ALUMINIU: ISTORIE, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, OBȚINERE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Aluminiul este un element metalic care aparține grupului (III A) 13 din tabelul periodic și care este reprezentat prin simbolul A. Acesta este un metal ușor , cu o densitate și duritate joasă. Datorită proprietăților amfoterice, a fost clasificat de unii oameni de știință drept un metaloid.

Este un metal ductil și foarte maleabil, motiv pentru care este utilizat pentru fabricarea sârmei, foi subțiri de aluminiu, precum și a oricărui tip de obiect sau figură; de exemplu, celebrele conserve cu aliajele lor sau folia de aluminiu cu care sunt învelite alimente sau deserturi.

Folie de aluminiu sfărâmată, unul dintre cele mai simple și mai cotidiene obiecte realizate cu acest metal. Sursa: Pexels.

Alumele (un sulfat de aluminiu de potasiu hidratat) a fost folosit de om încă din cele mai vechi timpuri în medicină, pentru bronzarea pielii și ca mordant pentru colorarea țesăturilor. Astfel, mineralele sale au fost cunoscute pentru totdeauna.

Cu toate acestea, aluminiul ca metal a fost izolat foarte târziu, în 1825, de Øersted, ceea ce a dus la o activitate științifică care a permis utilizarea sa industrială. În acel moment, aluminiul era metalul cu cea mai mare producție din lume, după fier.

Aluminiul se găsește mai ales în partea superioară a scoarței terestre, constituind 8% din greutatea acesteia. Corespunde cu cel de-al treilea element cel mai abundent, fiind depășit de oxigen și siliciu în mineralele sale de silice și silicați.

Bauxita este o asociere de minerale, printre care se numără: alumină (oxid de aluminiu) și oxizi metalici din fier, titan și siliciu. Reprezintă principala resursă naturală pentru exploatarea aluminiului.

Istorie

Alaun

În Mesopotamia, 5000 de ani î.Hr. C., Au făcut deja ceramică folosind argile care conțineau compuși de aluminiu. Între timp, acum 4000, babilonienii și egiptenii foloseau aluminiu în niște compuși chimici.

Primul document scris legat de alum a fost realizat de Herodot, un istoric grec, în secolul al V-lea î.Hr. Alum a fost folosit ca un mordant pentru vopsirea țesăturilor și pentru a proteja lemnul, cu care au fost proiectate ușile cetății, de incendii.

În același mod, Pliniu „Bătrânul” din secolul I se referă la alum, astăzi cunoscut sub numele de alum, ca substanță folosită în medicină și mordant.

Începând cu secolul al XVI-lea, alumina a fost folosită în bronzarea pielii și ca dimensiune a hârtiei. Aceasta a fost o substanță gelatinoasă care a conferit hârtiei consistență și a permis utilizarea ei în scris.

În 1767, chimistul elvețian Torbern Bergman a obținut sinteza alum. Pentru a face acest lucru, a încălzit lunaita cu acid sulfuric, apoi a adăugat potasiu la soluție.

Recunoașterea în alumină

În 1782, chimistul francez Antoine Lavoisier a subliniat că alumina (Al ₂ O ₃ ) era un oxid al unui element. Aceasta are o asemenea afinitate pentru oxigen, încât separarea lui a fost dificilă. Prin urmare, Lavoisier a prezis atunci existența aluminiului.

Mai târziu, în 1807, chimistul englez Sir Humphry Davy a supus alumina la electroliză. Cu toate acestea, metoda pe care a folosit-o a produs un aliaj de aluminiu cu potasiu și sodiu, astfel încât nu a putut izola metalul.

Davy a comentat că alumina avea o bază metalică, pe care a numit-o inițial drept „aluminiu”, pe baza cuvântului latin „alumen”, numele folosit pentru alum. Ulterior, Davy a schimbat numele în „aluminiu”, numele englez actual.

În 1821, chimistul german Eilhard Mitscherlich a reușit să descopere formula corectă pentru alumină: Al ₂ O ₃ .

Izolare

În același an, geologul francez Pierre Berthier a descoperit un mineral de aluminiu într-un zăcământ roșiatic de argilă din Franța, în regiunea Les Baux. Berthier a desemnat mineralul ca bauxită. Acest mineral este în prezent principala sursă de aluminiu.

În 1825, chimistul danez Hans Christian Øersted a produs o bară de metal dintr-un presupus aluminiu. El a descris-o drept „o bucată de metal care arată cam ca staniu în culori și strălucire”. Øersted a putut realiza acest lucru prin reducerea clorurii de aluminiu, AlCl ₃ , cu un amalgam de potasiu.

Cu toate acestea, s-a crezut că cercetătorul nu a obținut aluminiu pur, ci un aliaj de aluminiu și potasiu.

În 1827, chimistul german Friedrich Wöehler a reușit să producă aproximativ 30 de grame de material din aluminiu. Apoi, după 18 ani de lucrări de investigare, Wöehler în 1845 a obținut producerea de globule de dimensiunea unui cap de ac, cu un luciu metalic și o culoare cenușie.

Wöehler a descris chiar și unele proprietăți ale metalului, cum ar fi culoarea, gravitația specifică, ductilitatea și stabilitatea.

Productie industriala

În 1855, chimistul francez Henri Sainte-Claire Deville s-a perfecționat în metoda lui Wöehler. Pentru aceasta, el a utilizat reducerea clorurii de aluminiu sau clorurii de aluminiu de sodiu cu sodiu metalic, folosind criolit (Na ₃ AlF ₆ ) ca debit.

Acest lucru a permis producerea industrială de aluminiu în Rouen, Franța, iar între 1855 și 1890 s-a realizat producția de 200 de tone de aluminiu.

În 1886, inginerul francez Paul Héroult și studentul american Charles Hall au creat independent o metodă pentru producția de aluminiu. Metoda constă în reducerea electrolitică a oxidului de aluminiu în criolitul topit, folosind un curent continuu.

Metoda a fost eficientă, dar a avut problema cerințelor sale mari de energie electrică, ceea ce a făcut ca producția să fie mai scumpă. Héroult a rezolvat această problemă prin stabilirea industriei sale în Neuhausen (Elveția), profitând astfel de Cascada Rinului ca generatoare de electricitate.

Hall s-a stabilit inițial la Pittsburg (SUA), dar mai târziu și-a relocat industria în apropiere de Cascada Niagara.

În cele din urmă, în 1889, Karl Joseph Bayer a creat o metodă de producere de alumină. Aceasta constă în încălzirea bauxitei într-un recipient închis cu o soluție alcalină. În timpul procesului de încălzire, fracția de alumină este recuperată în soluția salină.

Proprietati fizice si chimice

Aspectul fizic

Cupă de metal din aluminiu. Sursa: Carsten Niehaus

Solid gri argintiu cu luciu metalic (imaginea de sus). Este un metal moale, dar se întărește cu cantități mici de siliciu și fier. În plus, se caracterizează prin faptul că este foarte ductil și maleabil, deoarece se pot realiza foi de aluminiu cu o grosime de până la 4 microni.

Greutate atomica

26.981 u

Număr atomic (Z)

13

Punct de topire

660,32 ºC

Punct de fierbere

2.470 ºC

Densitate

Temperatura ambiantă: 2,70 g / ml

Punctul de topire (lichid): 2,375 g / ml

Densitatea sa este considerabil scăzută în comparație cu cea a altor metale. Din acest motiv aluminiul este destul de ușor.

Căldură de fuziune

10,71 kJ / mol

Căldură de vaporizare

284 kJ / mol

Capacitate calorică molară

24,20 J / (mol K)

electronegativitate

1.61 pe scara Pauling

Energie de ionizare

-Primul: 577,5 kJ / mol

-Secunda: 1.816,7 kJ / mol

-Trat: 2.744,8 kJ / mol

Expansiune termică

23,1 µm / (mK) la 25 ºC

Conductivitate termică

237 W / (m K)

Aluminiul are o conductanță termică de trei ori mai mare decât oțelul.

Rezistență electrică

26,5 nΩ m la 20 ºC

Conductanța sa electrică este 2/3 din cea a cuprului.

Ordine magnetică

paramagnetica

Duritate

2,75 pe scara Mohs

reactivitatea

Aluminiul este rezistent la coroziune , deoarece atunci când este expus la aer, stratul subțire de Al ₂ O ₃ oxid care se formeaza la oxidare previne suprafață continue în interiorul metalului.

În soluțiile acide reacționează cu apa pentru a forma hidrogen; în timp ce în soluții alcaline formează ionul aluminat (AlO ₂ ^- ).

Acizii diluati nu o pot dizolva, dar pot prezenta in acid clorhidric concentrat. Cu toate acestea, aluminiul este rezistent la acidul azotic concentrat, deși este atacat de hidroxizi pentru a produce hidrogen și ionul de aluminat.

Aluminiul praf este incinerat în prezența oxigenului și a dioxidului de carbon pentru a forma oxid de aluminiu și carbură de aluminiu. Poate fi corodat de clorura prezentă într-o soluție de clorură de sodiu. Din acest motiv, utilizarea aluminiului în conducte nu este recomandată.

Aluminiul este oxidat de apă la temperaturi sub 280 ºC.

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

Structura și configurația electronică

Aluminiul fiind un element metalic (cu coloranți metaloizi pentru unii), atomii săi Al interacționează între ei datorită legăturii metalice. Această forță non-direcțională este guvernată de electronii săi de valență, care sunt împrăștiați în cristal în toate dimensiunile sale.

Acești electroni de valență sunt următorii, conform configurației electronice a aluminiului:

3s ² 3p ¹

Prin urmare, aluminiul este un metal trivalent, deoarece are trei electroni de valență; doi în orbitalul 3s și unul în 3p. Acești orbitali se suprapun pentru a forma orbite moleculare 3s și 3p, atât de strâns încât ajung să formeze benzi de conducere.

Banda s este plină, în timp ce banda p are multe locuri libere pentru mai mulți electroni. De aceea, aluminiul este un bun conductor de electricitate.

Legătura metalică a aluminiului, raza atomilor săi și caracteristicile sale electronice definesc un cristal fcc (centrat pe față). Un astfel de cristal FCC este aparent singurul alotrop cunoscut al aluminiului, astfel că va rezista cu siguranță la presiunile mari care operează pe acesta.

Numere de oxidare

Configurația electronică a aluminiului indică imediat că este capabilă să piardă până la trei electroni; adică are o tendință ridicată de a forma cationul Al ³⁺ . Când existența acestui cation este presupusă într-un compus derivat din aluminiu, se spune că are un număr de oxidare de +3; după cum este bine cunoscut, acesta este cel mai comun pentru aluminiu.

Cu toate acestea, există și alte numere posibile, dar rare de oxidare pentru acest metal; cum ar fi: -2 (Al ^2- ), -1 (Al ^- ), +1 (Al ⁺ ) și +2 (Al ²⁺ ).

Al ₂ O ₃ , de exemplu, aluminiu are un număr de oxidare +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); în timp ce în AlI și AlO, +1 (Al ⁺ F ^- ) și +2 (Al ²⁺ O ^2- ). Cu toate acestea, în condiții sau situații normale Al (III) sau +3 este de departe cel mai abundent număr de oxidare; deoarece Al ³⁺ este izoelectronic la gazul nobil neon.

De aceea, în manualele școlare se presupune întotdeauna și, cu un motiv întemeiat, faptul că aluminiul are +3 ca unic număr sau stare de oxidare.

Unde să găsești și să obții

Aluminiul este concentrat în marginea exterioară a scoarței terestre, fiind al treilea element al său, depășit doar de oxigen și siliciu. Aluminiul reprezintă 8% din greutatea scoarței terestre.

Se găsește în roci igrene, în principal: aluminosilicați, feldspați, feldspatoizi și micas. Tot în argile roșiatice, cum este cazul bauxitei.

- Bauxite

Mina de bauxită. Sursa: Utilizator: VargaA

Bauxitele sunt un amestec de minerale care conține alumină hidratată și impurități; cum ar fi oxizi de fier și titan și silice, cu următoarele procente de greutate:

-La ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O din constituție 12-30%.

Alumina se găsește sub formă de bauxită hidratată cu două variante:

-monohydrates (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), care au două forme cristalografice, boemite și diaspor

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

Bauxita este principala sursă de aluminiu și furnizează cea mai mare parte a aluminiului obținut în urma exploatării miniere.

- Depozite din aluminiu

De alterare

În principal, bauxites format cu 40-50% Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ și 3-10% din SiO ₂ .

Hidrotermal

Alunit.

magmatic

Roci aluminoase care au minerale precum syenites, nefelin și anorthites (20% din Al ₂ O ₃ ).

metamorfic

Silicații de aluminiu (andaluzit, sillimanit și kianit).

Detritics

Depozite Caolin și diferite argile (32% Al ₂ O ₃ ).

- Exploatarea bauxitei

Bauxitul este extras sub cerul liber. Odată colectate rocile sau argilele care o conțin, acestea sunt zdrobite și măcinate în mori cu bile și bare, până la obținerea de particule cu diametrul de 2 mm. În aceste procese materialul tratat rămâne umezit.

În obținerea aluminei, este urmat procesul creat de Bayer în 1989. Bauxita măcinată este digerată prin adăugarea de hidroxid de sodiu, formând aluminatul de sodiu care este solubilizat; în timp ce poluanții fier, titan și oxizi de siliciu rămân în suspensie.

Contaminanții sunt decantați și alumina trihidrat este precipitată din aluminatul de sodiu prin răcire și diluție. Ulterior, alumina trihidratată este uscată pentru a da apă și alumină anhidră.

- Electroliza aluminei

Pentru a obține aluminiu, alumina este supusă electrolizei, urmând de obicei metoda creată de Hall-Héroult (1886). Procesul constă în reducerea aluminei topite în criolit.

Oxigenul se leagă de anodul de carbon și este eliberat sub formă de dioxid de carbon. Între timp, aluminiul eliberat este depus în partea de jos a celulei electrolitice unde se acumulează.

aliaje

Aliajele de aluminiu sunt identificate de obicei prin patru numere.

1xxx

Codul 1xxx corespunde aluminiului cu o puritate de 99%.

2xxx

Codul 2xxx corespunde aliajului de aluminiu cu cupru. Sunt aliaje puternice care au fost utilizate la vehiculele aerospațiale, dar au crăpat de coroziune. Aceste aliaje sunt cunoscute sub numele de duralumină.

3xxx

Codul 3xxx acoperă aliajele în care se adaugă mangan și o cantitate mică de magneziu la aluminiu. Sunt aliaje foarte rezistente la uzură, fiind utilizate aliajul 3003 la elaborarea ustensilelor de bucătărie, iar 3004 în conservele de băuturi.

4xxx

Codul 4xxx reprezintă aliaje în care se adaugă siliciu la aluminiu, ceea ce scade punctul de topire al metalului. Acest aliaj este utilizat la fabricarea firelor de sudare. Alloy 4043 este utilizat la sudarea automobilelor și a elementelor structurale.

5xxx

Codul 5xxx acoperă aliajele în care magneziul este adăugat în primul rând la aluminiu.

Sunt aliaje puternice rezistente la coroziunea apei de mare, folosite pentru fabricarea vaselor sub presiune și a diferitelor aplicații marine. Aliajul 5182 este utilizat pentru fabricarea capacelor conservelor de sodă.

6xxx

Codul 6xxx acoperă aliajele în care se adaugă siliciu și magneziu la aliaj cu aluminiu. Aceste aliaje sunt turnate, sudabile și rezistente la coroziune. Cel mai obișnuit aliaj din această serie este folosit în arhitectură, rame pentru biciclete și construcția iPhone 6.

7xxx

Codul 7xxx desemnează aliaje în care se adaugă zinc la aluminiu. Aceste aliaje, numite și Ergal, sunt rezistente la rupere și sunt de o duritate mare, folosind aliaje 7050 și 7075 în construcția aeronavelor.

riscuri

Expunere directă

Contactul cu pulberea de aluminiu poate provoca iritarea pielii și a ochilor. Expunerea prelungită și ridicată la aluminiu poate provoca simptome asemănătoare gripei, dureri de cap, febră și frisoane; În plus, pot apărea dureri în piept și etanșeitate.

Expunerea la praf de aluminiu fin poate provoca cicatrici pulmonare (fibroză pulmonară), cu simptome de tuse și lipsă de respirație. OSHA a stabilit o limită de 5 mg / m ³ pentru expunerea la praful de aluminiu într-o zi lucrătoare de 8 ore.

Valoarea toleranței biologice pentru expunerea profesională la aluminiu a fost stabilită la 50 ug / g de creatinină în urină. O scădere a performanței în testele neuropsihologice are loc atunci când concentrația de aluminiu în urină depășește 100 pg / g de creatinină.

Cancer mamar

Aluminiul este utilizat ca clorhidrat de aluminiu în deodorantele antiperspirante, fiind legat de dezvoltarea cancerului de sân. Cu toate acestea, această relație nu a fost clar stabilită, printre altele, deoarece absorbția pielii clorhidratului de aluminiu este de doar 0,01%.

Efecte neurotoxice

Aluminiul este neurotoxic și la persoanele cu expunere profesională a fost legat de boli neurologice, care includ boala Alzheimer.

Creierul bolnavilor de Alzheimer are o concentrație mare de aluminiu; dar nu se știe dacă este cauza bolii sau o consecință a acesteia.

Prezența efectelor neurotoxice a fost determinată la pacienții dializați. În această procedură, sărurile de aluminiu au fost utilizate ca liant pentru fosfați, care a produs concentrații mari de aluminiu în sânge (> 100 pg / L plasmă).

Pacienții afectați au prezentat dezorientare, probleme de memorie și în stadii avansate, demență. Neurotoxicitatea aluminiului este explicată deoarece este dificil de eliminat de creier și afectează funcționarea acestuia.

Aportul de aluminiu

Aluminiul este prezent în multe alimente, în special ceaiul, condimentele și, în general, legumele. Autoritatea Europeană pentru Siguranța Alimentelor (EFSA) a stabilit o limită de toleranță pentru aportul de aluminiu în alimente de 1 mg / kg de greutate corporală zilnic.

În 2008, EFSA a estimat că aportul zilnic de aluminiu în alimente varia între 3 și 10 mg pe zi, motiv pentru care se concluzionează că acesta nu reprezintă un risc pentru sănătate; precum și utilizarea ustensilelor din aluminiu pentru a găti mâncarea.

Aplicații

- Ca metalul

Electric

Aluminiul este un bun conductor electric, motiv pentru care este utilizat în aliaje în liniile de transmisie electrică, motoare, generatoare, transformatoare și condensatoare.

clădire

Aluminiul este utilizat la fabricarea de rame pentru uși și ferestre, pereți despărțitori, garduri, acoperiri, izolatoare termice, tavane etc.

Transport

Aluminiul este utilizat la fabricarea pieselor pentru automobile, avioane, camioane, biciclete, motociclete, bărci, nave spațiale, mașini de cale ferată etc.

Containere

Lăzi de aluminiu pentru diferite soiuri de alimente. Sursa: Pxhere.

Aluminiul este folosit pentru fabricarea conservelor de băuturi, butoaie de bere, tăvi etc.

Acasă

Găleți din aluminiu. Sursa: Pexels.

Aluminiul este folosit pentru confecționarea ustensilelor de bucătărie: vase, tigăi, tigăi și hârtie de ambalare; pe lângă mobilier, lămpi etc.

Putere reflectorizantă

Aluminiul reflectă eficient energia radiantă; de la lumina ultravioleta la radiațiile infraroșii. Puterea reflectorizantă a aluminiului în lumină vizibilă este de aproximativ 80%, ceea ce permite utilizarea sa ca umbră în lămpi.

În plus, aluminiul își păstrează caracteristica reflectorizantă de argint chiar sub formă de pulbere fină, astfel încât poate fi utilizat la producerea de vopsele de argint.

- Compuși din aluminiu

Alumină

Se folosește pentru fabricarea de aluminiu metalic, izolatoare și bujii. Când alumina se încălzește, dezvoltă o structură poroasă care absoarbe apa, fiind folosită pentru uscarea gazelor și servește ca un loc pentru acțiunea catalizatorilor în diverse reacții chimice.

Sulfat de aluminiu

Este utilizat la confecționarea hârtiei și ca umplutură de suprafață. Sulfatul de aluminiu servește la formarea aluminiului de potasiu. Acesta este alum cel mai utilizat și cu numeroase aplicații; cum ar fi fabricarea de medicamente, vopsele și mordant pentru vopsirea țesăturilor.

Clorura de aluminiu

Este cel mai utilizat catalizator în reacțiile Friedel-Crafts. Acestea sunt reacții organice sintetice utilizate la prepararea cetonelor aromatice și a antrachinonei. Clorura de aluminiu hidratată este utilizată ca antiperspirant și deodorant actual.

Hidroxid de aluminiu

Este folosit la țesături impermeabile și la producerea de aluminate.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Aluminiu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Aluminiu. Baza de date PubChem. CID = 5359268. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminum
4. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (13 ianuarie 2019). Aluminiu. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
5. UC Rusal. (Sf). Istoria aluminiului. Recuperat de la: aluminiumlider.com
6. Universitatea Oviedo (2019). Metalurgia din aluminiu. . Recuperat din: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (6 februarie 2019). Aliaje de aluminiu sau aluminiu. Recuperat de la: thinkco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Efectele asupra sănătății expunerii aluminiului. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Aliajele de aluminiu. Recuperat de la: sciencedirect.com
10. Natalia GM (16 ianuarie 2012). Disponibilitate aluminiu în alimente. Recuperat de la: consumer.es