Aluminijum

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. Aluminijum je srebrenasto-bijeli laki 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.

Aluminijum (13Al)
Mg - Al - Si   B Al Ga       periodni sistem
Opšti podaci
Pripadnost skupu	slabi metali
grupa, perioda	IIIA, 3,
gustina, tvrdoća	2700 kg/m3, 2,75
boja	srebrnobela
Osobine atoma
atomska masa	26,981538 u
atomski radijus	125 (118) pm
kovalentni radijus	118 pm
van der Valsov radijus	bd
elektronska konfiguracija	[Ne]3s23p1
e- na energetskim nivoima	2, 8, 3
oksidacioni broj	3
Osobine oksida	amfoterni
Kristalna struktura	regularna zidno centrirana
Fizičke osobine
agregatno stanje	čvrsto
temperatura topljenja	933,47 K (660,32 &°C)
temperatura ključanja	2792 K (2519 °C)
molska zapremina	10,00×10-3 m³ /mol
toplota isparavanja	293,4 kJ/mol
toplota topljenja	10,79 kJ/mol
brzina zvuka	5100 m/s (933 K)
Ostale osobine
Elektronegativnost	1,61 (Pauling) 1,47 (Alred)
specifična toplota	900 J/(kg*K)
specifična provodljivost	37,7×106 S/m
toplotna provodljivost	237 W/(m*K)
I energija jonizacije	577,5 kJ/mol
II energija jonizacije	1816,7 kJ/mol
III energija jonizacije	2744,8 kJ/mol
IV energija jonizacije	11.577 kJ/mol
V energija jonizacije	14.842 kJ/mol
VI energija jonizacije	18.379 kJ/mol
VII energija jonizacije	23.326 kJ/mol
VIII energija jonizacije	27.465 kJ/mol
IX energija jonizacije	31.853 kJ/mol
X energija jonizacije	38.473 kJ/mol
Najstabilniji izotopi

Istorija

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 aluminijum hlorida (AlCl₃) sa kalij amalgamom, pri čemu je kalijum služio kao redukciono sredstvo:

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

Hans Christian Ørsted je prvi izdvojio čisti aluminijum

Friedrich Wöhler je koristio istu metodu 1827. godine, ali je za redukciju koristio metalni kalijum 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 aluminijuma iz rude, što je dovelo da cijena aluminijuma 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 aluminijum u industrijskim količinama. U tom vremenu, aluminijum 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 kiseonika i silicijuma, treći najrasprostranjeniji element na površini Zemlje, kao i najčešći metal. Često dolazi sa silicijumom 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 aluminijum 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 aluminijum hidroksida (Al(OH)₃ i AlO(OH)) u boksitu iznosi oko 60%, a 30% otpada na okside željeza i silicijum 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.

Proizvodnja

Kretanje svjetske godišnje proizvodnje primarnog aluminijuma

Pošto se aluminij ne može izdvojiti iz aluminosilikata zbog načina i vrste hemijskih veza, ekonomski opravdan i industrijski najefikasniji način proizvodnje aluminijuma je prerada rude boksita. Smjesa aluminij oksida i aluminij hidroksida se oslobađa iz rude boksita od stranih primjesa poput željeznih oksida i silicijum oksida, djelovanjem natron-sode (Bayerov proces) te se prži u rotirajućim pećima do aluminijum 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 natrijum-karbonat (soda) i koks, te se ta smjesa kalcinira u rotirajućoj peći na temperaturi od oko 1200 °C, a pri tome nastali natrijum-aluminat se otapa u natron-sodi (NaOH). Proizvodnja čistog aluminijuma se dovršava isključivo elektrolizom aluminijum oksida u istopljenim solima, što predstavlja takozvani Hall-Héroultov proces. Da bi se snizila neophodna temperatura za topljenje aluminijum oksida, dodaje mu se kriolit, čime se eutektična tačka snižava na 963 °C.

Dobijanje

Bemit i hidrargilit reagiraju s natrijevom lužinom i prelaze u topljivi natrijev aluminat. Hidratizirani željezov(III) oksid ne reagira s natrijevom lužinom i zaostaje u talogu, kao i natrijev alumosilikat nastao reakcijom silicijeva dioksida, natrijeve lužine i aluminijeva hidroksida.

Dobivena aluminatna otopina izdvoji se od taloga filtracijom. Iz vrućeg filtrata dodatkom kristalića aluminijeva hidroksida (Al(OH)3), kao jezgra za kristalizaciju i razrijeđivanjem vodom, hlađenjem iskristalizira teško topljiv aluminijev hidroksid. Žarenjem aluminijeva hidroksida u rotacijskim pećima na temperaturama iznad 1200°C nastaje čista glinica, koja se tek onda šalje da se iz nje proizvede aluminij.

Polazna ruda za dobijanje aluminija je boksit, od kojeg se pročišćavanjem dobije aluminijev oksid (glinica) (Al₂O₃). Metal aluminij dobivamo elektrolizom; najvažniji procesi primjenjuju Hall-Heroultovu ćeliju, u kojoj je se kao elektrolit rabi rastopljeni kriolit Na₃AlF₆ koji snizuje talište na oko 950°C. Jakost električne struje pri procesu je oko 150.000 A, a napon je oko 5 V.

Reakcija na katodi:

Al³⁺ + 3 e⁻ → Al

Reakcija na anodi:

2 O²⁻ → O₂ + 4 e⁻

Ako su katode izrađene od ugljena (što je najčešća izvedba), one pri procesu lagano izgaraju te reagiraju sa kisikom i fluorom iz kriolita, stoga nastaju i određene količine plinova CO i CO₂, te plinoviti spojevi sa fluorom (1 kg po 1 t Al) koji pridonose efektu staklenika. Dobiveni aluminij se drži na visokim temperaturama nekoliko sati da bi iz njega isparile primjese silicija, titanija, bakra i cinka, no najveća čistoća se dobije električnom rafinacijom (99.999%). Razvijaju se i druge elektrolitne metode (obrada boksita s klorom i elektroliza rastopljenog klorida). Čisti aluminij je mekan i kovan, a čvrstoća mu se može povećati mehaničkom obradom.

• Otpornost aluminija prema vanjskim utjecajima može se znatno povećati postupkom anodne oksidacije poznatim pod nazivom eloksiranje (eloksal postupak). Predmet koji se želi eloksirati je anoda pri elektrolizi sumporne kiseline. Kisik koji se izlučuje na anodi pojačava postojeći oksidni sloj na aluminiju. Postupak se najčešće provodi u svrhu poboljšanja antikorozijskih i dekorativnih svojstava oksidne prevlake. U pore tako dobivenog sloja može ući boja koja aluminiju daje lijep izgled.

Zagrijavanjem na zraku aluminij izgara u aluminijev oksid (Al₂O₃).

4 Al(s) + 3 O₂(g) --> 2 Al₂O₃(s)

Golema oslobođena energija ukazuje na veliku stabilnost veze između aluminija i kisika. Zbog toga se aluminij rabi za redukciju manje stabilnih oksida.
Smjesa željezova(III) oksida i aluminija u prahu naziva termit. Aluminij u toj smjesi reducira željezo iz oksida, a oslobođena je toplina dovoljna da rastali nastalo željezo. Taj se postupak zbog toga rabi za zavarivanje željeznih tračnica.

Fe₂O₃(s) + 2 Al(s) --> 2 Fe(s) + Al₂O₃(s)

Osobine

Fizičke

Aluminijum je relativno meki i žilav metal. Otpornost izvlačenja čistog aluminijuma 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. Lako se izvlači te se valjanjem može preraditi u veoma tanke folije. Takozvane aluminijumske gnječene legure se mogu dobro obrađivati, savijati, presati i kovati čak i na nižim temperaturama. Napetosti nastale hladnom obradom aluminijuma mogu se ukloniti procesom mekog zagrijavanja (do 250 °C). Na ovim temperaturama može se oblikovati i duraluminijum. Legure aluminijuma sa 3% magnezijuma ili silicijuma se dobro izlijevaju (aluminijumski tlačni gus) te se dalje mogu mašinski obrađivati. Na temperaturama od oko 1,2 K, čisti aluminijum pokazuje superprovodničke osobine. Tačka topljenja aluminijuma iznosi 660,4 °C, a vrelište na 2470 °C. Sa gustoćom od 2,7 g/cm³, aluminijum iskazuje osobine lakih metala.

Hemijske

Oksidacioni broj aluminijuma je +3. Čist aluminijum na zraku polako 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. Aluminijum se lako rastvara u jakim bazama (npr., natrijum-hidroksid - NaOH ili kalijum 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 aluminijum.

Izotopi

Aluminijum 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 aluminijuma 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.

Primena

Kao građevinski materijal

Tipični dio izrađen od aluminijumskog gusa (dio usisivača)

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

Zbog svoje male gustoće, aluminijum 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 aluminijuma je porastao i u industriji automobila. U prošlosti, automobilska industrija je malo koristila aluminijum, jer su s njim bili povezani problemi njegove visoke cijene, slabog zavarivanja dijelova od aluminijuma kao i problematične otpornosti na zamor materijala i osobine deformacije. Već 1930tih godina neke američke kompanije su koristile aluminijum da bi smanjile težinu vojnih amfibijumskih vozila. Pri gradnji manjih i srednjih jahti, mnogo se cijenila otpornost aluminijuma 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 aluminijuma je trošila industrija transportnih sredstava.

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

Na svjetskom tržištu, cijena sirovog aluminijuma se kretala oko 1.770 US dolara po toni. (stanje: april 2014.)

Legure

Tipično italijansko kuhalo za pripremanje espresso kahve

U istopljenom tečnom stanju, aluminijum se može legirati sa bakrom, magnezijumom, manganom, silicijumom, željezom, titanijumom, berilijumom, litijumom, hromom, cinkom, cirkonijumom i molibdenom. Time se mogu dobiti željene osobine aluminijuma 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.

Velike količine legiranog aluminija se koriste u industriji prijevoznih sredstava. Legure mogu poboljšati lijevna ili kovna svojstva aluminija. Upravo u izradi zrakoplova aluminij je, zbog svoje male gustoće i otpornosti prema koroziji, nezamjenjiv materijal, a zahvaljujući razvoju novih tehnologija zavarivanja, to postaje i u automobilskoj industriji te proizvodnji vagona i vlakova novih generacija. Legure aluminija nalaze veliku primjenu i u audio-industriji (zvučničke membrane) ili kao osnova za izradu kompakt discova (CD ploča, CD ROM-a itd.).

Aluminij s mnogim metalima stvara slitine, što je uz već navedena svojstva, razlog njegove tako velike uporabe. Budući da je čist aluminij mekan, gotovo polovina proizvedenog metala prerađuje se dalje u legure. Proizvodi se velik broj legura koje obično uključuju bakar, mangan, silicij, cink i magnezij.

• Aluminij i mangan 1,2 % Mn. Ne gubi boju i upotrebljava se za prozore i kuhinjske folije.
• Aluminij i bor ima veću električnu vodljivost, a upotrebljava se za električne kabeli.
• Silumin – Si 10 %.
• Magnalij – Mg 10 - 30 %. Otporan na morsku vodu, pa se rabi u brodogradnji.
• Duraluminij – Cu 2,5 – 5,5 %, Mg 0,5 – 2 %, Mn 0,5 – 1,2 %, Si 0,2 – 1 %. Vrlo tvrda legura (triput tvrđa od običnoga čelika, a lakša od njega), otporna na udarce, pa se rabi u građevinarstvu, za izradu prijevoznih sredstava, za oplatu aviona i okvire trkaćih bicikala.

Poznatije slitine:

• AL NI KO

Elektrotehnika

Aluminijum 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 aluminijuma, provodnici od aluminijuma 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 aluminijum se pokazao jeftinijim za razliku od bakra.

Kod kontakata od aluminijuma 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 1960tih aluminijumski 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 aluminijuma su amfoterni aluminijum-oksid, i aluminijum (III) hidroksid. Litijum-aluminijumhidrid (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 aluminijuma i K[AlSi₃O₈] ili aluminijuma i Na[AlSi₃O₈]. Aluminijum(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, aluminijum nema do danas poznatu ulogu u biologiji. Nije otrovan čak ni u izuzetno velikim dozama. Aluminijum 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 aluminijuma na zdravlje su u stalnom fokusu javnosti zbog njegovog masovnog korištenja i distribucije u okolini i privredi.

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

Vanjski linkovi

Aluminijum na Wikimedijinoj ostavi

• aluMATTER Arhivirano 2016-06-01 na Wayback Machine-u ((en)) ((de)) ((nl))
• Aluminium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• CDC - NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards - Aluminum
• Electrolytic production
• World production of primary aluminium, by country
• Price history of aluminum, according to the IMF
• History of Aluminium Arhivirano 2007-11-06 na Wayback Machine-u – from the website of the International Aluminium Institute
• Emedicine – Aluminium
• The short film ALUMINUM (1941) is available for free download at the Internet Archive [more]