mai 2012

Réactions métallothermiques

Un bref historique

Par Fathi Habashi

1re partie

L'extraction d'un métal à partir de son substrat solide en utilisant un autre métal et des méthodes thermiques n'a été rendue possible qu'après la découverte et l'isolement des métaux alcalins par Humphry Davy en 1808. Cette technique a été améliorée avec la découverte et l'isolement de l'aluminium par Hans Christian Ørsted en 1826 et par Friedrich Wöhler de1827 à 1845. Le fait qu'il était difficile de libérer ces métaux alcalins ainsi que l'aluminium de leurs « terres » suggérait que ces métaux pouvaient eux-mêmes servir à libérer d'autres métaux difficiles à isoler. Une réaction similaire qui se produit dans les solutions aqueuses et qui est connue sous le nom de cémentation était utilisée par les alchimistes.

La première application industrielle des réactions métallothermiques a été réalisée en 1854 par Henri Sainte-Claire Deville, qui produisit de l'aluminium métallique en réduisant le chlorure double d'aluminium et de sodium en fusion, AlCl3·NaCl, avec du sodium. La réaction endothermique suivante : AlCl3·NaCl + 3Na → Al + 4NaCl était effectuée dans un four à réverbère.

Lorsque Charles Martin Hall aux États-Unis et Paul Louis Toussaint Héroult en France inventèrent simultanément et de façon indépendante le procédé de l'électrolyse pour la production de l'aluminium en 1888, leur procédé remplaça immédiatement celui de Sainte-Claire Deville.

Contexte historique

L'idée d'extraire un métal de son substrat solide en utilisant un autre métal et des méthodes thermiques a été appliquée la première fois par les chimistes français Joseph Louis Gay-Lussac et Louis Jacques Thénard en 1808, et de façon indépendante par Davy qui fut le premier à isoler le bore en faisant réagir de l'acide borique avec du potassium. En 1811, Gay-Lussac et Thénard firent réagir du fluorure de silicium gazeux dans du potassium chauffé; bien qu'ils n'identifièrent pas la substance brune ainsi obtenue, on pense qu'il s'agissait de silicium amorphe impur. Le fluorure de silicium avait déjà été obtenu en 1771 par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), en chauffant un mélange de sable et de fluorine avec de l'acide sulfurique concentré. C'est cependant un autre chimiste suédois, Jöns Jakob Berzelius, qui développa la technique et qui fut le premier à obtenir d'autres métaux en utilisant cette méthode. Il obtint du zirconium en 1824, du titane en 1825, du thorium en 1828 et du vanadium en 1831. Les autres chimistes lui emboîtèrent le pas.

Les réactions métallothermiques visent à obtenir des métaux et des alliages en réduisant leurs oxydes ou leurs halogénures avec un autre métal. On peut exprimer cette réaction de façon générale par l'équation suivante : AX + B → A + BX, où X représente l'oxygène, le chlore ou le fluor, et A et B représentent deux métaux. Elle se caractérise par le fait que le métal réducteur se transforme en un produit solide ou liquide plutôt qu'en gaz comme c'est le cas dans les autres processus de réduction, par exemple, en utilisant du carbone ou de l'hydrogène où CO + CO2 et H2O sont formés, respectivement. En fait, on utilise cette méthode lorsque la réduction par le carbone et l'hydrogène ou par électro-extraction à partir de solutions aqueuses n'est pas possible.

Les métaux réducteurs les plus couramment utilisés sont l'aluminium, le calcium, le ferrosilicium, le magnésium et le sodium. Le choix d'un métal réducteur tient compte de plusieurs facteurs. De façon générale, le métal doit avoir une forte affinité pour le composé à réduire, être bon marché, avoir un point d'ébullition élevé et une faible pression de vapeur, produire un laitier qui peut facilement être fondu ou lessivé, ne pas former de composés intermétalliques avec le métal produit et être facile à manipuler. Les réactions métallothermiques peuvent être exothermiques ou endothermiques. Dans un système exothermique, la réaction se produit de telle manière que lorsque le mélange est allumé à un endroit, la réaction se poursuit de façon spontanée, en formant généralement un laitier fluide et le métal réduit est obtenu sous la forme d'une matte compacte et uniforme.

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