ALUMINIUM: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, OPNÅELSE, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den aluminium er et metallisk element, der hører til (III A) gruppe 13 i det periodiske system, og som er repræsenteret af symbolet A. Dette er et let metal med en lav densitet og hårdhed. På grund af dets amfotere egenskaber er det af nogle forskere klassificeret som en metalloid.

Det er et duktilt og meget formbart metal, hvorfor det bruges til fremstilling af tråd, tynde aluminiumplader samt enhver form for genstand eller figur; for eksempel de berømte dåser med deres legeringer eller aluminiumsfolien, som mad eller desserter er indpakket med.

Krøllet aluminiumsfolie, en af ​​de enkleste og mest dagligdagsgenstande, der er lavet med dette metal. Kilde: Pexels.

Alum (en hydratiseret kaliumaluminiumsulfat) er blevet brugt af mennesker siden oldtiden i medicin, læderbruning og som en mordant til farvning af stoffer. Dermed er dens mineraler kendt for evigt.

Aluminium som metal blev imidlertid isoleret meget sent, i 1825, af Øersted, hvilket førte til en videnskabelig aktivitet, der gjorde det muligt for dets industrielle anvendelse. I det øjeblik var aluminium det metal, der havde den højeste produktion i verden efter jern.

Aluminium findes hovedsageligt i den øverste del af jordskorpen og udgør 8 vægtprocent af den. Det svarer til dets tredje rigeste element, der overgås af ilt og silicium i dets silica og silicatmineraler.

Bauxit er en sammensætning af mineraler, blandt hvilke: aluminiumoxid (aluminiumoxid) og metaloxider af jern, titan og silicium. Det repræsenterer den vigtigste naturlige ressource til aluminiumminedrift.

Historie

alum

I Mesopotamien, 5000 år f.Kr. C. De lavede allerede keramik ved hjælp af ler, der indeholdt aluminiumforbindelser. I mellemtiden brugte babylonierne og egypterne aluminium for nogle kemiske forbindelser for 4000 siden.

Det første skriftlige dokument relateret til alun blev foretaget af Herodotus, en græsk historiker, i det 5. århundrede f.Kr. Alum blev brugt som en mordant ved farvning af stoffer og til at beskytte træet, som fæstningsdørene blev designet med, mod brande.

På samme måde henviser Plinius "den ældre" i det 1. århundrede til alun, i dag kendt som alun, som et stof, der anvendes i medicin og mordant.

Fra det 16. århundrede blev alun anvendt i garvning af læder og som papirstørrelse. Dette var et gelatinøst stof, der gav papiret konsistens og tilladte det skriftligt.

I 1767 opnåede den schweiziske kemiker Torbern Bergman syntesen af ​​alun. For at gøre dette opvarmede han månen med svovlsyre og tilsatte derefter kaliumchlorid til opløsningen.

Anerkendelse i aluminiumoxid

I 1782, den franske kemiker Antoine Lavoisier påpegede, at aluminiumoxid (Al ₂ O ₃) blev et oxid af et element. Dette har en sådan affinitet for ilt, at dets adskillelse var vanskelig. Derfor forudsagde Lavoisier derefter eksistensen af ​​aluminium.

Senere, i 1807, udsatte den engelske kemiker Sir Humphry Davy aluminiumoxid for elektrolyse. Metoden han anvendte producerede imidlertid en legering af aluminium med kalium og natrium, så han ikke kunne isolere metallet.

Davy kommenterede, at aluminiumoxid havde en metallisk base, som han oprindeligt udpegede som 'alumium', baseret på det latinske ord 'alumen', det navn, der blev brugt til alun. Davy ændrede senere navnet til "aluminium", det nuværende engelske navn.

I 1821 formåede den tyske kemiker Eilhard Mitscherlich at finde den korrekte formel for aluminiumoxid: Al ₂ O ₃.

Isolation

Samme år opdagede den franske geolog Pierre Berthier et aluminium mineral i et rødligt lerbergaflejring i Frankrig i Les Baux-regionen. Berthier udpegede mineralet til bauxit. Dette mineral er i øjeblikket den vigtigste kilde til aluminium.

I 1825 producerede den danske kemiker Hans Christian Øersted en metalstang af et formodet aluminium. Han beskrev det som "et stykke metal, der ligner lidt tin i farve og glans." Øersted var i stand til at opnå dette ved at reducere aluminiumchlorid, AlCl ₃, med et kaliumamalgam.

Man troede imidlertid, at forskeren ikke opnåede rent aluminium, men en legering af aluminium og kalium.

I 1827 formåede den tyske kemiker Friedrich Wöehler at fremstille ca. 30 gram aluminiumsmateriale. Derefter, efter 18 års undersøgelsesarbejde, opnåede Wöehler i 1845 produktionen af ​​kugler på størrelse med et spidshoved med en metallisk glans og grålig farve.

Wöehler beskrev endda nogle egenskaber ved metallet, såsom farve, specifik tyngdekraft, duktilitet og stabilitet.

Industriel produktion

I 1855 forbedrede den franske kemiker Henri Sainte-Claire Deville sig efter Wöhllers metode. Til dette brugte han reduktionen af ​​aluminiumchlorid eller natriumaluminiumchlorid med metallisk natrium ved hjælp af kryolit (Na ₃ AlF ₆) som flow.

Dette muliggjorde den industrielle produktion af aluminium i Rouen, Frankrig, og mellem 1855 og 1890 blev produktionen af ​​200 ton aluminium opnået.

I 1886 skabte den franske ingeniør Paul Héroult og den amerikanske studerende Charles Hall uafhængigt af en metode til produktion af aluminium. Fremgangsmåden består af elektrolytisk reduktion af aluminiumoxid i smeltet kryolit ved anvendelse af en jævn strøm.

Metoden var effektiv, men den havde problemet med sit høje elbehov, hvilket gjorde produktionen dyrere. Héroult løste dette problem ved at etablere sin industri i Neuhausen (Schweiz) og således drage fordel af Rhinen-faldene som elproducenter.

Hall bosatte sig oprindeligt i Pittsburg (USA), men flyttede senere sin industri nær Niagara Falls.

Endelig i 1889 skabte Karl Joseph Bayer en metode til fremstilling af aluminiumoxid. Dette består af opvarmning af bauxiten i en lukket beholder med en alkalisk opløsning. Under opvarmningsprocessen udvindes aluminiumoxidfraktionen i saltopløsningen.

Fysiske og kemiske egenskaber

Fysisk fremtoning

Skovl af aluminium. Kilde: Carsten Niehaus

Sølvgrå solid med metallisk glans (øverste billede). Det er et blødt metal, men det hærder med små mængder silicium og jern. Derudover er det kendetegnet ved at være meget duktilt og formbart, da aluminiumplader med en tykkelse på op til 4 mikron kan fremstilles.

Atomvægt

26.981 u

Atomnummer (Z)

13

Smeltepunkt

660,32 ºC

Kogepunkt

2.470 ºC

Massefylde

Omgivelsestemperatur: 2,70 g / ml

Smeltepunkt (væske): 2,375 g / ml

Dens densitet er betydeligt lav sammenlignet med andre metaller. Derfor er aluminium ret let.

Fusionsvarme

10,71 kJ / mol

Fordampningsvarme

284 kJ / mol

Molær kalorikapacitet

24,20 J / (mol K)

elektronegativitet

1.61 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergi

-Først: 577,5 kJ / mol

-Andre: 1.816,7 kJ / mol

-Tredde: 2.744,8 kJ / mol

Varmeudvidelse

23,1 um / (mK) ved 25 ºC

Varmeledningsevne

237 W / (mK)

Aluminium har en termisk ledningsevne tre gange så stor som stål.

Elektrisk modstand

26,5 nΩ m ved 20 ºC

Dets elektriske ledning er 2/3 af kobberens.

Magnetisk orden

paramagnetisk

Hårdhed

2,75 på Mohs-skalaen

Reaktivitet

Aluminium er korrosionsbestandigt, fordi det tynde lag Al ₂ O _3- oxid, der dannes på dens overflade, når det udsættes for luft, forhindrer oxidation i at fortsætte inde i metallet.

I syreopløsninger reagerer det med vand for at danne brint; mens det i alkaliske opløsninger danner aluminaten (AlO ₂ ^-).

Fortyndede syrer kan ikke opløse det, men de kan i nærværelse af koncentreret saltsyre. Aluminium er imidlertid resistent over for koncentreret salpetersyre, skønt det angribes af hydroxider for at producere brint og aluminaten.

Pulveriseret aluminium forbrændes i nærvær af ilt og kuldioxid til dannelse af aluminiumoxid og aluminiumcarbid. Det kan korroderes af det chlorid, der er til stede i en natriumchloridopløsning. Af denne grund anbefales det ikke at bruge aluminium i rør.

Aluminium oxideres af vand ved temperaturer under 280 ºC.

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

Struktur og elektronisk konfiguration

Aluminium er et metallisk element (med metalloidfarvestoffer for nogle), dets Al-atomer interagerer med hinanden takket være den metalliske binding. Denne ikke-retningsstyrke styres af dens valenselektroner, der er spredt over krystallen i alle dens dimensioner.

Disse valenselektroner er følgende i henhold til den elektroniske konfiguration af aluminium:

3s ² 3p ¹

Derfor er aluminium et trivalent metal, da det har tre valenselektroner; to i 3'erne orbital og en i 3p. Disse orbitaler overlapper hinanden til dannelse af 3'ere og 3p molekylære orbitaler, så tæt sammen, at de ender med at danne ledningsbånd.

Båndet er fuldt, mens p-båndet har meget ledig plads til flere elektroner. Derfor er aluminium en god leder af elektricitet.

Den metalliske binding af aluminium, radiusen for dets atomer og dets elektroniske egenskaber definerer en fcc (ansigt centreret kubisk) krystal. En sådan FCC-krystal er tilsyneladende den eneste kendte allotrope af aluminium, så den vil helt sikkert modstå de høje tryk, der opererer på den.

Oxidationsnumre

Den elektroniske konfiguration af aluminium indikerer øjeblikkeligt, at det er i stand til at miste op til tre elektroner; det vil sige, det har en høj tendens til at danne Al ³⁺ -kationen. Når eksistensen af ​​denne kation antages i en forbindelse afledt af aluminium, siges det, at den har et oxidationsnummer på +3; Som det er velkendt, er dette det mest almindelige for aluminium.

Der er imidlertid andre mulige, men sjældne oxidationsnumre for dette metal; såsom: -2 (Al ^2-), -1 (Al ^-), +1 (Al ⁺) og +2 (Al2 ⁺).

I Al ₂ O ₃, for eksempel aluminium har et oxidationstrin på +3 (AI ₂ ³⁺ O ₃ ^2-); mens den er i AlI og AlO, henholdsvis +1 (Al ⁺ F ^-) og +2 (Al ²⁺ O ^2-). Under normale forhold eller situationer er Al (III) eller +3 imidlertid det langt mest rigelige oxidationsnummer; da Al ³⁺ er isoelektronisk over for neon-ædelgassen.

Derfor antages det altid i skolens lærebøger, og med god grund, at aluminium har +3 som det eneste antal eller oxidationstilstand.

Hvor man kan finde og skaffe

Aluminium koncentreres i den ydre kant af jordskorpen, idet dets tredje element kun overgås af ilt og silicium. Aluminium repræsenterer 8 vægtprocent af jordskorpen.

Det findes i stødende klipper, hovedsageligt: ​​aluminosilicater, feldspars, feldspathoids og micas. Også i rødlige ler, som det er tilfældet med bauxit.

- Bauxitter

Bauxit mine. Kilde: Bruger: VargaA

Bauxitter er en blanding af mineraler, der indeholder hydreret aluminiumoxid og urenheder; såsom jern- og titaniumoxider og silica med følgende vægtprocent:

-At ₂ O ₃ 35-60%

-FE ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O for konstitution 12-30%.

Alumina findes i bauxit i hydratiseret form med to varianter:

-monohydrates (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), som har to krystallografiske former, boemite og diaspor

-Trihydrates (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), ved gibbsit.

Bauxit er den vigtigste kilde til aluminium og leverer det meste af aluminium opnået fra minedrift.

- Aluminiumsaflejringer

Af ændring

Hovedsagelig bauxit dannet med 40-50% Al ₂ O ₃, 20% af Fe ₂ O ₃ og 3-10% af SiO ₂.

hydrotermisk

Alunite.

magmatiske

Aluminiumholdige klipper, der har mineraler såsom syenites, nephelin og anorthites (20% af Al ₂ O ₃).

metamorfe

Aluminiumsilicater (Andalusit, sillimanit og kyanit).

Detritics

Kaolin indskud og forskellige lerarter (32% Al ₂ O ₃).

- Udnyttelse af bauxit

Bauxit udvindes under den åbne himmel. Når klipperne eller lerarterne, der indeholder det, er samlet, knuses de og males i kugle- og stangfabrikker, indtil der opnås partikler på 2 mm i diameter. I disse processer forbliver det behandlede materiale fugtet.

Ved opnåelse af aluminiumoxid følges processen, der blev oprettet af Bayer i 1989. Den malede bauxit fordøjes ved tilsætning af natriumhydroxid, hvilket danner det natriumaluminat, der er opløseligt; mens det forurenende jern, titanium og siliciumoxider forbliver i suspension.

Forurenende stoffer dekanteres, og aluminiumoxid-trihydratet udfældes fra natriumaluminatet ved afkøling og fortynding. Derefter tørres det trihydratiserede aluminiumoxid til opnåelse af vandfrit aluminiumoxid og vand.

- Elektrolyse af aluminiumoxid

For at få aluminium underkastes aluminiumoxid elektrolyse, sædvanligvis efter metoden oprettet af Hall-Héroult (1886). Processen består i at reducere det smeltede aluminiumoxid til kryolit.

Oxygen binder til kulstofanoden og frigives som kuldioxid. I mellemtiden aflejres det frigjorte aluminium i bunden af ​​den elektrolytiske celle, hvor det ophobes.

Legeringer

Aluminiumlegeringer identificeres normalt med fire numre.

1xxx

Kode 1xxx svarer til aluminium med 99% renhed.

2xxx

Kode 2xxx svarer til legeringen af ​​aluminium med kobber. De er stærke legeringer, der blev brugt i rumfartøjer, men de revner af korrosion. Disse legeringer er kendt som duralumin.

3xxx

3xxx-koden dækker legeringer, hvori mangan og en lille mængde magnesium tilsættes aluminium. De er meget slidstærke legeringer, der bruges 3003-legeringen til udarbejdelse af køkkenredskaber og 3004 i drikke dåser.

4xxx

4xxx-koden repræsenterer legeringer, i hvilke silicium tilsættes aluminium, hvilket sænker metallets smeltepunkt. Denne legering bruges til fremstilling af svejsetråder. Alloy 4043 bruges til svejsning af biler og konstruktionselementer.

5xxx

5xxx-koden dækker legeringer, hvor magnesium primært tilsættes til aluminium.

De er stærke legeringer, der er resistente mod søvandskorrosion, der bruges til at fremstille trykbeholdere og forskellige marine anvendelser. Alloy 5182 bruges til at fremstille låg på sodavand.

6xxx

6xxx-koden dækker legeringer, hvor silicium og magnesium sættes til legeringen med aluminium. Disse legeringer er støbbare, svejsbare og korrosionsbestandige. Den mest almindelige legering i denne serie bruges i arkitektur, cykelrammer og konstruktion af iPhone 6.

7xxx

7xxx-koden betegner legeringer, i hvilke der tilsættes zink til aluminium. Disse legeringer, også kaldet Ergal, er modstandsdygtige over for brud og er af stor hårdhed ved anvendelse af legeringer 7050 og 7075 i flykonstruktion.

Risici

Direkte eksponering

Kontakt med aluminiumspulver kan forårsage hud- og øjenirritation. Langvarig, høj eksponering for aluminium kan forårsage influenzalignende symptomer, hovedpine, feber og kulderystelser; Derudover kan smerter i brystet og tæthed forekomme.

Eksponering for fint aluminiumsstøv kan forårsage lungearrdannelse (lungefibrose) med symptomer på hoste og åndenød. OSHA fastsatte en grænse på 5 mg / m ³ for eksponering for aluminiumsstøv på en 8-timers arbejdsdag.

Den biologiske toleranceværdi for erhvervsmæssig eksponering for aluminium er blevet fastlagt til 50 ug / g creatinin i urin. En svækkende ydelse i neuropsykologiske test forekommer, når aluminiumkoncentrationen i urinen overstiger 100 ug / g creatinin.

Brystkræft

Aluminium bruges som aluminiumhydrochlorid i antiperspirant deodoranter, efter at have været knyttet til udviklingen af ​​brystkræft. Dette forhold er imidlertid ikke klart blevet fastlagt, blandt andet, fordi hudabsorptionen af ​​aluminiumhydrochlorid kun er 0,01%.

Neurotoksiske virkninger

Aluminium er neurotoksisk, og hos mennesker med erhvervsmæssig eksponering er det blevet knyttet til neurologiske sygdomme, som inkluderer Alzheimers sygdom.

Hjernen hos Alzheimers patienter har en høj koncentration af aluminium; men det er ukendt, om det er årsagen til sygdommen eller en konsekvens af den.

Tilstedeværelsen af ​​neurotoksiske virkninger er blevet bestemt hos dialysepatienter. Aluminiumsalte blev anvendt som et phosphatbindemiddel ved denne procedure, hvilket resulterede i høje koncentrationer af aluminium i blodet (> 100 ug / L plasma).

De berørte patienter præsenterede desorientering, hukommelsesproblemer og i avancerede stadier, demens. Aluminiums neurotoksicitet forklares, fordi det er vanskeligt at eliminere af hjernen og påvirker dets funktion.

Aluminiumsindtag

Aluminium findes i mange fødevarer, især te, krydderier og generelt grøntsager. Den Europæiske Fødevaresikkerhedsautoritet (EFSA) fastlagde en tolerancegrænse for indtagelse af aluminium i fødevarer på 1 mg / kg kropsvægt dagligt.

I 2008 vurderede EFSA, at det daglige indtag af aluminium i fødevarer varierede mellem 3 og 10 mg pr. Dag, hvorfor det konkluderes, at det ikke udgør en sundhedsrisiko; samt brug af aluminiumsredskaber til madlavning.

Applikationer

- Som metal

Elektrisk

Aluminium er en god elektrisk leder, hvorfor det bruges i legeringer i elektriske transmissionsledninger, motorer, generatorer, transformere og kondensatorer.

Bygning

Aluminium bruges til fremstilling af dør- og vinduesrammer, skillevægge, hegn, overtræk, varmeisolatorer, lofter osv.

Transportere

Aluminium bruges til fremstilling af dele til biler, fly, lastbiler, cykler, motorcykler, både, rumskibe, jernbanevogne osv.

Containere

Aluminiumsdåser til forskellige varianter af mad. Kilde: Pxhere.

Aluminium bruges til at fremstille drikke dåser, øl tønder, bakker osv.

Hjem

Aluminiumspande. Kilde: Pexels.

Aluminium bruges til at fremstille køkkenredskaber: gryder, pander, pander og indpakningspapir; ud over møbler, lamper osv.

Reflekterende kraft

Aluminium reflekterer effektivt strålende energi; fra ultraviolet lys til infrarød stråling. Den reflekterende kraft af aluminium i synligt lys er omkring 80%, hvilket gør det muligt at bruge det som en skygge i lamper.

Derudover bevarer aluminium sin sølvreflekterende egenskab selv i form af et fint pulver, så det kan bruges til fremstilling af sølvfarver.

- Aluminiumforbindelser

alumina

Det bruges til at fremstille metallisk aluminium, isolatorer og tændrør. Når aluminiumoxid opvarmes, udvikler det en porøs struktur, der absorberer vand, der bruges til udtørring af gasser og tjener som et sæde til virkning af katalysatorer i forskellige kemiske reaktioner.

Aluminiumsulfat

Det bruges til papirfremstilling og som overfladefylder. Aluminiumsulfat tjener til at danne kaliumaluminiumalum. Dette er det mest anvendte alun og med adskillige anvendelser; såsom fremstilling af medicin, maling og mordant til farvning af stoffer.

Aluminiumchlorid

Det er den mest anvendte katalysator i Friedel-Crafts-reaktioner. Dette er syntetiske organiske reaktioner, der anvendes til fremstilling af aromatiske ketoner og anthraquinon. Hydreret aluminiumchlorid bruges som et aktuelt antiperspirant og deodorant.

Aluminiumhydroxid

Det bruges til vandtætte stoffer og til produktion af aluminater.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Aluminium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. National Center for Biotechnology Information. (2019). Aluminium. PubChem-database. CID = 5359268. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminum
4. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (13. januar 2019). Aluminium. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com
5. UC Rusal. (Sf). Aluminiumshistorie. Gendannes fra: aluminiumleader.com
6. Oviedo Universitet. (2019). Aluminium metallurgi.. Gendannes fra: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (6. februar 2019). Aluminium eller aluminiumslegeringer. Gendannes fra: thoughtco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). De sundhedsmæssige virkninger af aluminiumeksponering. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Aluminiumslegeringer. Gendannes fra: sciencedirect.com
10. Natalia GM (16. januar 2012). Aluminium tilgængelighed i mad. Gendannes fra: forbruger.es