Aluminium

W przypadku innych zastosowań zobacz Aluminium (ujednoznacznienie) .

Aluminium, ₁₃ Al

Aluminium
Wymowa	aluminium : / ˌ æ l ( j ) ʊ ˈ m ɪ n ja ə m / ( słuchaj ) ( AL -(y) uu- MIN -ee-əm ) aluminium : / ə l u m ə n ə m / ) ( słuchaj ) ( ə- LOO -mə- nəm
alternatywne imie	aluminium (USA, Kanada)
Wygląd	srebrnoszary metalik
Standardowa masa atomowa A r ° (Al)
	26,981 5384 ± 0,000 0003 26,982 ± 0,001 (w skrócie)
Aluminium w układzie okresowym
Wodór Hel Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton Rubid Stront Itr Cyrkon Niob molibden technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon Cez Bar Lantan Cer prazeodym neodym Promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon astat Radon frank Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton ameryk Kiur Berkelium Kaliforn Einsteinium Ferm Mendelew Nobel lawren Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohr has Meitner Darmsztadt Roentgen Kopernik Nihonium flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson B ↑ Al ↓ Ga magnez ← aluminium → krzem
liczba atomowa ( Z )	13
Grupa	grupa 13 (grupa borowa)
Okres	okres 3
Blok	blok p
Konfiguracja elektronów	[ Ne ] 3s 2 3p 1
Elektrony na powłokę	2, 8, 3
Właściwości fizyczne
Faza w STP	solidny
Temperatura topnienia	933,47 K (660,32 ° C, 1220,58 ° F)
Temperatura wrzenia	2743 K (2470 ° C, 4478 ° F)
Gęstość (blisko rt )	2,70 g/cm 3
gdy ciecz (przy mp )	2,375 g/cm 3
Ciepło topnienia	10,71 kJ/mol
Ciepło parowania	284 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna	24,20 J/(mol·K)
Ciśnienie pary   P (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys   w T (K) 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Właściwości atomowe
Stany utleniania	−2, −1, 0, +1, +2, +3 ( tlenek amfoteryczny )
Elektroujemność	Skala Paulinga: 1,61
Energie jonizacji	1.: 577,5 kJ/mol 2.: 1816,7 kJ/mol 3.: 2744,8 kJ/mol ( więcej )
Promień atomowy	empiryczne: 143 godz
Promień kowalencyjny	121±4 po południu
Promień Van der Waalsa	184 godz
Widmowe linie aluminium
Inne właściwości
Występowanie naturalne	pierwotny
Struktura krystaliczna	​ sześcienny wyśrodkowany na <a i=0>twarz (FCC)
Prędkość dźwięku cienki pręt	(walcowane) 5000 m/s (w temperaturze pokojowej )
Rozszerzalność cieplna	23,1 µm/(m⋅K) (przy 25 °C)
Przewodność cieplna	237 W/(m⋅K)
Rezystancja	26,5 nΩ⋅m (przy 20 ° C)
Zamawianie magnetyczne	paramagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna	+16,5 × 10-6 cm3 / mol _
Moduł Younga	70 GPa
Moduł ścinania	26 GPa
Moduł objętościowy	76 GPa
Współczynnik Poissona	0,35
Twardość Mohsa	2,75
Twardość Vickersa	160–350 MPa
Twardość Brinella	160–550 MPa
Numer CAS	7429-90-5
Historia
Nazewnictwo	od glinu , przestarzała nazwa tlenku glinu
Prognoza	Antoine'a Lavoisiera (1782)
Odkrycie	Hansa Christiana Ørsteda (1824)
Nazwany przez	Humphry'ego Davy'ego (1812)
Izotopy glinu
Główne izotopy Rozkład obfitość okres półtrwania ( t 1/2 ) tryb produkt 26 al namierzać 7,17 × 10 5 r β + (84%) 26 Mg ε (16%) 26 Mg γ – 27 al 100% stabilny

  Aluminium ( aluminium w północnoamerykańskim języku angielskim ) jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Al i liczbie atomowej 13. Aluminium ma gęstość niższą niż inne metale pospolite , około jednej trzeciej gęstości stali . Ma duże powinowactwo do tlenu i tworzy ochronną warstwę tlenku na powierzchni pod wpływem powietrza. Aluminium wizualnie przypomina srebro, zarówno kolorem, jak i dużą zdolnością odbijania światła. Jest miękki, niemagnetyczny i plastyczny . Ma jeden stabilny izotop, ²⁷ Al; ten izotop jest bardzo powszechny, co czyni aluminium dwunastym najczęściej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Radioaktywność ²⁶ Al jest wykorzystywana w radiodatowaniu .

Chemicznie aluminium jest metalem post-przejściowym z grupy boru ; jak to jest wspólne dla tej grupy, aluminium tworzy związki głównie na +3 stopniu utlenienia . Kation glinu Al ³⁺ jest mały i silnie naładowany; jako taki jest polaryzujący, a wiązań aluminiowych mają tendencję do kowalencyjności . Silne powinowactwo do tlenu prowadzi do powszechnego łączenia glinu z tlenem w przyrodzie w postaci tlenków; z tego powodu aluminium występuje na Ziemi przede wszystkim w skałach skorupy ziemskiej , gdzie jest trzecim najliczniej występującym pierwiastkiem po tlenie i krzemie , a nie w płaszczu i praktycznie nigdy jako wolny metal.

Odkrycie aluminium ogłosił w 1825 roku duński fizyk Hans Christian Ørsted . Pierwsza przemysłowa produkcja aluminium została zainicjowana przez francuskiego chemika Henri Étienne Sainte-Claire Deville w 1856 r. Aluminium stało się znacznie bardziej dostępne dla publiczności dzięki procesowi Halla-Héroulta opracowanemu niezależnie przez francuskiego inżyniera Paula Héroulta i amerykańskiego inżyniera Charlesa Martina. Hall w 1886 r., a masowa produkcja aluminium doprowadziła do jego szerokiego zastosowania w przemyśle i życiu codziennym. Podczas I i II wojny światowej aluminium było strategicznym surowcem dla lotnictwa . W 1954 roku aluminium stało się najczęściej produkowanym metalem nieżelaznym , wyprzedzając miedź . W XXI wieku większość aluminium zużywano w transporcie, inżynierii, budownictwie i pakowaniu w Stanach Zjednoczonych, Europie Zachodniej i Japonii.

Pomimo jego rozpowszechnienia w środowisku, żaden żywy organizm nie wykorzystuje soli glinu do metabolizmu , ale aluminium jest dobrze tolerowane przez rośliny i zwierzęta. Ze względu na obfitość tych soli, interesująca jest ich potencjalna rola biologiczna, a badania są kontynuowane.

Charakterystyka fizyczna

izotopy

Główny artykuł: Izotopy glinu

Spośród izotopów aluminium tylko ²⁷
Al
jest stabilne. Ta sytuacja jest typowa dla pierwiastków o nieparzystej liczbie atomowej. Jest to jedyny pierwotny izotop glinu, czyli jedyny, który istnieje na Ziemi w obecnej postaci od czasu powstania planety. Prawie całe aluminium na Ziemi występuje w postaci tego izotopu, co czyni go pierwiastkiem jednonuklidowym i oznacza, że ​​jego standardowa masa atomowa jest praktycznie taka sama jak izotopu. To sprawia, że ​​aluminium jest bardzo przydatne w jądrowym rezonansie magnetycznym (NMR), ponieważ jego pojedynczy stabilny izotop ma wysoką czułość NMR. Standardowa masa atomowa aluminium jest niska w porównaniu z wieloma innymi metalami.

Wszystkie inne izotopy glinu są promieniotwórcze . Najbardziej stabilnym z nich jest ²⁶ Al : chociaż był obecny wraz ze stabilnym ²⁷ Al w ośrodku międzygwiazdowym, z którego powstał Układ Słoneczny, będąc również wytwarzanym przez gwiezdną nukleosyntezę , jego okres półtrwania wynosi tylko 717 000 lat, a zatem wykrywalny ilość nie przetrwała od powstania planety. Jednak drobne ślady ²⁶ Al są wytwarzane z argonu w atmosferze w wyniku spallacji spowodowanej przez protony promieniowania kosmicznego . Stosunek ²⁶ Al do ¹⁰ Be był używany do radiodatowania procesów geologicznych w skalach czasowych od 10 ⁵ do 10 ⁶ lat, w szczególności transportu, depozycji, magazynowania osadów , czasu zakopania i erozji. Większość naukowców zajmujących się meteorytami uważa, że ​​energia uwolniona podczas rozpadu ²⁶ Al była odpowiedzialna za topnienie i różnicowanie niektórych asteroid po ich utworzeniu 4,55 miliarda lat temu.

Pozostałe izotopy glinu o liczbach masowych od 22 do 43 mają okres półtrwania znacznie poniżej godziny. Znane są trzy metastabilne , wszystkie z okresem półtrwania poniżej minuty.

Powłoka elektronowa

Atom aluminium ma 13 elektronów ułożonych w konfiguracji elektronowej [ Ne ] 3s ² 3p ¹ , z trzema elektronami poza stabilną konfiguracją gazu szlachetnego. Odpowiednio, połączone pierwsze trzy energie jonizacji aluminium są znacznie niższe niż sama czwarta energia jonizacji. Taka konfiguracja elektronowa jest wspólna dla innych dobrze scharakteryzowanych członków tej grupy, boru , galu , indu i talu ; oczekuje się tego również dla nihonium . Aluminium może oddać swoje trzy najbardziej zewnętrzne elektrony w wielu reakcjach chemicznych (patrz poniżej ). Elektroujemność aluminium wynosi 1,61 (w skali Paulinga) .

STEM o wysokiej rozdzielczości - HAADF atomów Al widziana wzdłuż osi strefy [001].

Wolny atom glinu ma promień 143 pm . Po usunięciu trzech najbardziej zewnętrznych elektronów promień zmniejsza się do 39 pm dla atomu o 4 koordynacjach lub 53,5 pm dla atomu o 6 koordynacjach. W standardowej temperaturze i ciśnieniu atomy glinu (jeśli nie mają na nie wpływu atomy innych pierwiastków) tworzą sześcienny układ kryształów skupiony na twarzy, związany wiązaniem metalicznym zapewnianym przez najbardziej zewnętrzne elektrony atomów; stąd aluminium (w tych warunkach) jest metalem. Ten system krystaliczny jest wspólny dla wielu innych metali, takich jak ołów i miedź ; rozmiar komórki elementarnej aluminium jest porównywalny z rozmiarem komórki elementarnej innych metali. System nie jest jednak wspólny dla innych członków jego grupy; bor ma energię jonizacji zbyt wysoką, aby umożliwić metalizację, tal ma sześciokątną, gęsto upakowaną strukturę, a gal i ind mają niezwykłe struktury, które nie są gęsto upakowane, jak aluminium i tal. Nieliczne elektrony, które są dostępne do wiązania metalicznego w metalicznym aluminium, są prawdopodobną przyczyną jego miękkości, niskiej temperatury topnienia i niskiej rezystywności elektrycznej .

Cielsko

Aluminium metaliczne ma wygląd od srebrzystobiałego do matowoszarego, w zależności od chropowatości powierzchni . Lustra aluminiowe są najbardziej odblaskowymi ze wszystkich luster metalowych dla światła bliskiego ultrafioletu i dalekiej podczerwieni i jednymi z najbardziej odblaskowych w widmie widzialnym, prawie na równi ze srebrem, a zatem oba wyglądają podobnie. Aluminium jest również dobre w odbijaniu promieniowania słonecznego , chociaż długotrwała ekspozycja na światło słoneczne w powietrzu zwiększa zużycie powierzchni metalu; można temu zapobiec, jeśli aluminium jest anodowane , co dodaje ochronną warstwę tlenku na powierzchni.

Gęstość aluminium wynosi 2,70 g/cm ³ , około 1/3 gęstości stali, znacznie mniej niż innych powszechnie spotykanych metali, dzięki czemu części aluminiowe są łatwe do zidentyfikowania dzięki ich lekkości. Niska gęstość aluminium w porównaniu z większością innych metali wynika z faktu, że jego jądra są znacznie lżejsze, a różnica w wielkości komórki elementarnej nie kompensuje tej różnicy. Jedynymi lżejszymi metalami są metale grupy 1 i 2 , które poza berylem i magnezem są zbyt reaktywne do zastosowań konstrukcyjnych (a beryl jest bardzo toksyczny). Aluminium nie jest tak mocne ani sztywne jak stal, ale niska gęstość nadrabia to w lotniczym i wielu innych zastosowaniach, w których niewielka waga i stosunkowo wysoka wytrzymałość mają kluczowe znaczenie.

Czyste aluminium jest dość miękkie i mało wytrzymałe. W większości zastosowań zamiast tego stosuje się różne stopy aluminium ze względu na ich wyższą wytrzymałość i twardość. Granica plastyczności czystego aluminium wynosi 7–11 MPa , podczas gdy stopy aluminium mają granicę plastyczności w zakresie od 200 MPa do 600 MPa. Aluminium jest ciągliwe , z procentowym wydłużeniem 50-70% i ciągliwe , co pozwala na łatwe ciągnienie i wytłaczanie . Jest również łatwy w obróbce i odlewaniu .

Aluminium jest doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności , mając około 60% przewodności miedzi , zarówno termicznej, jak i elektrycznej, przy gęstości zaledwie 30% miedzi. Aluminium jest zdolne do nadprzewodnictwa , z krytyczną temperaturą nadprzewodnictwa 1,2 kelwina i krytycznym polem magnetycznym około 100 gausów (10 militesli ). Jest paramagnetyczny , a zatem zasadniczo nie ma na niego wpływu statyczne pole magnetyczne. Wysoka przewodność elektryczna oznacza jednak, że silnie oddziałuje na nią zmienne pole magnetyczne poprzez indukcję prądów wirowych .

Chemia

Główny artykuł: Związki aluminium

Aluminium łączy w sobie cechy metali przed- i post-przejściowych. Ponieważ ma niewiele dostępnych elektronów do wiązania metalicznego, podobnie jak jego cięższe z grupy 13 , ma charakterystyczne właściwości fizyczne metalu po przejściu przejściowym, z dłuższymi niż oczekiwano odległościami międzyatomowymi. Ponadto, ponieważ Al ³⁺ jest małym i silnie naładowanym kationem, jest silnie polaryzujący, a wiązanie w związkach glinu ma tendencję do kowalencyjności ; to zachowanie jest podobne do zachowania berylu ( Be ²⁺ ), a oba pokazują przykład związku diagonalnego .

Podstawowy rdzeń pod powłoką walencyjną aluminium pochodzi z poprzedniego gazu szlachetnego , podczas gdy rdzenie jego cięższych kongenerów , galu , indu , talu i nihonu , również zawierają wypełnioną podpowłokę d, aw niektórych przypadkach wypełnioną podpowłokę f. Dlatego wewnętrzne elektrony aluminium prawie całkowicie osłaniają elektrony walencyjne, w przeciwieństwie do cięższych kongenerów glinu. W związku z tym aluminium jest najbardziej elektrododatnim metalem w swojej grupie, a jego wodorotlenek jest w rzeczywistości bardziej zasadowy niż galu. Aluminium wykazuje również niewielkie podobieństwa do metaloidu boru z tej samej grupy: związki AlX ₃ są izoelektroniczne walencyjne ze związkami BX ₃ (mają tę samą elektronową strukturę walencyjną) i oba zachowują się jak kwasy Lewisa i łatwo tworzą addukty . Dodatkowo jednym z głównych motywów chemii boru są regularne dwudziestościenne struktury, a aluminium stanowi ważną część wielu dwudziestościennych stopów kwazikrystalicznych , w tym klasy Al – Zn – Mg.

Aluminium ma wysokie powinowactwo chemiczne do tlenu, co sprawia, że ​​nadaje się do stosowania jako środek redukujący w reakcji termitu . Drobny proszek metalicznego aluminium reaguje wybuchowo w kontakcie z ciekłym tlenem ; Jednak w normalnych warunkach aluminium tworzy cienką warstwę tlenku (~ 5 nm w temperaturze pokojowej), która chroni metal przed dalszą korozją pod wpływem tlenu, wody lub rozcieńczonego kwasu, w procesie zwanym pasywacją . Ze względu na swoją ogólną odporność na korozję aluminium jest jednym z nielicznych metali, które zachowują srebrzysty współczynnik odbicia w drobno sproszkowanej postaci, co czyni go ważnym składnikiem w kolorze srebrnym . Aluminium nie jest atakowane przez kwasy utleniające z powodu pasywacji. Pozwala to na wykorzystanie aluminium do przechowywania odczynników, takich jak kwas azotowy , stężony kwas siarkowy i niektóre kwasy organiczne.

W gorącym stężonym kwasie solnym aluminium reaguje z wodą z wydzielaniem wodoru, aw wodnym roztworze wodorotlenku sodu lub potasu w temperaturze pokojowej, tworząc gliniany — pasywacja ochronna w tych warunkach jest znikoma. Woda królewska rozpuszcza również aluminium. Aluminium jest korodowane przez rozpuszczone chlorki , takie jak zwykły chlorek sodu , dlatego też nigdy nie wykonuje się z aluminium domowych instalacji wodno-kanalizacyjnych. Warstwa tlenku na aluminium jest również niszczona przez kontakt z rtęcią w wyniku amalgamacji lub z solami niektórych metali elektrododatnich. Jako takie, najsilniejsze stopy aluminium są mniej odporne na korozję z powodu galwanicznych z miedzią stopową , a odporność na korozję aluminium jest znacznie zmniejszona przez sole wodne, szczególnie w obecności różnych metali.

Aluminium reaguje z większością niemetali podczas ogrzewania, tworząc związki, takie jak azotek glinu (AlN), siarczek glinu (Al ₂ S ₃ ) i halogenki glinu (AlX ₃ ). Tworzy również szeroką gamę związków międzymetalicznych obejmujących metale z każdej grupy układu okresowego.

Związki nieorganiczne

Zdecydowana większość związków, w tym wszystkie minerały zawierające glin i wszystkie związki glinu o znaczeniu handlowym, zawiera aluminium na stopniu utlenienia 3+. Liczba koordynacyjna takich związków jest różna, ale generalnie Al ³⁺ ma sześć lub cztery współrzędne. Prawie wszystkie związki glinu (III) są bezbarwne.

Hydroliza glinu w funkcji pH. Pominięto skoordynowane cząsteczki wody. (Dane od Baesa i Mesmera)

W roztworze wodnym Al ³⁺ występuje jako sześciowodny kation [Al(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ , który ma przybliżoną _wartość Ka wynoszącą ^10-5 . Takie roztwory są kwaśne, ponieważ kation ten może działać jako donor protonów i stopniowo hydrolizować , aż do wytrącenia osadu wodorotlenku glinu , Al(OH) ₃ . Jest to przydatne do klarowania wody, ponieważ osad zarodkuje na zawieszonych cząstkach w wodzie, usuwając je. Zwiększenie pH jeszcze bardziej prowadzi do ponownego rozpuszczenia wodorotlenku w postaci glinianu [Al(H ₂ O) ₂ (OH) ₄ ] ^- .

Wodorotlenek glinu tworzy zarówno sole, jak i gliniany i rozpuszcza się w kwasach i zasadach, a także w fuzji z tlenkami kwasów i zasad. Takie zachowanie Al(OH) ₃ jest określane jako amfoteryzm i jest charakterystyczne dla słabo zasadowych kationów, które tworzą nierozpuszczalne wodorotlenki i których uwodnione formy mogą również oddawać swoje protony. Jednym z efektów jest to, że sole glinu ze słabymi kwasami są hydrolizowane w wodzie do uwodnionego wodorotlenku i odpowiedniego wodorku niemetalu: na przykład siarczek glinu daje siarkowodór . Jednak niektóre sole, takie jak węglan glinu, występują w roztworach wodnych, ale jako takie są niestabilne; i tylko niepełna hydroliza zachodzi w przypadku soli z mocnymi kwasami, takimi jak halogenki, azotany i siarczany . Z podobnych powodów bezwodne sole glinu nie mogą być wytwarzane przez ogrzewanie ich „hydratów”: uwodniony chlorek glinu to w rzeczywistości nie AlCl ₃ ·6H ₂ O, ale [Al(H ₂ O) ₆ ]Cl ₃ , a wiązania Al-O są tak silne, że ogrzewanie nie jest wystarczające, aby je rozerwać i zamiast tego utworzyć wiązania Al – Cl:

2[Al(H ₂ O) ₆ ]Cl ₃ ciepło →   Al ₂ O ₃ + 6 HCl + 9 H ₂ O

Wszystkie cztery trihalogenki są dobrze znane. W przeciwieństwie do struktur trzech cięższych trihalogenków, fluorek glinu (AlF ₃ ) zawiera glin o sześciu współrzędnych, co wyjaśnia jego nielotność i nierozpuszczalność, a także wysokie ciepło tworzenia . Każdy atom glinu jest otoczony sześcioma atomami fluoru w zniekształconym ośmiościennym , przy czym każdy atom fluoru jest wspólny dla rogów dwóch ośmiościanów. Takie jednostki {AlF ₆ } występują również w złożonych fluorkach, takich jak kriolit , Na ₃ AlF ₆ . AlF ₃ topi się w temperaturze 1290 ° C (2354 ° F) i powstaje w wyniku reakcji tlenku glinu z gazowym fluorowodorem w temperaturze 700 ° C (1300 ° F).

W przypadku cięższych halogenków liczby koordynacyjne są niższe. Inne trihalogenki są dimeryczne lub polimerowe z czworościennymi centrami aluminiowymi o czterech współrzędnych. Trójchlorek glinu (AlCl ₃ ) ma warstwową strukturę polimerową poniżej temperatury topnienia 192,4 ° C (378 ° F), ale po stopieniu przekształca się w dimery Al ₂ Cl _{6 .} W wyższych temperaturach te coraz bardziej dysocjują na trygonalne planarne monomery AlCl ₃ podobne do budowy BCl ₃ . Tribromek glinu i trijodek glinu tworzą dimery Al ₂ X ₆ we wszystkich trzech fazach, a zatem nie wykazują tak znaczących zmian właściwości po zmianie fazy. Materiały te są przygotowywane przez obróbkę metalicznego aluminium halogenem. Trihalogenki glinu tworzą wiele związków addycyjnych lub kompleksów; ich charakter Lewisa czyni je użytecznymi jako katalizatory reakcji Friedela -Craftsa . Trichlorek glinu ma główne zastosowania przemysłowe związane z tą reakcją, takie jak produkcja antrachinonów i styrenu ; jest również często używany jako prekursor wielu innych związków glinu oraz jako odczynnik do przekształcania fluorków niemetali w odpowiednie chlorki (reakcja transhalogenacji ).

Aluminium tworzy jeden stabilny tlenek o wzorze chemicznym Al ₂ O ₃ , zwany potocznie tlenkiem glinu . Można go znaleźć w naturze w mineralnym korundie , α-tlenku glinu; istnieje również faza γ-tlenku glinu. Jego postać krystaliczna, korund , jest bardzo twarda (twardość w skali Mohsa 9), ma wysoką temperaturę topnienia 2045 ° C (3713 ° F), ma bardzo niską lotność, jest chemicznie obojętna i jest dobrym izolatorem elektrycznym, jest często używany w materiały ścierne (takie jak pasta do zębów), jako materiał ogniotrwały oraz w ceramice , a także jako materiał wyjściowy do elektrolitycznej produkcji aluminium metalicznego. Szafir i rubin to zanieczyszczony korund zanieczyszczony śladowymi ilościami innych metali. Dwa główne wodorotlenki, AlO (OH), to behmit i diaspor . Istnieją trzy główne trójwodorotlenki: bajeryt , gibsyt i nordstrandyt, które różnią się strukturą krystaliczną ( polimorfy ). Znanych jest również wiele innych struktur pośrednich i pokrewnych. Większość jest produkowana z rud w różnych mokrych procesach z użyciem kwasów i zasad. Ogrzewanie wodorotlenków prowadzi do powstania korundu. Materiały te mają kluczowe znaczenie w produkcji aluminium i same w sobie są niezwykle przydatne. Niektóre mieszane fazy tlenkowe są również bardzo przydatne, takie jak spinel (MgAl ₂ O ₄ ), Na-β-tlenek glinu (NaAl ₁₁ O ₁₇ ) i glinian trójwapniowy (Ca ₃ Al ₂ O ₆ , ważna faza mineralna w cemencie portlandzkim ) .

Jedynymi stabilnymi chalkogenkami w normalnych warunkach są siarczek glinu (Al ₂ S ₃ ), selenek (Al ₂ Se ₃ ) i tellurek (Al ₂ Te ₃ ). Wszystkie trzy są przygotowywane przez bezpośrednią reakcję ich pierwiastków w temperaturze około 1000 ° C (1800 ° F) i szybko całkowicie hydrolizują w wodzie, dając wodorotlenek glinu i odpowiedni chalkogenek wodoru . Ponieważ glin jest małym atomem w stosunku do tych chalkogenów, mają one czworościenne aluminium o czterech współrzędnych z różnymi odmianami polimorficznymi mającymi struktury podobne do wurcytu , z dwiema trzecimi możliwych miejsc metali zajętych w uporządkowany (α) lub losowy (β) sposób ; siarczek ma również formę γ związaną z tlenkiem glinu γ i niezwykłą sześciokątną postać wysokotemperaturową, w której połowa atomów glinu ma tetraedryczną czterokoordynację, a druga połowa ma trygonalną bipiramidową pięciokoordynację.

Znane są cztery pniktydy - azotek glinu (AlN), fosforek glinu (AlP), arsenek glinu (AlAs) i antymonek glinu (AlSb). Wszystkie są półprzewodnikami III-V izoelektronicznymi do krzemu i germanu , z których wszystkie oprócz AlN mają strukturę blendy cynkowej . Wszystkie cztery można wytworzyć w wyniku bezpośredniej reakcji ich elementów składowych w wysokiej temperaturze (i prawdopodobnie pod wysokim ciśnieniem).

Stopy aluminium dobrze łączą się z większością innych metali (z wyjątkiem większości metali alkalicznych i metali z grupy 13) oraz znanych jest ponad 150 związków międzymetalicznych z innymi metalami. Przygotowanie polega na podgrzaniu połączonych metali w określonej proporcji, a następnie stopniowym schładzaniu i wyżarzaniu . Wiązanie w nich jest głównie metaliczne , a struktura krystaliczna zależy przede wszystkim od wydajności upakowania.

Niewiele jest związków o niższych stopniach utlenienia. Istnieje kilka związków glinu (I) : AlF, AlCl, AlBr i Al występują w fazie gazowej, gdy odpowiedni trihalogenek jest ogrzewany glinem oraz w temperaturach kriogenicznych. Stabilną pochodną monojodku glinu jest cykliczny addukt utworzony z trietyloaminą , Al ₄ I ₄ (NEt ₃ ) ₄ . Al ₂ O i Al ₂ S również istnieją, ale są bardzo niestabilne. Bardzo proste związki glinu (II) są przywoływane lub obserwowane w reakcjach metalu Al z utleniaczami. Na przykład tlenek glinu , AlO , wykryto w fazie gazowej po wybuchu oraz w widmach absorpcji gwiazd. Dokładniej zbadane są związki o wzorze R ₄ Al ₂ zawierające wiązanie Al–Al, w którym R jest dużym ligandem organicznym .

Związki glinoorganiczne i pokrewne wodorki

Główny artykuł: związek glinoorganiczny

Struktura trimetyloglinu , związku zawierającego węgiel o pięciu współrzędnych.

wiele związków o wzorze empirycznym AlR ₃ i AlR _1,5 Cl _1,5 . Trialkile i triaryle glinu są reaktywnymi, lotnymi i bezbarwnymi cieczami lub niskotopliwymi ciałami stałymi. Zapalają się spontanicznie w powietrzu i reagują z wodą, co wymaga środków ostrożności podczas obchodzenia się z nimi. _{do ich analogów boru, ale} Pri ^{ta tendencja zmniejsza się w przypadku alkili} o rozgałęzionych łańcuchach (np. , Bui ^, Me3CCH2 ); na przykład triizobutyloglin istnieje jako równowagowa mieszanina monomeru i dimeru. Te dimery, takie jak trimetyloglin (Al ₂ Me ₆ ), zwykle zawierają tetraedryczne centra Al utworzone przez dimeryzację z pewnymi grupami alkilowymi połączonymi mostkami między obydwoma atomami glinu. Są to twarde kwasy i łatwo reagują z ligandami, tworząc addukty. W przemyśle są one najczęściej stosowane w reakcjach insercji alkenów, jak odkrył Karl Ziegler , przede wszystkim w „reakcjach wzrostu”, które tworzą długołańcuchowe nierozgałęzione pierwszorzędowe alkeny i alkohole, oraz w niskociśnieniowej polimeryzacji etenu i propenu . Istnieją również pewne heterocykliczne i klastrowe związki glinoorganiczne zawierające wiązania Al – N.

Najważniejszym przemysłowo wodorkiem glinu jest wodorek glinowo-litowy (LiAlH ₄ ), który jest stosowany jako środek redukujący w chemii organicznej . Może być wytwarzany z wodorku litu i trichlorku glinu . Najprostszy wodorek, wodorek glinu lub alan, nie jest tak ważny. Jest to polimer o wzorze (AlH ₃ ) _n , w przeciwieństwie do odpowiedniego wodorku boru, który jest dimerem o wzorze (BH ₃ ) ₂ .

Występowanie naturalne

Zobacz też: Lista krajów według produkcji boksytu

Przestrzeń

Obfitość aluminium na cząsteczkę w Układzie Słonecznym wynosi 3,15 ppm (części na milion). Jest dwunastym najbardziej rozpowszechnionym ze wszystkich pierwiastków i trzecim najbardziej rozpowszechnionym wśród pierwiastków o nieparzystej liczbie atomowej, po wodorze i azocie. Jedyny stabilny izotop glinu, ²⁷ Al, jest osiemnastym najczęściej występującym jądrem we Wszechświecie. Powstaje prawie w całości po fuzji węgla w masywnych gwiazdach, które później staną się supernowymi typu II : ta fuzja tworzy ²⁶ Mg, które po wychwyceniu wolnych protonów i neutronów staje się glinem. Niektóre mniejsze ilości ²⁷ Al powstają w powłokach spalających wodór rozwiniętych gwiazd, gdzie ²⁶ Mg może wychwytywać wolne protony. Zasadniczo całe istniejące obecnie aluminium to ²⁷ Al. ²⁶ Al był obecny we wczesnym Układzie Słonecznym z obfitością 0,005% w stosunku do ²⁷ Al, ale jego okres półtrwania wynoszący 728 000 lat jest zbyt krótki, aby jakiekolwiek oryginalne jądro mogło przetrwać; ²⁶ Al jest zatem wymarły . W przeciwieństwie do ²⁷ Al, spalanie wodoru jest głównym źródłem ²⁶ Al, przy czym nuklid pojawia się po tym, jak jądro o masie ²⁵ Mg złapie wolny proton. Jednak śladowe ilości ^{26 Al,} które istnieją, są najpowszechniejszymi emiterami promieniowania gamma w gazie międzygwiazdowym ; gdyby oryginalne ²⁶ Al nadal było obecne, mapy Drogi Mlecznej w promieniach gamma byłyby jaśniejsze.

Ziemia

Boksyt , główna ruda aluminium. Czerwono-brązowy kolor wynika z obecności tlenku żelaza .

Ogólnie rzecz biorąc, Ziemia zawiera około 1,59% masowych aluminium (siódme miejsce pod względem masy). Aluminium występuje w większej proporcji w skorupie ziemskiej niż w całym Wszechświecie, ponieważ aluminium łatwo tworzy tlenek i wiąże się ze skałami i pozostaje w skorupie ziemskiej , podczas gdy mniej reaktywne metale opadają do jądra. W skorupie ziemskiej aluminium jest najobficiej występującym pierwiastkiem metalicznym (8,23% masy) i trzecim najbardziej rozpowszechnionym ze wszystkich pierwiastków (po tlenie i krzemie). Duża liczba krzemianów w skorupie ziemskiej zawiera aluminium. płaszcz Ziemi składa się tylko z 2,38% aluminium. Aluminium występuje również w wodzie morskiej w stężeniu 2 μg/kg.

Ze względu na silne powinowactwo do tlenu aluminium prawie nigdy nie występuje w stanie pierwiastkowym; zamiast tego znajduje się w tlenkach lub krzemianach. Skalenie , najpowszechniejsza grupa minerałów w skorupie ziemskiej, to glinokrzemiany. Aluminium występuje również w minerałach berylu , kriolicie , granacie , spinelu i turkusie . Zanieczyszczenia w Al ₂ O ₃ , takie jak chrom i żelazo , dają kamienie szlachetne odpowiednio rubin i szafir . Rodzimy metal aluminiowy jest niezwykle rzadki i można go znaleźć jedynie jako niewielką fazę w środowiskach o niskiej lotności tlenu , takich jak wnętrza niektórych wulkanów. Rodzime aluminium zostało zgłoszone w zimnych wyciekach na północno-wschodnim zboczu kontynentalnym Morza Południowochińskiego . Możliwe, że osady te powstały w wyniku bakteryjnej redukcji tetrahydroksoglinianu Al(OH) ₄ ⁻ .

Chociaż aluminium jest powszechnym i szeroko rozpowszechnionym pierwiastkiem, nie wszystkie minerały glinu są ekonomicznie opłacalnymi źródłami metalu. Prawie całe metaliczne aluminium jest produkowane z rudy boksytu (AlO _x (OH) _{3–2 x} ). Boksyt występuje jako wietrzenia podłoża skalnego o niskiej zawartości żelaza i krzemionki w tropikalnych warunkach klimatycznych. W 2017 roku najwięcej boksytu wydobywano w Australii, Chinach, Gwinei i Indiach.

Historia

Osobny artykuł: Historia aluminium

Friedrich Wöhler , chemik, który jako pierwszy dokładnie opisał metaliczne pierwiastki aluminium

Historia aluminium została ukształtowana przez użycie ałunu . Pierwsza pisemna wzmianka o ałunie, sporządzona przez greckiego historyka Herodota , pochodzi z V wieku pne. Wiadomo, że starożytni używali ałunu jako zaprawy barwiącej i do obrony miasta. Po wyprawach krzyżowych ałun, towar nieodzowny w europejskim przemyśle włókienniczym, był przedmiotem handlu międzynarodowego; był importowany do Europy ze wschodniej części Morza Śródziemnego do połowy XV wieku.

Natura ałunu pozostała nieznana. Około 1530 roku szwajcarski lekarz Paracelsus zasugerował, że ałun jest solą ziemi ałunu. W 1595 roku niemiecki lekarz i chemik Andreas Libavius ​​potwierdził to eksperymentalnie. W 1722 roku niemiecki chemik Friedrich Hoffmann ogłosił, że podstawą ałunu jest odrębna ziemia. W 1754 roku niemiecki chemik Andreas Sigismund Marggraf zsyntetyzował tlenek glinu, gotując glinę w kwasie siarkowym, a następnie dodając potas .

Próby wytworzenia metalicznego aluminium sięgają 1760 roku. Pierwszą udaną próbę zakończył jednak w 1824 roku duński fizyk i chemik Hans Christian Ørsted . Przereagował bezwodny chlorek glinu z amalgamatem potasu , uzyskując bryłkę metalu wyglądającą podobnie do cyny. Przedstawił swoje wyniki i zademonstrował próbkę nowego metalu w 1825 r. W 1827 r. Niemiecki chemik Friedrich Wöhler powtórzył eksperymenty Ørsteda, ale nie zidentyfikował żadnego aluminium. (Przyczynę tej niespójności odkryto dopiero w 1921 r.) W tym samym roku przeprowadził podobny eksperyment, mieszając bezwodny chlorek glinu z potasem i wytwarzając proszek glinu. W 1845 roku był w stanie wyprodukować małe kawałki metalu i opisał niektóre właściwości fizyczne tego metalu. Przez wiele lat Wöhler był uznawany za odkrywcę aluminium.

Pomnik Anterosa na Piccadilly Circus w Londynie powstał w 1893 roku i jest jednym z pierwszych posągów odlanych z aluminium.

Ponieważ metoda Wöhlera nie mogła dać dużych ilości aluminium, metal pozostał rzadki; jego koszt przewyższał koszt złota. Pierwsza przemysłowa produkcja aluminium została założona w 1856 roku przez francuskiego chemika Henri Etienne Sainte-Claire Deville i jego towarzyszy. Deville odkrył, że trichlorek glinu można zredukować sodem, co było wygodniejsze i tańsze niż potas, którego używał Wöhler. Nawet wtedy aluminium nadal nie było bardzo czyste, a produkowane aluminium różniło się właściwościami w zależności od próbki. Ze względu na zdolność przewodzenia prądu, aluminium zostało użyte jako zwieńczenie Pomnika Waszyngtona , ukończonego w 1885 roku. W tamtym czasie najwyższy budynek na świecie, niekorodująca metalowa nasadka miała służyć jako szczyt piorunochronu .

Pierwsza przemysłowa metoda produkcji na dużą skalę została niezależnie opracowana w 1886 roku przez francuskiego inżyniera Paula Héroulta i amerykańskiego inżyniera Charlesa Martina Halla ; jest obecnie znany jako proces Halla-Héroulta . Proces Halla-Héroulta przekształca tlenek glinu w metal. Austriacki chemik Carl Joseph Bayer odkrył sposób oczyszczania boksytu w celu uzyskania tlenku glinu, znanego obecnie jako proces Bayera , w 1889 r. Nowoczesna produkcja metalicznego aluminium opiera się na procesach Bayera i Halla-Héroulta.

Ceny aluminium spadły, a aluminium stało się szeroko stosowane w biżuterii, przedmiotach codziennego użytku, oprawkach okularów, instrumentach optycznych, zastawie stołowej i folii w latach 90. XIX wieku i na początku XX wieku. Zdolność aluminium do tworzenia twardych, ale lekkich stopów z innymi metalami zapewniała metalowi wiele zastosowań w tamtym czasie. Podczas I wojny światowej główne rządy zażądały dużych dostaw aluminium do lekkich, mocnych płatowców; podczas II wojny światowej zapotrzebowanie głównych rządów na lotnictwo było jeszcze wyższe.

W połowie XX wieku aluminium stało się częścią codziennego życia i niezbędnym elementem wyposażenia domu. W 1954 r. produkcja aluminium przewyższyła produkcję miedzi , historycznie ustępującej pod względem produkcji jedynie żelazu, co czyni go najczęściej produkowanym metalem nieżelaznym . W połowie XX wieku aluminium pojawiło się jako materiał inżynierii lądowej, z zastosowaniami budowlanymi zarówno w budownictwie podstawowym, jak i wykańczaniu wnętrz, i jest coraz częściej stosowane w inżynierii wojskowej, zarówno w samolotach, jak i silnikach pojazdów opancerzonych. Pierwszy sztuczny satelita Ziemi , wystrzelony w 1957 roku, składał się z dwóch połączonych oddzielnych aluminiowych półkuli, a wszystkie kolejne pojazdy kosmiczne wykorzystywały aluminium w pewnym stopniu. Aluminiowa puszka została wynaleziona w 1956 roku i wykorzystana jako pojemnik na napoje w 1958 roku.

Światowa produkcja aluminium od 1900 roku

W XX wieku produkcja aluminium szybko rosła: podczas gdy światowa produkcja aluminium w 1900 roku wynosiła 6800 ton metrycznych, roczna produkcja po raz pierwszy przekroczyła 100 000 ton metrycznych w 1916 roku; 1 000 000 ton w 1941 r .; 10 000 000 ton w 1971 r. W latach 70. zwiększony popyt na aluminium uczynił z niego towar giełdowy; weszła na Londyńską Giełdę Metali , najstarszą przemysłową giełdę metali na świecie, w 1978 roku. Produkcja nadal rosła: roczna produkcja aluminium przekroczyła 50 000 000 ton metrycznych w 2013 roku.

Rzeczywista cena aluminium spadła z 14 000 USD za tonę metryczną w 1900 r. Do 2340 USD w 1948 r. (W 1998 r. W dolarach amerykańskich). Koszty wydobycia i przetwórstwa zostały obniżone w stosunku do postępu technologicznego i skali gospodarek. Jednak konieczność eksploatacji złóż o niższej jakości i gorszej jakości oraz wykorzystanie szybko rosnących kosztów nakładów (przede wszystkim energii) zwiększyło koszt netto aluminium; realna cena zaczęła rosnąć w latach 70. wraz ze wzrostem kosztów energii. Produkcja przeniosła się z krajów uprzemysłowionych do krajów, w których produkcja była tańsza. Koszty produkcji pod koniec XX wieku uległy zmianie ze względu na postęp technologiczny, niższe ceny energii, kursy wymiany dolara amerykańskiego i ceny tlenku glinu. krajów BRIC w produkcji podstawowej i konsumpcji podstawowej znacznie wzrósł w pierwszej dekadzie XXI wieku. Chiny gromadzą szczególnie dużą część światowej produkcji dzięki obfitości zasobów, taniej energii i bodźcom rządowym; zwiększył również swój udział w konsumpcji z 2% w 1972 r. do 40% w 2010 r. W Stanach Zjednoczonych, Europie Zachodniej i Japonii większość aluminium zużywano w transporcie, inżynierii, budownictwie i opakowaniach. W 2021 r. ceny metali przemysłowych, takich jak aluminium, wzrosły do ​​niemal rekordowych poziomów, ponieważ niedobory energii w Chinach podnoszą koszty energii elektrycznej.

Etymologia

Nazwy aluminium i aluminium wywodzą się od słowa glin , przestarzałego określenia tlenku glinu , naturalnie występującego tlenku glinu . Glin został zapożyczony z języka francuskiego, który z kolei pochodzi od alumenu , klasycznej łacińskiej nazwy ałunu , minerału, z którego został zebrany. Łacińskie słowo alumen wywodzi się od praindoeuropejskiego rdzenia * alu- oznaczającego „gorzki” lub „piwo”.

Amerykańska reklama z 1897 r. Z pisownią aluminiową

Pochodzenie

Brytyjski chemik Humphry Davy , który przeprowadził szereg eksperymentów mających na celu wyizolowanie metalu, jest uznawany za osobę, która nazwała pierwiastek. Pierwsza nazwa metalu, który miał być wyizolowany z ałunu, brzmiała alumium , którą Davy zasugerował w artykule z 1808 roku na temat swoich badań elektrochemicznych, opublikowanym w Philosophical Transactions of the Royal Society . Okazało się, że nazwa powstała od angielskiego słowa alum i łacińskiego przyrostka -ium ; ale zwyczajem było wówczas nadawanie elementom nazw pochodzących z łaciny, tak że nazwa ta nie przyjęła się powszechnie. Nazwę tę skrytykowali współcześni chemicy z Francji, Niemiec i Szwecji, którzy upierali się, że metal powinien być nazwany od tlenku glinu, z którego miałby być izolowany. Angielska nazwa ałun nie pochodzi bezpośrednio z łaciny, natomiast alumine / alumina pochodzi oczywiście od łacińskiego słowa alumen ( po deklinacji alumen zmienia się w alumin- ).

Jednym z przykładów był Essai sur la Nomenclature chimique (lipiec 1811), napisany po francusku przez szwedzkiego chemika Jönsa Jacoba Berzeliusa , w którym nazwa aluminium pochodzi od pierwiastka, który można zsyntetyzować z ałunu. (Inny artykuł w tym samym numerze czasopisma również nadaje nazwę aluminium metalowi, którego tlenek jest podstawą szafiru ). W podsumowaniu jednego z wykładów Davy'ego w Towarzystwie Królewskim ze stycznia 1811 r . Wymieniono nazwę aluminium jako możliwość. W następnym roku Davy opublikował podręcznik do chemii, w którym użył pisowni aluminium . Od tego czasu obie pisownie współistnieją. Ich wykorzystanie ma charakter regionalny: aluminium dominuje w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie; aluminium , w pozostałej części anglojęzycznego świata.

Pisownia

W 1812 roku brytyjski naukowiec Thomas Young napisał anonimową recenzję książki Davy'ego, w której zaproponował nazwę aluminium zamiast aluminium , które jego zdaniem miało „mniej klasyczny dźwięk”. Nazwa ta przyjęła się: chociaż w Wielkiej Brytanii sporadycznie używano pisowni -um , w amerykańskim języku naukowym od samego początku używano -ium . Większość naukowców na całym świecie używała -ium w XIX wieku; i był zakorzeniony w wielu innych językach europejskich, takich jak francuski , niemiecki i niderlandzki . W 1828 roku amerykański leksykograf Noah Webster zapisał w swoim American Dictionary of the English Language jedynie pisownię aluminium . W latach trzydziestych XIX wieku -um zyskała zastosowanie w Stanach Zjednoczonych; w latach sześćdziesiątych XIX wieku stała się tam bardziej powszechną pisownią poza nauką. W 1892 roku Hall użył -um w ulotce reklamowej dla swojej nowej elektrolitycznej metody produkcji metalu, pomimo ciągłego używania pisowni -ium we wszystkich patentach, które złożył w latach 1886-1903: nie wiadomo, czy ta pisownia była wprowadzone przez pomyłkę lub celowo; ale Hall preferował aluminium od czasu jego wprowadzenia, ponieważ przypominało platynę , nazwę prestiżowego metalu. Do 1890 roku obie pisownie były powszechne w Stanach Zjednoczonych, przy czym -ium była nieco bardziej powszechna; do 1895 roku sytuacja się odwróciła; do 1900 roku aluminium stało się dwa razy bardziej powszechne niż aluminium ; w następnej dekadzie -um zdominowała użycie w Ameryce. W 1925 roku Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne przyjęło tę pisownię.

Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) przyjęła aluminium jako standardową międzynarodową nazwę pierwiastka w 1990 roku. W 1993 roku uznali aluminium za dopuszczalny wariant; najnowsze wydanie nomenklatury chemii nieorganicznej IUPAC z 2005 r. również uznaje tę pisownię. Oficjalne publikacje IUPAC używają -ium jako podstawowej i wymieniają obie tam, gdzie jest to właściwe.

Produkcja i uszlachetnianie

Zobacz też: Lista krajów według produkcji aluminium pierwotnego

Produkcja aluminium rozpoczyna się od wydobycia skały boksytowej z ziemi. Boksyt jest przetwarzany i przekształcany w procesie Bayera w tlenek glinu , który jest następnie przetwarzany w procesie Halla-Héroulta , w wyniku czego powstaje końcowe aluminium.

Produkcja aluminium jest bardzo energochłonna, dlatego producenci lokują huty w miejscach, gdzie energii elektrycznej jest pod dostatkiem i niedroga. Od 2019 roku największe na świecie huty aluminium znajdują się w Chinach, Indiach, Rosji, Kanadzie i Zjednoczonych Emiratach Arabskich, podczas gdy Chiny są zdecydowanie największym producentem aluminium z udziałem na świecie wynoszącym pięćdziesiąt pięć procent.

Zgodnie z raportem International Resource Panel 's Metal Stocks in Society , światowe zasoby aluminium na mieszkańca używanego w społeczeństwie (tj. w samochodach, budynkach, elektronice itp.) wynoszą 80 kg (180 funtów). Wiele z tego dotyczy krajów bardziej rozwiniętych (350–500 kg (770–1100 funtów) na mieszkańca), a nie krajów słabiej rozwiniętych (35 kg (77 funtów) na mieszkańca).

Proces Bayera

Główny artykuł: proces Bayera

Zobacz też: Lista krajów według produkcji boksytu

Boksyt jest przekształcany w tlenek glinu w procesie Bayera. Boksyt jest mieszany w celu uzyskania jednolitego składu, a następnie mielony. Otrzymaną zawiesinę miesza się z gorącym roztworem wodorotlenku sodu ; mieszanina jest następnie poddawana obróbce w zbiorniku fermentacyjnym pod ciśnieniem znacznie wyższym od atmosferycznego, rozpuszczając wodorotlenek glinu w boksycie, jednocześnie przekształcając zanieczyszczenia w stosunkowo nierozpuszczalne związki:

Al(OH) ₃ + Na ⁺ + OH ^- → Na ⁺ + [Al(OH) ₄ ] ^-

Po tej reakcji zawiesina ma temperaturę wyższą od atmosferycznej temperatury wrzenia. Jest chłodzony przez usuwanie pary w miarę zmniejszania ciśnienia. Pozostałość boksytu oddziela się od roztworu i odrzuca. Roztwór wolny od ciał stałych zaszczepia się małymi kryształkami wodorotlenku glinu; powoduje to rozkład jonów [Al(OH) ₄ ] ^- do wodorotlenku glinu. Po wytrąceniu się około połowy glinu mieszanina jest wysyłana do klasyfikatorów. Zbiera się małe kryształy wodorotlenku glinu, które służą jako środki zaszczepiające; grube cząstki są przekształcane w tlenek glinu przez ogrzewanie; nadmiar roztworu usuwa się przez odparowanie, (w razie potrzeby) oczyszcza i zawraca.

Proces Halla-Héroulta

Wytłaczanie kęsów aluminiowych

Główne artykuły: proces Halla-Héroulta i wytapianie aluminium

Zobacz też: Lista krajów według produkcji tlenku glinu

Konwersję tlenku glinu do metalicznego aluminium osiąga się w procesie Halla-Héroulta . W tym energochłonnym procesie roztwór tlenku glinu w stopionej (950 i 980 °C (1740 i 1800 °F)) mieszaninie kriolitu ( Na ₃ AlF ₆ ) z fluorkiem wapnia jest poddawany elektrolizie w celu wytworzenia metalicznego aluminium. Ciekłe metaliczne aluminium opada na dno roztworu, jest spuszczane i zwykle odlewane w duże bloki zwane kęsami aluminiowymi do dalszej obróbki.

Anody ogniwa elektrolizy są wykonane z węgla — materiału najbardziej odpornego na korozję fluorkową — i albo wypalają się w trakcie procesu, albo są wstępnie wypalane. Te pierwsze, zwane również anodami Söderberga, są mniej wydajne energetycznie, a gromadzenie oparów uwalnianych podczas wypalania jest kosztowne, dlatego są one zastępowane wstępnie wypalanymi anodami, mimo że oszczędzają energię, energię i pracę przy wstępnym wypalaniu katod. Węgiel do anod powinien być najlepiej czysty, aby ani aluminium, ani elektrolit nie były zanieczyszczone popiołem. Pomimo odporności węgla na korozję, jest on nadal zużywany w ilości 0,4–0,5 kg na każdy kilogram wyprodukowanego aluminium. Katody wykonane są z antracytu ; wysoka czystość nie jest dla nich wymagana, ponieważ zanieczyszczenia wypłukują się bardzo wolno. Katoda zużywa się w ilości 0,02–0,04 kg na każdy kilogram wyprodukowanego aluminium. Ogniwo zwykle kończy się po 2–6 latach od awarii katody.

W procesie Halla-Heroulta powstaje aluminium o czystości powyżej 99%. Dalsze oczyszczanie można przeprowadzić w procesie Hoopesa . Proces ten obejmuje elektrolizę stopionego aluminium za pomocą elektrolitu z fluorku sodu, baru i glinu. Otrzymane aluminium ma czystość 99,99%.

Energia elektryczna stanowi około 20 do 40% kosztów produkcji aluminium, w zależności od lokalizacji huty. Produkcja aluminium pochłania około 5% energii elektrycznej wytwarzanej w Stanach Zjednoczonych. Z tego powodu zbadano alternatywy dla procesu Halla-Héroulta, ale żadna nie okazała się ekonomicznie wykonalna.

Recykling

Wspólne kosze na odpady nadające się do recyklingu wraz z koszem na odpady nienadające się do recyklingu. Kosz z żółtym wieczkiem jest oznaczony jako „aluminium”. Rodos, Grecja.

Główny artykuł: Recykling aluminium

Odzysk metalu poprzez recykling stał się ważnym zadaniem przemysłu aluminiowego. Recykling był działalnością mało popularną aż do późnych lat 60. XX wieku, kiedy to rosnące wykorzystanie aluminiowych puszek po napojach uświadomiło go opinii publicznej. Recykling obejmuje topienie złomu, proces, który wymaga tylko 5% energii potrzebnej do wytworzenia aluminium z rudy, chociaż znaczna część (do 15% materiału wejściowego) jest tracona w postaci żużla (popiołu ) . Aluminiowy topielnik kominowy wytwarza znacznie mniej żużlu, z wartościami zgłaszanymi poniżej 1%.

Biały kożuch żużlowy z pierwotnej produkcji aluminium iz operacji wtórnego recyklingu nadal zawiera przydatne ilości aluminium, które można wydobyć przemysłowo . W procesie powstają kęsy aluminium wraz z wysoce złożonym materiałem odpadowym. Te odpady są trudne do zagospodarowania. Reaguje z wodą wydzielając mieszaninę gazów (m.in. wodór , acetylen , amoniak ), która w kontakcie z powietrzem ulega samozapłonowi; kontakt z wilgotnym powietrzem powoduje uwolnienie dużych ilości gazowego amoniaku. Pomimo tych trudności odpady są wykorzystywane jako wypełniacz do asfaltu i betonu .

Aplikacje

Austin A40 Sports z aluminiowym nadwoziem (ok. 1951)

Metal

Zobacz też: Stop aluminium

Światowa produkcja aluminium w 2016 roku wyniosła 58,8 mln ton metrycznych. Przewyższył wartość jakiegokolwiek innego metalu z wyjątkiem żelaza (1231 milionów ton metrycznych).

Aluminium jest prawie zawsze stopowe, co znacznie poprawia jego właściwości mechaniczne, zwłaszcza po hartowaniu . Na przykład powszechnie stosowane folie aluminiowe i puszki po napojach są stopami zawierającymi od 92% do 99% aluminium. Głównymi stopami są miedź , cynk , magnez , mangan i krzem (np. duraluminium ), a zawartość innych metali wynosi kilka procent wagowych. Aluminium, zarówno przerobione jak i odlewane, zostało stopione m.in. z: manganem , krzemem , magnezem , miedzią i cynkiem . Na przykład rodzina stopów Kynal została opracowana przez brytyjskiego producenta chemicznego Imperial Chemical Industries .

Puszka aluminiowa

Główne zastosowania aluminium metalicznego to:

• Transport ( samochody , samoloty, ciężarówki , wagony kolejowe , statki morskie, rowery , statki kosmiczne itp .). Aluminium jest używane ze względu na jego niską gęstość;
• Opakowania ( puszki , folie, ramki itp. ). Aluminium jest stosowane, ponieważ jest nietoksyczne (patrz poniżej ), nieadsorpcyjne i odporne na odpryski ;
• Budownictwo i konstrukcja ( okna , drzwi , siding , drut budowlany, poszycie, pokrycia dachowe itp. ). Ponieważ stal jest tańsza, aluminium jest używane, gdy ważna jest lekkość, odporność na korozję lub cechy techniczne;
• Zastosowania związane z energią elektryczną (stopy przewodników, silniki i generatory, transformatory, kondensatory itp. ). Aluminium stosuje się, ponieważ jest stosunkowo tanie, dobrze przewodzi prąd, ma odpowiednią wytrzymałość mechaniczną i małą gęstość oraz jest odporne na korozję;
• Szeroka gama artykułów gospodarstwa domowego , od przyborów kuchennych po meble . Niska gęstość, dobry wygląd, łatwość wykonania i trwałość to kluczowe czynniki zastosowania aluminium;
• Maszyny i urządzenia (urządzenia przetwórcze, rury, narzędzia). Aluminium jest stosowane ze względu na jego odporność na korozję, niepiroforyczność i wytrzymałość mechaniczną.
• Przenośne obudowy komputerowe. Obecnie rzadko używane bez stopowania, ale aluminium można poddać recyklingowi, a czyste aluminium ma wartość rynkową: na przykład z zużytej puszki po napojach (UBC) został użyty do obudowy elementów elektronicznych laptopa MacBook Air , smartfona Pixel 5 lub smartwatcha Summit Lite .

związki

Zdecydowana większość (około 90%) tlenku glinu jest przekształcana w metaliczne aluminium. Będąc bardzo twardym materiałem ( twardość w skali Mohsa 9), tlenek glinu jest szeroko stosowany jako materiał ścierny; będąc wyjątkowo obojętnym chemicznie, jest przydatny w wysoce reaktywnych środowiskach, takich jak wysokoprężne lampy sodowe. Tlenek glinu jest powszechnie stosowany jako katalizator w procesach przemysłowych; np. proces Clausa służący do przekształcania siarkowodoru w siarkę w rafineriach i alkilowania amin . Wiele katalizatorów przemysłowych jest osadzonych na tlenku glinu, co oznacza, że ​​kosztowny materiał katalizatora jest rozproszony na powierzchni obojętnego tlenku glinu. Innym głównym zastosowaniem jest środek osuszający lub absorbent.

Laserowe osadzanie tlenku glinu na podłożu

Kilka siarczanów glinu ma zastosowanie przemysłowe i handlowe. Siarczan glinu (w postaci uwodnionej) jest produkowany w skali rocznej kilku milionów ton metrycznych. Około dwie trzecie jest zużywane do uzdatniania wody . Kolejnym ważnym zastosowaniem jest produkcja papieru. Stosowany jest również jako zaprawa w farbiarstwie, kiszeniu nasion, dezodoryzacji olejów mineralnych, garbowaniu skór i produkcji innych związków glinu. Dwa rodzaje ałunu, ałun amonowy i ałun potasowy , były wcześniej używane jako zaprawy i do garbowania skór, ale ich użycie znacznie spadło po dostępności siarczanu glinu o wysokiej czystości. Bezwodny chlorek glinu jest stosowany jako katalizator w przemyśle chemicznym i petrochemicznym, farbiarstwie oraz w syntezie różnych związków nieorganicznych i organicznych. Wodorochlorki glinu są stosowane do oczyszczania wody, w przemyśle papierniczym oraz jako antyperspiranty . Glinian sodu jest stosowany do uzdatniania wody oraz jako przyspieszacz krzepnięcia cementu.

Wiele związków glinu ma zastosowania niszowe, na przykład:

• Octan glinu w roztworze jest stosowany jako środek ściągający .
• Fosforan glinu jest stosowany w produkcji wyrobów szklanych, ceramicznych, celulozowo -papierniczych, kosmetyków , farb, lakierów oraz w cemencie dentystycznym .
• Wodorotlenek glinu jest stosowany jako środek zobojętniający kwas i zaprawa; znajduje również zastosowanie w oczyszczaniu wody , produkcji szkła i ceramiki oraz w hydroizolacji tkanin .
• Wodorek litowo-glinowy jest silnym środkiem redukującym stosowanym w chemii organicznej .
• Organogliny są stosowane jako kwasy Lewisa i kokatalizatory.
• Metyloaluminoksan jest kokatalizatorem polimeryzacji olefin Zieglera-Natty w celu wytworzenia polimerów winylowych, takich jak polietylen .
• Wodne jony glinu (takie jak wodny siarczan glinu) są stosowane do zwalczania pasożytów ryb, takich jak Gyrodactylus salaris .
• W wielu szczepionkach niektóre sole glinu służą jako adiuwant immunologiczny (wzmacniacz odpowiedzi immunologicznej), aby umożliwić białku w szczepionce osiągnięcie wystarczającej siły jako stymulatora odporności.

Podłoża aluminiowane

Aluminiowanie to proces powlekania konstrukcji lub materiału cienką warstwą aluminium. Odbywa się to w celu nadania określonych cech, których podłożu , takich jak określone właściwości chemiczne lub fizyczne. Materiały aluminiowane obejmują:

• Stal aluminiowana , zapewniająca odporność na korozję i inne właściwości
• Aluminiowany ekran do urządzeń wyświetlających
• Tkanina aluminiowana , aby odbijać ciepło
• Aluminiowany mylar odbijający ciepło

Biologia

Schemat wchłaniania aluminium przez ludzką skórę.

Pomimo powszechnego występowania w skorupie ziemskiej aluminium nie pełni żadnej znanej funkcji w biologii. Przy pH 6–9 (odpowiednim dla większości wód naturalnych) glin wytrąca się z wody w postaci wodorotlenku i dlatego jest niedostępny; większość pierwiastków zachowujących się w ten sposób nie pełni żadnej roli biologicznej lub jest toksyczna. Siarczan glinu ma LD50 ₆₂₀₇ mg/kg (doustnie, mysz), co odpowiada 435 gramom dla osoby ważącej 70 kg (150 funtów).

Toksyczność

Departament Zdrowia i Opieki Społecznej Stanów Zjednoczonych jako substancja nierakotwórcza . W przeglądzie opublikowanym w 1988 roku stwierdzono, że istnieje niewiele dowodów na to, że normalna ekspozycja na aluminium stanowi zagrożenie dla zdrowej osoby dorosłej, a przegląd toksykologii wielu pierwiastków z 2014 roku nie był w stanie znaleźć szkodliwych skutków spożywania aluminium w ilościach nie większych niż 40 mg dziennie na kg masy ciała . Większość zużytego aluminium opuszcza organizm wraz z kałem; większość jego małej części, która dostaje się do krwioobiegu, zostanie wydalona z moczem; niemniej jednak pewna ilość glinu przechodzi przez barierę krew-mózg i jest preferencyjnie umieszczana w mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera. Dowody opublikowane w 1989 roku wskazują, że u pacjentów z chorobą Alzheimera aluminium może działać poprzez elektrostatyczne sieciowanie białek, zmniejszając w ten sposób geny w górnym zakręcie skroniowym .

Efekty

osteomalację oporną na witaminę D , niedokrwistość mikrocytarną oporną na erytropoetynę i zmiany w ośrodkowym układzie nerwowym. Szczególnie narażone są osoby z niewydolnością nerek. Przewlekłe spożywanie uwodnionych krzemianów glinu (w celu kontroli nadmiernej kwasowości soku żołądkowego) może spowodować wiązanie glinu z treścią jelitową i zwiększoną eliminację innych metali, takich jak żelazo lub cynk ; wystarczająco wysokie dawki (>50 g/dzień) mogą powodować anemię.

⁰⁰ Istnieje pięć głównych form glinu wchłanianych przez organizm ludzki: wolny solwatowany trójwartościowy kation (Al ³⁺ _(aq) ); niskocząsteczkowe, obojętne, rozpuszczalne kompleksy (LMW-Al _(aq) ); obojętne, rozpuszczalne kompleksy o dużej masie cząsteczkowej (HMW-Al _(aq) ); niskocząsteczkowe, naładowane, rozpuszczalne kompleksy (LMW-Al(L) _n ^+/- _(aq) ); nano i mikrocząstki (Al(L) _n(s) ). Są transportowane przez błony komórkowe lub nabłonek/ śródbłonek komórki pięcioma głównymi drogami: (1) parakomórkowa ; (2) transkomórkowy ; (3) aktywny transport ; (4) kanały; endocytoza adsorpcyjna lub za pośrednictwem receptora .

Podczas incydentu zanieczyszczenia wody w Camelford w 1988 r. Mieszkańcy Camelford przez kilka tygodni zanieczyszczali wodę pitną siarczanem glinu . W raporcie końcowym dotyczącym incydentu z 2013 roku stwierdzono, że jest mało prawdopodobne, aby spowodowało to długoterminowe problemy zdrowotne.

Podejrzewa się, że aluminium jest możliwą przyczyną choroby Alzheimera , ale badania nad tym prowadzone przez ponad 40 lat nie wykazały, od 2018 r., żadnych dobrych dowodów na związek przyczynowy.

Glin zwiększa ekspresję genów związanych z estrogenem w ludzkich komórkach raka piersi hodowanych w laboratorium. W bardzo dużych dawkach aluminium jest związane ze zmienioną funkcją bariery krew-mózg. Niewielki procent osób ma alergię kontaktową na aluminium i doświadcza swędzących czerwonych wysypek, bólu głowy, bólu mięśni, bólu stawów, słabej pamięci, bezsenności, depresji, astmy, zespołu jelita drażliwego lub innych objawów po kontakcie z produktami zawierającymi aluminium.

Kontakt ze sproszkowanym aluminium lub oparami spawalniczymi aluminium może powodować zwłóknienie płuc . Drobny proszek aluminiowy może się zapalić lub eksplodować, stwarzając kolejne zagrożenie w miejscu pracy.

Drogi narażenia

Żywność jest głównym źródłem aluminium. Woda pitna zawiera więcej aluminium niż stałe pokarmy; jednak aluminium w żywności może być wchłaniane bardziej niż aluminium z wody. Główne źródła doustnego narażenia ludzi na glin obejmują żywność (ze względu na jego stosowanie w dodatkach do żywności, opakowaniach żywności i napojów oraz przyborach kuchennych), wodę pitną (ze względu na jego stosowanie w miejskich systemach uzdatniania wody) oraz leki zawierające glin (szczególnie środki zobojętniające kwas /przeciwwrzodowe i buforowane preparaty aspiryny). Narażenie z dietą u Europejczyków wynosi średnio 0,2–1,5 mg/kg/tydzień, ale może sięgać nawet 2,3 mg/kg/tydzień. Wyższe poziomy narażenia na aluminium są w większości ograniczone do górników, pracowników produkcji aluminium i pacjentów dializowanych .

Konsumpcja środków zobojętniających sok żołądkowy , antyperspirantów, szczepionek i kosmetyków zapewnia możliwe drogi narażenia. Spożywanie kwaśnych pokarmów lub płynów zawierających aluminium zwiększa wchłanianie aluminium, a wykazano, że maltol zwiększa gromadzenie się glinu w tkankach nerwowych i kostnych.

Leczenie

W przypadku podejrzenia nagłego spożycia dużej ilości glinu jedynym sposobem leczenia jest mesylan deferoksaminy , który można podać w celu eliminacji glinu z organizmu na drodze chelatacji . Należy to jednak stosować ostrożnie, ponieważ zmniejsza to nie tylko poziomy aluminium w korpusie, ale także innych metali, takich jak miedź lub żelazo.

Efekty środowiskowe

Obiekt składowania „ odpadów boksytowych ” w Stade w Niemczech. Przemysł aluminiowy generuje rocznie około 70 mln ton tych odpadów.

Wysoki poziom aluminium występuje w pobliżu miejsc wydobycia; niewielkie ilości aluminium są uwalniane do środowiska w elektrowniach węglowych lub spalarniach . Aluminium w powietrzu jest wypłukiwane przez deszcz lub normalnie osiada, ale małe cząsteczki aluminium pozostają w powietrzu przez długi czas.

Kwaśne opady są głównym naturalnym czynnikiem mobilizującym aluminium ze źródeł naturalnych i główną przyczyną wpływu aluminium na środowisko; jednak głównym czynnikiem obecności glinu w słonej i słodkiej wodzie są procesy przemysłowe, które również uwalniają aluminium do powietrza.

W wodzie aluminium działa toksycznie na zwierzęta oddychające skrzelami , takie jak ryby , gdy woda jest kwaśna, w której glin może wytrącać się na skrzelach, co powoduje utratę jonów osocza i hemolimfy , co prowadzi do niewydolności osmoregulacyjnej . Organiczne kompleksy glinu mogą być łatwo wchłaniane i zaburzać metabolizm u ssaków i ptaków, choć w praktyce zdarza się to rzadko.

Glin jest głównym czynnikiem ograniczającym wzrost roślin na glebach kwaśnych. Chociaż na glebach o odczynie obojętnym jest to na ogół nieszkodliwe dla wzrostu roślin, to w glebach kwaśnych stężenie toksycznych kationów Al ³⁺ wzrasta i zaburza wzrost i funkcjonowanie korzeni. Pszenica rozwinęła tolerancję na glin, uwalniając związki organiczne , które wiążą się ze szkodliwymi kationami glinu . Uważa się, że sorgo ma ten sam mechanizm tolerancji.

Produkcja aluminium ma swoje własne wyzwania dla środowiska na każdym etapie procesu produkcyjnego. Głównym wyzwaniem jest emisja gazów cieplarnianych . Gazy te powstają w wyniku zużycia energii elektrycznej w hutach oraz produktów ubocznych przetwarzania. Najsilniejszymi z tych gazów są perfluorowęglowodory z procesu wytapiania. Uwolniony dwutlenek siarki jest jednym z głównych prekursorów kwaśnych deszczy .

Biodegradacja metalicznego aluminium jest niezwykle rzadka; większość organizmów powodujących korozję aluminium nie atakuje bezpośrednio ani nie zużywa aluminium, ale zamiast tego wytwarza żrące odpady. Grzyb Geotrichum candidum może zjadać aluminium w płytach kompaktowych . Bakteria Pseudomonas aeruginosa i grzyb Cladosporium resinae są powszechnie wykrywane w zbiornikach paliwa lotniczego, w których stosuje się paliwa na bazie nafty (nie avgas ), a kultury laboratoryjne mogą powodować degradację aluminium.

Zobacz też

• Granulki aluminium
• Łączenie aluminium
• Akumulator aluminiowo-powietrzny
• Zabarwienie krawędzi panelu
• Zegar kwantowy

Bibliografia

•   Davis, JR (1999). Korozja aluminium i stopów aluminium . ASM International. ISBN 978-1-61503-238-9 .
•    Dziekan, JA (1999). Podręcznik chemii Lange'a (wyd. 15). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-016384-3 . OCLC 40213725 .
•   Drozdow, A. (2007). Aluminium: trzynasty element . Biblioteka RUSAL . ISBN 978-5-91523-002-5 .
•   Greenwood, NN ; Earnshaw, A. (1997). Chemia pierwiastków (wyd. 2). Butterwortha-Heinemanna . ISBN 978-0-08-037941-8 .
•   Król, RB (1995). Chemia nieorganiczna pierwiastków grupy głównej . Wiley-VCH. ISBN 978-0-471-18602-1 .
•   Lide, DR, wyd. (2004). Podręcznik chemii i fizyki (84 wyd.). CRC Naciśnij . ISBN 978-0-8493-0566-5 .
• Nappi, C. (2013). Globalny przemysł aluminiowy 40 lat od 1972 r. (PDF) (raport). Międzynarodowy Instytut Aluminium. Zarchiwizowane (PDF) od oryginału w dniu 9 października 2022 r.
• Richards, JW (1896). Aluminium: jego historia, występowanie, właściwości, metalurgia i zastosowania, w tym jego stopy (wyd. 3). Henry Carey Baird & Co.
•   Schmitz, C. (2006). Podręcznik recyklingu aluminium . Vulkan-Verlag GmbH. ISBN 978-3-8027-2936-2 .

Dalsza lektura

• Mimi Sheller, Aluminium Dream: The Making of Light Nowoczesność . Cambridge, Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology Press, 2014.

Linki zewnętrzne

• Aluminium w układzie okresowym filmów (University of Nottingham)
• Portal substancji toksycznych – aluminium – z Agencji ds. Substancji Toksycznych i Rejestru Chorób Departamentu Zdrowia i Opieki Społecznej Stanów Zjednoczonych
• CDC – kieszonkowy przewodnik NIOSH dotyczący zagrożeń chemicznych – aluminium
• Światowa produkcja aluminium pierwotnego według krajów
• Historia cen aluminium, zgodnie z MFW
• Historia aluminium – ze strony internetowej Międzynarodowego Instytutu Aluminium
• Medycyna – Aluminium
• Krótki film Aluminium jest dostępny do bezpłatnego pobrania w Internet Archive .