L’aluminium est un métal blanc argenté, doux, non magnétique et ductile du groupe du bore. En masse, l’aluminium représente environ 8% de la croûte terrestre; c’est le troisième élément le plus abondant après l’oxygène et le silicium et le métal le plus abondant dans la croûte, bien qu’il soit moins commun dans le manteau ci-dessous.
Environ 70% des cellules d’aéronefs civils commerciaux sont fabriquées à partir d’alliages d’aluminium, et sans l’aluminium, l’aviation civile ne serait pas économiquement viable. L’aluminium est extrait du minerai principal, la bauxite. D’importants gisements de bauxite se trouvent en Australie, dans les Caraïbes, en Afrique, en Chine et en Amérique du Sud.
Protons et Neutrons dans l’aluminium
L’aluminium est un élément chimique de numéro atomique 13, ce qui signifie qu’il y a 13 protons dans son noyau. Le nombre total de protons dans le noyau est appelé le numéro atomique de l’atome et porte le symbole Z. La charge électrique totale du noyau est donc + Ze, où e (charge élémentaire) est égal à 1 602 x 10-19 coulombs.
Le nombre total de neutrons dans le noyau d’un atome est appelé le nombre de neutrons de l’atome et reçoit le symbole N. Le nombre de neutrons plus le numéro atomique est égal au nombre de masse atomique: N + Z = A. La différence entre le nombre de neutrons et le numéro atomique est connue sous le nom d’excès de neutrons: D = N–Z = A–2Z.
Pour les éléments stables, il existe généralement une variété d’isotopes stables. Les isotopes sont des nucléides qui ont le même numéro atomique et sont donc le même élément, mais diffèrent par le nombre de neutrons. Les nombres de masse des isotopes typiques de l’aluminium sont de 27.
Isotopes principaux de l’aluminium
Des isotopes de l’aluminium, seul le 27Al est stable. Ceci est compatible avec l’aluminium ayant un numéro atomique impair. Seuls le 27Al (isotope stable) et le 26Al (isotope radioactif, t1/2 = 7,2×105 y) sont présents naturellement, mais le 27Al comprend presque tout l’aluminium naturel. À l’exception du 26Al, tous les radioisotopes ont une demi-vie inférieure à 7 minutes, la plupart inférieure à une seconde.
L’aluminium-27 est composé de 13 protons, 14 neutrons et 13 électrons. C’est le seul isotope primordial de l’aluminium, c’est-à-dire le seul qui ait existé sur Terre sous sa forme actuelle depuis la formation de la planète. Presque tout l’aluminium sur Terre est présent sous la forme de cet isotope, ce qui en fait un élément mononucléique
L’aluminium-26 est composé de 13 protons, 13 neutrons et 13 électrons. L’aluminium-26 cosmogénique a été utilisé pour la première fois dans l’étude de la Lune et des météorites. Les fragments de météorites, après leur départ de leur corps parent, sont exposés à un bombardement intense de rayons cosmiques pendant leur voyage dans l’espace, provoquant une production substantielle de 26Al. Après être tombé sur Terre, le blindage atmosphérique protège les fragments de météorite de la production ultérieure de 26 Al, et sa désintégration peut ensuite être utilisée pour déterminer l’âge terrestre de la météorite.
Isotopes Stables
| Isotope | Abondance | Nombre de neutrons |
| 27A | 100% | 14 |
Isotopes Instables Typiques
| Isotope | Demi-vie | Désintégration Mode | Produit |
| 26Al | 7,17×105 y | désintégration des positons | 26Mg |
| 28A | 2.245(5) min | désintégration bêta | 28Si |
Électrons et Configuration électronique
Le nombre d’électrons dans un atome électriquement neutre est le même que le nombre de protons dans le noyau. Par conséquent, le nombre d’électrons dans l’atome neutre de l’aluminium est de 13. Chaque électron est influencé par les champs électriques produits par la charge nucléaire positive et les autres électrons négatifs (Z–1) de l’atome.
Puisque le nombre d’électrons et leur disposition sont responsables du comportement chimique des atomes, le numéro atomique identifie les différents éléments chimiques. La configuration de ces électrons découle des principes de la mécanique quantique. Le nombre d’électrons dans les coques électroniques de chaque élément, en particulier la coque de valence la plus externe, est le principal facteur déterminant son comportement de liaison chimique. Dans le tableau périodique, les éléments sont listés par ordre de numéro atomique croissant Z.
La configuration électronique de l’aluminium est 3s2 3p1.
Les états d’oxydation possibles sont -2; -1; +1; +2; +3.
Un atome d’aluminium a 13 électrons, disposés dans une configuration électronique de 3s2 3p1, avec trois électrons au-delà d’une configuration de gaz noble stable. L’aluminium peut relativement facilement céder ses trois électrons les plus externes dans de nombreuses réactions chimiques (voir ci-dessous). L’électronégativité de l’aluminium est de 1,61 (échelle de Pauling). La grande majorité des composés, y compris tous les minéraux contenant de l’aluminium et tous les composés d’aluminium commercialement importants, présentent l’aluminium à l’état d’oxydation 3 +. Le nombre de coordination de ces composés varie, mais généralement Al3+ est de six ou quatre coordonnées. Presque tous les composés d’aluminium (III) sont incolores.
Alliage d’aluminium le plus courant
En général, les alliages d’aluminium de la série 6000 sont alliés au magnésium et au silicium. L’alliage 6061 est l’un des alliages les plus utilisés de la série 6000. Il a de bonnes propriétés mécaniques, il est facile à usiner, il est soudable et peut être durci par précipitation, mais pas aux résistances élevées que 2000 et 7000 peuvent atteindre. Il a une très bonne résistance à la corrosion et une très bonne soudabilité bien qu’il ait une résistance réduite dans la zone de soudure. Les propriétés mécaniques de 6061 dépendent grandement de l’humeur, ou du traitement thermique, du matériau. Par rapport à l’alliage 2024, le 6061 est plus facile à travailler et reste résistant à la corrosion même lorsque la surface est abrasée.
Un proton est l’une des particules subatomiques qui composent la matière. Dans l’univers, les protons sont abondants, représentant environ la moitié de toute la matière visible. Il a une charge électrique positive (+1e) et une masse au repos égale à 1,67262 × 10-27 kg (938,272 MeV / c2) — légèrement plus légère que celle du neutron mais presque 1836 fois supérieure à celle de l’électron. Le proton a un rayon carré moyen d’environ 0,87 × 10-15 m, ou 0,87 fm, et c’est un fermion spin–½.
Les protons existent dans les noyaux des atomes typiques, avec leurs homologues neutres, les neutrons. Les neutrons et les protons, communément appelés nucléons, sont liés ensemble dans le noyau atomique, où ils représentent 99,9% de la masse de l’atome. La recherche en physique des particules à haute énergie au 20e siècle a révélé que ni le neutron ni le proton n’étaient le plus petit élément constitutif de la matière.
Un neutron est l’une des particules subatomiques qui composent la matière. Dans l’univers, les neutrons sont abondants, représentant plus de la moitié de toute la matière visible. Il n’a pas de charge électrique et une masse au repos égale à 1,67493 × 10-27 kg — légèrement supérieure à celle du proton mais presque 1839 fois supérieure à celle de l’électron. Le neutron a un rayon carré moyen d’environ 0,8 ×10-15 m, ou 0,8 fm, et c’est un fermion spin-½.
Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, qui s’attirent par la force nucléaire, tandis que les protons se repoussent par la force électrique en raison de leur charge positive. Ces deux forces sont en concurrence, conduisant à une stabilité variée des noyaux. Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment des noyaux stables.
Les neutrons stabilisent le noyau, car ils s’attirent les uns les autres et les protons, ce qui aide à compenser la répulsion électrique entre les protons. En conséquence, à mesure que le nombre de protons augmente, un rapport croissant des neutrons aux protons est nécessaire pour former un noyau stable. S’il y a trop ou trop peu de neutrons pour un nombre donné de protons, le noyau résultant n’est pas stable et il subit une désintégration radioactive. Les isotopes instables se désintègrent par diverses voies de désintégration radioactive, le plus souvent la désintégration alpha, la désintégration bêta ou la capture d’électrons. De nombreux autres types de désintégration rares, tels que la fission spontanée ou l’émission de neutrons, sont connus. Il convient de noter que toutes ces voies de désintégration peuvent s’accompagner de l’émission ultérieure de rayonnement gamma. Les désintégrations alpha ou bêta pures sont très rares.
Le tableau périodique est un affichage tabulaire des éléments chimiques organisés sur la base de leurs numéros atomiques, de leurs configurations électroniques et de leurs propriétés chimiques. La configuration électronique est la distribution des électrons d’un atome ou d’une molécule (ou d’une autre structure physique) en orbitales atomiques ou moléculaires. La connaissance de la configuration électronique des différents atomes est utile pour comprendre la structure du tableau périodique des éléments.
Tout solide, liquide, gaz et plasma est composé d’atomes neutres ou ionisés. Les propriétés chimiques de l’atome sont déterminées par le nombre de protons, en fait, par le nombre et la disposition des électrons. La configuration de ces électrons découle des principes de la mécanique quantique. Le nombre d’électrons dans les coques électroniques de chaque élément, en particulier la coque de valence la plus externe, est le principal facteur déterminant son comportement de liaison chimique. Dans le tableau périodique, les éléments sont listés par ordre de numéro atomique croissant Z.
C’est le principe d’exclusion de Pauli qui exige que les électrons d’un atome occupent différents niveaux d’énergie au lieu qu’ils se condensent tous à l’état fondamental. L’ordre des électrons dans l’état fondamental des atomes multiélectroniques commence par l’état d’énergie le plus bas (état fondamental) et se déplace progressivement de là vers le haut de l’échelle d’énergie jusqu’à ce que chacun des électrons de l’atome se soit vu attribuer un ensemble unique de nombres quantiques. Ce fait a des implications clés pour l’élaboration du tableau périodique des éléments.
Les deux premières colonnes sur le côté gauche du tableau périodique sont l’endroit où les sous-coquilles s sont occupées. Pour cette raison, les deux premières lignes du tableau périodique sont étiquetées comme le bloc s. De même, le bloc p est les six colonnes les plus à droite du tableau périodique, le bloc d est les 10 colonnes du milieu du tableau périodique, tandis que le bloc f est la section de 14 colonnes qui est normalement représentée comme détachée du corps principal du tableau périodique. Cela pourrait faire partie du corps principal, mais alors le tableau périodique serait plutôt long et encombrant.
Pour les atomes avec beaucoup d’électrons, cette notation peut devenir longue et une notation abrégée est donc utilisée. La configuration électronique peut être visualisée comme les électrons de cœur, équivalents au gaz noble de la période précédente, et les électrons de valence (par exemple 6s2 pour le baryum).
États d’oxydation
Les états d’oxydation sont généralement représentés par des entiers qui peuvent être positifs, nuls ou négatifs. La plupart des éléments ont plus d’un état d’oxydation possible. Par exemple, le carbone a neuf états d’oxydation entiers possibles de -4 à +4.
La définition actuelle du Livre d’or de l’UICPA de l’état d’oxydation est:
« L’état d’oxydation d’un atome est la charge de cet atome après approximation ionique de ses liaisons hétéronucléaires… »
et le terme nombre d’oxydation est presque synonyme. Un élément qui n’est combiné à aucun autre élément différent a un état d’oxydation de 0. L’état d’oxydation 0 se produit pour tous les éléments – c’est simplement l’élément sous sa forme élémentaire. Un atome d’un élément d’un composé aura un état d’oxydation positif s’il a eu des électrons enlevés. De même, l’ajout d’électrons entraîne un état d’oxydation négatif. Nous avons également fait la distinction entre les états d’oxydation possibles et communs de chaque élément. Par exemple, le silicium a neuf états d’oxydation entiers possibles de -4 à +4, mais seuls -4, 0 et +4 sont des états d’oxydation communs.
Résumé
| Élément | Aluminium |
| Nombre de protons | 13 |
| Nombre de neutrons (isotopes typiques) | 27 |
| Nombre d’électrons | 13 |
| Configuration électronique | 3s2 3p1 |
| États d’oxydation | -2; -1; +1; +2; +3 |
