ALUMINIUM: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, OTRZYMYWANIE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Aluminium jest pierwiastek należący do A, (iii) grupy 13 układu okresowego pierwiastków, i które jest oznaczone symbolem A. jest lekki metal o niskiej gęstości i twardości. Ze względu na swoje właściwości amfoteryczne został przez niektórych naukowców sklasyfikowany jako metaloid.

Jest to plastyczny i bardzo plastyczny metal, dlatego jest używany do produkcji drutu, cienkich blach aluminiowych, a także wszelkiego rodzaju przedmiotów czy figur; na przykład słynne puszki z ich stopami lub folia aluminiowa, w którą pakuje się żywność lub desery.

Gnieciona folia aluminiowa, jeden z najprostszych i najbardziej codziennych przedmiotów wykonanych z tego metalu. Źródło: Pexels.

Ałun (uwodniony siarczan glinowo-potasowy) był używany przez ludzi od czasów starożytnych w medycynie, garbarstwie skóry oraz jako zaprawa do barwienia tkanin. Tak więc jego minerały są znane od zawsze.

Jednak aluminium jako metal zostało wyodrębnione bardzo późno, bo w 1825 roku, przez Øersteda, co doprowadziło do działalności naukowej, która umożliwiła jego przemysłowe wykorzystanie. W tamtych czasach aluminium było po żelazie metalem o największej produkcji na świecie.

Aluminium znajduje się głównie w górnej części skorupy ziemskiej, stanowiąc jej wagowo 8%. Odpowiada trzeciemu najbardziej rozpowszechnionemu pierwiastkowi, przewyższającemu go tlenem i krzemem w krzemionce i minerałach krzemianowych.

Boksyt jest związkiem minerałów, do których należą: tlenek glinu (tlenek glinu) oraz tlenki żelaza, tytanu i krzemu. Stanowi główny surowiec naturalny dla wydobycia aluminium.

Historia

Ałun

W Mezopotamii, 5000 lat pne. C., ceramikę wykonali już przy użyciu glin zawierających związki glinu. Tymczasem 4000 temu Babilończycy i Egipcjanie używali aluminium w niektórych związkach chemicznych.

Pierwszy pisemny dokument dotyczący ałunu został sporządzony przez Herodota, greckiego historyka, w V wieku pne. Ałun był używany jako zaprawa przy barwieniu tkanin oraz do ochrony drewna, z którego zostały zaprojektowane drzwi fortecy, przed pożarami.

W ten sam sposób Pliniusz „Starszy” w I wieku odnosi się do ałunu, znanego dziś jako ałun, jako substancji używanej w medycynie i zaprawie.

Od XVI wieku ałun był używany do garbowania skór i klejonki do papieru. Była to galaretowata substancja, która nadała papierowi konsystencję i pozwoliła na użycie go w piśmie.

W 1767 roku szwajcarski chemik Torbern Bergman dokonał syntezy ałunu. Aby to zrobić, podgrzał księżycit kwasem siarkowym, a następnie dodał do roztworu potaż.

Rozpoznanie w tlenku glinu

W 1782 roku francuski chemik Antoine Lavoisier wskazał, że tlenek glinu (Al ₂ O ₃ ) jest tlenkiem jakiegoś pierwiastka. Ma to takie powinowactwo do tlenu, że jego oddzielenie było trudne. Dlatego Lavoisier przewidział wtedy istnienie aluminium.

Później, w 1807 roku, angielski chemik Sir Humphry Davy poddał tlenek glinu elektrolizie. Jednak zastosowana przez niego metoda pozwoliła uzyskać stop aluminium z potasem i sodem, więc nie był w stanie wyizolować metalu.

Davy skomentował, że tlenek glinu ma metaliczną podstawę, którą początkowo nazwał „alumium”, w oparciu o łacińskie słowo „alumen”, nazwę używaną dla ałunu. Davy zmienił później nazwę na „aluminium”, obecną angielską nazwę.

W 1821 roku niemiecki chemik Eilhard Mitscherlich odkrył prawidłową formułę tlenku glinu: Al ₂ O ₃ .

Izolacja

W tym samym roku francuski geolog Pierre Berthier odkrył minerał glinu w czerwonawym złożu gliny we Francji, w regionie Les Baux. Berthier określił ten minerał jako boksyt. Ten minerał jest obecnie głównym źródłem glinu.

W 1825 roku duński chemik Hans Christian Øersted wyprodukował metalowy pręt z rzekomego aluminium. Opisał to jako „kawałek metalu, który wygląda trochę jak cyna w kolorze i połysku”. Øersted był w stanie to osiągnąć, redukując chlorek glinu, AlCl ₃ , za pomocą amalgamatu potasu.

Uważano jednak, że badacz nie uzyskał czystego aluminium, ale stop aluminium i potasu.

W 1827 roku niemiecki chemik Friedrich Wöehler zdołał wyprodukować około 30 gramów aluminium. Następnie, po 18 latach pracy badawczej, Wöehler w 1845 roku wyprodukował kuleczki wielkości główki szpilki, o metalicznym połysku i szarawym kolorze.

Wöehler opisał nawet niektóre właściwości metalu, takie jak kolor, ciężar właściwy, plastyczność i stabilność.

Produkcja przemysłowa

W 1855 roku francuski chemik Henri Sainte-Claire Deville udoskonalił metodę Wöehlera. W tym celu zastosował redukcję chlorku glinu lub chlorku glinu sodu metalicznym sodem, używając kriolitu (Na ₃ AlF ₆ ) jako przepływu.

Pozwoliło to na przemysłową produkcję aluminium w Rouen we Francji, aw latach 1855–1890 osiągnięto produkcję 200 ton aluminium.

W 1886 roku francuski inżynier Paul Héroult i amerykański student Charles Hall niezależnie stworzyli metodę produkcji aluminium. Metoda polega na elektrolitycznej redukcji tlenku glinu w stopionym kriolicie za pomocą prądu stałego.

Metoda była wydajna, ale miała problem z dużym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, co powodowało, że produkcja była droższa. Héroult rozwiązał ten problem, zakładając swój przemysł w Neuhausen (Szwajcaria), wykorzystując wodospad Rheinfall jako generator energii elektrycznej.

Hall początkowo osiedlił się w Pittsburgu (USA), ale później przeniósł swoją działalność w pobliżu wodospadu Niagara.

Wreszcie w 1889 roku Karl Joseph Bayer stworzył metodę wytwarzania tlenku glinu. Polega ona na podgrzaniu boksytu w zamkniętym pojemniku roztworem alkalicznym. Podczas procesu ogrzewania frakcja tlenku glinu jest odzyskiwana w roztworze soli.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd fizyczny

Aluminiowe wiadro metalowe. Źródło: Carsten Niehaus

Srebrnoszare ciało stałe z metalicznym połyskiem (zdjęcie na górze). Jest to miękki metal, ale utwardza ​​się przy niewielkich ilościach krzemu i żelaza. Ponadto charakteryzuje się dużą plastycznością i ciągliwością, ponieważ można wykonać blachy aluminiowe o grubości do 4 mikronów.

Masa atomowa

26,981 u

Liczba atomowa (Z)

13

Temperatura topnienia

660,32 ° C

Temperatura wrzenia

2470 ° C

Gęstość

Temperatura otoczenia: 2,70 g / ml

Temperatura topnienia (ciecz): 2,375 g / ml

Jego gęstość jest znacznie niska w porównaniu z gęstością innych metali. Z tego powodu aluminium jest dość lekkie.

Ciepło topnienia

10,71 kJ / mol

Ciepło parowania

284 kJ / mol

Molowa pojemność kaloryczna

24,20 J / (mol K)

Elektroujemność

1,61 w skali Paulinga

Energia jonizacji

-Pierwszy: 577,5 kJ / mol

-Druga: 1816,7 kJ / mol

-Trzecie: 2744,8 kJ / mol

Rozszerzalność cieplna

23,1 µm / (mK) w 25 ° C

Przewodność cieplna

237 W / (m · K)

Aluminium ma trzykrotnie większą przewodność cieplną niż stal.

Rezystancja

26,5 nΩ m przy 20 ºC

Jego przewodność elektryczna wynosi 2/3 przewodnictwa miedzi.

Porządek magnetyczny

Paramagnetyczny

Twardość

2,75 w skali Mohsa

Reaktywność

Aluminium jest odporne na korozję, ponieważ pod wpływem powietrza cienka warstwa tlenku Al ₂ O _3, która tworzy się na jego powierzchni, zapobiega dalszemu utlenianiu wewnątrz metalu.

W roztworach kwaśnych reaguje z wodą tworząc wodór; natomiast w roztworach zasadowych tworzy jon glinianowy (AlO ₂ ^- ).

Rozcieńczone kwasy nie mogą go rozpuścić, ale mogą to zrobić w obecności stężonego kwasu solnego. Jednak glin jest odporny na stężony kwas azotowy, chociaż jest atakowany przez wodorotlenki do produkcji wodoru i jonów glinianowych.

Sproszkowane aluminium spala się w obecności tlenu i dwutlenku węgla, tworząc tlenek glinu i węglik glinu. Może być korodowany przez chlorek obecny w roztworze chlorku sodu. Z tego powodu stosowanie aluminium w rurach nie jest zalecane.

Glin utlenia się wodą w temperaturze poniżej 280 ºC.

2 Al (s) + 6 H ₂ O (g) => 2Al (OH) ₃ (s) + 3H ₂ (g) + ciepło

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Aluminium jest pierwiastkiem metalicznym (dla niektórych z barwnikami metaloidalnymi), a jego atomy Al oddziałują ze sobą dzięki wiązaniu metalicznemu. Ta bezkierunkowa siła jest zarządzana przez elektrony walencyjne, które są rozproszone w całym krysztale we wszystkich jego wymiarach.

Te elektrony walencyjne są następujące, zgodnie z konfiguracją elektroniczną aluminium:

3 s ² 3 p ¹

Dlatego aluminium jest metalem trójwartościowym, ponieważ ma trzy elektrony walencyjne; dwa na orbicie 3s i jeden na 3p. Orbitale te nakładają się na siebie, tworząc orbitale molekularne 3s i 3p, tak blisko siebie, że ostatecznie tworzą pasma przewodnictwa.

Pasmo s jest pełne, podczas gdy pasmo p ma dużo wolnego miejsca na więcej elektronów. Dlatego aluminium jest dobrym przewodnikiem elektryczności.

Metaliczne wiązanie aluminium, promień jego atomów i jego właściwości elektroniczne definiują kryształ fcc (centrowany sześcienny). Taki kryształ FCC jest najwyraźniej jedynym znanym alotropem aluminium, więc z pewnością wytrzyma działające na niego wysokie ciśnienie.

Liczby utleniania

Elektroniczna konfiguracja aluminium natychmiast wskazuje, że jest w stanie stracić do trzech elektronów; to znaczy ma dużą skłonność do tworzenia kationu Al ³⁺ . Zakładając istnienie tego kationu w związku pochodzącym z glinu, mówi się, że ma on stopień utlenienia +3; jak dobrze wiadomo, jest to najczęściej spotykane w przypadku aluminium.

Jednak istnieją inne możliwe, ale rzadkie stopnie utlenienia tego metalu; takie jak: -2 (Al ^2- ), -1 (Al ^- ), +1 (Al ⁺ ) i +2 (Al ²⁺ ).

Na przykład w Al ₂ O ₃ aluminium ma stopień utlenienia +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); podczas gdy w AlI i AlO, odpowiednio +1 (Al ⁺ F ^- ) i +2 (Al ²⁺ O ^2- ). Jednak w normalnych warunkach lub sytuacjach Al (III) lub +3 jest zdecydowanie najbardziej rozpowszechnionym stopniem utlenienia; ponieważ Al ³⁺ jest izoelektroniczny w stosunku do neonowego gazu szlachetnego.

Dlatego w podręcznikach szkolnych zawsze przyjmuje się i nie bez powodu, że glin ma +3 jako jedyną liczbę lub stopień utlenienia.

Gdzie znaleźć i uzyskać

Aluminium jest skoncentrowane w zewnętrznych obrzeżach skorupy ziemskiej, będąc jej trzecim pierwiastkiem, przewyższającym jedynie tlen i krzem. Aluminium stanowi 8% masy skorupy ziemskiej.

Występuje w skałach magmowych, głównie: glinokrzemianach, skaleniach, skaleniach i mikach. Również w czerwonawych glinach, jak w przypadku boksytu.

- Boksyty

Kopalnia boksytu. Źródło: Użytkownik: VargaA

Boksyty to mieszanina minerałów, która zawiera uwodniony tlenek glinu i zanieczyszczenia; takie jak tlenki żelaza i tytanu oraz krzemionka, w następujących procentach wagowych:

-Przy ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O o składzie 12-30%.

Tlenek glinu znajduje się w boksycie w postaci uwodnionej w dwóch odmianach:

-monohydraty (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), które mają dwie formy krystalograficzne, boemit i diaspor

-Trihydraty (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), reprezentowane przez gibsyt.

Boksyt jest głównym źródłem aluminium i dostarcza większość aluminium pozyskiwanego z górnictwa.

- Osady aluminium

Zmiany

Głównie boksyty utworzone z 40-50% Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ i 3-10% SiO ₂ .

Hydrotermalne

Ałunit.

Magmowy

Skały gliniaste zawierające minerały, takie jak syenity, nefelina i anortity (20% Al ₂ O ₃ ).

Metamorficzny

Krzemiany glinu (andaluzyt, sylimanit i cyjanit).

Detritics

Złoża kaolinu i różne gliny (32% Al ₂ O ₃ ).

- Wydobycie boksytu

Boksyt wydobywa się pod gołym niebem. Po zebraniu skał lub iłów, które je zawierają, są one kruszone i mielone w młynach kulowych i prętowych, aż do uzyskania cząstek o średnicy 2 mm. W tych procesach obrabiany materiał pozostaje nawilżony.

Przy otrzymywaniu tlenku glinu postępuje się zgodnie z procesem zapoczątkowanym przez firmę Bayer w 1989 r. Zmielony boksyt jest trawiony przez dodanie wodorotlenku sodu, z wytworzeniem solubilizowanego glinianu sodu; podczas gdy zanieczyszczenia tlenki żelaza, tytanu i krzemu pozostają w zawiesinie.

Zanieczyszczenia są dekantowane, a trójwodzian tlenku glinu wytrąca się z glinianu sodu przez chłodzenie i rozcieńczanie. Następnie trójwodniony tlenek glinu jest suszony, aby uzyskać bezwodny tlenek glinu i wodę.

- Elektroliza tlenku glinu

Aby otrzymać aluminium, tlenek glinu poddaje się elektrolizie, zwykle zgodnie z metodą opracowaną przez Hall-Héroulta (1886). Proces polega na redukcji stopionego tlenku glinu do kriolitu.

Tlen wiąże się z anodą węglową i jest uwalniany jako dwutlenek węgla. W międzyczasie uwolnione aluminium osadza się na dnie ogniwa elektrolitycznego, gdzie się gromadzi.

Stopy

Stopy aluminium są zwykle identyfikowane za pomocą czterech liczb.

1xxx

Kod 1xxx odpowiada aluminium o czystości 99%.

2xxx

Kod 2xxx odpowiada stopowi aluminium z miedzią. Są to mocne stopy, które były używane w pojazdach kosmicznych, ale pękły w wyniku korozji. Te stopy są znane jako duraluminium.

3xxx

Kod 3xxx obejmuje stopy, w których do aluminium dodaje się mangan i niewielką ilość magnezu. Są to stopy bardzo odporne na ścieranie, używane jako stop 3003 w produkcji przyborów kuchennych, a 3004 w puszkach na napoje.

4xxx

Kod 4xxx oznacza stopy, w których krzem jest dodawany do aluminium, co obniża temperaturę topnienia metalu. Stop ten jest używany do produkcji drutów spawalniczych. Alloy 4043 jest używany do spawania samochodów i elementów konstrukcyjnych.

5xxx

Kod 5xxx obejmuje stopy, w których magnez jest dodawany głównie do aluminium.

Są to mocne stopy odporne na korozję w wodzie morskiej, używane do produkcji zbiorników ciśnieniowych i różnych zastosowań morskich. Alloy 5182 służy do produkcji wieczek puszek po napojach.

6xxx

Kod 6xxx obejmuje stopy, w których do stopu z aluminium dodano krzemu i magnezu. Stopy te są odlewane, spawalne i odporne na korozję. Najpopularniejszy stop z tej serii jest stosowany w architekturze, ramach rowerowych i konstrukcji iPhone'a 6.

7xxx

Kod 7xxx oznacza stopy, w których cynk jest dodawany do aluminium. Stopy te, znane również jako Ergal, są odporne na pękanie i charakteryzują się dużą twardością dzięki zastosowaniu stopów 7050 i 7075 do budowy samolotów.

Ryzyka

Bezpośrednia ekspozycja

Kontakt z proszkiem aluminiowym może powodować podrażnienie skóry i oczu. Długotrwałe, duże narażenie na aluminium może powodować objawy grypopodobne, ból głowy, gorączkę i dreszcze; Ponadto może wystąpić ból i ucisk w klatce piersiowej.

Narażenie na drobny pył aluminiowy może powodować blizny w płucach (zwłóknienie płuc), z objawami kaszlu i duszności. OSHA ustalił limit 5 mg / m ³ dla narażenia na pył aluminiowy w ciągu 8-godzinnego dnia pracy.

Biologiczną wartość tolerancji dla zawodowego narażenia na glin określono na 50 µg / g kreatyniny w moczu. Pogarszające się wyniki testów neuropsychologicznych występują, gdy stężenie glinu w moczu przekracza 100 µg / g kreatyniny.

Rak piersi

Glin jest stosowany jako chlorowodorek glinu w dezodorantach przeciwpotowych, ponieważ jest powiązany z rozwojem raka piersi. Jednak zależność ta nie została jednoznacznie ustalona między innymi dlatego, że wchłanianie przez skórę chlorowodorku glinu wynosi tylko 0,01%.

Efekty neurotoksyczne

Glin jest neurotoksyczny, a u osób narażonych na działanie zawodowe wiąże się z chorobami neurologicznymi, w tym chorobą Alzheimera.

Mózg pacjentów z chorobą Alzheimera ma wysokie stężenie aluminium; ale nie wiadomo, czy jest to przyczyna choroby, czy jej konsekwencja.

U pacjentów dializowanych stwierdzono działanie neurotoksyczne. W tej procedurze jako środek wiążący fosforan stosowano sole glinu, które wytwarzały wysokie stężenia glinu we krwi (> 100 µg / l osocza).

Pacjenci dotknięci chorobą wykazywali dezorientację, problemy z pamięcią, aw zaawansowanych stadiach demencję. Neurotoksyczność aluminium jest wyjaśniona, ponieważ jest on trudny do wyeliminowania przez mózg i wpływa na jego funkcjonowanie.

Wlot aluminium

Aluminium występuje w wielu produktach spożywczych, zwłaszcza w herbacie, przyprawach i ogólnie w warzywach. Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA) ustalił limit tolerancji dla spożycia glinu w żywności w wysokości 1 mg / kg masy ciała dziennie.

W 2008 r. EFSA oszacował, że dzienne spożycie glinu w żywności mieściło się w zakresie od 3 do 10 mg dziennie, dlatego stwierdza się, że nie stanowi to zagrożenia dla zdrowia; a także używanie aluminiowych przyborów do gotowania potraw.

Aplikacje

- Jak metal

Elektryczny

Aluminium jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, dlatego jest stosowane w stopach w liniach przesyłowych, silnikach, generatorach, transformatorach i kondensatorach.

Budynek

Aluminium jest wykorzystywane do produkcji ram drzwiowych i okiennych, ścianek działowych, ogrodzeń, powłok, termoizolatorów, stropów itp.

Transport

Aluminium jest wykorzystywane do produkcji części do samochodów, samolotów, ciężarówek, rowerów, motocykli, łodzi, statków kosmicznych, wagonów itp.

Pojemniki

Puszki aluminiowe do różnych rodzajów żywności. Źródło: Pxhere.

Z aluminium wytwarza się puszki po napojach, beczki piwa, tace itp.

Dom

Wiadra aluminiowe. Źródło: Pexels.

Z aluminium produkuje się przybory kuchenne: garnki, patelnie, patelnie i papier do pakowania; oprócz mebli, lamp itp.

Moc odblaskowa

Aluminium skutecznie odbija energię promieniowania; od światła ultrafioletowego do promieniowania podczerwonego. Siła odblaskowa aluminium w świetle widzialnym wynosi około 80%, co pozwala na zastosowanie go jako klosza w lampach.

Dodatkowo aluminium zachowuje swoje srebrne właściwości odblaskowe nawet w postaci drobnego proszku, dzięki czemu można je stosować do produkcji farb srebrnych.

- związki glinu

Glinka

Służy do produkcji metalicznego aluminium, izolatorów i świec zapłonowych. Podgrzany tlenek glinu tworzy porowatą strukturę, która pochłania wodę, służy do osuszania gazów i służy jako siedlisko dla działania katalizatorów w różnych reakcjach chemicznych.

Siarczan glinu

Stosowany jest w papiernictwie oraz jako szpachlówka powierzchniowa. Siarczan glinu służy do wytwarzania ałunu glinowo-potasowego. Jest to najczęściej używany ałun i ma liczne zastosowania; takich jak produkcja leków, farb i zapraw do barwienia tkanin.

Chlorek glinu

Jest to najczęściej używany katalizator w reakcjach Friedela-Craftsa. Są to syntetyczne reakcje organiczne wykorzystywane do otrzymywania aromatycznych ketonów i antrachinonu. Uwodniony chlorek glinu jest stosowany jako miejscowy antyperspirant i dezodorant.

Wodorotlenek glinu

Służy do impregnacji tkanin i produkcji glinianów.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Aluminium. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Aluminium. Baza danych PubChem. CID = 5359268. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminum
4. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (13 stycznia 2019). Aluminium. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
5. UC Rusal. (sf). Historia aluminium. Odzyskany z: aluminiumleader.com
6. Uniwersytet Oviedo. (2019). Metalurgia aluminium. . Odzyskany z: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 lutego 2019). Aluminium lub stopy aluminium. Odzyskany z: thinkco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C. i Drexler, H. (2017). Skutki zdrowotne ekspozycji na aluminium. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Stopy aluminium. Odzyskany z: sciencedirect.com
10. Natalia GM (16 stycznia 2012). Dostępność aluminium w żywności. Odzyskany z: consumer.es