Aluminij

Šablon:Infokutija Hemijski element Aluminij (lat. - aluminium) jeste hemijski element sa simbolom Al i atomskim brojem 13. U periodnom sistemu elemenata spada u metale III glavne grupe, poznatu i kao grupu bora, ranije zvana grupa zemnih metala. Aluminij je srebrenasto-bijeli lahki metal. On je treći najzastupljeniji element i najčešći metal u Zemljinoj kori. U 2010. godini iskopano je i prerađeno oko 41 milion tona primarnog aluminija. Iako on ne spada u plemenite metale, sa vodom iz zraka reagira samo površinski, izgrađujući zaštitni pasivizirajući sloj na površini metala.

Historija

Engleski hemičar Humphry Davy

U usporedbi sa drugim metalima, aluminij nije poznat dugo u historiji. Tek ga je 1808. godine opisao Humphry Davy kao aluminium kada je pokušao da ga izdvoji kao metal. Međutim, to je uspio Hans Christian Ørsted tek 1825. godine putem reakcije aluminij hlorida (AlCl₃) sa kalij amalgamom, pri čemu je kalij služio kao redukciono sredstvo:

$\mathrm {4\ AlCl_{3}+3\ K\rightarrow Al+3\ KAlCl_{4}}$

Hans Christian Ørsted je prvi izdvojio čisti aluminij

Friedrich Wöhler je koristio istu metodu 1827. godine, ali je za redukciju koristio metalni kalij te je tako dobio čišći aluminij. U to vrijeme aluminij je vrijedio više od zlata. Henri Étienne Sainte-Claire Deville je unaprijedio Wöhlerov proces 1846. godine te ga je objavio u knjizi 1859. godine. Tim poboljšanim procesom povećan je prinos aluminija iz rude, što je dovelo da cijena aluminija za deset godina opadne za 90%. Godine 1886. Charles Martin Hall i Paul Héroult, nezavisno jedan od drugog, razvili su proces za proizvodnju aluminija putem elektrolize, koji je danas nazvan po njima Hall-Héroultov proces. Tri godine kasnije, 1889. Carl Josef Bayer je razvio proces koji se po njemu zove Bayerov proces kojim se i danas u velikoj mjeri dobija aluminij u industrijskim količinama. U tom vremenu, aluminij je bio u centru pažnje nauke i javnosti općenito, da je po njemu nazvan i jedan brod izrađen 1894. godine.

Etimologija

Ime elementa je izvedeno iz latinske riječi alumen što znači alaun (stipsa). Na germanskom govornom području koriste se dva imena za element: aluminium i aluminum. U gotovo svim jezicima svijeta prva varijanta je više zastupljena, dok se druga varijanta aluminum koristi više u SAD. IUPAC je 1990. godine odlučio da zvanični naziv elementa bude aluminium ali je tri godine kasnije prihvatio aluminum kao moguću varijantu imena.

Zastupljenost

Aluminij je uz maseni udio od 7,57%, poslije kisika i silicija, treći najrasprostranjeniji element na površini Zemlje, kao i najčešći metal. Često dolazi sa silicijem i kisikom u sastavu alumosilikata, u čijoj kristalnoj strukturi zauzima tetraedarski oblik sa kisikom i silicijem. Ovi silikati su sastavni dijelovi gnajsa i granita. Rjeđe se može naći aluminij oksid u obliku minerala korunda i njegovih varijanti poput rubina (crven) i safira (različitih boja ili bezbojan). Boje ovih kristala zavise od nečistoća i primjesa drugih metalnih oksida. Korund ima najveći udio aluminija od oko 53%. Osim njega, i mineral akdalait ima visok udio aluminija od oko 51%, kao i diaoyudaoit oko 50%. Ukupno do 2010. godine otkriveno je 1.156 minerala koji sadrže aluminij. Aluminij se pojavljuje kao i mineral kriolit Na₃AlF₆, a njegova najvažnija ruda je boksit Al₂O₃ ·xH₂O. Sadržaj aluminij hidroksida (Al(OH)₃ i AlO(OH)) u boksitu iznosi oko 60%, a 30% otpada na okside željeza i silicij oksid (SiO₂).

Najveći depoziti boksita nalaze u južnoj Francuskoj (Les Baux), Gvineji, Mađarskoj, Rusiji, Indiji, Jamajki, Australiji, Brazilu i SAD. U Bosni i Hercegovini nalaze se izuzetno velike količine boksita. Procjenjuje se da rezerve boksita u BiH iznose oko 30 miliona tona. Boksita u Bosni najviše ima u blizini Milića, Bosanske Krupe, Jajca i Srebrenice, te u Hercegovini kod Mostara i Ljubuškog.

Kod proizvodnje aluminija razlikuju se primarni, koji se dobija iz boksita i sekundarni koji se dobija iz aluminijskog otpada. Recikliranjem aluminijskog otpada moguće je uštediti i do 95% energije koja je neophodna za proizvodnju primarnog aluminija.

Iako ima potpuno neplemenite osobine, aluminij vrlo rijetko se u prirodi može naći samorodan, uglavnom u obliku zrnastih ili masivnih mineralnih agregata, a u vrlo rijetkim slučajevima može se razviti u obliku pločastih kristala veličine do jednog centrimetra. Međunarodno mineraloško udruženje (IMA) je zbog toga priznala takav aluminij u minerale te ga je uvela u sistematiku minerala po Strunzu pod sistemskim brojem 1.AA.05, a po starijom sistematici (8. izdanje po Strunzu) pod brojem I/A.03-05. Samorodni aluminij je do 2010. godine pronađen na samo 20 nalazišta na Zemlji: u Azerbejdžanu, Bugarskoj, Kini (Guangdong, Guizhou i Tibet), Italiji, Rusiji (istočni Sibir i Ural) i Uzbekistanu. Čak i na Mjesecu su pronađeni tragovi samorodnog aluminija. Zbog svoje izuzetne rijetkosti, samorodni aluminij nema značaja kao sirovina.

Proizvodnja

Kretanje svjetske godišnje proizvodnje primarnog aluminija

Pošto se aluminij ne može izdvojiti iz aluminosilikata zbog načina i vrste hemijskih veza, ekonomski opravdan i industrijski najefikasniji način proizvodnje aluminija je prerada rude boksita. Smjesa aluminij oksida i aluminij hidroksida se oslobađa iz rude boksita od stranih primjesa poput željeznih oksida i silicij oksida, djelovanjem natron-sode (Bayerov proces) te se prži u rotirajućim pećima do aluminij oksida (Al₂O₃).

Takozvana suha prerada (Devilleov proces po francuskom hemičaru Devilleu) se danas gotovo nikako ne koristi. Pri tom procesu se dobro isitnjenom, samljevenom, sirovom boksitu dodaju natrij-karbonat (soda) i koks, te se ta smjesa kalcinira u rotirajućoj peći na temperaturi od oko 1200 °C, a pri tome nastali natrij-aluminat se otapa u natron-sodi (NaOH). Proizvodnja čistog aluminija se dovršava isključivo elektrolizom aluminij oksida u istopljenim solima, što predstavlja takozvani Hall-Héroultov proces. Da bi se snizila neophodna temperatura za topljenje aluminij oksida, dodaje mu se kriolit, čime se eutektična tačka snižava na 963 °C.

Osobine

Fizičke

Aluminij je relativno mehki i žilav metal. Otpornost izvlačenja čistog aluminija iznosi oko 49 MPa, dok kod njegovih legura iznosi od 300 do 700 MPa. Njegov modul elastičnosti iznosi, u zavisnosti od legure, oko 70.000 MPa. Lahko se izvlači te se valjanjem može preraditi u veoma tanke folije. Takozvane aluminijske gnječene legure se mogu dobro obrađivati, savijati, presati i kovati čak i na nižim temperaturama. Napetosti nastale hladnom obradom aluminija mogu se ukloniti procesom mehkog zagrijavanja (do 250 °C). Na ovim temperaturama može se oblikovati i duraluminij. Legure aluminija sa 3% magnezija ili silicija se dobro izlijevaju (aluminijski tlačni gus) te se dalje mogu mašinski obrađivati. Na temperaturama od oko 1,2 K, čisti aluminij pokazuje superprovodničke osobine. Tačka topljenja aluminija iznosi 660,4 °C, a vrelište na 2470 °C. Sa gustoćom od 2,7 g/cm³, aluminij iskazuje osobine lahkih metala.

Hemijske

Oksidacioni broj aluminija je +3. Čist aluminij na zraku polahko se oksidira, prekrivajući se slojem oksida Al₂O₃, koji od korozije štiti metal koji se nalazi ispod površine. Rastvara se u neoksidirajućim kiselinama, pri čemu nastaje hidratizirani Al³⁺ ion. Aluminij se lahko rastvara u jakim bazama (npr., natrij-hidroksid - NaOH ili kalij hidroksid - KOH), istiskujući vodonik i prelazeći u 2Na[Al(OH)₄]

$\mathrm {Al+2\ NaOH+6\ H_{2}O\longrightarrow 2\ Na[Al(OH)_{4}]+3\ H_{2}}$

Koncentrirana dušična kiselina pasivizira aluminij.

Izotopi

Jedini stabilni izotop mu je²⁷Al.

Primjena

Zbog njegovih osobina, kao što su mala gustina i velika otpornost na koroziju, legure aluminija sa bakrom i molibdenom zvane duraluminij našle su mnoge primjene i koriste se za proizvodnju široke grupe proizvoda, od konzervi do dijelova za kosmičke brodove. Čist, kristalni aluminij krt je i lomljiv.

Jedinjenja

Najvažnija jedinjenja aluminija su amfoterni aluminij-oksid, i aluminij (III) hidroksid. Litij-aluminijhidrid (LiAlH₄) često se koristi u organskoj hemiji. Veliki industrijski značaj imaju aluminosilikati, a posebno MAO (metalni aluminosilikat). Glina i ilovača koje se koriste u produkciji keramike složene su mješavine aluminija i K[AlSi₃O₈] ili aluminija i Na[AlSi₃O₈]. Aluminij(III) hidroksid koristi se za prečišćavanje vode za piće, mada se u novije vrijeme njegova upotreba izbjegava zbog dokazane povezanosti Al³⁺ iona s nastankom Alzheimerove bolesti.

Biološki značaj

Aluminij nema nikakvog biološkog značaja, mada su neki ljudi alergični na taj metal.

Vanjski linkovi

• aluMATTER (en) (de) (nl) (fr)