ALUMINIJ: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, PRIDOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2024

Aluminija je kovinski element, ki spada v (III A) skupina 13 periodnega sistema in ki je prikazana z oznako A. To je lahkih kovin z nizko gostoto in trdoto. Zaradi svojih amfoteričnih lastnosti so ga nekateri znanstveniki uvrstili med metaloide.

Je nodularna in zelo kovinska kovina, zato se uporablja za izdelavo žice, tankih aluminijastih pločevin, pa tudi za katero koli vrsto predmeta ali figure; na primer znane pločevinke z njihovimi zlitinami ali aluminijasto folijo, s katero so ovita hrana ali sladice.

Zmečkana aluminijasta folija, eden najpreprostejših in najbolj vsakdanjih predmetov, narejenih s to kovino. Vir: Pexels.

Alum (hidriran kalijev aluminijev sulfat) ljudje že od antičnih časov uporabljajo v medicini, strojenju usnja in kot obloga za obarvanje tkanin. Tako so njeni minerali znani že od nekdaj.

Vendar je aluminij kot kovino leta 1825 Øersted izoliral zelo pozno, kar je privedlo do znanstvene dejavnosti, ki je omogočila njegovo industrijsko uporabo. V tistem trenutku je bil aluminij kovina z najvišjo proizvodnjo na svetu, po železu.

Aluminij je večinoma v zgornjem delu zemeljske skorje, ki predstavlja 8 mas. Ustreza tretjemu najpogostejšemu elementu, ki ga v svojem silicijevem in silikatnem mineralu presegata kisik in silicij.

Boksit je združenje mineralov, med katerimi so: glinica (aluminijev oksid) in kovinski oksidi železa, titana in silicija. Predstavlja glavni naravni vir za pridobivanje aluminija.

Zgodovina

Alum

V Mezopotamiji 5000 let pr. C., Keramiko so že naredili z uporabo gline, ki je vsebovala aluminijeve spojine. Medtem so pred 4000 leti Babilonci in Egipčani uporabljali aluminij v nekaterih kemičnih spojinah.

Prvi pisni dokument, povezan z alumom, je naredil Herodot, grški zgodovinar, v 5. stoletju pred našim štetjem. Alum je bil uporabljen kot obloga pri barvanju tkanin in za zaščito lesa, s katerim so bila oblikovana trdnjavna vrata, pred požari.

Na enak način se Plinijev "starejši" v 1. stoletju nanaša na alum, danes znan kot alum, kot snov, ki se uporablja v medicini in mordant.

Od 16. stoletja dalje so alum uporabljali za strojenje usnja in kot velikost papirja. To je bila želatinasta snov, ki je papirju dala konsistenco in omogočala njegovo pisno uporabo.

Leta 1767 je švicarski kemik Torbern Bergman dosegel sintezo aluma. Da bi to naredil, je lunit ogreval z žveplovo kislino in nato raztopini dodal kalijev kalij.

Prepoznavanje v glinici

Leta 1782 je francoski kemik Antoine Lavoisier opozoril, da je glinica (Al ₂ O ₃ ) oksid nekega elementa. To ima tako naklonjenost kisiku, da je bilo njegovo ločevanje težko. Zato je Lavoisier takrat napovedal obstoj aluminija.

Pozneje, leta 1807, je angleški kemik Sir Humphry Davy izpostavil glinico elektrolizi. Vendar je metoda, ki jo je uporabil, ustvarila zlitino aluminija s kalijem in natrijem, zato ni mogel izolirati kovine.

Davy je pripomnil, da ima glinica kovinsko podlago, ki jo je sprva označil za „alumium“, ki temelji na latinski besedi „alumen“, imenu, ki se uporablja za alum. Davy je pozneje spremenil ime v "aluminij", trenutno angleško ime.

Leta 1821 je nemškemu kemiku Eilhardu Mitscherlichu uspelo odkriti pravilno formulo glinice: Al ₂ O ₃ .

Izolacija

Istega leta je francoski geolog Pierre Berthier odkril aluminij mineral v nahajališču rdečkaste gline v Franciji, v regiji Les Baux. Berthier je mineral označil za boksit. Ta mineral je trenutno glavni vir aluminija.

Leta 1825 je danski kemik Hans Christian Øersted iz domnevnega aluminija izdelal kovinsko palico. Opisal ga je kot "kos kovine, ki je po barvi in ​​sijaju nekoliko podoben kositru". Øersted je to lahko dosegel z znižanjem aluminijevega klorida, AlCl ₃ , s kalijevim amalgamom.

Vendar je veljalo, da raziskovalec ni dobil čistega aluminija, temveč zlitino aluminija in kalija.

Leta 1827 je nemškemu kemiku Friedrichu Wöehlerju uspelo izdelati približno 30 gramov aluminijastega materiala. Potem je Wöehler leta 1845 po 18 letih preiskovalnega dela dosegel izdelavo krogel velikosti glave zatiča, s kovinskim sijajem in sivkasto barvo.

Wöehler je celo opisal nekatere lastnosti kovine, kot so barva, specifična teža, duktilnost in stabilnost.

Industrijska proizvodnja

Leta 1855 se je francoski kemik Henri Sainte-Claire Deville izboljšal po Wöehlerjevi metodi. Za to je uporabil redukcijo aluminijevega klorida ali natrijevega aluminijevega klorida s kovinskim natrijem, pri čemer je kot pretok uporabil kriolit (Na ₃ AlF ₆ ).

To je omogočilo industrijsko proizvodnjo aluminija v Rouenu v Franciji, med letoma 1855 in 1890 pa je bila dosežena proizvodnja 200 ton aluminija.

Leta 1886 sta francoski inženir Paul Héroult in ameriški študent Charles Hall samostojno ustvarila metodo za proizvodnjo aluminija. Metoda je sestavljena iz elektrolitske redukcije aluminijevega oksida v staljenem kriolitu z uporabo enosmernega toka.

Metoda je bila učinkovita, vendar je imela težave zaradi velikih potreb po električni energiji, kar je proizvodnjo dražje. Héroult je to težavo rešil tako, da je v Neuhausenu (Švica) ustanovil svojo industrijo in tako izkoristil Renske slapove kot proizvajalce električne energije.

Hall se je sprva naselil v Pittsburgu (ZDA), kasneje pa je svojo industrijo preselil blizu Niagarskih slapov.

Končno je leta 1889 Karl Joseph Bayer ustvaril metodo za proizvodnjo glinice. To vključuje segrevanje boksita v zaprti posodi z alkalno raztopino. Med segrevanjem se frakcija glinice pridobiva v fiziološki raztopini.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Fizični videz

Žlica iz aluminija. Vir: Carsten Niehaus

Srebrno siva trdna s kovinskim sijajem (zgornja slika). Je mehka kovina, vendar se strdi z majhnimi količinami silicija in železa. Poleg tega je značilno, da je zelo nodična in prebavljiva, saj lahko izdelamo aluminijaste pločevine z debelino do 4 mikronov.

Atomska teža

26.981 u

Atomska številka (Z)

13

Tališče

660,32 ºC

Vrelišče

2.470 ºC

Gostota

Temperatura okolice: 2,70 g / ml

Tališče (tekočina): 2,375 g / ml

Njegova gostota je v primerjavi z drugimi kovinami občutno nizka. Zaradi tega je aluminij precej lahek.

Vročina fuzije

10,71 kJ / mol

Toplota izparevanja

284 kJ / mol

Molarna kalorična zmogljivost

24,20 J / (mol K)

Elektronegativnost

1,61 po Paulingovi lestvici

Ionizacijska energija

-Prvič: 577,5 kJ / mol

-Sekunda: 1,816,7 kJ / mol

-Tretje: 2.744,8 kJ / mol

Toplotno raztezanje

23,1 µm / (mK) pri 25 ° C

Toplotna prevodnost

237 W / (m K)

Aluminij ima trikrat toplotno prevodnost jekla.

Električni upor

26,5 nΩ m pri 20 ° C

Njegova električna prevodnost je 2/3 električne energije bakra.

Magnetni red

Paramagnetno

Trdota

2,75 po Mohsovi lestvici

Reaktivnost

Aluminij je odporen proti koroziji, ker tanka plast oksida Al ₂ O _3, ki je tvorjen na njegovi površini, preprečuje nadaljnjo oksidacijo znotraj kovine.

V kislih raztopinah reagira z vodo in tvori vodik; medtem ko v alkalnih raztopinah tvori aluminatni ion (AlO ₂ ^- ).

Razredčene kisline ga ne morejo raztopiti, lahko pa v prisotnosti koncentrirane klorovodikove kisline. Vendar pa je aluminij odporen proti koncentrirani dušikovi kislini, čeprav ga napadejo hidroksidi, da nastane vodik in aluminatni ion.

Aluminij v prahu sežge v prisotnosti kisika in ogljikovega dioksida, da nastane aluminijev oksid in aluminijev karbid. Korodira ga lahko klorid, ki je prisoten v raztopini natrijevega klorida. Zaradi tega uporaba aluminija v ceveh ni priporočljiva.

Aluminij oksidira voda pri temperaturah pod 280 ° C.

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

Struktura in elektronska konfiguracija

Aluminij je kovinski element (z nekaterimi metaloidnimi barvili) njegovi Al-atomi medsebojno vplivajo zahvaljujoč kovinski vezi. To nenamerno silo upravljajo valenčni elektroni, ki so razpršeni po kristalu v vseh njegovih dimenzijah.

Glede na elektronsko konfiguracijo aluminija so valenčni elektroni naslednji:

3s ² 3p ¹

Zato je aluminij trivalentna kovina, saj ima tri valenčne elektrone; dva v orbiti 3s in ena v 3p. Te orbitale se prekrivajo in tvorijo molekule 3s in 3p, tako blizu, da tvorijo prevodne pasove.

S pas je poln, medtem ko ima p pas veliko prostora za več elektronov. Zato je aluminij dober prevodnik električne energije.

Kovinska vez aluminija, polmer njegovih atomov in njegove elektronske značilnosti opredeljujejo fcc (kubični) kristal. Takšen FCC kristal je očitno edini znani alotrop aluminija, zato bo zagotovo vzdržal visoke pritiske, ki delujejo na njem.

Oksidacijske številke

Elektronska konfiguracija aluminija takoj kaže, da lahko izgubi do tri elektrone; to pomeni, da ima visoko težnjo po tvorbi kationa Al ³⁺ . Ko predpostavljamo obstoj tega kationa v spojini, pridobljeni iz aluminija, rečemo, da ima oksidacijsko število +3; kot je znano, je to najpogosteje za aluminij.

Vendar obstajajo druge možne, vendar redke oksidacijske številke za to kovino; kot so: -2 (Al ^2- ), -1 (Al ^- ), +1 (Al ⁺ ) in +2 (Al ²⁺ ).

Na primer, v Al ₂ O ₃ ima oksidacijsko število aluminija +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); medtem ko sta v AlI in AlO +1 (Al ⁺ F ^- ) in +2 (Al ²⁺ O ^2- ). Vendar je v normalnih pogojih ali situacijah Al (III) ali +3 daleč najbolj obilno oksidacijsko število; saj je Al ³⁺ izoelektronski do neonskega plemenitega plina.

Zato se v šolskih učbenikih vedno in z dobrim razlogom domneva, da ima aluminij +3 kot edino število ali stanje oksidacije.

Kje najti in pridobiti

Aluminij je koncentriran v zunanjem obodu zemeljske skorje in je njegov tretji element, ki ga prekašata le kisik in silicij. Aluminij predstavlja 8 mas.% Zemeljske skorje.

Najdemo ga v magnetnih kamninah, v glavnem: aluminosilikati, feldspari, feldspathoidi in micas. Tudi v rdečkastih glinah, kot je to pri boksitu.

- Boksiti

Rudnik boksita. Vir: Uporabnik: VargaA

Boksiti so mešanica mineralov, ki vsebuje hidrirano glinico in nečistoče; kot so železov in titanov oksid in kremen, z naslednjimi masnimi odstotki:

-At ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

H ₂ O konstitucije 12-30%.

Alumina najdemo v boksitu v hidrirani obliki z dvema različicama:

-monohidrati (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), ki imajo dve kristalografski obliki, boemit in diaspore

-Trihidrati (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), predstavljeni s spletno stranjo.

Boksit je glavni vir aluminija in oskrbuje večino aluminija, pridobljenega z rudarjenjem.

- Aluminijaste usedline

Spremembe

Predvsem Bauxites tvorjen z 40-50% Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ in 3-10% od SiO ₂ .

Hidrotermalno

Alunit.

Čarobno

Aluminijeve kamnine, ki vsebujejo minerale, kot so seniti, nefelin in anorthiti (20% Al ₂ O ₃ ).

Metamorfno

Aluminijevi silikati (andalusit, sillimanit in kyanite).

Detritiki

Kaolinska nahajališča in različne gline (32% Al ₂ O ₃ ).

- izkoriščanje boksita

Boksit je miniran pod odprtim nebom. Ko se zberejo kamnine ali gline, ki jih vsebujejo, jih drobimo in zmeljemo v kroglice in palice, dokler ne dobimo delcev premera 2 mm. V teh postopkih obdelani material ostane navlažen.

Pri pridobivanju glinice se sledi postopku, ki ga je Bayer ustvaril leta 1989. Zmleti boksit se prebavi z dodatkom natrijevega hidroksida, pri čemer nastane natrijev aluminat, ki se topi; medtem ko onesnaževala ostajajo železov, titanov in silicijev oksid v suspenziji.

Kontaminanti so dekantirani in trihidrat glinice je oborjen iz natrijevega aluminata s hlajenjem in redčenjem. Nato trihidrirano glinico posušimo, da dobimo brezvodno glinico in vodo.

- Elektroliza glinice

Za pridobivanje aluminija je glinica izpostavljena elektrolizi, običajno po metodi, ki jo je ustvaril Hall-Héroult (1886). Postopek je sestavljen iz redukcije staljenega glinice v kriolit.

Kisik se veže na ogljikovo anodo in se sprosti kot ogljikov dioksid. Medtem se sproščeni aluminij odloži na dnu elektrolitske celice, kjer se nabira.

Zlitine

Aluminijeve zlitine običajno označimo s štirimi številkami.

1xxx

Koda 1xxx ustreza aluminiju z 99% čistostjo.

2xxx

Koda 2xxx ustreza zlitini aluminija z bakrom. So močne zlitine, ki so jih uporabljali v vesoljskih vozilih, vendar so razpokale pred korozijo. Te zlitine so znane kot duralumin.

3xxx

Koda 3xxx zajema zlitine, v katere se aluminij doda mangan in majhna količina magnezija. So zlitine, zelo odporne proti obrabi, ki se uporabljajo pri zlitini 3003 pri izdelavi kuhinjskih pripomočkov in 3004 v pločevinkah za pijače.

4xxx

Šifra 4xxx predstavlja zlitine, v katere je aluminij dodan silicij, ki znižuje tališče kovine. Ta zlitina se uporablja pri izdelavi varilnih žic. Zlitina 4043 se uporablja pri varjenju avtomobilov in konstrukcijskih elementov.

5xxx

Koda 5xxx zajema zlitine, kjer se magneziju doda predvsem aluminij.

So močne zlitine, odporne proti koroziji morske vode, ki se uporabljajo za izdelavo tlačnih posod in za različne namene v morju. Za izdelavo pokrovov sode s sodo se uporablja zlitina 5182.

6xxx

Koda 6xxx zajema zlitine, v katere se zlitini z aluminijem dodata silicij in magnezij. Te zlitine so vlivne, varljive in odporne proti koroziji. Najpogostejša zlitina v tej seriji se uporablja v arhitekturi, okvirjih koles in konstrukciji iPhone 6.

7xxx

Koda 7xxx označuje zlitine, v katere je cink dodan aluminiju. Te zlitine, ki jih imenujemo tudi Ergal, so odporne na lomljenje in so velike trdote, pri uporabi letal zlitin 7050 in 7075.

Tveganja

Neposredna izpostavljenost

Stik z aluminijevim prahom lahko povzroči draženje kože in oči. Dolgotrajna, visoka izpostavljenost aluminiju lahko povzroči gripi podobne simptome, glavobol, vročino in mrzlico; Poleg tega se lahko pojavijo bolečine in tesnost v prsih.

Izpostavljenost drobnemu aluminijevemu prahu lahko povzroči brazgotinjenje pljuč (pljučna fibroza) s simptomi kašlja in pomanjkanja sape. OSHA je določil mejo 5 mg / m ³ za izpostavljenost aluminijastim prahom v 8-urnem delovnem dnevu.

Vrednost biološke tolerance za poklicno izpostavljenost aluminiju je bila določena pri 50 µg / g kreatinina v urinu. Zmanjševanje učinkovitosti nevropsiholoških testov se pojavi, ko koncentracija aluminija v urinu presega 100 µg / g kreatinina.

Rak na dojki

Aluminij se kot antiperspirantni dezodoranti uporablja kot aluminijev klorid, ki je povezan z razvojem raka dojke. Vendar to razmerje med drugim ni bilo jasno določeno, ker absorpcija aluminijevega klorida v koži znaša le 0,01%.

Nevrotoksični učinki

Aluminij je nevrotoksičen in je pri ljudeh s poklicno izpostavljenostjo povezan z nevrološkimi boleznimi, med katerimi je tudi Alzheimerjeva bolezen.

Možgani Alzheimerjevih bolnikov imajo visoko koncentracijo aluminija; ni pa znano, ali je vzrok bolezni ali posledica tega.

Pri bolnikih na dializi so ugotovili prisotnost nevrotoksičnih učinkov. V tem postopku so bile kot fosfatno vezivo uporabljene aluminijeve soli, ki proizvajajo visoke koncentracije aluminija v krvi (> 100 µg / L plazme).

Prizadeti bolniki so imeli dezorientacijo, težave s spominom in v naprednih fazah demenco. Nevrotoksičnost aluminija je razložena, ker ga možgani težko odpravijo in vpliva na njegovo delovanje.

Vnos aluminija

Aluminij je prisoten v številnih živilih, zlasti v čaju, začimbah in na splošno v zelenjavi. Evropska agencija za varnost hrane (EFSA) je določila mejo tolerance za vnos aluminija v hrano 1 mg / kg telesne teže dnevno.

Leta 2008 je EFSA ocenila, da se je dnevni vnos aluminija v hrano gibal med 3 in 10 mg na dan, zato je sklenil, da ne predstavlja tveganja za zdravje; kot tudi uporaba aluminijastih pripomočkov za kuhanje hrane.

Prijave

- Kot kovina

Električni

Aluminij je dober električni prevodnik, zato ga uporabljamo v zlitinah v električnih daljnovodih, motorjih, generatorjih, transformatorjih in kondenzatorjih.

Gradnja

Aluminij se uporablja pri izdelavi vratnih in okenskih okvirjev, predelnih sten, ograj, oblog, toplotnih izolatorjev, stropov itd.

Prevoz

Aluminij se uporablja pri izdelavi delov za avtomobile, letala, tovornjake, kolesa, motorna kolesa, čolne, vesoljske ladje, železniške avtomobile itd.

Zabojniki

Aluminijaste pločevinke za različne sorte hrane. Vir: Pxhere.

Aluminij se uporablja za izdelavo pločevinke za pijače, vrčkov za pivo, pladnja itd.

Domov

Žlice iz aluminija Vir: Pexels.

Aluminij se uporablja za izdelavo kuhinjskih pripomočkov: lonci, ponve, ponve in ovojni papir; poleg pohištva, svetilk itd.

Odsevna moč

Aluminij učinkovito odraža sevalno energijo; od ultravijolične svetlobe do infrardečega sevanja. Odsevna moč aluminija v vidni svetlobi je približno 80%, kar omogoča njegovo uporabo kot senčilo v svetilkah.

Poleg tega aluminij ohranja svojo odsevno značilnost srebra tudi v obliki finega praška, zato ga je mogoče uporabiti pri proizvodnji srebrnih barv.

- Aluminijeve spojine

Glinica

Uporablja se za izdelavo kovinskega aluminija, izolatorjev in svečk. Ko se glinica segreva, razvije porozno strukturo, ki absorbira vodo in se uporablja za sušenje plinov in služi kot sedež za delovanje katalizatorjev v različnih kemijskih reakcijah.

Aluminijev sulfat

Uporablja se pri izdelavi papirja in kot površinsko polnilo. Aluminijev sulfat služi za tvorbo kalijevega aluminijevega aluma. To je najbolj razširjena alum in s številnimi aplikacijami; kot so proizvodnja zdravil, barv in mordant za barvanje tkanin.

Aluminijev klorid

Je najbolj uporabljen katalizator v reakcijah Friedel-Crafts. Gre za sintetične organske reakcije, ki se uporabljajo pri pripravi aromatičnih ketonov in antrakinona. Hidrirani aluminijev klorid se uporablja kot aktualni antiperspirant in deodorant.

Aluminijev hidroksid

Uporablja se za vodoodporne tkanine in proizvodnjo aluminatov.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedija. (2019). Aluminij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Aluminij. Baza podatkov PubChem. CID = 5359268. Pridobljeno iz: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminium
4. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (13. januar 2019). Aluminij. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
5. UC Rusal. (sf). Zgodovina aluminija. Pridobljeno od: aluminileader.com
6. Univerza Oviedo. (2019). Metalurgija aluminija. . Pridobljeno od: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, dr. (6. februarja 2019). Aluminijaste ali aluminijeve zlitine. Pridobljeno: misel.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Zdravstveni vplivi izpostavljenosti aluminiju. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Aluminijaste zlitine. Pridobljeno: sciencedirect.com
10. Natalia GM (16. januar 2012). Razpoložljivost aluminija v hrani. Pridobljeno: potrošniki.es