodium. L’hydroxyde de sodium réagit avec l’oxyde d’aluminium dans le minerai, ce qui dissout les composés d’aluminium. Les impuretés insolubles sont ensuite éliminées. Ensuite, les composés d’aluminium dissous sont refroidis, ce qui les fait précipiter, puis on les chauffe à nouveau pour produire de l’alumine.
Voilà un bref aperçu du procédé de Bayer. Mais en fait, l’objet de cette vidéo, c’est le procédé de Hall-Héroult. Pour transformer l’alumine en aluminium métallique, on utilise l’électrolyse. Lors d’une électrolyse, l’électricité traverse un électrolyte, ce qui provoque la décomposition de cet électrolyte en ses éléments constitutifs. Le processus d’électrolyse demande une grande quantité d’énergie, et la production de l’aluminium est donc très coûteuse. Mais alors, pourquoi est-ce qu’on utilise l’électrolyse pour extraire l’aluminium ? Pour répondre à cette question, nous devons savoir que la méthode qu’on choisit pour extraire un métal particulier dépend de la réactivité de ce métal. Cette série de réactivité montre des métaux relativement réactifs, et d’autre moins réactifs, classés par ordre de réactivité décroissante, par rapport à la réactivité d’un non-métal, le carbone.
Les métaux réactifs, qui comprennent l’aluminium, ont des oxydes très stables. Par exemple, l’aluminium n’est pas un métal pur dans la croûte terrestre, mais plutôt un composé d’aluminium. L’oxyde d’aluminium, ou alumine, est un composé très stable. Il faut beaucoup d’énergie pour séparer le métal de l’oxygène. Autrement dit, il faut beaucoup d’énergie pour réduire l’alumine en métal pur et produire de l’oxygène. C’est pour cette raison que l’électrolyse est la méthode de choix pour obtenir les métaux réactifs à partir de leurs oxydes. Les métaux moins réactifs ont cependant des oxydes moins stables.
Prenons par exemple l’oxyde de fer (III), qui se trouve dans l’hématite. Moins d’énergie est nécessaire pour séparer ce métal de l’oxygène. En général, le fer métallique est extrait par réduction à l’aide du carbone, puisque le carbone est plus réactif que le fer Le carbone réagit avec l’oxygène pour former du dioxyde de carbone, par exemple. Et cela se produit dans un haut fourneau. Donc, les métaux les plus bas de la liste sont généralement réduits avec du carbone pour obtenir le métal pur.
Maintenant, nous savons pourquoi l’aluminium est extrait de son minerai par électrolyse. Voyons ce procédé plus en détail. Nous avons dit que l’alumine est extraite de son minerai par le procédé de Bayer et que l’aluminium est extrait de l’alumine par électrolyse selon le procédé de Hall-Héroult. Cette étape est ce que nous allons voir maintenant. La figure montre une coupe transversale de la cellule d’électrolyse de Hall-Héroult. Elle se compose d’une couche extérieure de briques réfractaires, puis d’un caisson en acier. La troisième couche est une cathode en carbone qui tapisse la cellule. Le carbone est sous forme de graphite ou d’anthracite. La cathode dans une cellule électrolytique est l’électrode négative. Les anodes, de charge positive, sont également en carbone. La substance de départ du processus d’électrolyse est l’alumine.
En général, pour l’électrolyse, on fait fondre le composé de départ, puis de l’électricité le traverse pour séparer ses éléments. Mais le point de fusion de l’alumine est supérieur à 2 000 degrés Celsius. Donc, on mélange de la cryolithe à l’alumine, et le mélange fond alors à environ 900 degrés Celsius. La cryolithe a un point de fusion plus bas que l’alumine et agit comme un solvant pour créer un électrolyte de cryolithe et d’alumine fondues. Cela permet d’économiser de l’énergie et d’abaisser les coûts de production. Rappelons-nous ce qu’est un électrolyte. Un électrolyte est une substance avec des ions libres en mouvement, qui peuvent conduire l’électricité.
Maintenant que nous avons vu comment la cellule est construite, comment l’aluminium est-il produit ? Tout d’abord, l’électricité traverse l’électrolyte grâce aux anodes et à la cathode. À la cathode, les ions Al3+ gagnent des électrons et sont réduits. Nous pouvons écrire cette demi-équation comme suit. Les ions positifs gagnent des électrons. Ceci est un processus de réduction. On peut s’aider d’un moyen mnémotechnique pour s’en souvenir. Par exemple la réduction, qui commence par r, c’est lorsque l’espèce reçoit des électrons. L’aluminium liquide coule au fond de la cellule et il est évacué et collecté par une sortie. L’aluminium est ensuite coulé en blocs. Les ions négatifs de l’alumine, les ions oxyde, se déplacent vers les anodes. Et la réaction qui se produit est représentée par cette demi-équation. C’est un processus d’oxydation.
L’oxydation est une perte d’électrons, et nous pouvons voir que ces quatre électrons sont retirés de l’oxygène. Au cours du processus, de l’oxygène gazeux est produit et forme des bulles. À ces très hautes températures, une partie de l’oxygène réagit avec le carbone des anodes. Les anodes doivent donc être remplacées régulièrement, lorsqu’elles commencent à se désintégrer. On peut combiner ces deux demi-équations pour obtenir la réaction globale de la cellule électrolytique. On peut réécrire les deux équations. Ensuite, on multiplie chaque équation par un nombre approprié pour que les électrons puissent s’annuler. Si on multiplie l’équation du haut par quatre et celle du bas par trois, voici ce qu’on obtient. 12 électrons à gauche et 12 électrons à droite qui peuvent s’annuler.
Maintenant, on peut additionner les équations, et on obtient l’équation globale suivante : quatre Al3+ liquide plus six O2− liquide donnent quatre Al liquide plus trois O2 gazeux. On peut combiner ces ions pour obtenir la formule de l’alumine de départ. On peut voir que pour deux moles d’alumine ajoutées à la cellule, quatre moles d’aluminium sont produites. Dans l’industrie, plusieurs cellules électrolytiques comme celle-ci, parfois plus de 300, sont nécessaires pour produire de l’aluminium à un rythme économiquement viable.
Il faut un courant électrique de plus de 150 000 ampères et d’environ quatre volts par cellule. Il s’agit d’un procédé très énergivore nécessitant jusqu’à environ 15 kilowattheures par kilogramme d’aluminium produit, soit environ 54 mégajoules d’énergie nécessaires pour un kilogramme d’aluminium. Cela dit, les scientifiques recherchent des moyens de rendre ce procédé plus efficace. Maintenant, il est temps de s’exercer.
Lequel des énoncés suivants n’est pas une raison pour laquelle la cryolithe fait partie d’un électrolyte fondu dans l’extraction de l’aluminium ? (A) La cryolithe augmente la quantité d’électricité utilisée. (B) La cryolithe réduit la température à laquelle l’aluminium fond. (C) La cryolithe augmente la conductivité de l’électrolyte. (D) La cryolithe fournit des ions sodium qui aident à transporter le courant électrique. Ou (E) la cryolithe réduit la température de travail de la cellule d’électrolyse.
L’extraction de l’aluminium est un procédé en deux étapes. Tout d’abord, l’alumine est extraite du minerai de bauxite par le procédé de Bayer. Ensuite, l’aluminium pur est extrait de l’alumine par le procédé de Hall-Héroult. Ceci est un procédé d’électrolyse. L’électrolyse est un processus chimique dans lequel l’électricité traverse un électrolyte, ce qui provoque sa décomposition en ses éléments constitutifs. Dans la question, on nous interroge sur un électrolyte fondu, nous savons donc que nous examinons le processus d’électrolyse. Dans la cellule d’électrolyse de Hall-Héroult, on a une cathode en carbone et une anode en carbone.
L’électricité traverse un électrolyte contenant des ions aluminium, qui gagnent des électrons provenant de la cathode et sont réduits en aluminium métallique. Et cet aluminium métallique liquide coule au fond de la cellule et peut être collecté par une sortie où il est ensuite coulé en blocs. Si l’électrolyte était uniquement composé d’alumine fondue, c’est-à-dire d’oxyde d’aluminium liquide, alors l’alumine solide devrait être chauffée jusqu’à son point de fusion, qui est supérieur à 2 000 degrés Celsius. Cela nécessite beaucoup d’énergie. Donc, pour abaisser ce point de fusion, on ajoute de la cryolithe, qui est un composé de fluorure de sodium et d’aluminium. La cryolithe a un point de fusion inférieur à celui de l’oxyde d’aluminium et agit comme un solvant pour créer un mélange électrolyte de cryolithe fondue et d’alumine.
Ce mélange fond à environ 900 degrés Celsius, au lieu de plus de 2 000 degrés Celsius de l’alumine pure. On a donc besoin de moins d’énergie, moins d’électricité. Cela diminue les coûts de production. Dans la question, on nous demande quel énoncé n’est pas une raison pour laquelle on utilise la cryolithe. L’option (A), la cryolithe augmente la quantité d’électricité utilisée, n’est pas une raison pour laquelle on utilise la cryolithe. La cryolithe permet de diminuer la quantité d’électricité nécessaire.
Les quatre autres choix de réponse sont bien des raisons pour lesquelles on ajoute de la cryolithe. La cryolithe réduit la température à laquelle l’alumine fond. Elle augmente la conductivité de l’électrolyte. Elle fournit des ions sodium qui aident à transporter le courant électrique. Et elle réduit la température de fonctionnement de la cellule électrolytique. Enfin, « lequel des énoncés suivants n’est pas une raison pour laquelle la cryolithe fait partie d’un électrolyte fondu dans l’extraction de l’aluminium ? » La réponse est (A), la cryolithe augmente la quantité d’électricité utilisée.
Voici les points clés que nous avons appris sur l’extraction de l’aluminium. L’aluminium est économiquement important et il a de nombreuses applications utiles. La bauxite est le minerai d’aluminium le plus courant. Pour extraire l’aluminium de son minerai, on doit procéder à une électrolyse, car l’aluminium est plus réactif que le carbone. La cryolithe est utilisée pour diminuer la température à laquelle l’alumine fond. Et cela permet d’économiser de l’énergie et de diminuer les coûts de production. Et enfin, les ions Al3+ de l’alumine fondue sont réduits en aluminium métallique en gagnant des électrons.
