ALUMINIJ: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, DOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2025

Aluminij je metalni element koji spada u (III) A skupine 13 periodičkog sustava, a koji je predstavljen simbolom A. To je lagani metal s niskom gustoćom i tvrdoće. Zbog svojih amfoternih svojstava, neki su znanstvenici klasificirali kao metaloid.

To je plastičan i vrlo propusan metal, zbog čega se koristi za proizvodnju žice, tankih aluminijskih limova, kao i bilo koje vrste predmeta ili figure; na primjer, poznate limenke sa njihovim legurama ili aluminijsku foliju u koju su omotane hrana ili deserti.

Zgužvana aluminijska folija, jedan od najjednostavnijih i najčešće svakodnevnih predmeta izrađenih ovim metalom. Izvor: Pexels.

Alum (hidratizirani kalijev aluminij sulfat) ljudi se od davnina koriste u medicini, štavljenju kože i kao sredstvo za bojenje tkanina. Dakle, njeni minerali poznati su oduvijek.

Međutim, aluminij kao metal izoliran je Øersted vrlo kasno, 1825. godine, što je dovelo do znanstvene aktivnosti koja je omogućila njegovu industrijsku upotrebu. U tom je trenutku aluminij bio metal s najvećom proizvodnjom na svijetu, nakon željeza.

Aluminij se nalazi uglavnom u gornjem dijelu zemljine kore, a čini ga 8% težine. To odgovara trećem najbogatijem elementu, kojeg su u silici i silikatnim mineralima nadmašili kisik i silicij.

Boksit je udruženje minerala među kojima su: glinica (aluminij-oksid) i metalni oksidi željeza, titana i silicija. Predstavlja glavni prirodni resurs za iskopavanje aluminija.

Povijest

Stipsa

U Mezopotamiji 5000 godina pr. C., Keramiku su već izrađivali koristeći gline koje su sadržavale spojeve aluminija. U međuvremenu, prije 4000 godina, Babilonci i Egipćani koristili su aluminij u nekim kemijskim spojevima.

Prvi pisani dokument u vezi s alumom napravio je Herodot, grčki povjesničar, u 5. stoljeću prije Krista. Alum je korišten kao sredstvo za bojenje tkanina i za zaštitu drva, od kojeg su oblikovana tvrđava, od požara.

Na isti način, Plinijev "stariji" u 1. stoljeću odnosi se na alum, danas poznat kao alum, kao tvar koja se koristi u medicini i motivu.

Od 16. stoljeća nadalje, alum se koristio za štavljenje kože i kao oblikovanje papira. Bila je to želatinozna tvar koja je dala papir dosljednost i omogućila njegovu upotrebu u pisanom obliku.

Švicarski kemičar Torbern Bergman postigao je 1767. sintezu aluma. Da bi to učinio, zagrijao je mjesečinu sumpornom kiselinom, a zatim je otopini dodao kalij.

Prepoznavanje u glinici

Francuski kemičar Antoine Lavoisier je 1782. istaknuo da je glinica (Al ₂ O ₃) oksid nekog elementa. To ima takav afinitet za kisik da je njegovo razdvajanje bilo teško. Stoga je Lavoisier tada predvidio postojanje aluminija.

Kasnije, 1807., engleski kemičar Sir Humphry Davy podvrgnuo je glinicu elektrolizi. Međutim, metoda koju je koristio proizvela je leguru aluminija s kalijem i natrijom, tako da nije mogao izolirati metal.

Davy je komentirao da glinica ima metalnu bazu koju je u početku označavao kao 'glinica', a temelji se na latinskoj riječi 'alumen', nazivu koja se koristi za alum. Davy je kasnije promijenio ime u "aluminij", trenutno englesko ime.

Godine 1821. njemački kemičar Eilhard Mitscherlich uspio je otkriti ispravnu formulu glinice: Al ₂ O ₃.

Izolacija

Iste godine francuski geolog Pierre Berthier otkrio je mineral aluminij u ležištu crvenkaste gline u Francuskoj, u regiji Les Baux. Berthier je mineral označio boksitom. Ovaj mineral trenutno je glavni izvor aluminija.

1825., danski kemičar Hans Christian Øersted proizveo je metalnu šipku od navodnog aluminija. Opisao je kao "komad metala koji malo podsjeća na limenu boju i sjaj". Oersted je u mogućnosti postići smanjivanjem aluminijev klorid, ALCL ₃, s kalijevim amalgama.

Smatralo se, međutim, da istraživač nije dobio čisti aluminij, već leguru aluminija i kalija.

1827. njemački kemičar Friedrich Wöehler uspio je proizvesti oko 30 grama aluminijskog materijala. Tada je, nakon 18 godina istražnog rada, Wöehler 1845. godine postigao izradu globusa veličine glave igle, s metalnim sjajem i sivkastom bojom.

Wöehler je čak opisao neka svojstva metala, kao što su boja, specifična težina, duktilnost i stabilnost.

Industrijska proizvodnja

1855. godine francuski kemičar Henri Sainte-Claire Deville poboljšao se Wöehlerovom metodom. Za to je koristio redukciju aluminij-klorida ili natrijevog aluminij-klorida s metalnim natrijem, koristeći kriolit (Na ₃ AlF ₆) kao protok.

To je omogućilo industrijsku proizvodnju aluminija u Rouenu, u Francuskoj, a između 1855. i 1890. postignuta je proizvodnja 200 tona aluminija.

1886. francuski inženjer Paul Héroult i američki student Charles Hall samostalno su stvorili metodu za proizvodnju aluminija. Metoda se sastoji od elektrolitičke redukcije aluminijevog oksida u rastopljenom kriolitu pomoću jednosmerne struje.

Metoda je bila učinkovita, ali imao je problema s visokom potrebom za električnom energijom, što je učinilo proizvodnju skupljom. Héroult je taj problem riješio osnivanjem svoje industrije u Neuhausenu (Švicarska), čime je iskoristio vodopade Rajne kao generatore električne energije.

Hall se u početku naseljavao u Pittsburgu (SAD), ali kasnije je preselio svoju industriju u blizinu Niagarinih vodopada.

Konačno, 1889. Karl Joseph Bayer stvorio je metodu za proizvodnju glinice. Sastoji se od zagrijavanja boksita u zatvorenom spremniku s alkalnom otopinom. Tijekom procesa grijanja, frakcija glinice se regenerira u fiziološkoj otopini.

Fizička i kemijska svojstva

Fizički izgled

Aluminijska metalna kanta. Izvor: Carsten Niehaus

Srebrno siva čvrsta boja s metalnim sjajem (gornja slika). To je mekan metal, ali otvrdne se s malim količinama silicija i željeza. Pored toga, odlikuje ga vrlo plastičnom i propadljivom, jer se mogu napraviti aluminijski listovi debljine do 4 mikrona.

Atomska težina

26,981 u

Atomski broj (Z)

13

Talište

660,32 ºC

Vrelište

2.470 ºC

Gustoća

Temperatura okoline: 2,70 g / ml

Talište (tekućina): 2,375 g / ml

Gustina mu je znatno niska u usporedbi s ostalim metalima. Iz tog je razloga aluminij prilično lagan.

Toplina fuzije

10,71 kJ / mol

Toplina isparavanja

284 kJ / mol

Molarni kalorijski kapacitet

24,20 J / (mol K)

Elektronegativnost

1,61 na Paulingovoj ljestvici

Energija ionizacije

-Prvo: 577,5 kJ / mol

-Sekunda: 1,816,7 kJ / mol

-Treće: 2.744,8 kJ / mol

Toplinsko širenje

23,1 µm / (mK) na 25 ° C

Toplinska vodljivost

237 W / (m K)

Aluminij ima toplinsku provodljivost tri puta veću od čelika.

Električni otpor

26,5 nΩ m na 20 ºC

Njegova električna provodljivost je 2/3 od bakra.

Magnetski red

paramagnetičan

Tvrdoća

2,75 po Mohosovoj skali

Reaktivnost

Aluminij je otporan na koroziju, jer kada je izložen zraku, tanki sloj Al ₂ O ₃ oksid koji tvori na njegovu površinu sprečava oksidaciju iz nastavka u metalu.

U kiselinskim otopinama reagira s vodom i tvori vodik; dok u alkalnim otopinama tvori aluminatni ion (AlO ₂ ^-).

Razrijeđene kiseline ne mogu je otopiti, ali mogu u prisutnosti koncentrirane klorovodične kiseline. Međutim, aluminij je otporan na koncentriranu dušičnu kiselinu, iako ga napadaju hidroksidi da bi se stvorio vodik i aluminatni ion.

Aluminij u prahu spaljuje se u prisutnosti kisika i ugljičnog dioksida, čime nastaje aluminij oksid i aluminij karbid. Može se korodirati kloridom koji je prisutan u otopini natrijevog klorida. Iz tog razloga se uporaba aluminija u cijevima ne preporučuje.

Aluminij se oksidira vodom na temperaturama nižim od 280 ºC.

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

Struktura i elektronička konfiguracija

Aluminij je metalni element (s nekima metaloidne boje) njegovi Al-atomi međusobno djeluju zahvaljujući metalnoj vezi. Tom nesmjernom silom upravljaju valentni elektroni koji su razbacani po kristalu u svim njegovim dimenzijama.

Ovi elektronski valencijski elektroni su, prema elektroničkoj konfiguraciji aluminija, sljedeći:

3s ² 3p ¹

Stoga je aluminij trovalentni metal, jer ima tri valencijska elektrona; dva u orbitalu 3s i jedna u 3p. Te se orbitale preklapaju u obliku molekularnih orbita 3s i 3p, tako da se zbližuju jedna do druge da formiraju trake provodljivosti.

Traka s je puna, dok p opseg ima puno slobodnog mjesta za više elektrona. Zato je aluminij dobar provodnik električne energije.

Metalna veza aluminija, polumjer njegovih atoma i njegove elektroničke karakteristike definiraju fcc (kubičan) kristal. Takav FCC kristal naizgled je jedini poznati alotrop aluminija, tako da će sigurno izdržati visoke pritiske koji djeluju na njega.

Oksidacijski brojevi

Elektronska konfiguracija aluminija odmah ukazuje da može izgubiti do tri elektrona; to jest, ima visoku tendenciju stvaranja kationa Al ³⁺. Kada se pretpostavi postojanje ovog kationa u spoju izvedenom od aluminija, kaže se da on ima oksidacijski broj +3; kao što je poznato, ovo je za aluminij najčešće.

Međutim, postoje i drugi mogući, ali rijetki oksidacijski brojevi za ovaj metal; kao što su: -2 (Al ^2-), -1 (Al ^-), +1 (Al ⁺) i +2 (Al ²⁺).

Al ₂ O ₃, na primjer, aluminij je oksidacijski broj +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2-); dok su u AlI i AlO +1 (Al ⁺ F ^-) i +2 (Al ²⁺ O ^2-). Međutim, u normalnim uvjetima ili situacijama, Al (III) ili +3 je daleko najobilniji oksidacijski broj; budući da je Al ³⁺ izoelektronski prema neonskom plemenitom plinu.

Zato se u školskim udžbenicima uvijek pretpostavlja, i to s dobrim razlogom, da aluminij ima +3 kao jedini broj ili oksidacijsko stanje.

Gdje pronaći i nabaviti

Aluminij je koncentriran u vanjskoj granici zemljine kore, i njegov je treći element, nadmašen samo kisikom i silicijom. Aluminij predstavlja 8% težine zemljine kore.

Nalazi se u magnetskim stijenama, uglavnom: aluminosilikatima, feldspratima, feldspathoidima i micasima. Također u crvenkastim glinama, kao što je slučaj s boksitima.

- Boksiti

Rudnik boksita. Izvor: Korisnik: VargaA

Boksiti su mješavina minerala koja sadrži hidratiziranu glinicu i nečistoće; kao što su željezo i titanov oksid te silicijev dioksid, sa sljedećim postotkom težine:

-U ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

H ₂ O ustava 12-30%.

Glinica se nalazi u boksitima u hidratiziranom obliku s dvije varijante:

-monohidrati (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), koji imaju dva kristalografska oblika, boemit i dijasporu

-Trihydrates (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), predstavljen gibbsite.

Boksit je glavni izvor aluminija i opskrbljuje većinom aluminija dobivenog rudarstvom.

- Depoziti aluminija

Od promjene

Uglavnom boksita nastaje 40-50% Al ₂ O ₃, 20% Fe ₂ O ₃ i 3-10% za SiO ₂.

hidrotermalne

Alunit.

magmatskim

Aluminijeve stijene koje sadrže minerale poput sijenita, nefelina i anorthita (20% Al ₂ O ₃).

metamorfičan

Aluminijski silikati (andalusit, sillimanit i kyanite).

Detritics

Kaolinski naslage i razne gline (32% Al ₂ O ₃).

- eksploatacija boksita

Boksit se minira pod otvorenim nebom. Nakon što se sakupe stijene ili gline koje ih sadrže, drobe se i mljeju u mlinovima sa kuglom i šipkama, dok se ne dobiju čestice promjera 2 mm. U tim postupcima obrađeni materijal ostaje navlažen.

Pri dobivanju glinice slijedi postupak koji je Bayer stvorio 1989. Mljeveni boksit se digestira dodatkom natrijevog hidroksida, formirajući natrijev aluminat koji se otapa; dok onečišćujuće tvari željezo, titan i silicijev oksid ostaju u suspenziji.

Kontaminanti se dekantiraju, a hlađenjem i razrjeđivanjem taloži se trihidrat glinice iz natrijevog aluminata. Nakon toga, trihidrirana glinica se suši kako bi se dobila bezvodna glinica i voda.

- Elektroliza glinice

Da bi se dobio aluminij, glinica se podvrgava elektrolizi, obično postupkom koji je stvorio Hall-Héroult (1886). Postupak se sastoji od reduciranja rastopljenog glinice u kriolit.

Kisik se veže na ugljičnu anodu i oslobađa se kao ugljični dioksid. U međuvremenu, oslobođeni aluminij se taloži na dnu elektrolitičke ćelije gdje se akumulira.

legure

Aluminijske legure obično se identificiraju sa četiri broja.

1xxx

Šifra 1xxx odgovara aluminijumu čistoće 99%.

2xxx

Kod 2xxx odgovara legu aluminija s bakrom. To su jake legure koje su se koristile u zrakoplovnim vozilima, ali pukle su od korozije. Te su legure poznate kao duralumin.

3xxx

Šifra 3xxx obuhvaća legure u koje se aluminiju dodaju mangan i mala količina magnezija. Oni su legure vrlo otporne na trošenje, pa se koriste legura 3003 za izradu kuhinjskog pribora i 3004 u limenkama za piće.

4xxx

4xxx kod predstavlja legure u koje se dodaje aluminij aluminijumu, koji smanjuje talište metala. Ova legura koristi se u proizvodnji žica za zavarivanje. Legura 4043 koristi se u zavarivanju automobila i konstrukcijskih elemenata.

5xxx

Šifra 5xxx obuhvaća legure u kojima se magnezij prvenstveno dodaje aluminijumu.

To su jake legure otporne na koroziju morske vode, koje se koriste za izradu posuda pod pritiskom i raznih primjena u moru. Za izradu poklopca limenke soda koristi se legura 5182.

6xxx

Šifra 6xxx obuhvaća legure u koje se aluminijumu dodaju silicij i magnezij. Te su legure lijepi, otporne na koroziju. Najčešća legura iz ove serije koristi se u arhitekturi, okvirima za bicikle i konstrukciji iPhonea 6.

7xxx

Kôd 7xxx označuje legure u koje se cink dodaje aluminijumu. Ove legure, koje se nazivaju i Ergal, otporne su na lomove i velike su tvrdoće, koristeći legure 7050 i 7075 u konstrukciji zrakoplova.

rizici

Izravno izlaganje

Dodir s aluminijskim prahom može uzrokovati iritaciju kože i očiju. Dugotrajno, velika izloženost aluminijumu može uzrokovati simptome slične gripi, glavobolju, vrućicu i zimicu; Pored toga mogu se pojaviti bolovi i stezanje u prsima.

Izloženost finoj aluminijskoj prašini može uzrokovati ožiljke u plućima (plućna fibroza), s simptomima kašlja i nedostatka daha. OSHA je utvrdila granicu od 5 mg / m ³ za izlaganje aluminijskoj prašini tijekom 8 sati radnog dana.

Vrijednost biološke tolerancije za profesionalnu izloženost aluminiju utvrđena je na 50 µg / g kreatinina u urinu. Smanjenje performansi u neuropsihološkim testovima događa se kada koncentracija aluminija u urinu prelazi 100 µg / g kreatinina.

Rak dojke

Aluminij se koristi kao aluminij hidroklorid u antiperspirantnim dezodoransima, nakon što je povezan s razvojem raka dojke. Međutim, ta veza između ostalog nije jasno uspostavljena, jer apsorpcija aluminij hidroklorida u koži iznosi samo 0,01%.

Neurotoksični učinci

Aluminij je neurotoksičan i kod ljudi koji su bili izloženi profesionalnim aktivnostima povezan je s neurološkim bolestima, među kojima je i Alzheimerova bolest.

Mozak Alzheimerovih pacijenata ima visoku koncentraciju aluminija; ali nije poznato je li to uzrok bolesti ili posljedica te bolesti.

Utvrđena je prisutnost neurotoksičnih učinaka u bolesnika na dijalizi. U ovom postupku, aluminijske soli korištene su kao fosfatno vezivo, koje su stvorile visoke koncentracije aluminija u krvi (> 100 µg / L plazme).

Bolesnici koji su pogođeni pokazali su dezorijentaciju, probleme s pamćenjem i u poodmakloj fazi, demenciju. Neurotoksičnost aluminija objašnjava se zato što ga je mozak teško eliminirao i utječe na njegovo funkcioniranje.

Unos aluminija

Aluminij je prisutan u mnogim namirnicama, posebno u čaju, začinima i općenito u povrću. Europska agencija za sigurnost hrane (EFSA) utvrdila je granicu tolerancije za unos aluminija u hranu od 1 mg / kg tjelesne težine dnevno.

Godine 2008. EFSA je procijenila da se dnevni unos aluminija u hranu kreće između 3 i 10 mg dnevno, zbog čega je zaključeno da on ne predstavlja rizik za zdravlje; kao i upotreba aluminijskih posuđa za kuhanje hrane.

Prijave

- Kao metal

Električna

Aluminij je dobar električni provodnik, zbog čega se koristi u legurama u električnim dalekovodima, motorima, generatorima, transformatorima i kondenzatorima.

zgrada

Aluminij se koristi u proizvodnji okvira vrata i prozora, pregrada, ograda, obloga, toplinskih izolatora, stropova itd.

Prijevoz

Aluminij se koristi u proizvodnji dijelova za automobile, zrakoplove, kamione, bicikle, motocikle, brodove, svemirske brodove, željezničke automobile itd.

kontejneri

Aluminijske limenke za različite vrste hrane. Izvor: Pxhere.

Aluminij se koristi za izradu limenki za piće, kanti za pivo, pladnjevima itd.

Dom

Aluminijske kante. Izvor: Pexels.

Aluminij se koristi za izradu kuhinjskog pribora: lonci, tave, tave i ambalažni papir; pored namještaja, svjetiljki itd.

Reflektivna snaga

Aluminij učinkovito odražava zračenje energije; od ultraljubičastog svjetla do infracrvenog zračenja. Reflektivna snaga aluminija u vidljivoj svjetlosti je oko 80%, što omogućava njegovu uporabu kao sjenilo.

Nadalje, aluminij zadržava svoju odbojnu karakteristiku srebra čak i u obliku finog praha, tako da se može koristiti u proizvodnji srebrnih boja.

- Aluminijski spojevi

aluminij

Koristi se za izradu metalnog aluminija, izolatora i svjećica. Kad se glinica zagrijava, razvija poroznu strukturu koja upija vodu, a koristi se za sušenje plinova i služi kao mjesto za djelovanje katalizatora u različitim kemijskim reakcijama.

Aluminij sulfat

Koristi se u proizvodnji papira i kao površinsko punilo. Aluminij sulfat služi za formiranje kalijevog aluminija. Ovo je najčešće korišteni alum i sa brojnim primjenama; kao što je izrada lijekova, boja i podloga za bojenje tkanina.

Aluminij klorid

To je najčešće korišteni katalizator u reakcijama Friedel-Crafts. Riječ je o sintetskim organskim reakcijama koje se koriste u pripremi aromatičnih ketona i antrakinona. Hidrirani aluminij klorid koristi se kao aktualni antiperspirant i dezodorans.

Aluminij hidroksid

Koristi se za vodootporne tkanine i proizvodnju aluminomata.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Aluminij. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Aluminij. PubChem baza podataka. CID = 5359268. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminium
4. Urednici Encyclopaedia Britannica. (13. siječnja 2019.). Aluminij. Encyclopædia Britannica. Oporavilo od: britannica.com
5. UC Rusal. (SF). Povijest aluminija. Oporavilo od: aluminileader.com
6. Sveučilište Oviedo. (2019). Metalna metalurgija aluminija., Oporavak od: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (6. veljače 2019.). Aluminijske ili aluminijske legure. Oporavilo od: misel.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Zdravstveni učinci izloženosti aluminiju. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Aluminijske legure. Oporavilo od: sciencedirect.com
10. Natalia GM (16. siječnja 2012.). Dostupnost aluminija u hrani. Oporavak od: potrošač.es