Aluminiumshistorie, egenskaper, struktur, oppnåelse, bruksområder

1754
Basil Manning

De aluminium Det er et metallisk element som tilhører gruppe 13 (III A) i det periodiske systemet, og som er representert med symbolet Al. Det er et lett metall med lav tetthet og hardhet. På grunn av dets amfotere egenskaper, har den blitt klassifisert av noen forskere som en metalloid.

Det er et duktilt og veldig formbart metall, og det er grunnen til at det brukes til å produsere tråd, tynne aluminiumsplater, så vel som enhver type gjenstand eller figur; for eksempel de berømte boksene med legeringer, eller aluminiumsfolien som mat eller desserter er pakket med.

Krøllet aluminiumsfolie, en av de enkleste og mest hverdagslige gjenstandene laget med dette metallet. Kilde: Pexels.

Alun (et hydratisert kaliumaluminiumsulfat) har blitt brukt av mennesker siden eldgamle tider innen medisin, garvning av skinn og som et middel til farging av stoffer. Dermed har mineralene vært kjent for alltid.

Imidlertid ble aluminium som metall isolert veldig sent, i 1825, av Øersted, noe som førte til en vitenskapelig aktivitet som tillot industriell bruk. På den tiden var aluminium metallet med den høyeste produksjonen i verden, etter jern..

Aluminium finnes hovedsakelig i den øvre delen av jordskorpen, og utgjør 8 vekt% av den. Det tilsvarer det tredje mest utbredte elementet, som blir overgått av oksygen og silisium i kisel- og silikatmineraler..

Bauxitt er en sammenslutning av mineraler, blant annet: aluminiumoksyd (aluminiumoksid) og metalloksider av jern, titan og silisium. Representerer den viktigste naturressursen for gruvedrift av aluminium.

Artikkelindeks

  • 1 Historie
    • 1.1 Alum
    • 1.2 Anerkjennelse i alumina
    • 1.3 Isolasjon
    • 1.4 Industriproduksjon
  • 2 Fysiske og kjemiske egenskaper
    • 2.1 Fysisk utseende
    • 2.2 Atomvekt
    • 2.3 Atomnummer (Z)
    • 2.4 Smeltepunkt
    • 2.5 Kokepunkt
    • 2.6 Tetthet
    • 2.7 Fusjonsvarme
    • 2.8 Fordampningsvarme
    • 2,9 Molar varmekapasitet
    • 2.10 Elektronegativitet
    • 2.11 Ioniseringsenergi
    • 2.12 Termisk ekspansjon
    • 2.13 Varmeledningsevne
    • 2.14 Elektrisk motstand
    • 2.15 Magnetisk rekkefølge
    • 2.16 Hardhet
    • 2.17 Reaktivitet
  • 3 Struktur og elektronisk konfigurasjon
    • 3.1 oksidasjonsnumre
  • 4 Hvor å finne og skaffe
    • 4.1 - Bauxitter
    • 4.2 - Aluminiumsavsetninger
    • 4.3 - Gruvedrift av bauxitt
    • 4.4 - Elektrolyse av aluminiumoksyd
  • 5 Legeringer
    • 5.1 1xxx
    • 5.2 2xxx
    • 5.3 3xxx
    • 5,4 4xxx
    • 5,5 5xxx
    • 5.6 6xxx
    • 5,7 7xxx
  • 6 Risiko
    • 6.1 Direkte eksponering
    • 6.2 Brystkreft
    • 6.3 Nevrotoksiske effekter
    • 6.4 Aluminiumsinntak
  • 7 bruksområder
    • 7.1 - Som metall
    • 7.2 - Aluminiumforbindelser
  • 8 Referanser

Historie

Alum

I Mesopotamia, 5000 år f.Kr. C., De laget allerede keramikk ved bruk av leire som inneholdt aluminiumforbindelser. I mellomtiden, for 4000 siden, brukte babylonerne og egypterne aluminium i noen kjemiske forbindelser.

Det første skriftlige dokumentet knyttet til alun ble laget av Herodot, en gresk historiker, i det 5. århundre f.Kr. C. Alun [KAl (SO4)to12HtoO] ble brukt som en mordant i farging av tekstiler og for å beskytte treet, som dørene til festningene ble designet med, mot branner.

På samme måte refererer Plinius "den eldre" i det 1. århundre til alumen, i dag kjent som alun, som et stoff som brukes i medisin og mordant.

Fra 1500-tallet ble alun brukt i garvning av skinn og som papirstørrelse. Dette var et gelatinøst stoff som ga papiret konsistens og tillot bruk skriftlig..

I 1767 oppnådde den sveitsiske kjemikeren Torbern Bergman syntesen av alun. For å gjøre dette, varmet han opp månen [KAl3(SW4)to(ÅH)6] med svovelsyre, og deretter tilsatt kaliumdioksid til løsningen.

Anerkjennelse i alumina

I 1782 bemerket den franske kjemikeren Antoine Lavoisier at aluminiumoksyd (AltoELLER3) var et oksid av noe grunnstoff. Dette har en slik affinitet for oksygen at separasjonen var vanskelig. Derfor spådde Lavoisier da eksistensen av aluminium.

Senere, i 1807, utsatte den engelske kjemikeren Sir Humphry Davy aluminiumoksid for elektrolyse. Metoden han brukte genererte imidlertid en legering av aluminium med kalium og natrium, så han kunne ikke isolere metallet.

Davy kommenterte at alumina hadde en metallisk base, som han opprinnelig betegnet som 'alumium', basert på det latinske ordet 'alumen', navnet som ble brukt for alun. Senere endret Davy navnet til "aluminium", det nåværende navnet på engelsk..

I 1821 klarte den tyske kjemikeren Eilhard Mitscherlich å oppdage den riktige formelen for aluminiumoksyd: AltoELLER3.

Isolering

Samme år oppdaget den franske geologen Pierre Berthier et aluminiummineral i en rødaktig leirbergsavsetning i Frankrike, i Les Baux-regionen. Berthier utpekte mineralet som bauxitt. Dette mineralet er for tiden den viktigste kilden til aluminium.

I 1825 produserte den danske kjemikeren Hans Christian Øersted en metallstang av antatt aluminium. Han beskrev det som "et stykke metall som i farge og glans ser litt ut som tinn." Øersted var i stand til å oppnå dette ved å redusere aluminiumklorid, AlCl3, med kaliumamalgam.

Man trodde imidlertid at forskeren ikke fikk rent aluminium, men en legering av aluminium og kalium..

I 1827 klarte den tyske kjemikeren Friedrich Wöehler å produsere omtrent 30 gram av et aluminiummateriale. Deretter, etter 18 år med etterforskningsarbeid, oppnådde Wöehler i 1845 produksjonen av kuler på størrelse med et hode av en tapp, med en metallisk glans og gråaktig farge..

Wöehler beskrev til og med noen av metallets egenskaper, som farge, egenvekt, duktilitet og stabilitet..

Industriell produksjon

I 1855 forbedret den franske kjemikeren Henri Sainte-Claire Deville Wöehlers metode. For dette brukte han reduksjon av aluminiumklorid eller natriumaluminiumklorid med metallisk natrium ved bruk av kryolit (Na3AlF6) som flyt.

Dette tillot industriell produksjon av aluminium i Rouen, Frankrike, og mellom 1855 og 1890 ble produksjonen av 200 tonn aluminium oppnådd..

I 1886 opprettet den franske ingeniøren Paul Héroult og den amerikanske studenten Charles Hall uavhengig en metode for produksjon av aluminium. Metoden består av den elektrolytiske reduksjonen av aluminiumoksid i smeltet kryolit ved bruk av likestrøm.

Metoden var effektiv, men den hadde problemet med sitt høye strømbehov, noe som gjorde produksjonen dyrere. Héroult løste dette problemet ved å etablere sin industri i Neuhausen (Sveits), og utnyttet dermed Rhinfallene som generatorer av elektrisitet.

Hall bosatte seg opprinnelig i Pittsburg (USA), men flyttet senere sin bransje nær Niagara Falls.

Til slutt opprettet Karl Joseph Bayer i 1889 en metode for å produsere alumina. Dette består i å varme opp bauksitten i en lukket beholder med en alkalisk løsning. Under oppvarmingsprosessen utvinnes aluminiumoksydfraksjonen i saltoppløsningen..

Fysiske og kjemiske egenskaper

Fysisk utseende

Aluminium metallbøtte. Kilde: Carsten Niehaus [Public domain]

Sølvgrå solid med metallisk glans (toppbilde). Det er et mykt metall, men herder med små mengder silisium og jern. I tillegg er den preget av å være veldig duktil og smidig, siden aluminiumsplater med en tykkelse på opptil 4 mikron kan lages.

Atomvekt

26.981 u

Atomnummer (Z)

1. 3

Smeltepunkt

660,32 ºC

Kokepunkt

2.470 ºC

Tetthet

Omgivelsestemperatur: 2,70 g / ml

Smeltepunkt (væske): 2,375 g / ml

Tettheten er betydelig lav sammenlignet med andre metaller. Av den grunn er aluminium ganske lett.

Fusjonsvarme

10,71 kJ / mol

Fordampningsvarme

284 kJ / mol

Molar varmekapasitet

24,20 J / (mol K)

Elektronegativitet

1,61 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergi

-Først: 577,5 kJ / mol

-Andre: 1 816,7 kJ / mol

-Tredje: 2,744,8 kJ / mol

Termisk ekspansjon

23,1 µm / (m K) ved 25 ºC

Termisk ledningsevne

237 W / (m K)

Aluminium har en varmeledningsevne som er tre ganger så høy som stål.

Elektrisk motstand

26,5 nΩ · m ved 20 ºC

Dens elektriske ledning er 2/3 av kobber.

Magnetisk rekkefølge

Paramagnetisk

Hardhet

2,75 på Mohs-skalaen

Reaktivitet

Aluminium er motstandsdyktig mot korrosjon fordi når det tynne laget av Al-oksid utsettes for lufttoELLER3 som dannes på overflaten hindrer oksidasjon i å fortsette inne i metallet.

I syreoppløsninger reagerer den med vann og danner hydrogen; mens det i alkaliske løsninger danner aluminationet (AlOto-).

Fortynnede syrer kan ikke oppløse det, men de kan i nærvær av konsentrert saltsyre. Imidlertid er aluminium motstandsdyktig mot konsentrert salpetersyre, selv om det angripes av hydroksider for å produsere hydrogen og aluminationen..

Pulverisert aluminium forbrennes i nærvær av oksygen og karbondioksid for å danne aluminiumoksid og aluminiumkarbid. Det kan korroderes av kloridet som er tilstede i en natriumkloridoppløsning. Av denne grunn anbefales ikke bruk av aluminium i rør..

Aluminium oksyderes av vann ved temperaturer under 280 ºC.

2 Al (s) + 6 HtoO (g) => 2Al (OH)3(s) + 3Hto(g) + varme

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Aluminium er et metallisk element (med metalloidfargestoffer for noen), og dets Al-atomer samhandler med hverandre takket være metallbindingen. Denne ikke-retningsbestemte kraften styres av dens valenselektroner, som er spredt over krystallen i alle dens dimensjoner..

Disse valenselektronene er følgende, i henhold til den elektroniske konfigurasjonen av aluminium:

[Ne] 3sto 3p1

Derfor er aluminium et treverdig metall, siden det har tre valenselektroner; to i 3-orbitalen, og en i 3p. Disse orbitalene overlapper for å danne 3s og 3p molekylære orbitaler, så tett sammen at de ender med å danne ledningsbånd..

S-båndet er fullt, mens p-båndet har mye ledig stilling for flere elektroner. Det er derfor aluminium er en god leder av elektrisitet..

Metallbinding av aluminium, atomenes radius og dens elektroniske egenskaper definerer en fcc (ansiktssentrert kubisk) krystall. En slik fcc-krystall er tilsynelatende den eneste kjente allotropen av aluminium, så den vil helt sikkert tåle det høye trykket som virker på den..

Oksidasjonsnumre

Den elektroniske konfigurasjonen av aluminium indikerer umiddelbart at den er i stand til å miste opptil tre elektroner; det vil si at den har en høy tendens til å danne Al-kationen3+. Når eksistensen av dette kationen antas i en forbindelse avledet av aluminium, sies det at den har et oksidasjonsnummer på +3; som kjent er dette den vanligste for aluminium.

Imidlertid er det andre mulige, men sjeldne oksidasjonstall for dette metallet; slik som: -2 (Alto-), -1 (Al-), +1 (Al+) og +2 (Alto+).

I AltoELLER3, For eksempel har aluminium et oksidasjonsnummer på +3 (Alto3+ELLER3to-); mens du er i AlI og AlO, +1 (Al+F-) og +2 (Alto+ELLERto-), henholdsvis. Imidlertid er Al (III) eller +3 under normale forhold eller situasjoner det desidert mest oksidasjonsnummeret; siden, Al3+ er isoelektronisk mot neon edelgass.

Det er derfor i skolebøker alltid antatt, og med god grunn, at aluminium har +3 som eneste tall eller oksidasjonstilstand..

Hvor å finne og skaffe

Aluminium er konsentrert i den ytre kanten av jordskorpen, og er det tredje elementet, bare overgått av oksygen og silisium. Aluminium representerer 8 vekt% av jordskorpen.

Den finnes i vulkanske bergarter, hovedsakelig: aluminosilikater, feltspat, feltspatoider og micas. Også i rødaktige leire, slik tilfellet er med bauxitt.

- Bauxitter

Bauxittgruve. Kilde: Bruker: VargaA [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Bauxitter er en mineralblanding som inneholder hydrert aluminiumoksyd og urenheter; slik som jern og titanoksider og silisiumdioksyd, med følgende vektprosentandeler:

-TiltoELLER3 35-60%

-TrotoELLER3 10-30%

-Jato 4-10%

-Onkelto 2-5%

-HtoEller av grunnloven 12-30%.

Alumina er funnet i bauxitt i hydrert form med to varianter:

-monohydrater (AltoELLER3HtoO), som presenterer to krystallografiske former, boemitt og diaspore

-Trihydrater (AltoELLER33HtoO), representert av gibbsite.

Bauxitt er den viktigste kilden til aluminium og leverer mesteparten av aluminiumet som oppnås ved gruvedrift..

- Aluminiumsavsetninger

Av endring

Hovedsakelig bauxittene dannet av 40-50% av AltoELLER3, 20% FetoELLER3 og 3-10% SiOto.

Hydrotermisk

Alunite.

Magmatisk

Aluminøse bergarter som har mineraler som syenitter, nefelin og anortitter (20% av AltoELLER3).

Metamorf

Aluminiumsilikater (andalusitt, sillimanitt og kyanitt).

Detritikere

Kaolinforekomster og forskjellige leire (32% AltoELLER3).

- Bauxitt gruvedrift

Bauxitt utvinnes i åpen brønn. Når steinene eller leirene som inneholder den er samlet, blir de knust og malt i kul- og stangfabrikker, til de får partikler med en diameter på 2 mm. I disse prosessene forblir det behandlede materialet fuktet.

Ved oppnåelse av aluminiumoksyd følges prosessen som ble opprettet av Bayer i 1989. Den malte bauksitten spaltes ved tilsetning av natriumhydroksid og danner natriumaluminatet som er oppløseliggjort mens forurensningene jern, titan og silisiumoksider forblir i suspensjon.

Forurensningene dekanteres, og aluminiumoksydtrihydratet utfelles fra natriumaluminatet ved avkjøling og fortynning. Deretter tørkes det trihydrerte aluminiumoksyd for å produsere vannfri aluminiumoksyd og vann..

- Elektrolyse av alumina

For å oppnå aluminium utsettes aluminiumoksyd for elektrolyse, vanligvis etter metoden opprettet av Hall-Héroult (1886). Prosessen består i reduksjon av smeltet aluminiumoksyd til kryolitt.

Oksygenet binder seg til karbonanoden og frigjøres som karbondioksid. I mellomtiden avsettes frigitt aluminium på bunnen av den elektrolytiske cellen der den akkumuleres.

Legeringer

Aluminiumslegeringer er vanligvis identifisert med fire tall.

1xxx

Kode 1xxx tilsvarer aluminium med 99% renhet.

2xxx

Kode 2xxx tilsvarer legeringen av aluminium med kobber. De er sterke legeringer som ble brukt i luftfartøyer, men de sprakk på grunn av korrosjon. Disse legeringene er kjent som duralumin.

3xxx

3xxx-koden dekker legeringer der mangan og en liten mengde magnesium tilsettes aluminium. De er veldig slitesterke legeringer, og blir brukt 3003-legeringen i utarbeidelsen av kjøkkenutstyr, og 3004 i drikkebokser..

4xxx

Koden 4xxx representerer legeringer der silisium tilsettes aluminium, noe som senker metallets smeltepunkt. Denne legeringen brukes til fremstilling av sveisetråder. Alloy 4043 brukes til sveising av biler og strukturelle elementer.

5xxx

5xxx-koden dekker legeringer der magnesium primært tilsettes aluminium..

De er sterke legeringer som er motstandsdyktige mot korrosjon fra sjøvann, som brukes til å lage trykkbeholdere og forskjellige marine applikasjoner. Legering 5182 brukes til å lage lokk.

6xxx

6xxx-koden dekker legeringer der silisium og magnesium tilsettes legeringen med aluminium. Disse legeringene er støpbare, sveisbare og motstandsdyktige mot korrosjon. Den vanligste legeringen i denne serien brukes i arkitektur, sykkelrammer og i produksjonen av iPhone 6..

7xxx

7xxx-koden betegner legeringer der sink tilsettes aluminium. Disse legeringene, også kalt Ergal, er motstandsdyktige mot brudd og har stor hardhet, og bruker legeringer 7050 og 7075 i flykonstruksjon..

Risiko

Direkte eksponering

Kontakt med aluminiumpulver kan forårsake hud- og øyeirritasjon. Langvarig og høy eksponering for aluminium kan forårsake influensalignende symptomer, hodepine, feber og frysninger. I tillegg kan brystsmerter og tetthet oppstå.

Eksponering for fint aluminiumstøv kan forårsake lunge arrdannelse (lungefibrose), med symptomer på hoste og kortpustethet. OSHA fastsatte en grense på 5 mg / m3 for eksponering for aluminiumsstøv på en dag på 8 timer om dagen.

Den biologiske toleranseverdien for yrkeseksponering for aluminium er fastslått til 50 µg / g kreatinin i urinen. En redusert ytelse i nevropsykologiske tester oppstår når konsentrasjonen av aluminium i urinen overstiger 100 µg / g kreatinin.

Brystkreft

Aluminium brukes som aluminiumhydroklorid i antiperspirantdeodoranter, etter å ha vært knyttet til utviklingen av brystkreft. Imidlertid er dette forholdet ikke klart etablert, blant annet fordi hudabsorpsjonen av aluminiumhydroklorid bare er 0,01%..

Nevrotoksiske effekter

Aluminium er nevrotoksisk og har vært knyttet til nevrologiske sykdommer, inkludert Alzheimers sykdom, hos personer med yrkeseksponering..

Hjernen til Alzheimers pasienter har en høy konsentrasjon av aluminium; men det er ukjent om det er årsaken til sykdommen eller en konsekvens av den.

Tilstedeværelsen av nevrotoksiske effekter er bestemt hos dialysepasienter. I denne prosedyren ble aluminiumsalter brukt som fosfatbindemiddel, som produserte høye konsentrasjoner av aluminium i blodet (> 100 ug / L plasma)..

Berørte pasienter presenterte desorientering, hukommelsesproblemer og i avanserte stadier, demens. Nevrotoksisiteten til aluminium forklares fordi den er vanskelig å eliminere av hjernen og påvirker dens funksjon.

Inntak av aluminium

Aluminium er tilstede i mange matvarer, spesielt te, krydder og generelt grønnsaker. European Food Safety Authority (EFSA) fastsatte en toleransegrense for inntak av aluminium i mat på 1 mg / kg kroppsvekt daglig.

I 2008 estimerte EFSA at det daglige inntaket av aluminium i mat varierte mellom 3 og 10 mg per dag, og det er derfor det konkluderes med at det ikke utgjør en helsefare; samt bruk av aluminiumsredskaper til å lage mat.

applikasjoner

- Som metall

Elektrisk

Aluminium er en god elektrisk leder, og det er derfor det brukes i legeringer i elektriske overføringsledninger, motorer, generatorer, transformatorer og kondensatorer..

Bygning

Aluminium brukes til fremstilling av dør- og vinduskarmer, skillevegger, gjerder, belegg, varmeisolatorer, tak osv..

Transportere

Aluminium brukes til å produsere deler til biler, fly, lastebiler, sykler, motorsykler, båter, romskip, jernbanevogner etc..

Beholdere

Aluminiumsdunker til forskjellige varianter av mat. Kilde: Pxhere.

Aluminium kan brukes til å lage drikkebokser, ølfat, skuffer osv..

Hjem

Aluminium bøtter. Kilde: Pexels.

Aluminium brukes til å lage kjøkkenutstyr: gryter, panner, panner og innpakningspapir; i tillegg til møbler, lamper osv..

Reflekterende kraft

Aluminium reflekterer effektivt strålingsenergi; fra ultrafiolett lys til infrarød stråling. Den reflekterende kraften til aluminium i synlig lys er rundt 80%, noe som gjør at den kan brukes som lampeskjerm..

I tillegg beholder aluminium sin sølvreflekterende egenskap selv i form av et fint pulver, slik at det kan brukes i produksjonen av sølvmaling..

- Aluminiumsforbindelser

Alumina

Den brukes til å lage metallisk aluminium, isolatorer og tennplugger. Når aluminiumoksyd varmes opp, utvikler det en porøs struktur som absorberer vann, og brukes til å tørke ut gasser og tjene som sete for katalysatorers virkning i forskjellige kjemiske reaksjoner..

Aluminiumsulfat

Den brukes til papirfremstilling og som overflatefyllstoff. Aluminiumsulfat tjener til å danne kaliumaluminiumalum [KAl (SO4)to12HtoELLER]. Dette er det mest brukte alunet med mange bruksområder; slik som fremstilling av medisiner, maling og mordant for farging av tekstiler.

Aluminiumklorid

Det er den mest brukte katalysatoren i Friedel-Crafts-reaksjoner. Dette er syntetiske organiske reaksjoner som brukes ved fremstilling av aromatiske ketoner og antrakinon. Hydrert aluminiumklorid brukes som en aktuell antiperspirant og deodorant.

Aluminiumhydroksid

Den brukes til vanntette stoffer og produksjon av aluminater.

Referanser

  1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
  2. Wikipedia. (2019). Aluminium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
  3. Nasjonalt senter for bioteknologisk informasjon. (2019). Aluminium. PubChem-database. CID = 5359268. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminum
  4. Redaksjonen av Encyclopaedia Britannica. (13. januar 2019). Aluminium. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: britannica.com
  5. UC Rusal. (s.f.). Aluminiumshistorie. Gjenopprettet fra: aluminiumleader.com
  6. Oviedo University. (2019). Aluminiummetallurgi. [PDF]. Gjenopprettet fra: unioviedo.es
  7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. februar 2019). Aluminium eller aluminiumslegeringer. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
  8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Helseeffektene av eksponering av aluminium. Deutsches Arzteblatt internasjonale114(39), 653-659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
  9. Elsevier. (2019). Aluminiumslegeringer. Gjenopprettet fra: sciencedirect.com
  10. Natalia G. M. (16. januar 2012). Tilgjengelighet av aluminium i mat. Gjenopprettet fra: consumer.es

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.