Cryolite

Meera Senthilingam

Cette semaine, des méchants de fiction et des avions de guerre. Lars Öhrström nous explique le composé qui relie les deux :

Lars Öhrström

Les méchants de fiction populaires appartiennent souvent à des organisations sinistres aux noms obscurs, et l’un des exemples les plus énigmatiques est la Cryolite Corporation du Danemark, apparaissant dans le roman à succès de 1992 de Peter Høeg, Miss Smilla’s Feeling for Snow.

Cependant, en plus de la protagoniste de Høeg, Smilla Jaspersen, les héros non fictionnels ont également des liens avec le produit chimique très réel et important nommé cryolite, de formule Na3AlF6. Par exemple, Vernon Jones atterrissant sa forteresse volante frappée de flocons et fuyant l’essence sur une tourbière du sud-ouest de la Suède en 1943, et Henry Larsen, commandant du St Roch lors d’un voyage dans le passage du Nord-Ouest en 1940, dont le but réel n’a été révélé que 50 ans plus tard.

La cryolite, également connue sous le nom d’hexafluoroaluminate de sodium, est un composé incolore formant des cristaux cubiques constitués de cations aluminium 3+ liant six anions fluorure F-, formant des octaèdres comme AlF63-, avec des ions sodium + plus petits pour équilibrer la charge.

Peut-être avez-vous correctement deviné que l’importance de la cryolite est liée à l’aluminium, et que le lien avec la Seconde Guerre mondiale est lié à la fabrication d’avions. Mais si vous pensez que la cryolithe est une source importante d’aluminium, détrompez-vous. La teneur en aluminium de la cryolithe n’est que de 13 %, contre environ 50 % pour la bauxite, la principale source d’aluminium depuis le début de la production industrielle à la fin du XIXe siècle. Outre sa faible teneur en aluminium, la cryolite est extrêmement rare, peut-être le seul minéral sur Terre à avoir été exploité jusqu’à l’extinction

La bauxite, en revanche, est relativement commune, mais attirer le métal hors du minéral à l’échelle industrielle s’est avéré délicat. Trois électrons doivent être ajoutés aux ions Al3+ pour les rendre neutres et métalliques, et bien qu’il ait été reconnu très tôt que le moyen d’y parvenir était de faire passer un courant électrique à travers une solution d’ions – ce que nous appelons l’électrolyse – il a fallu quelque 50 ans d’expérimentation avant d’y parvenir.

Le problème est qu’on ne peut pas électrolyser l’aluminium dans l’eau, car les électrons se combineraient avec les ions H+, produisant de l’hydrogène gazeux. Si l’on contourne le problème en fondant directement l’oxyde d’aluminium, le point de fusion très élevé, 2072°C, s’avère être d’un coût prohibitif. C’est là que la cryolite entre en jeu. En 1886, Charles Hall, dans l’Ohio (États-Unis), et Paul Héroult, en Normandie (France), ont découvert que la cryolithe fondue, dont la température de fusion modérée n’est que de 1012 °C, dissout facilement l’oxyde d’aluminium. C’est ainsi qu’est né le procédé Hall-Héroult, toujours utilisé aujourd’hui.

Le nom cryolite provient des mots grecs pour le froid, « cryo » et la pierre, « lithos », ce qui nous amène au rôle du héros polaire Henry Larsen dans cette histoire. L’aluminium a commencé à devenir un matériau majeur pour la construction d’avions dans les années 1930, et l’occupation du Danemark par l’Allemagne en 1940 a rendu les Britanniques et leurs alliés nerveux, car la cryolite n’était trouvée qu’à un seul endroit sur terre – la mine d’Ivittuu, dans le sud du Groenland. Sous le couvert d’un voyage dans le passage du Nord-Ouest, le seul navire du gouvernement canadien capable de naviguer dans les eaux glacées du Groenland, le St Roch commandé par Henry Larsen de la Gendarmerie royale du Canada, partit de Vancouver pour étudier la situation, car on craignait une invasion allemande.

Avec l’entrée en guerre des États-Unis, la question de la cryolite fut résolue par le fait que le Groenland devint temporairement un protectorat américain, et la production de la mine d’Ivittuu augmenta considérablement. Je ne sais pas s’il y a jamais eu un véritable plan allemand pour capturer la mine de cryolite, comme le laisse entendre le roman de Peter H?eg, mais la seule tentative nazie enregistrée sur le Groenland était un effort pour établir une station météorologique avec une humble force d’invasion de 17 personnes qui a été rapidement découverte par la patrouille danoise Hound Sledge.

Au lieu de cela, les Allemands ont installé une usine de production de cryolite synthétique à côté de l’usine d’aluminium de Her?ya dans le sud de la Norvège. Ce procédé était plutôt nouveau à l’époque, mais Nordische Aluminium n’a jamais connu de production à grande échelle car elle a été la cible d’une mission de bombardement réussie. Les usines ne sont pas les seules à être détruites : sur les 180 B17 envoyés dans la matinée du 24 juillet 1943, un seul est perdu. Cependant, grâce à une navigation et un pilotage habiles de l’avion endommagé Georgia Rebel, le 1er pilote Jones et son équipage ont atterri en toute sécurité sur un terrain neutre. Ce fut le premier de plus de 200 atterrissages d’urgence de l’US Air Force en Suède pendant la Seconde Guerre mondiale.

La mine d’Ivittuu a été épuisée en 1987 et aujourd’hui, seule la cryolite synthétique est utilisée dans la production d’aluminium. Le plus souvent, cette cryolite artificielle est obtenue à partir de fluorure de calcium, également connu sous le nom de fluorine minérale, de carbonate de sodium et d’hydroxyde d’aluminium, dans un processus en plusieurs étapes.

On peut se demander, si cette mine et ce minéral rare n’avaient pas été découverts, si les chimistes auraient été assez intelligents pour le préparer quand même et concevoir le procédé Hall-Héroult, ou si on trouverait encore des assiettes et des couverts en aluminium dans les dîners d’État français, comme à l’époque de Napol ?sur III où l’aluminium valait plus que son poids en or.

Meera Senthilingam

Qu’elle soit naturelle ou synthétique, cette pierre froide d’un composé a certainement prouvé son utilité tout au long de la guerre et jusqu’à aujourd’hui. C’était Lars Öhrström de la Chalmers tekniska h?gskola en Suède. Maintenant, la semaine prochaine, un composé qui pourrait être considéré comme une arme à double tranchant.

Brian Clegg

Les explosifs sont les applications bad boy de l’acide nitrique, mais l’un de ces composés, la nitrocellulose, a eu des applications beaucoup plus constructives : il a été utilisé pour produire la pellicule utilisée pour le tournage de films jusqu’à environ 1950. Ces vieux films doivent être manipulés avec beaucoup de précautions, car le composé plastifié peut facilement s’enflammer.

Meera Senthilingam

Et vous pourrez découvrir la chimie à l’origine de ces flammes en rejoignant Brian Clegg dans l’émission La chimie dans son élément de la semaine prochaine. D’ici là, merci de votre attention. Je suis Meera Senthilingam.