aluminium

Aluminium (łac. aluminium) to pierwiastek chemiczny w Tabeli okresowej pierwiastków, który ma oznaczenie Al i liczbę atomową 13. Należy do metali o niskiej gęstości. Aluminium to trzeci najczęściej występujący pierwiastek w kórze ziemnej (8,13 %). Większe zastępowanie ma już tylko tlen 46,60 % i krzem 22,72 %. Z innymi pierwiastkami tworzy wiele związków, które znacząco wpływają na budowę kory ziemnej. Najliczniejszą grupą są krzemiany i glinokrzemiany (kaolinit), które są również jego najważniejszymi źródłami. Najważniejszym surowcem kopalnym jest boksyt Al₂O₃ . nH₂O, ponadto występuje w postaci tlenku glinu jako również minerał korund.

Historia 

Aluminium odkrył w roku 1827 niemiecki chemik i lekarz Friedrich Wöhler. Aluminium w tym czasie był rzadki metal. Służył do celów dekoracyjnych. Na mundurach żołnierzy armii Napoleona III. błyszczały guziki z aluminium. Jego cena spadła, gdy w Szwajcarii została zbudowana pierwsza fabryka produkcji aluminium. Ze względu na swoją lekkość zaczął zastępować żelazo i inne metale. Największe zastosowanie ma tam, gdzie jest potrzebna duża wytrzymałość przy niskiej masie - przemysł lotniczy, panele obkladane, odlewy pod ciśnieniem głównie do przemysłu motoryzacyjnego...

Przygotowanie podstawowych surowców 

Podstawowym surowcem do produkcji aluminium jest czysty tlenek glinu Al₂O₃, który otrzymuje się poprzez oczyszczenie boksytu, który jest zanieczyszczony różnymi tlenkami, najczęściej tlenkami tytanu, żelaza i krzemu. Proces oczyszczania boksytu przeprowadza się za pomocą wodorotlenku sodu pod ciśnieniem. Do tak oczyszczonego Al₂O₃ dodaje się kriolit Na₃[AlF₆] i fluoryt CaF₂, aby obniżyć temperaturę topnienia. Do oddzielenia tlenku glinu od wodorotlenku żelaza służy również amfoteryczny charakter wodorotlenku glinu Al(OH)₃. Wodorotlenek żelaza nie ma amfoterycznego charakteru i dlatego nie rozpuszcza się w zasadzie wodorotlenkowej. Stąd wynika, że jeśli dodamy zasadę wodorotlenkową, np. wodorotlenek potasu KOH, dojdzie tylko do rozpuszczenia Al(OH)₃. Otrzymany filtrat będzie zawierał kationy glinu Al³⁺, które możemy łatwo przekształcić z powrotem na wodorotlenek glinu. Z niego suszeniem otrzymujemy tlenek glinu.

Produkcja

Topienie zachodzi w elektrycznej piecy elektrolitycznym procesem. W przypadku elektrolizy używa się prądu jednokierunkowego. Elektrody są wykonane z mieszaniny węgla, koks i zgiełek. Katodą są płyty, którymi wypełnione są ściany pieca, anodą jest wiązka 6 do 12 węglowych elektrod (grafitowych prętów). Elektrolit stanowi 20% roztwór Al₂O₃, który poddaje się elektrolizie. Występuje reakcja chemiczna: elektroliza topionego materiału.

 

Boksyt

Al₂O₃ → 2Al³⁺ + 3O²⁻

Anoda

O²⁻ - 2e⁻ → O₂⁰

O₂ + C → CO₂

Katoda

Al³⁺ + 3e⁻ → Al⁰

Z węglowych elektrod wyciąga się tlen z elektrolitu, który natychmiast reaguje z węglem, tworząc dwutlenek węgla CO₂. Na katodowych płytach, którymi wypełniona jest pieca, oddziela się czysty aluminium w postaci topionego materiału. Następnie odlewa się go do form z gliny. Produkcja aluminium jest energetycznie bardzo wymagająca.

Amfoteryczny charakter Al, Al₂O₃ i Al(OH)₃

Amfoteryczny charakter oznacza, że reaguje zarówno z kwasem, jak i z zasadą.

- reakcja z anionem wodorotlenkowym OH^-

Al³⁺ → Al(OH)_3 (S) → [Al(OH)₄]^-

Al(OH)_3 (S) - powstaje biały zasób

- reakcja z kationem H₃O⁺

[Al(OH)₄]^- → Al(OH)_3 (S) → AI³⁺

Produkcja na Słowacji

Na terenie hlinikarni w Žiari nad Hronom w firmie Slovalco, (większościowy właściciel Hydro) produkuje się aluminium i jego stopy do dalszego przetwarzania.^[1] Np. firma Hydro Extrusion Slovakia produkuje i sprzedaje aluminium płyty, profile tłoczone, systemy budowlane.^[2] Dalsze firmy działające w Žiari są producentami i dostawcami w przemyśle motoryzacyjnym, konsumencyjnym i budowlanym: Nemak, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar.

Na Słowacji technologie do przemysłowej produkcji szeregu części z aluminium piany metalowej rozwijali naukowcy pod kierunkiem Františka Simančíka z Instytutu Materiałów i Mechaniki Maszyn PAN. Te technologie są chronione światowymi patentami.^[3]

Właściwości i zastosowanie

Aluminium jest odporny na korozję i zapalony spala się na tlenek glinu Al₂O₃. We wszystkich środowiskach oprócz kwasowego jest niegroźny, w kwasowym się rozpuszcza (kwasowa kapusta, herbata). Ze względu na toksyczne i kancerogenne skutki (zastępuje metale w metaloproteynach) zakazano używania aluminium naczyń.

Zastosowuje się głównie w aluminotermii - to sposób otrzymywania metali z ich tlenków, przy czym wykorzystuje się redukcyjną zdolność aluminium.

np. Fe₂O₃ + 2 Al = Al₂O₃ + 2 Fe

Dalsze zastosowanie aluminium - produkcja alobalów, przy produkcji polietylenu i stopów.

Produkcja stopów ma zastosowanie w hutnictwie przy produkcji środków transportu i różnych lekkich konstrukcji.

Najbardziej znanym stopem aluminium jest dural (z ang. durable aluminium), który jest stopem aluminium z miedzią i glinem (Al-Cu4-Mg). Główne zastosowanie duralu było w przemyśle lotniczym. W przeszłości znalazł swoje miejsce przy produkcji przedmiotów domowych, takich jak sztućce i naczynia - zastąpił go droższy antikoro. Często stosuje się w elektrotechnice ze względu na dobrą przewodność elektryczną i niższą cenę, niż miedź, gdzie z aluminium stopów produkuje się przewodniki. Stosuje się w linach do sieci wysokiego napięcia (sieć energetyczna). W mieszkańczych rozdzielniach przestano stosować na końcu lat 80. Dlaczego? Aluminium pod ciśnieniem „przecieka” - śrubowane połączenia elektryczne z przewodami aluminium trzeba dostrzegać, inaczej z czasem dochodzi do utraty kontaktu elektrycznego. Stosuje się również jego bardzo dobrą przewodność cieplną do produkcji różnych chłodników i wymienników ciepła. W budownictwie stosuje się do paneli obkladanych. Aluminium jest mało odporny na wpływy pogodowe, dlatego trzeba go powierzchniowo przetwarzać - eloksywacją (elektrochemicznie na jego powierzchni tworzy się warstwę tlenku, która jest odporna i można ją barwić i polerować).

Oprócz tego stosuje się pierścionkowe odmiany korundu Al₂O₃ - rubin i zafir. Al₂O₃ też służy do produkcji papieru szlifierskiego.

W medycynie stosuje się np. octan glinu Al(CH₃COO)₃ - sól kwasu octowego; jako okład przeciwzapalny.

Ważny jest również przemysł ceramiczny - produkcja porcelany i grubej ceramiki. Podstawową składnikiem jest kaolinyt (zawiera minerał kaolinit). Porcelana powstaje przez spiekanie mieszaniny kaolinytu i rozdrobnionego kamienia wapiennego z krzemieniem (znany jest porcelan z Karlowych). Z grubej ceramiki produkuje się np. materiał ognioodporny, dachówkę, naczynia ceramiczne, doniczki, rury, itd.

Sole Al³⁺ znajdują się w wodzie pitnej, w lekach (acylpiryna, superpiryna - obniża drażliwość żołądka), w proszku do pieczenia, na mrożone owoce i warzywa (ze względu na wygląd), stabilizator białka, suszone mleko, kawa instant, itd.

W przemyśle ma znaczenie produkcja piany metalowej, tzw. piany aluminium, która ma korzystny stosunek sztywności do masy (np. płyta z piany aluminium w porównaniu do płyty aluminium o tej samej masie ma znacznie wyższą sztywność giętną). Piana lepiej tłumi drgania i hałas, który jest spowodowany drganiem części jak przy jej odlewie z pełnego aluminium.