Chlorure d’Aluminium: Propriétés, Production et Utilisations

1.2. Réactions chimiques du chlorure d’aluminium anhydre

Le chlorure d’aluminium anhydre réagit vigoureusement avec l’eau pour donner du chlorure d’hydrogène. Cette réaction conduit à la formation de l’hexahydrate AlCl3 • 6 H2O, de masse molaire 241,44 g/mol.

Dans les solutions aqueuses, le chlorure d’aluminium subit une hydrolyse partielle, produisant de l’acide chlorhydrique et de l’oxychlorure d’aluminium, noté AlClO. Ce comportement du chlorure d’aluminium en milieu aqueux souligne les défis de l’isolement du chlorure d’aluminium anhydre par concentration de la solution et calcination des hydrates.

Le chauffage du chlorure d’aluminium aux côtés de l’alumine γ entraîne la formation d’oxychlorure d’aluminium, AlClO. Cependant, à des températures supérieures à 700°C, cette réaction inverse le sens :

AlCl3 + Al2O3 ↔ 3 AlClO

Dans des conditions spécifiques, le chlorure d’aluminium vaporisé peut réagir avec l’aluminium fondu à 1000°C et à pression réduite, donnant un monochlorure d’aluminium volatil AlCl. Ce composé se décompose immédiatement en ses constituants élémentaires dans les sections plus froides du réacteur. Un tel processus a été exploité pour la purification de l’aluminium.

La réaction entre le chlorure d’aluminium et divers halogénures métalliques, tels que CaCl2, CrCl3 et FeCl3, donne des halogénures mixtes. Les masses fondues eutectiques, formées avec d’autres chlorures métalliques, sont importantes pour l’industrie. Par exemple, la masse fondue eutectique formée avec le chlorure de sodium sert de solvant dans les réactions de chloration.

Le chlorure d’aluminium anhydre se dissout facilement dans les solvants organiques polaires. Fonctionnant comme un acide de Lewis, il s’engage dans la création de composés d’addition avec un réseau de donneurs d’électrons. Ceux-ci comprennent le chlorure d’hydrogène, le sulfure d’hydrogène, le dioxyde de soufre, le tétrachlorure de soufre, le trichlorure de phosphore, les éthers, les esters, les amines et les alcools.

1.3. Production de chlorure d’aluminium anhydre

Le chlorure d’aluminium anhydre peut être produit à partir d’aluminium ou d’oxyde d’aluminium pur. La bauxite n’est plus utilisée comme matière première car elle contient du chlorure de fer.

1.3.1. Chloration de l’aluminium

La méthode la plus courante de production de chlorure d’aluminium anhydre consiste à chlorer l’aluminium fondu. Le chlore est passé à travers l’aluminium fondu dans un réacteur revêtu de céramique. La réaction est fortement exothermique :

2 Al(s) + 3 Cl2(g) → Al2Cl6(s)  ⇒ ΔH° = -1411 kJ/mol

La température dans le réacteur est maintenue entre 670 et 850 °C en contrôlant les débits de chlore et d’aluminium et en refroidissant les parois du réacteur avec de l’eau. L’aluminium est généralement ajouté sous forme de morceaux. La difficulté de contrôler la grande chaleur de réaction peut être surmontée en divisant le procédé en un certain nombre de petites unités.

La vapeur de chlorure d’aluminium qui quitte le réacteur passe à travers des tubes revêtus de céramique dans de grandes chambres en fer refroidies à l’air. Le chlorure d’aluminium solide est retiré des parois du condenseur à intervalles réguliers, broyé (pour éviter l’absorption d’humidité) et classé par tamisage. Le chlore dans le gaz de dégagement est éliminé par des méthodes conventionnelles, telles que l’absorption dans une solution de soude caustique.

1.3.2. Chloration de l’oxyde d’aluminium pur

La chloration de l’oxyde d’aluminium pur est une méthode alternative pour produire du chlorure d’aluminium anhydre. Cette méthode est avantageuse par rapport à la chloration de l’aluminium car elle produit un produit de plus grande pureté et évite les coûts élevés de matières premières de la chloration de l’aluminium.

Lors de la chloration de l’oxyde d’aluminium pur, le monoxyde de carbone et le chlore sont partiellement convertis en phosgène sur un catalyseur au charbon actif. Le mélange réactionnel gazeux entre ensuite dans un réacteur à lit fluidisé revêtu de briques, où il réagit avec de l’alumine γ finement divisée pour donner du chlorure d’aluminium.

La réaction est suffisamment exothermique (environ 300 kJ/mol, basé sur AlCl3) pour maintenir la température à 500–600 °C sans chaleur externe. Cela permet l’utilisation de grands réacteurs et une longue durée de vie pour le revêtement en briques.

La vapeur de chlorure d’aluminium est filtrée à travers un lit de copeaux de pierre ponce grossière, condensée et traitée ultérieurement comme décrit ci-dessus. Le dégagement gazeux contient du chlore, du phosgène et de grandes quantités de dioxyde de carbone.

Le chlore est éliminé par épuration et le phosgène est hydrolysé avec de l’eau. Le chlorure d’aluminium extrêmement pur peut être obtenu par sublimation à partir de chlorure d’aluminium et de sodium fondu.

1.4. Utilisations du chlorure d’aluminium anhydre

Le chlorure d’aluminium anhydre est un catalyseur important dans les industries chimiques et pétrochimiques. Il est utilisé dans une variété de réactions, y compris :

• L’alkylation du benzène par des halogénures d’alkyle pour former des alkylbenzènes, qui sont utilisés dans la production de détergents synthétiques.
• L’éthylation en phase liquide du benzène avec de l’éthylène pour donner de l’éthylbenzène, qui est utilisé dans la production de styrène.
• La production de chlorure d’éthyle à partir d’acide chlorhydrique et d’éthylène.
• La production d’anthraquinone et de ses dérivés, utilisés dans l’industrie des colorants.
• La production de pigments, comme le vert de phtalocyanine.
• La finition des pigments de dioxyde de titane pour les protéger de l’oxydation.
• Le reformage d’hydrocarbures, en tant que catalyseur de polymérisation dans la production de résines d’hydrocarbures et pour la production de caoutchouc butyle.
• La production de composés, tels que les aldéhydes aromatiques, les cétones et le 2-phényl-éthanol, utilisés dans les parfums.
• La production de borohydrure d’aluminium, d’hydrure de lithium et d’aluminium et de composés de phosphore et de soufre.

Les solutions de chlorure d’aluminium sont également utilisées comme agents floculants dans le traitement des eaux usées.

En plus de ces utilisations, le chlorure d’aluminium anhydre est également un intermédiaire dans la production d’aluminium par le procédé de fusion Alcoa.

1.5. Toxicité et manipulation

Le chlorure d’aluminium anhydre est une substance corrosive et irritante qui peut endommager la peau, les yeux et les voies respiratoires. C’est aussi un toxique, et sa toxicité est causée par l’évolution de l’acide chlorhydrique lorsqu’il entre en contact avec l’humidité.

Le chlorure d’aluminium anhydre doit être manipulé avec soin et conformément aux règles de sécurité en vigueur. Un équipement de protection individuelle (EPI) tel que des lunettes, des gants et des vêtements de protection doit être porté lors de la manipulation de cette substance. Une hotte ou un respirateur avec un filtre de type B/St contre les gaz acides doit également être utilisé.

Le chlorure d’aluminium anhydre doit être stocké dans un endroit frais et sec dans des récipients hermétiquement fermés. Il ne doit pas être conservé plus de six mois, car il a tendance à s’agglutiner. Lors du transport de chlorure d’aluminium anhydre, celui-ci doit être correctement emballé et étiqueté conformément aux réglementations en vigueur.

Les précautions de sécurité suivantes doivent être prises lors de la manipulation de chlorure d’aluminium anhydre :

• Eviter tout contact avec la peau, les yeux et les muqueuses.
• Ne pas respirer la poussière ou la vapeur.
• Utilisez une hotte ou un respirateur lorsque vous travaillez avec cette substance.
• Bien se laver les mains après manipulation.
• Éliminer les déversements et les déchets correctement.

2. Chlorure d’aluminium hexahydraté

2.1. Propriétés du chlorure d’aluminium hexahydraté

Le chlorure d’aluminium hexahydraté est un solide cristallin blanc de formule AlCl3·6H2O. Il a une structure cristalline hexagonale et se dissout de manière exothermique dans l’eau (133 g d’hexahydrate pour 100 g d’eau à 20 °C). La solubilité n’augmente que légèrement avec la température. Les solutions aqueuses sont fortement acides car le sel s’hydrolyse. Le chlorure d’hydrogène se dégage lors du chauffage de solutions concentrées.

Voici quelques propriétés supplémentaires du chlorure d’aluminium hexahydraté :

• Masse molaire : 241,43 g/mol
• Densité : 2,40 g/cm3
• Point de fusion : 100 °C (déc.)
• Hygroscopicité : Oui
• Odeur : Légère odeur de HCl
• Dangers pour la sécurité : Corrosif, irritant, toxique

2.2. Production et utilisations du chlorure d’aluminium hexahydraté

Le chlorure d’aluminium hexahydraté est produit en dissolvant de l’hydroxyde d’aluminium dans de l’acide chlorhydrique. L’hexahydrate cristallise lorsqu’on fait passer du chlorure d’hydrogène dans une solution saturée froide (environ 20 °C). Ce processus élimine les impuretés, telles que le chlorure de fer (III).

Le chlorure d’aluminium hexahydraté n’est pas largement utilisé seul, mais c’est un intermédiaire important dans la production d’oxyde d’aluminium. Il est également utilisé dans la production d’émulsions photographiques et comme agent floculant dans le traitement des eaux usées.

Voici quelques informations supplémentaires sur la production et les utilisations du chlorure d’aluminium hexahydraté :

• Production : Le chlorure d’aluminium hexahydraté est produit à grande échelle par le procédé Solvay. Dans ce procédé, l’hydroxyde d’aluminium est dissous dans de l’acide chlorhydrique, et la solution résultante est ensuite évaporée à sec. Les cristaux d’hexahydrate sont ensuite séparés de la solution.
• Utilisations : Le chlorure d’aluminium hexahydraté est utilisé dans la production d’oxyde d’aluminium, qui est utilisé dans une variété d’applications, telles que la fabrication d’aluminium métallique, de peintures et de pigments. Il est également utilisé dans la production d’émulsions photographiques et comme agent floculant dans le traitement des eaux usées.

3. Chlorures d’aluminium basiques

3.1. Propriétés des chlorures d’aluminium basiques

Les chlorures d’aluminium basiques sont une classe de composés de formule générale Al₂(OH)_6–nCl_{n • x}H₂O. Les composés individuels sont mieux définis par leur rapport molaire de l’aluminium au chlorure (2/n) ou par leur basicité, qui est définie comme (1 – n/6) × 100 %.

La basicité des chlorures d’aluminium basiques varie de 30% à 75%. Les composés avec une basicité inférieure à 30% sont instables et se décomposent en hydroxyde d’aluminium et en oxyde d’aluminium lors du chauffage. Les composés dont la basicité est supérieure à 75 % sont stables en solution aqueuse.

Les chlorures d’aluminium basiques sont des solides cristallins blancs solubles dans l’eau. La solubilité augmente avec la basicité du composé. La conductivité électrique des solutions aqueuses de chlorures d’aluminium basiques est caractéristique des composés.

Les solutions aqueuses de chlorures d’aluminium basiques sont acides car les composés s’hydrolysent. La stabilité des solutions dépend de la basicité du composé.

Les composés dont la basicité est inférieure à 75 % se décomposent en chlorure d’aluminium basique insoluble à une vitesse qui dépend de la température et de la concentration de la solution. Les composés avec une basicité de plus de 75% sont très stables en solution aqueuse.

Lorsque les chlorures d’aluminium basiques sont évaporés, le composé Al₂(OH)_3.7Cl_2.3 • 6.05 H₂O (basicité 62%) cristallise toujours. Lors de l’addition d’alcali aux chlorures d’aluminium basiques, l’hydroxyde d’aluminium précipite.

L’acide chlorhydrique convertit tous les chlorures d’aluminium basiques en hexahydrate, AlCl₃·6 H₂O.

3.2. Structure chimique des chlorures d’aluminium basiques

Les chlorures d’aluminium basiques sont connus depuis longtemps, mais ce n’est que récemment que des recherches ont donné un aperçu significatif de leurs structures chimiques. Les chlorures d’aluminium basiques sont des mélanges de composés complexes de divers degrés de polymérisation.

Les études spectroscopiques et cinétiques des chlorures d’aluminium basiques et de leurs solutions ont conduit à la conclusion que l’ion complexe [Al₁₃O₄(OH)₂₄(H₂O)₁₂]⁷⁺ est présent et en équilibre avec ses formes polymères.

Les variations observées dans les propriétés de ces solutions aqueuses, telles que la viscosité et le pH, sont causées par la polymérisation et la dépolymérisation de l’ion complexe.

3.3. Production de chlorures d’aluminium basiques

Les chlorures d’aluminium basiques sont fabriqués en dissolvant soit de l’hydroxyde d’aluminium, soit de l’aluminium métallique dans de l’acide chlorhydrique. L’hydroxyde d’aluminium qui a vieilli ne produira que des composés avec une basicité allant jusqu’à 65 %.

Pour obtenir des chlorures d’aluminium à haute basicité, il faut utiliser de l’hydroxyde d’aluminium fraîchement précipité. Cependant, la méthode préférée consiste à dissoudre l’aluminium dans de l’acide chlorhydrique, soit thermiquement soit électrochimiquement.

La méthode thermique consiste à chauffer un mélange d’aluminium et d’acide chlorhydrique. La réaction est exothermique, la température doit donc être soigneusement contrôlée. La solution résultante contiendra du chlorure d’aluminium et de l’eau. La basicité de la solution peut être augmentée en ajoutant plus d’acide chlorhydrique.

La méthode électrochimique consiste à faire passer un courant électrique à travers une solution d’aluminium et d’acide chlorhydrique. Cela provoque la dissolution de l’aluminium et la formation de chlorure d’aluminium. La basicité de la solution peut être augmentée en ajustant le courant ou la durée pendant laquelle la réaction est autorisée à se dérouler.

Les chlorures d’aluminium basiques solides sont obtenus à partir des solutions par évaporation soigneuse ou par séchage par pulvérisation.

Récemment, une autre méthode de production de chlorures d’aluminium basiques a été développée. Cette méthode implique une décomposition thermique contrôlée de AlCl3 • 6H2O.

3.4. Utilisations des chlorures d’aluminium basiques

Les utilisations des chlorures d’aluminium basiques, y compris les chlorures de polyaluminium (PAC) et le chlorhydrate d’aluminium, sont les suivantes :

1. Les chlorures de polyaluminium (PAC) avec des basicités de 35% à 60% sont largement utilisés comme agents floculants pour purifier l’eau. Ils aident à agglomérer les impuretés, ce qui facilite leur élimination de l’eau. Le CAP est utilisé dans le traitement des eaux de surface, des eaux usées, des eaux usées industrielles et même dans les piscines.
2. Le PAC sert d’agent d’encollage de fixation dans l’industrie papetière. Il aide à rendre le papier plus solide et plus résistant. Cela était particulièrement important lors du passage de méthodes d’encollage acides à neutres ou alcalines, remplaçant le sulfate d’aluminium traditionnel.
3. Le chlorohydrate d’aluminium, un type spécifique de chlorure d’aluminium basique, est utilisé dans les cosmétiques, en particulier les antisudorifiques. C’est un ingrédient important qui aide à réduire la transpiration. Il doit être très pur à cette fin.
4. Production de catalyseurs et fibres : Le chlorohydrate d’aluminium a des applications dans la production de catalyseurs et la création de fibres résistantes à la température à base d’Al2O3. Cela étend son utilisation à diverses industries qui ont besoin de ces matériaux.
5. Le chlorhydrate d’aluminium sert d’agent hydrophobe dans l’imprégnation des textiles en coton. Il contribue également aux processus de tannage du cuir.
6. Dans la production de papier, le chlorohydrate d’aluminium agit comme un agent de rétention, contribuant à améliorer la qualité du papier. Il est également utilisé comme liant dans la production de produits céramiques résistants au feu.
7. Le chlorhydrate d’aluminium est utilisé comme agent de durcissement pour fixer rapidement les bains dans l’industrie photographique. De plus, il fonctionne comme un floculant, aidant à purifier l’eau de la piscine en agglomérant les impuretés pour une élimination plus facile.

3.5. Toxicologie

Le chlorhydrate d’aluminium est généralement considéré comme non irritant pour la peau aux concentrations utilisées commercialement.

Cependant, l’application intermittente de 150 mg de chlorhydrate d’aluminium sur une période de 3 jours a provoqué une légère irritation cutanée chez l’homme.

En comparaison, une dose de seulement 7,5 mg de AlCl3·6H2O (un autre type de chlorure d’aluminium basique) a provoqué le même degré d’irritation.

Dans l’ensemble, les preuves disponibles suggèrent que le chlorhydrate d’aluminium est généralement sans danger pour une utilisation dans les cosmétiques. Cependant, il est important de noter que certaines personnes peuvent être plus sensibles à ce composé que d’autres.

Référence

• Aluminum Compounds, Inorganic; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2