ALUMÍNIUM: ELŐZMÉNYEK, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, ELŐÁLLÍTÁS, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

Az alumínium egy fém elem, amely a periódusos rendszer (III A) 13. csoportjába tartozik, és amelyet az A szimbólum ábrázol. Ez egy könnyű fém, kis sűrűségű és keménységű. Amfoter tulajdonságainak köszönhetően egyes tudósok metalloidnak minősítették.

Ez egy elasztikus és nagyon formázható fém, ezért vezeték, vékony alumínium lemezek, valamint bármilyen tárgy vagy alak előállítására használják; például a híres konzervdobozok ötvözeteikkel vagy az alumínium fólia, amellyel az ételeket vagy a desszerteket csomagolják.

Összegyűrt alumínium fólia, az egyik legegyszerűbb és mindennapi tárgy, amelyet ebből a fémből készítettek. Forrás: Pexels.

Az alumot (hidratált kálium-alumínium-szulfát) az emberek az ősi idők óta használják az orvostudományban, a bőr cserzésében és a szövetek festésére szolgáló anyagként. Így ásványai örökre ismertek.

Az alumíniumot, mint fémet, azonban nagyon későn, 1825-ben, Øersted izolálta, ami olyan tudományos tevékenységhez vezetett, amely lehetővé tette annak ipari felhasználását. Abban a pillanatban az alumínium volt a fém, amelynek a legnagyobb termelése volt a világon, a vas után.

Az alumíniumot főleg a földkéreg felső részében találják meg, amely 8 tömeg% -át teszi ki. A harmadik leggyakoribb elemének felel meg, amelyet szilícium-dioxid és szilikát ásványaikban meghaladja az oxigén és a szilícium.

A bauxit az ásványok társulása, amelyek között szerepelnek: alumínium-oxid (alumínium-oxid), valamint a vas, titán és szilícium fém-oxidjai. Ez az alumíniumbányászat fő természeti erőforrása.

Történelem

Timsó

Mezopotámiában, ie 5000 évvel. C., Már készítettek kerámiát agyagokkal, amelyek alumíniumvegyületeket tartalmaztak. Időközben 4000 évvel ezelőtt a babilóniaiak és az egyiptomiak alumíniumot használtak egyes kémiai vegyületekben.

Az első, az almával kapcsolatos írásbeli dokumentumot Herodotus, egy görög történész készítette a Kr. E. 5. században. Az alumot zsinórként használták a szövetek festésénél, és megóvták a faanyagot, amellyel az erőd ajtóit tervezték, a tűzktől.

Ugyanígy, Plinius, az "idõsebb" az 1. században az almára, mai nevén alumára utal, mint az orvostudományban használt anyagot és a lágyítószert.

A 16. századtól kezdve az almát használták a bőr cserzéséhez és papírméretezéshez. Zselatin anyag volt, amely következetességet adott a papírnak, és lehetővé tette írásbeli felhasználását.

1767-ben Torbern Bergman svájci vegyész elérte az alum szintézisét. Ehhez melegítette a moonitot kénsavval, majd az oldathoz kálium-káliumot adagolt.

Elismerés alumínium-oxidban

1782-ben Antoine Lavoisier francia vegyész rámutatott, hogy az alumínium-oxid (Al ₂ O ₃) valamilyen elem oxidja. Ennek olyan affinitása van az oxigénhez, hogy nehéz volt elválasztani. Ezért Lavoisier akkor jósolta meg az alumínium létezését.

Később, 1807-ben, Sir Humphry Davy angol vegyész alumínium-oxidot elektrolízisnek vetett alá. Az alkalmazott módszerrel azonban alumíniumötvözetet állítottak elő káliummal és nátriummal, így nem tudta izolálni a fém.

Davy megjegyezte, hogy az alumínium-oxidnak van egy fém alapja, amelyet eredetileg alumiumnak neveztek, az „alumen” latin szó alapján, amely az alum esetében használt név. Davy később megváltoztatta a nevét "aluminium" -ra, a jelenlegi angol névre.

1821-ben Eilhard Mitscherlich német vegyésznek sikerült felfedeznie az alumínium-oxid helyes összetételét: Al ₂ O ₃.

Elkülönítés

Ugyanebben az évben a francia geológus, Pierre Berthier felfedezte az alumínium ásványt egy vöröses agyag kőzetgyűjtőben Franciaországban, a Les Baux régióban. Berthier az ásványt bauxitnak nevezte. Jelenleg ez az ásvány az alumínium fő forrása.

1825-ben a Hans Christian Øersted dán vegyész állítólagos alumíniumból fémrudat készített. "Fémdarabnak írta le, amely kissé hasonlít ón színére és ragyogására". Az Øersted ezt az alumínium-klorid (AlCl ₃₎ kálium-amalgámmal történő redukciójával tudta elérni.

Úgy gondolták azonban, hogy a kutató nem tiszta alumíniumot, hanem alumínium és kálium ötvözetét szerezte be.

1827-ben a német kémikus, Friedrich Wöehler mintegy 30 gramm alumínium anyagot tudott előállítani. Aztán, 18 éves nyomozási munka után, Wöehler 1845-ben elérte a tűvédő méretű, fémes fényű és szürkés színű gömböcskék előállítását.

Wöehler még a fém bizonyos tulajdonságait is leírta, mint például a szín, a fajsúly, a rugalmasság és a stabilitás.

Ipari termelés

1855-ben a francia vegyész, Henri Sainte-Claire Deville továbbfejlesztette Wöehler módszerét. Ehhez szokott csökkentésére alumínium-klorid vagy nátrium-alumínium-klorid és fém nátrium, használva kriolit (Na ₃ AlF ₆), mint áramlás.

Ez lehetővé tette az alumínium ipari termelését a franciaországi Rouenben, 1855 és 1890 között pedig 200 tonna alumínium előállítását sikerült elérni.

1886-ban a francia mérnök Paul Héroult és az amerikai hallgató Charles Hall önállóan kidolgozott egy módszert az alumínium előállítására. A módszer az alumínium-oxid elektrolitikus redukciójából áll az olvadt kriolitban egyenáram alkalmazásával.

A módszer hatékony volt, de problémája volt a magas villamosenergia-igény miatt, ami drágábbá tette a termelést. Héroult úgy oldotta meg ezt a problémát, hogy iparát Neuhausenben (Svájc) alapította, így villamosenergia-termelőként kihasználva a Rajna-vízesést.

Hall kezdetben Pittsburgban (USA) telepedett le, de később áthelyezte iparát a Niagara-vízesés közelében.

Végül, 1889-ben Karl Joseph Bayer kidolgozta az alumínium-oxid előállításának módszerét. Ez azt jelenti, hogy a bauxitot zárt tartályban lúgos oldattal melegítik. A hevítési folyamat során az alumínium-oxid frakciót visszanyerik a sóoldatban.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Fizikai megjelenés

Alumínium fém vödör. Forrás: Carsten Niehaus

Ezüstszürke szilárd anyag, metál fényű (felső kép). Ez egy lágy fém, de kis mennyiségű szilíciummal és vasgal megkeményedik. Ezenkívül nagyon rugalmas és formázható, mivel legfeljebb 4 mikron vastagságú alumíniumlemezek gyárthatók.

Atomsúly

26 981 u

Atomszám (Z)

13

Olvadáspont

660,32 ºC

Forráspont

2470 ºC

Sűrűség

Környezeti hőmérséklet: 2,70 g / ml

Olvadáspont (folyadék): 2,355 g / ml

Sűrűsége más fémekhez képest jóval alacsonyabb. Ezért az alumínium meglehetősen könnyű.

A fúziós hő

10,71 kJ / mol

A párolgás hője

284 kJ / mol

Moláris kalóriakapacitás

24,20 J / (mol K)

elektronegativitás

1,61 a Pauling skálán

Ionizációs energia

-Első: 577,5 kJ / mol

-Második: 1,816,7 kJ / mol

-Harmadik: 2744,8 kJ / mol

Hőtágulás

23,1 µm / (mK) 25 ° C-on

Hővezető

237 W / (mK)

Az alumínium hővezető képessége háromszorosa az acélé.

Elektromos ellenállás

26,5 nΩ m 20 ° C-on

Elektromos vezetőképessége a réz vezetékének 2/3-a.

Mágneses sorrend

Paramágneses

Keménység

2,75 a Mohs skálán

Reakcióképesség

Az alumínium ellenáll a korróziónak, mivel amikor levegővel érintkezik, a felületén kialakuló vékony Al ₂ O ₃ -oxid réteg megakadályozza az oxidáció folytatódását a fém belsejében.

Savas oldatokban vízzel reagál, hidrogént képezve; míg lúgos oldatokban aluminát-iont (AlO ₂ ^-) képeznek.

A híg savak nem oldják fel, de koncentrált sósav jelenlétében képesek. Az alumínium azonban ellenáll a koncentrált salétromsavnak, bár a hidroxidok megtámadják, hogy hidrogént és aluminát-ionot hozzon létre.

A porított alumíniumot égetik oxigén és szén-dioxid jelenlétében, hogy alumínium-oxidot és alumínium-karbidot képezzen. Korrodálhatja a nátrium-klorid-oldatban lévő kloriddal. Ezért az alumínium csövekben történő használata nem ajánlott.

Az alumíniumot víz oxidálja 280 ºC alatti hőmérsékleten.

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

Felépítés és elektronikus konfiguráció

Az alumínium fémes elem (néhány esetben metalloid színezékekkel), Al-atomjai kölcsönhatásba lépnek a fémkötésnek köszönhetően. Ezt a nem irányított erőt a valencia elektronai szabályozzák, amelyek az egész kristályban szétszóródnak, annak összes dimenziójában.

Ezek az vegyérték elektronok az alumínium elektronikus konfigurációjának megfelelően a következők:

3s ² 3p ¹

Ezért az alumínium háromértékű fém, mivel három vegyérték elektronjával rendelkezik; kettő a 3s körüli pályán és egy a 3p-nál. Ezek az orbitálok átfedésben vannak, hogy 3s és 3p molekuláris pályákat képezzenek, olyan közel egymáshoz, hogy vezetési sávokat képezzenek.

Az s sáv tele van, míg a p sávban sok elektron marad. Ezért van az alumínium jó villamos vezető.

Az alumínium fémkötése, atomjainak sugara és elektronikus jellemzői egy fcc (arcközpontú köbméter) kristályt határoznak meg. Egy ilyen FCC kristály látszólag az alumínium egyetlen ismert allotrope, tehát biztosan ellenáll a rajta működő magas nyomásoknak.

Oxidációs számok

Az alumínium elektronikus konfigurációja azonnal jelzi, hogy képes akár három elektron elvesztésére; azaz nagy hajlam az Al ³⁺ kation kialakítására. Amikor feltételezzük, hogy ez a kation létezik egy alumíniumból származó vegyületben, azt mondják, hogy oxidációs száma +3; amint köztudott, ez az alumínium esetében a leggyakoribb.

Ennek a fémnek azonban vannak más, de ritka oxidációs számai is; így például: -2 (Al ^2-), -1 (Al ^-), +1 (Al ⁺) és +2 (Al ²⁺).

Például Al ₂ O _3- ban az alumínium oxidációs száma +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ²); míg Ali és AlO, +1 (Al ⁺ F ^-) és +2 (Al ²⁺ O ^2-), ill. Normál körülmények között vagy helyzetekben az Al (III) vagy a +3 messze a legszélesebb oxidációs szám; mivel az Al ³⁺ izoelektronikus a neon nemesgázhoz képest.

Ez az oka annak, hogy az iskolai tankönyvekben mindig - jó okkal - feltételezik, hogy az alumínium egyetlen szám vagy oxidációs állapota a +3.

Hol található és szerezhető be

Az alumínium a földkéreg külső peremén koncentrálódik, mivel ez a harmadik elem, amelyet csak az oxigén és a szilícium túllép. Az alumínium a földkéreg 8 tömeg% -át képviseli.

Az éghajlati kőzetekben található meg, főleg: alumínium-szilikátok, földpárok, földpátisok és micákban. Vöröses agyagokban is, mint a bauxit esetében.

- Bauxitok

Bauxit bánya. Forrás: Felhasználó: VargaA

A bauxitok ásványok keveréke, amelyek hidratált alumínium-oxidot és szennyeződéseket tartalmaznak; például vas- és titán-oxidok és szilícium-dioxid, a következő tömegszázalékkal:

-At ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O konstitúció 12-30%.

Az alumínium-oxidot bauxitban hidratált formában találják, két változatban:

-monohidrátok (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), amelyeknek két kristályos formája van: boemit és diaszpor

-Trihidrátok (Al ₂ O ₃ · ₃ H ₂ O), a gibbsit képviseli.

A bauxit az alumínium fő forrása, és a bányászat során előállított alumínium nagy részét szolgáltatja.

- Alumínium lerakódások

Megváltoztatása

Elsősorban a bauxitok képezik az Al ₂ O ₃ 40-50% -ának, a Fe ₂ O ₃ 20% -ának és a SiO ₂ 3-10% -ának.

hidrotermális

Alunit.

magmás

Alumínium kőzetek, amelyek ásványi anyagokat tartalmaznak, például szeniteket, nefelint és anorthiteket (az Al ₂ O ₃ 20% -a).

metamorf

Alumínium-szilikátok (andalúzit, szilimanit és kianit).

Detritics

Kaolin lerakódások és különféle agyagok (32% Al ₂ O ₃).

- A bauxit kiaknázása

A bauxitot a nyílt ég alatt bányozzák. Miután a sziklákat vagy agyagokat összegyűjtötték, összetörik és őrölték gömb- és rúdmalmokban, amíg 2 mm átmérőjű részecskéket nem kapnak. Ezekben a folyamatokban a kezelt anyag nedves marad.

Az alumínium-oxid előállításához a Bayer által 1989-ben kifejlesztett eljárást követjük: az őrölt bauxitot nátrium-hidroxid hozzáadásával emésztjük, így az oldódó nátrium-aluminát képződik; míg a szennyező anyagok a vas, a titán és a szilícium-oxidok szuszpenzióban maradnak.

A szennyeződéseket dekantáljuk, és az alumínium-oxid-trihidrátot lehűtéssel és hígítással kicsapjuk a nátrium-aluminátból. Ezt követően a trihidrált alumínium-oxidot szárítják, így vízmentes alumínium-oxidot és vizet kapnak.

- Az alumínium-oxid elektrolízise

Az alumínium előállításához az alumínium-oxidot elektrolízisnek vetik alá, rendszerint Hall-Héroult (1886) által létrehozott módszer szerint. Az eljárás során az olvadt alumínium-oxidot kriolitdá redukálják.

Az oxigén kötődik a szénanódhoz és széndioxid formájában szabadul fel. Eközben a felszabadult alumínium az elektrolitikus elem alján helyezkedik el, ahol felhalmozódik.

ötvözetek

Az alumíniumötvözeteket általában négy számmal azonosítják.

1XXX

Az 1xxx kód az alumíniumnak felel meg, 99% tisztasággal.

2xxx

A 2xxx kód az alumínium és a réz ötvözetének felel meg. Erős ötvözetek, amelyeket a repülőgépjárművekben használtak, de repedtek a korrózió ellen. Ezek az ötvözetek duralumin néven ismertek.

3xxx

A 3xxx kód olyan ötvözetekre vonatkozik, amelyekben mangánt és kis mennyiségű magnéziumot adnak az alumíniumhoz. Ezek nagyon kopásálló ötvözetek, mivel a 3003 ötvözetet használják a konyhai eszközök készítéséhez és a 3004 ötvözetét italcsészékhez.

4xxx

A 4xxx kód olyan ötvözeteket képvisel, amelyekben szilíciumot adnak az alumíniumhoz, ami csökkenti a fém olvadáspontját. Ezt az ötvözetet hegesztő huzalok gyártásához használják. A 4043 ötvözetet gépjárművek és szerkezeti elemek hegesztésére használják.

5xxx

Az 5xxx kód ötvözetekre vonatkozik, ahol a magnéziumot elsősorban az alumíniumhoz adják.

Erős ötvözetek, amelyek ellenállnak a tengervíz korróziójának, nyomástartó edények gyártására és különféle tengeri alkalmazásokhoz használják. Az 5182 ötvözetet szódáskannák fedőinek előállításához használják.

6xxx

A 6xxx kód olyan ötvözetekre vonatkozik, amelyekben szilíciumot és magnéziumot adnak az ötvözethez alumíniummal. Ezek az ötvözetek fröccsönthetők, hegeszthetők és korrózióállóak. A sorozat leggyakoribb ötvözete az építészetben, a kerékpárkeretekben és az iPhone 6 építésében használatos.

7xxx

A 7xxx kód olyan ötvözeteket jelöl, amelyekben cink adódik az alumíniumhoz. Ezek az ötvözetek, más néven Ergal, ellenállnak a törésnek és nagy keménységűek, a 7050 és 7075 ötvözeteket használva a repülőgépek gyártásában.

kockázatok

Közvetlen expozíció

Alumínium porral való érintkezés bőr- és szemirritációt okozhat. Az hosszabb ideig tartó, magas alumínium-expozíció influenza-szerű tüneteket, fejfájást, lázot és hidegrázást okozhat; mellkasi fájdalom és szorítás is előfordulhat.

A finom alumínium pornak való kitettség tüdő hegesedést (tüdőfibrózist) okozhat, köhögés és légszomj tüneteivel. Az OSHA 8 órás munkanapon belül 5 mg / m ³ határértéket határozott meg az alumínium pornak való kitettségre.

Az alumínium foglalkozási expozíciójának biológiai toleranciaértékét 50 μg / g kreatinin tartalommal határozták meg a vizeletben. A neuropszichológiai tesztekben csökkenő teljesítmény mutatkozik, ha az alumíniumkoncentráció a vizeletben meghaladja a 100 µg / g kreatinint.

Mellrák

Az alumíniumot alumínium-hidrokloridként használják izzadásgátló dezodorokban, amelyek összekapcsolódtak az emlőrák kialakulásával. Ezt a kapcsolatot azonban többek között nem egyértelműen megállapították, mivel az alumínium-hidroklorid bőrfelszívódása csupán 0,01%.

Neurotoxikus hatások

Az alumínium neurotoxikus, és a foglalkozási kitettséggel küzdő embereknél idegrendszeri betegségekhez kapcsolódtak, amelyek között szerepel az Alzheimer-kór.

Az Alzheimer-kóros betegek agyában magas az alumíniumkoncentráció; de nem ismert, hogy ez a betegség oka, vagy következménye.

Dializált betegekben meghatározták a neurotoxikus hatások jelenlétét. Ebben az eljárásban alumíniumsókat használtunk foszfátkötőként, amelyek nagy koncentrációban aluminiumot jelentettek a vérben (> 100 ug / L plazma).

Az érintett betegek rendellenességet, memóriaproblémákat és előrehaladott állapotban demenciát mutattak. Az alumínium neurotoxicitását az magyarázza, hogy az agy által nehéz eliminálni, és befolyásolja annak működését.

Alumínium bevitel

Az alumínium számos élelmiszerben megtalálható, különösen a teában, a fűszerekben és általában a zöldségekben. Az Európai Élelmiszerbiztonsági Hatóság (EFSA) tolerancia határértéket állapított meg az élelmiszerekben található alumínium bevitelére vonatkozóan 1 mg / testtömeg-kg naponta.

Az EFSA 2008-ban becslése szerint az élelmiszerekben az alumínium napi bevitelének mennyisége naponta 3–10 mg volt, ezért arra a következtetésre jutott, hogy az nem jelent egészségügyi kockázatot; valamint az alumínium edények használata ételek főzéséhez.

Alkalmazások

- Mint a fém

Elektromos

Az alumínium jó elektromos vezető, ezért használják ötvözetekben villamos erőátviteli vezetékekben, motorokban, generátorokban, transzformátorokban és kondenzátorokban.

Épület

Az alumíniumot ajtó- és ablakkeretek, válaszfalak, kerítések, burkolatok, hőszigetelők, mennyezetek stb. Gyártásához használják.

Szállítás

Az alumíniumot gépjárművek, repülőgépek, teherautók, kerékpárok, motorkerékpárok, csónakok, űrhajók, vasúti kocsik alkatrészeinek gyártásához használják.

konténerek

Alumínium dobozok különféle ételekhez. Forrás: Pxhere.

Az alumíniumot italdobozok, sörtartók, tálcák stb. Készítésére használják.

itthon

Alumínium vödör. Forrás: Pexels.

Az alumíniumot konyhai eszközök készítéséhez használják: edények, serpenyők, serpenyők és csomagolópapír; bútorokon, lámpákon stb.

Fényvisszaverő erő

Az alumínium hatékonyan tükrözi a sugárzó energiát; az ultraibolya fénytől az infravörös sugárzásig. Az alumínium fényvisszaverő képessége a látható fényben körülbelül 80%, ami lehetővé teszi annak használatát árnyékként a lámpákban.

Ezen túlmenően az alumínium megőrzi ezüstvisszaverő tulajdonságát még finom por formájában is, így felhasználható ezüstfestékek előállítására.

- Alumíniumvegyületek

Timföld

Fémes alumínium, szigetelők és gyújtógyertyák előállítására használják. Amikor az alumínium-oxid felmelegszik, egy porózus szerkezet alakul ki, amely abszorbeálja a vizet, és ezt felhasználja a gázok kiszáradására és a katalizátorok működésére szolgáló helyként szolgál a különféle kémiai reakciók során.

Alumínium-szulfát

Papírgyártásban és felületi töltőanyagként használják. Az alumínium-szulfát kálium-alumínium-alumin képződéséhez szolgál. Ez a legszélesebb körben alkalmazott alma és számos alkalmazásban; mint például gyógyszerek, festékek és pezsgőanyagok gyártása szövetek festésére.

Alumínium-klorid

Ez a leggyakrabban használt katalizátor a Friedel-Crafts reakciókban. Ezek szintetikus szerves reakciók, amelyeket aromás ketonok és antrakinon előállításához használnak. A hidratált alumínium-kloridot helyi izzadásgátló és dezodoráló szerként használják.

Alumínium-hidroxid

Szövetek vízhatlanságához és alumínium-aluminátumok előállításához használják.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Alumínium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Alumínium. PubChem adatbázis. CID = 5359268. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminium
4. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019. január 13.). Alumínium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
5. UC Rusal. (Sf). Alumínium története. Helyreállítva: aluminiumleader.com
6. Oviedo Egyetem. (2019). Alumínium kohászat.. Helyreállítva: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. február 6). Alumínium vagy alumínium ötvözetek. Helyreállítva: gondolat.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., és Drexler, H. (2017). Az alumínium expozíció egészségügyi hatásai. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Alumínium ötvözetek. Helyreállítva: sciencedirect.com
10. Natalia GM (2012. január 16). Alumínium hozzáférhetőség az élelmiszerekben. Helyreállítva: Consumer.es