ALUMINIUM: HISTORIK, EGENSKAPER, STRUKTUR, ERHÅLLANDE, ANVÄNDNING - KEMI - 2026

Den aluminium är ett metalliskt grundämne som tillhör (III A) grupp 13 i det periodiska systemet och som representeras av symbolen A. Detta är en lättmetall med en låg densitet och hårdhet. På grund av dess amfoteriska egenskaper har den klassificerats av vissa forskare som en metalloid.

Det är en mjuk och mycket formbar metall, varför den används för att tillverka tråd, tunna aluminiumplåtar, liksom alla typer av objekt eller figurer; till exempel de berömda burkarna med legeringarna eller aluminiumfolien som mat eller desserter är inslagna med.

Skrynklig aluminiumfolie, en av de enklaste och mest vardagliga föremålen gjorda med denna metall. Källa: Pexels.

Alum (en hydratiserad kaliumaluminiumsulfat) har använts av människor sedan forntiden i medicin, läderbrunning och som en mordant för färgning av tyger. Således har dess mineraler varit kända för alltid.

Emellertid isolerades aluminium som metall mycket sent, 1825, av Øersted, vilket ledde till en vetenskaplig verksamhet som tillät dess industriella användning. Just nu var aluminium den metall med världens högsta produktion efter järn.

Aluminium finns huvudsakligen i den övre delen av jordskorpan och utgör 8 viktprocent av den. Det motsvarar det tredje rikaste elementet, som överträffas av syre och kisel i dess kiseldioxid och silikatmineraler.

Bauxit är en sammanslutning av mineraler, bland vilka: aluminiumoxid (aluminiumoxid), och metalloxider av järn, titan och kisel. Det representerar den viktigaste naturresursen för aluminiumbrytning.

Historia

Alun

I Mesopotamia, 5000 år f.Kr. C. De tillverkade redan keramik med leror som innehöll aluminiumföreningar. Under tiden för 4000 sedan använde babylonierna och egypterna aluminium i vissa kemiska föreningar.

Det första skriftliga dokumentet relaterat till alun gjordes av Herodotus, en grekisk historiker, på 500-talet f.Kr. Alum användes som en mordant vid färgning av tyger och för att skydda virket, som fästningens dörrar utformades med, från bränder.

På samma sätt hänvisar Plinius "den äldre" under 1000-talet till alun, idag känd som alun, som ett ämne som används i medicin och mordant.

Från 1500-talet användes alun i garvning av läder och som pappersformning. Detta var en gelatinös substans som gav papperet konsistens och möjliggjorde användning skriftligt.

1767 uppnådde den schweiziska kemisten Torbern Bergman syntesen av alun. För att göra detta upphettade han månen med svavelsyra och tillsatte sedan kaliumklorid till lösningen.

Erkännande inom aluminiumoxid

I 1782, den franska kemisten Antoine Lavoisier påpekade att aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) var en oxid av något element. Detta har en sådan affinitet för syre att dess separering var svår. Därför förutspådde Lavoisier då förekomsten av aluminium.

Senare, 1807, utsatte den engelska kemisten Sir Humphry Davy aluminiumoxid för elektrolys. Men metoden han använde producerade en legering av aluminium med kalium och natrium, så att han inte kunde isolera metallen.

Davy kommenterade att aluminiumoxid hade en metallisk bas, som han ursprungligen betecknade som "alumium", baserat på det latinska ordet "alumen", det namn som användes för alun. Davy ändrade senare namnet till "aluminium", det nuvarande engelska namnet.

1821 lyckades den tyska kemisten Eilhard Mitscherlich upptäcka rätt formel för aluminiumoxid: Al ₂ O ₃ .

Isolering

Samma år upptäckte den franska geologen Pierre Berthier ett aluminiummineral i en rödaktig lerbergsavlagring i Frankrike, i Les Baux-regionen. Berthier betecknade mineralet som bauxit. Detta mineral är för närvarande den viktigaste källan till aluminium.

År 1825 producerade den danska kemisten Hans Christian Øersted en metallstång av ett förment aluminium. Han beskrev det som "ett metallstycke som ser ut som tenn i färg och glans." Øersted kunde uppnå detta genom att reducera aluminiumkloriden, AlCl ₃ , med ett kaliumamalgam.

Man trodde dock att forskaren inte erhöll rent aluminium, utan en legering av aluminium och kalium.

1827 lyckades den tyska kemisten Friedrich Wöehler producera cirka 30 gram aluminiummaterial. Sedan, efter 18 år av undersökningsarbete, uppnådde Wöehler 1845 produktionen av kulor på storleken av ett stifthuvud, med en metallisk glans och en gråaktig färg.

Wöehler beskrev till och med vissa egenskaper hos metallen, såsom färg, specifik tyngdkraft, duktilitet och stabilitet.

Industriell produktion

1855 förbättrades den franska kemisten Henri Sainte-Claire Deville på Wöhlers metod. För detta använde han reduktionen av aluminiumklorid eller natriumaluminiumklorid med metalliskt natrium, med hjälp av kryolit (Na ₃ AlF ₆ ) som flöde.

Detta möjliggjorde industriell produktion av aluminium i Rouen, Frankrike, och mellan 1855 och 1890 uppnåddes produktion av 200 ton aluminium.

1886 skapade den franska ingenjören Paul Héroult och den amerikanska studenten Charles Hall oberoende en metod för produktion av aluminium. Metoden består av elektrolytisk reduktion av aluminiumoxid i smält kryolit med användning av likström.

Metoden var effektiv, men den hade problemet med dess höga elbehov, vilket gjorde produktionen dyrare. Héroult löst detta problem genom att etablera sin industri i Neuhausen (Schweiz) och därmed utnyttja Rhenfallen som elproducenter.

Hall bosatte sig ursprungligen i Pittsburg (USA), men flyttade senare sin industri nära Niagara Falls.

Slutligen 1889 skapade Karl Joseph Bayer en metod för framställning av aluminiumoxid. Detta består av att värma bauxiten i en sluten behållare med en alkalisk lösning. Under uppvärmningsprocessen utvinns aluminiumoxidfraktionen i saltlösningen.

Fysiska och kemiska egenskaper

Fysiskt utseende

Hink i aluminium. Källa: Carsten Niehaus

Silvergrå massiv med metallisk glans (toppbild). Det är en mjuk metall, men den härdar med små mängder kisel och järn. Dessutom kännetecknas den av att den är mycket mjuk och formbar, eftersom aluminiumplåtar med en tjocklek av upp till 4 mikron kan tillverkas.

Atomvikt

26.981 u

Atomnummer (Z)

13

Smältpunkt

660,32 ºC

Kokpunkt

2,470 ºC

Densitet

Omgivningstemperatur: 2,70 g / ml

Smältpunkt (vätska): 2,375 g / ml

Dess densitet är avsevärt låg jämfört med andra metaller. Av den anledningen är aluminium ganska lätt.

Smältvärme

10,71 kJ / mol

Förångningsvärme

284 kJ / mol

Molär kalorikapacitet

24,20 J / (mol K)

Elektronnegativitet

1.61 på Pauling-skalan

Joniseringsenergi

-Först: 577,5 kJ / mol

-Sekund: 1 816,7 kJ / mol

-Tredde: 2,744,8 kJ / mol

Termisk expansion

23,1 | im / (mK) vid 25 ° C

Värmeledningsförmåga

237 W / (mK)

Aluminium har en termisk ledning tre gånger den för stål.

Elektrisk resistans

26,5 nΩ m vid 20 ºC

Dess elektriska ledningsförmåga är 2/3 av kopparens.

Magnetisk ordning

para

Hårdhet

2,75 på Mohs-skalan

Reaktivitet

Aluminium är korrosionsbeständigt eftersom det tunna skiktet av Al ₂ O _3- oxid som bildas på ytan förhindrar oxidation från att fortsätta inuti metallen när det utsätts för luft .

I syralösningar reagerar den med vatten och bildar väte; medan det i alkaliska lösningar bildar aluminatjonen (AlO ₂ ^- ).

Utspädda syror kan inte lösa det, men de kan i närvaro av koncentrerad saltsyra. Emellertid är aluminium motståndskraftigt mot koncentrerad salpetersyra, även om den attackeras av hydroxider för att producera väte och aluminatjonen.

Pulveriserat aluminium förbränns i närvaro av syre och koldioxid för att bilda aluminiumoxid och aluminiumkarbid. Det kan korroderas av kloriden som finns i en natriumkloridlösning. Av detta skäl rekommenderas inte användning av aluminium i rör.

Aluminium oxideras av vatten vid temperaturer under 280 ºC.

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

Struktur och elektronisk konfiguration

Aluminium är ett metalliskt element (med metalloidfärgämnen för vissa), dess Al-atomer interagerar med varandra tack vare den metalliska bindningen. Denna icke-riktade kraft styrs av dess valenselektroner, som är spridda över kristallen i alla dess dimensioner.

Dessa valenselektroner är följande enligt den elektroniska konfigurationen av aluminium:

3s ² 3p ¹

Därför är aluminium en trivalent metall eftersom den har tre valenselektroner; två i 3-talets kretslopp och en i 3p. Dessa orbitaler överlappar varandra för att bilda 3s och 3p molekylära orbitaler, så nära varandra att de slutar bilda ledningsband.

Bandet är fullt, medan p-bandet har mycket ledig plats för fler elektroner. Det är därför aluminium är en bra ledare för el.

Den metalliska bindningen av aluminium, radierna för sina atomer och dess elektroniska egenskaper definierar en fcc (ansiktscentrerad kubik) kristall. En sådan FCC-kristall är uppenbarligen den enda kända allotropen av aluminium, så den kommer säkert att motstå de höga trycket som arbetar på den.

Oxidationsnummer

Den elektroniska konfigurationen av aluminium indikerar omedelbart att den kan förlora upp till tre elektroner; det vill säga den har en hög tendens att bilda Al 3 ⁺ -katjonen . När förekomsten av denna katjon antas i en förening härrörande från aluminium sägs det att den har ett oxidationsnummer på +3; Som är känt är detta det vanligaste för aluminium.

Det finns emellertid andra möjliga men sällsynta oxidationsnummer för denna metall; såsom: -2 (Al ^2- ), -1 (Al ^- ), +1 (Al ⁺ ) och +2 ( ^Al2+ ).

I Al ₂ O ₃ , till exempel, har aluminium en oxidation antal 3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); medan i AlI och AlO, +1 (Al ⁺ F ^- ) respektive +2 (Al ²⁺ O ^2- ). Under normala förhållanden eller situationer är Al (III) eller +3 emellertid det överlägset största antalet oxidationsnummer; eftersom Al ³⁺ är isoelektronisk för den neon ädla gasen.

Det är därför som i skolböcker alltid antas, och med goda skäl, att aluminium har +3 som det enda antalet eller oxidationstillståndet.

Var att hitta och få

Aluminium är koncentrerat i ytterkanten av jordskorpan, som är det tredje elementet, endast överträffat av syre och kisel. Aluminium representerar 8 viktprocent av jordskorpan.

Det finns i stolliga bergarter, huvudsakligen: aluminosilicater, fältspar, feldspathoids och micas. Också i rödaktiga leror, som är fallet med bauxit.

- Bauxiter

Bauxitgruva. Källa: Användare: VargaA

Bauxiter är en blandning av mineraler som innehåller hydratiserad aluminiumoxid och föroreningar; såsom järn och titanoxider och kiseldioxid med följande viktprocent:

-Vid ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O _tre 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O för konstitution 12-30%.

Alumina finns i bauxit i hydratiserad form med två varianter:

-monohydrates (Al ₂ O ₃ -H ₂ O), som har två kristallografiska former, boemite och diaspor

-Trihydrates (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), som representeras av gibbsit.

Bauxit är den viktigaste källan till aluminium och levererar det mesta av aluminium som erhålls från gruvdrift.

- Aluminiumavlagringar

Förändring

Främst de bauxites bildad av 40-50% Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ och 3-10% av SiO ₂ .

hydrotermisk

Alunit.

magmatiska

Aluminiumhaltiga bergarter som har mineraler såsom syenites, nefelin och anorthites (20% Al ₂ O ₃ ).

metamorf

Aluminiumsilikater (Andalusit, sillimanit och kyanit).

Detritics

Kaolin insättningar och olika leror (32% Al ₂ O ₃ ).

- Utnyttjande av bauxit

Bauxit bryts under öppen himmel. När klipporna eller lerorna som innehåller det samlas, krossas och malas de i kul- och stångkvarnar tills partiklarna har en diameter på 2 mm. I dessa processer förblir det behandlade materialet fuktat.

Vid erhållande av aluminiumoxid följs processen som skapades av Bayer 1989. Den malta bauxiten smälts genom tillsats av natriumhydroxid och bildar natriumaluminatet som är solubiliserat; medan föroreningarna järn, titan och kiseloxider förblir i suspension.

Föroreningarna dekanteras och aluminiumoxid-trihydratet fälls ut från natriumaluminatet genom kylning och utspädning. Därefter torkas den trihydratiserade aluminiumoxiden för att ge vattenfri aluminiumoxid och vatten.

- Elektrolys av aluminiumoxid

För att få aluminium utsätts aluminiumoxid för elektrolys, vanligtvis enligt metoden skapad av Hall-Héroult (1886). Processen består av att reducera den smälta aluminiumoxiden till kryolit.

Syre binder till kolanoden och frigörs som koldioxid. Samtidigt deponeras det frigjorda aluminiumet i botten av den elektrolytiska cellen där det ackumuleras.

Alloys

Aluminiumlegeringar identifieras vanligtvis med fyra nummer.

1xxx

Kod 1xxx motsvarar aluminium med 99% renhet.

2xxx

Kod 2xxx motsvarar legeringen av aluminium med koppar. De är starka legeringar som användes i flyg- och rymdfarkoster, men de sprickade från korrosion. Dessa legeringar är kända som duralumin.

3xxx

3xxx-koden täcker legeringar i vilka mangan och en liten mängd magnesium tillsätts aluminium. De är legeringar mycket slitstarka och används 3003-legeringen vid utarbetandet av köksredskap och 3004 i dryckesburkar.

4xxx

4xxx-koden representerar legeringar i vilka kisel tillsätts aluminium, vilket sänker metallens smältpunkt. Denna legering används vid tillverkning av svetstrådar. Legering 4043 används för svetsning av bilar och konstruktionselement.

5xxx

5xxx-koden täcker legeringar där magnesium främst tillsätts aluminium.

De är starka legeringar motståndskraftiga mot havsvattenskorrosion, används för att tillverka tryckkärl och olika marina tillämpningar. Alloy 5182 används för att göra locket på sodavatten.

6xxx

6xxx-koden täcker legeringar där kisel och magnesium tillsätts legeringen med aluminium. Dessa legeringar är gjutbara, svetsbara och motståndskraftiga mot korrosion. Den vanligaste legeringen i denna serie används inom arkitektur, cykelramar och konstruktionen av iPhone 6.

7xxx

7xxx-koden betecknar legeringar i vilka zink läggs till aluminium. Dessa legeringar, även kallad Ergal, är motståndskraftiga mot brott och har stor hårdhet och använder legeringar 7050 och 7075 i flygplanskonstruktion.

risker

Direkt exponering

Kontakt med aluminiumpulver kan orsaka hud- och ögonirritation. Långvarig, hög exponering för aluminium kan orsaka influensaliknande symtom, huvudvärk, feber och frossa. Dessutom kan bröstsmärta och täthet uppstå.

Exponering för fint aluminiumdamm kan orsaka lung ärrbildning (lungfibros), med symtom på hosta och andnöd. OSHA fastställde en gräns på 5 mg / m ³ för exponering för aluminiumdamm under en 8-timmars arbetsdag.

Det biologiska toleransvärdet för yrkesmässig exponering för aluminium har fastställts till 50 ug / g kreatinin i urin. En minskande prestanda i neuropsykologiska test uppstår när aluminiumkoncentrationen i urinen överstiger 100 ug / g kreatinin.

Bröstcancer

Aluminium används som aluminiumhydroklorid i antiperspirant-deodoranter, efter att ha kopplats till utvecklingen av bröstcancer. Detta förhållande har emellertid inte klart fastställts, bland annat eftersom hudabsorptionen av aluminiumhydroklorid endast är 0,01%.

Neurotoxiska effekter

Aluminium är neurotoxiskt och hos personer med yrkesmässig exponering har det varit kopplat till neurologiska sjukdomar, som inkluderar Alzheimers sjukdom.

Hjärnan hos Alzheimers patienter har en hög koncentration av aluminium; men det är okänt om det är orsaken till sjukdomen eller en följd av den.

Förekomsten av neurotoxiska effekter har fastställts hos dialyspatienter. I denna procedur användes aluminiumsalter som fosfatbindemedel, som producerade höga koncentrationer av aluminium i blodet (> 100 | ig / L plasma).

De drabbade patienterna presenterade desorientering, minnesproblem och i avancerade stadier, demens. Aluminiums neurotoxicitet förklaras eftersom det är svårt att eliminera av hjärnan och påverkar dess funktion.

Aluminiumintag

Aluminium finns i många livsmedel, särskilt te, kryddor och i allmänhet grönsaker. Europeiska livsmedelssäkerhetsmyndigheten (EFSA) fastställde en toleransgräns för intag av aluminium i livsmedel på 1 mg / kg kroppsvikt dagligen.

Under 2008 uppskattade EFSA att det dagliga intaget av aluminium i livsmedel varierade mellan 3 och 10 mg per dag, varför man drar slutsatsen att det inte utgör en hälsorisk; liksom användningen av aluminiumredskap för att laga mat.

tillämpningar

- Som metall

Elektrisk

Aluminium är en bra elektrisk ledare, varför det används i legeringar i elektriska transmissionsledningar, motorer, generatorer, transformatorer och kondensatorer.

Byggnad

Aluminium används för tillverkning av dörr- och fönsterramar, partitioner, staket, beläggningar, värmeisolatorer, tak etc.

Transport

Aluminium används för tillverkning av delar för bilar, flygplan, lastbilar, cyklar, motorcyklar, båtar, rymdskepp, järnvägsvagnar, etc.

behållare

Aluminium burkar för olika livsmedel. Källa: Pxhere.

Aluminium används för att tillverka dryckesburkar, ölpinnar, brickor etc.

Hem

Aluminium hinkar. Källa: Pexels.

Aluminium används för att tillverka köksredskap: kastruller, kastruller, kokkärl och inpackningspapper; förutom möbler, lampor etc.

Reflekterande kraft

Aluminium reflekterar effektivt strålande energi; från ultraviolett ljus till infraröd strålning. Den reflekterande kraften hos aluminium i synligt ljus är cirka 80%, vilket möjliggör användning som skugga i lampor.

Dessutom behåller aluminium sin silverreflekterande egenskap även i form av ett fint pulver, så det kan användas vid tillverkning av silverfärger.

- Aluminiumföreningar

Alumina

Det används för att tillverka metalliskt aluminium, isolatorer och tändstift. När aluminiumoxid upphettas utvecklar det en porös struktur som absorberar vatten, som används för att torka ut gaser och fungera som ett säte för verkan av katalysatorer vid olika kemiska reaktioner.

Aluminiumsulfat

Det används vid papperstillverkning och som ett ytfyllmedel. Aluminiumsulfat tjänar till att bilda kaliumaluminiumalum. Detta är det mest använda alunet och med många tillämpningar; såsom tillverkning av läkemedel, färger och mordant för färgning av tyger.

Aluminiumklorid

Det är den mest använda katalysatorn i Friedel-Crafts-reaktioner. Dessa är syntetiska organiska reaktioner som används vid framställningen av aromatiska ketoner och antrakinon. Hydratiserad aluminiumklorid används som aktuellt antiperspirant och deodorant.

Aluminiumhydroxid

Det används till vattentäta tyger och produktion av aluminiumoxider.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Aluminium. Återställd från: en.wikipedia.org
3. National Center for Biotechnology Information. (2019). Aluminium. PubChem-databas. CID = 5359268. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminum
4. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (13 januari 2019). Aluminium. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
5. UC Rusal. (Sf). Aluminiumshistoria. Återställd från: aluminiumleader.com
6. Oviedo universitet. (2019). Aluminiummetallurgi. . Återställd från: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 februari 2019). Aluminium eller aluminiumlegeringar. Återställd från: thoughtco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Hälsoeffekterna av aluminium exponering. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Aluminiumlegeringar. Återställd från: sciencedirect.com
10. Natalia GM (16 januari 2012). Aluminium tillgänglighet i mat. Återställd från: konsument.es