Aluminij

Aluminij (latinski: ' 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.

Aluminij,  ₁₂Al

Aluminij u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Aluminij, Al, 12
Serija	Metal
Grupa, Perioda, Blok	13, 3, p
Izgled	srebrenast
Zastupljenost	7,57 %
Atomske osobine
Atomska masa	26,9815385 u
Atomski radijus (izračunat)	125 (118) pm
Kovalentni radijus	121 pm
Van der Waalsov radijus	184 pm
Elektronska konfiguracija	[Ne] 3s2 3p1
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 3
Izlazni rad	4,06–4,26 eV
1. energija ionizacije	577,5 kJ/mol
2. energija ionizacije	1816,7 kJ/mol
3. energija ionizacije	2744,1 kJ/mol
4. energija ionizacije	11563 - 11578 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	2,75
Kristalna struktura	kubična plošno centrirana
Gustoća	2700 kg/m3
Magnetizam	paramagnetičan ($\chi _{m}$ = 2,1 · 10−5)
Tačka topljenja	933,47 K (660,32 °C)
Tačka ključanja	2743 K (2470 °C)
Molarni volumen	10,00 · 10−6 m3/mol
Toplota isparavanja	284 kJ/mol
Toplota topljenja	10,7 kJ/mol
Pritisak pare	2,42 · 10−6 Pa
Brzina zvuka	6250-6500 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota	897 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	37,7 · 106 S/m
Toplotna provodljivost	235 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	1, 2, 3
Oksid	Al2O3
Elektrodni potencijal	−1,66 V (Al3+ + 3e− → Al)
Elektronegativnost	1,61 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 25Al sin 7,183 s ε 4,277 25Mg 26Al sin 7,17 · 105 a ε 4,004 26Mg 27Al 100 % Stabilan 28Al sin 2,2414 min β- 4,642 28Si 29Al sin 6,56 min β- 3,680 29Si
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja prah F Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: 15-17 S: (2-)7/8-43
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

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.

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 vodik 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

Aluminij ima mnogo poznatih izotopa, čiji se maseni brojevi kreću između 21 i 42. Međutim, jedini stabilni izotop mu je²⁷Al. Izotop ²⁶Al mu je radioaktivan, ali se može naći u prirodi. Vrijeme poluraspada izotopa ²⁶Al iznosi oko 716.000 godina, ali se u prirodi javlja samo u tragovima. Stvara se iz argona u Zemljinoj atmosferi putem spalacije uzrokovane protonima iz kosmičkih zraka. Izotopi aluminija su naši praktičnu primjenu u brojnim oblastima kao što su određivanje starosti okeanskih sedimenata, manganovih nakupina, glečerskog leda, kvarca u stijenama i meteorita. Odnos između ²⁶Al i izotopa ¹⁰Be se koristi za izučavanje uloge transporta, odlaganja, erozije i nastajanja sedimenata u vremenskim periodima od 100.000 do milion godina.

Kosmogeni ²⁶Al je prvi put primijenjen u proučavanju mjeseca i meteorita. Fragmenti meteoroida, nakon što su se odvojili od svog matičnog objekta, bili su izloženi intenzivnom djelovanju kosmičkih zraka tokom svog putovanja kroz svemir, što je uzrokovalo stalno nastajanje ²⁶Al. Nakon što fragmenti padnu na Zemlju, djelovanjem atmosfere značajno se smanjuje proizvodnja ²⁶Al, a mjerenjem njegovog vremena poluraspada moguće je izračunati životni vijek meteorita. Istraživanjem meteorita na taj način došlo se do podatka da je izotop ²⁶Al bio relativno dosta rasprostranjen u vrijeme nastanka Sunčevog sistema. Mnogi naučnici smatraju da je energija otpuštena raspadom ²⁶Al odgovorna za topljenje i diferencijaciju nekih asteroida nakon njihovog nastanka prije 4,55 milijarde godina.

Rasprostranjenost

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. Međunarodna mineraloška organizacija (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.

Dobijanje

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.

Upotreba

Kao građevinski materijal

Tipični dio izrađen od aluminijskog gusa (dio usisivača)

Aluminijsko kućište (cilindrični dio u sredini) jednog asinhronog elektromotora.

Svoje svoje male gustoće, aluminij se često upotrebljava tamo gdje je neophodno smanjiti težinu, naprimjer kod transportnih mašina da bi se smanjila njihova težina a samim time i potrošnja goriva. To se naročito odnosi na svemirske letjelice i avione. Osim njih, značaj aluminija je porastao i u industriji automobila. U prošlosti, automobilska industrija je malo koristila aluminij, jer su s njim bili povezani problemi njegove visoke cijene, slabog zavarivanja dijelova od aluminija kao i problematične otpornosti na zamor materijala i osobine deformacije. Već 1930tih godina neke američke kompanije su koristile aluminij da bi smanjile težinu vojnih amfibijskih vozila. Pri gradnji manjih i srednjih jahti, mnogo se cijenila otpornost aluminija prema koroziji u slanoj morskoj vodi, jer se on štitio od korozije stvarajući tanki zaštitni sloj oksida na površini. Godine 2010. oko 35% svjetske proizvodnje aluminija je trošila industrija transportnih sredstava.

U legurama sa magnezijem, silicijem i drugim metalima, aluminiju se može povećati čvrstoća, koja se može porediti sa čelikom. Zbog toga, upotreba aluminija radi smanjenja težine se uglavnom primjenjuje u aplikacijama gdje cijena materijala ne igra veliku ulogu. Naročito je upotreba aluminija i njegove legure duraluminija (legura aluminija sa bakrom i molibdenom) raširena u industriji aviona i svemirskih letjelica. Veći dio strukture današnjih komercijalnih aviona sastoji se iz aluminijskih limova različitih čvrstoća i legura, međusobno spojenih. Kod novijih modela aviona (Boeing 787, Airbus A350) aluminij je zamijenjen još lakšim umjetnim materijalima načinjenim od karbonskih vlakana.

Na svjetskom tržištu, cijena sirovog aluminija se kretala oko 1.500 US dolara po toni. (stanje: april 2016.)

Legure

Tipično italijansko kuhalo za pripremanje espresso kahve

U istopljenom tečnom stanju, aluminij se može legirati sa bakrom, magnezijem, manganom, silicijem, željezom, titanijem, berilijem, litijem, hromom, cinkom, cirkonijem i molibdenom. Time se mogu dobiti željene osobine aluminija i ukloniti ili umanjiti neželjene. Kod većine legura, najveći problem leži u stvaranju zaštitnog sloja oksida (pasivizaciji), zbog čega su gotovi elementi načinjeni od tih legura ugroženi od širenja korozije. Gotovo sve visokočvrste legure su ugrožene zbog tog problema.

Elektrotehnika

Aluminij je dobar električni provodnik. Po jednom gramu mase, bolje provodi električnu struju od bakra, ali zauzima veću zapreminu od njega, te je po kvadratnom centimetru poprečnog presjeka vodiča bakar bolji provodnik. Dok je bakar manje reaktivan i može se lakše obrađivati od aluminija, provodnici od aluminija se koriste samo u slučajevima gdje je neophodno smanjiti težinu provodnika.

Aluminij se naročito koristi kao električni provodnik za struju u električnoj mreži, kada se radi o velikim i debelim provodnicima kao što su strujne šine i kablovi za uzemljenje. U ovom pogledu aluminij se pokazao jeftinijim za razliku od bakra.

Kod kontakata od aluminija je problematično, jer se zbog pritiska unutar kontakta dolazi do plastične deformacije (puzanja) materijala. Osim toga, tokom vremena se pasivizira stajanjem na zraku. Nakon dužeg skladištenja ili intenzivnijeg dodira sa vodom, taj pasivni sloj oksida zadeblja, onemogućavajući rad kontakata. Tokom 1960ih aluminijski kontakti su se koristili u električnim prekidačima u građevinskim objektima, što je ponekad dovodilo da zbog neodgovarajućih spojeva dođe do kratkih spojeva ili čak požara.

Spojevi

Najvažniji spojevi 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

I pored velike rasprostranjenosti u prirodi, aluminij nema do danas poznatu ulogu u biologiji. Nije otrovan čak ni u izuzetno velikim dozama. Aluminij sulfat ima otrovnost kod miševa LD50 od 6207 mg/kg, što otprilike odgovara dozi od 500 grama za osobu od 80 kg. I pored izuzetno male akutne otrovnosti, efekti aluminija na zdravlje su u stalnom fokusu javnosti zbog njegovog masovnog korištenja i distribucije u okolini i privredi.

Vrlo mali broj osoba je alergično na aluminij i kod njih se nakon kontakta ili oralnog uzimanja aluminija i proizvoda od aluminija javlja dermatitis, promjene u metabolizmu, povraćanje i drugi simptomi. Kod uzimanja vrlo velikih količina aluminija, on može dovesti do neutrotoksičnosti a povezan je i sa promjenama u funkcioniranju krvno-moždane barijere.

Također pogledajte

• Spisak država po proizvodnji aluminija

Vanjski linkovi

• aluMATTER (en) (de) (nl) (fr)