Karamö, le prof virtuelLeçon 15 sur 22
L'aluminium
Je connais les propriétés de l'aluminium, je sais comment on le fabrique à partir de la bauxite et j'écris ses principales réactions.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire les propriétés physiques et chimiques de l'aluminium
- Expliquer les étapes de fabrication de l'aluminium, de la bauxite au métal
- Écrire et équilibrer les équations de combustion de l'aluminium et de son action sur l'acide chlorhydrique
- Calculer la masse d'aluminium contenue dans une masse d'alumine
Avant de commencer : Structure de l'atome et valence ; propriétés des métaux ; corrosion (couche d'alumine protectrice) ; équilibrer une équation-bilan.
1Je découvre
Hawa habite à Sangarédi, près de Boké. Chaque jour, elle voit passer les longs trains chargés d'une terre rouge qui part vers le port de Kamsar pour être embarquée sur de grands navires. Son grand frère Alpha, qui travaille à la mine, lui explique : « Cette terre rouge, c'est de la bauxite. Dans d'autres pays, on la transforme en aluminium : le métal de tes marmites, des canettes, des fenêtres et même des avions. »
Hawa est intriguée. Comment une terre rouge peut-elle devenir un métal brillant et léger ? Pourquoi la Guinée, qui possède tant de bauxite, exporte-t-elle surtout le minerai brut ? Et pourquoi dit-on que fabriquer l'aluminium demande énormément d'électricité ?
Quelles sont les propriétés de l'aluminium, et comment le fabrique-t-on à partir de la bauxite ?
2Je comprends
1. Carte d'identité de l'aluminium
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Symbole | Al |
| Numéro atomique | Z = 13 (13 protons, 13 électrons) |
| Répartition des électrons | K² L⁸ M³ (3 électrons sur la couche externe) |
| Valence | 3 : il forme l'ion Al3+ |
| Masse atomique | 27 |
| Aspect | métal blanc argenté, brillant quand il est poli |
| Masse volumique | 2,7 g/cm³ |
| Température de fusion | 660 °C |
L'aluminium est le métal le plus abondant de la croûte terrestre. Mais on ne le trouve jamais à l'état pur dans la nature : il est toujours combiné à l'oxygène et à d'autres éléments, dans des roches.
2. Les propriétés physiques
- Il est léger : environ trois fois plus léger que le fer ou le cuivre à volume égal.
- Il est bon conducteur de l'électricité et de la chaleur.
- Il est malléable (feuilles d'aluminium très fines) et ductile (fils).
- Il n'est pas attiré par un aimant, contrairement au fer. On l'utilise pour trier les canettes d'aluminium et de fer lors du recyclage.
- Pur, il est assez mou ; on l'allie à d'autres métaux (duralumin) pour le rendre plus solide.
3. Les propriétés chimiques
Action du dioxygène. À froid, l'aluminium se couvre d'une fine couche d'alumine (Al2O3), imperméable, qui le protège de la corrosion (leçon précédente). En poudre, chauffé dans une flamme, il brûle avec une lumière blanche éblouissante :
4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3
Vérification : aluminium 4 = 2 × 2 ; oxygène 3 × 2 = 6 = 2 × 3.
Action de l'acide chlorhydrique. L'aluminium est attaqué par l'acide chlorhydrique. On observe une effervescence : il se dégage du dihydrogène (le gaz « aboie » à l'approche d'une flamme) et il se forme du chlorure d'aluminium, qui reste dissous :
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2
Vérification : Al : 2 = 2 ; H : 6 = 3 × 2 ; Cl : 6 = 2 × 3.
Action des solutions basiques. L'aluminium est aussi attaqué par une solution concentrée de soude (hydroxyde de sodium), avec dégagement de dihydrogène. C'est pourquoi il ne faut pas laver une marmite en aluminium avec des produits très basiques comme la soude caustique.
4. De la bauxite à l'aluminium
La bauxite est une roche riche en alumine hydratée, mélangée à des oxydes de fer (qui lui donnent sa couleur rouge) et à du sable. La fabrication se fait en deux grandes étapes.
Étape 1 : de la bauxite à l'alumine. On broie la bauxite, puis on la traite à chaud par une solution de soude qui dissout l'alumine. On élimine les impuretés (les « boues rouges »), puis on récupère l'alumine, une poudre blanche de formule Al2O3. En Guinée, l'usine de Fria produit de l'alumine à partir de la bauxite locale.
Étape 2 : de l'alumine à l'aluminium, par électrolyse. L'alumine fond à plus de 2 000 °C, ce qui est très difficile à atteindre. On la dissout donc dans un autre minéral fondu, la cryolithe, vers 950 °C. On fait passer un courant électrique très intense dans ce bain : l'aluminium liquide se dépose au fond de la cuve (à la cathode), et l'oxygène se dégage à l'anode en carbone. Le bilan simplifié est :
2 Al2O3 → 4 Al + 3 O2
Cette électrolyse consomme énormément d'électricité. C'est pourquoi les usines d'aluminium s'installent là où l'électricité est abondante et bon marché, souvent près de grands barrages hydroélectriques.
- 1Extraction de la bauxite (roche rouge) dans les mines, par exemple à Boké.
- 2Broyage puis traitement à chaud par la soude : on sépare les boues rouges.
- 3Obtention de l'alumine Al₂O₃, une poudre blanche.
- 4Dissolution de l'alumine dans la cryolithe fondue vers 950 °C.
- 5Électrolyse avec un courant très intense : l'aluminium liquide se dépose au fond de la cuve.
- 6Coulée en lingots, puis fabrication de tôles, fils, profilés, feuilles.
5. Calculer la masse d'aluminium dans l'alumine
Avec les masses atomiques Al = 27 et O = 16, la masse d'une « unité » d'alumine Al2O3 vaut :
2 × 27 + 3 × 16 = 54 + 48 = 102.
Dans 102 g d'alumine, il y a donc 54 g d'aluminium. La proportion d'aluminium est 54102 ≈ 0,53, soit environ 53 %.
Méthode
Pour trouver la masse d'aluminium dans une masse d'alumine :
- Je calcule la masse d'une unité Al₂O₃ : 2 × 27 + 3 × 16 = 102.
- J'écris la proportion d'aluminium : 54/102.
- Je multiplie la masse d'alumine par 54/102 (tableau de proportionnalité).
- J'arrondis raisonnablement et j'indique l'unité.
Exemple
Quelle masse d'aluminium peut-on obtenir, au maximum, à partir de 51 t d'alumine ?
Tableau de proportionnalité : 102 t d'alumine → 54 t d'aluminium.
51 t est la moitié de 102 t (51 ÷ 102 = 0,5).
Masse d'aluminium : 0,5 × 54 = 27 t.
Exemple
Quelle masse d'alumine faut-il pour produire 1 t d'aluminium ?
54 t d'aluminium ← 102 t d'alumine.
1 t d'aluminium ← 102 ÷ 54 ≈ 1,89 t d'alumine.
Il faut donc près de 2 t d'alumine par tonne d'aluminium, ce qui confirme l'ordre de grandeur « 2 t d'alumine → 1 t d'aluminium ».
6. Les usages et le recyclage
Grâce à sa légèreté, sa bonne conduction et sa résistance à la corrosion, l'aluminium sert à fabriquer des ustensiles de cuisine, des canettes, des feuilles d'emballage, des cadres de portes et fenêtres, des câbles électriques aériens, des pièces d'avions et de voitures.
L'aluminium se recycle très bien : on peut le refondre indéfiniment sans qu'il perde ses qualités. Refondre de l'aluminium usagé demande environ 95 % d'énergie en moins que de le fabriquer à partir de la bauxite. En Guinée, les artisans qui refondent les vieilles pièces d'aluminium pour couler des marmites pratiquent ce recyclage.
3Je retiens
Je retiens
Aluminium : symbole Al, Z = 13, K² L⁸ M³, valence 3, ion Al³⁺ ; léger (2,7 g/cm³), fond à 660 °C, bon conducteur, non magnétique.
Il se couvre d'une couche d'alumine Al₂O₃ qui le protège de la corrosion.
Combustion : 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃. Avec l'acide chlorhydrique : 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂.
Minerai : la bauxite (Guinée : Boké, Fria, Kindia…).
Fabrication : bauxite → alumine (traitement à la soude) → aluminium (électrolyse de l'alumine dissoute dans la cryolithe, vers 950 °C).
Dans l'alumine, l'aluminium représente 54/102, soit environ 53 % de la masse.
L'aluminium se recycle très bien et le recyclage économise beaucoup d'énergie.
4Erreurs fréquentes
- Confondre bauxite, alumine et aluminium : la bauxite est la roche (minerai), l'alumine la poudre blanche Al₂O₃ qu'on en extrait, l'aluminium le métal obtenu par électrolyse.
- Croire que l'aluminium est attiré par un aimant : il ne l'est pas, contrairement au fer.
- Écrire AlO ou Al₃O₂ pour l'alumine : l'aluminium a une valence 3 et l'oxygène une valence 2, donc la formule est Al₂O₃.
- Oublier que le gaz dégagé avec l'acide chlorhydrique est du dihydrogène H₂ (et non du dioxygène).
5Je m’exerce
1Exercice 1
Complète le texte : L'aluminium a pour symbole …… et pour numéro atomique …… . Sa masse volumique est …… g/cm³ ; on dit qu'il est …… . Son minerai s'appelle la …… . On obtient le métal par …… de l'…… .
Voir le corrigéCacher le corrigé
L'aluminium a pour symbole Al et pour numéro atomique 13. Sa masse volumique est 2,7 g/cm³ ; on dit qu'il est léger. Son minerai s'appelle la bauxite. On obtient le métal par électrolyse de l'alumine.
2Exercice 2
Donne la répartition électronique de l'atome d'aluminium (Z = 13). Combien d'électrons perd-il pour former un ion ? Écris la formule de cet ion.
Voir le corrigéCacher le corrigé
K² L⁸ M³ (2 + 8 + 3 = 13 électrons). L'atome perd ses 3 électrons externes pour avoir une couche externe complète (L⁸). Il forme l'ion Al3+.
3Exercice 3
Recopie et équilibre les équations suivantes.
a) … Al + … O2 → … Al2O3
b) … Al + … HCl → … AlCl3 + … H2
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) 4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 (Al : 4 = 4 ; O : 6 = 6).
b) 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2 (Al : 2 = 2 ; H : 6 = 6 ; Cl : 6 = 6).
4Exercice 4
Remets dans l'ordre les étapes de la fabrication de l'aluminium : électrolyse ; extraction de la bauxite ; obtention de l'alumine ; coulée en lingots ; traitement à la soude ; dissolution dans la cryolithe fondue.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Extraction de la bauxite → traitement à la soude → obtention de l'alumine → dissolution dans la cryolithe fondue → électrolyse → coulée en lingots.
5Exercice 5
(Type BEPC) On donne : Al = 27 ; O = 16.
a) Calcule la masse d'une unité d'alumine Al2O3.
b) Quelle masse d'aluminium peut-on obtenir à partir de 204 t d'alumine ?
c) Pourquoi les usines d'électrolyse de l'aluminium sont-elles souvent construites près des grands barrages hydroélectriques ?
d) Cite deux avantages du recyclage de l'aluminium.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) 2 × 27 + 3 × 16 = 54 + 48 = 102.
b) 102 t d'alumine donnent 54 t d'aluminium ; 204 t, c'est deux fois plus (204 ÷ 102 = 2). Masse d'aluminium : 2 × 54 = 108 t.
c) L'électrolyse consomme énormément d'électricité ; les barrages hydroélectriques fournissent une électricité abondante et peu chère.
d) Le recyclage économise l'énergie (environ 95 % de moins que la fabrication à partir de la bauxite) et préserve le minerai ; il réduit aussi les déchets dans l'environnement.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
Crée ton compte élève gratuit pour cocher les leçons terminées, suivre ta progression et gagner des points au QCM.
