ALUMINIUM: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, INNHENTING, BRUK - KJEMI - 2026

Den aluminium er et metallisk element som hører til (III A) gruppe 13 i det periodiske system, og som er representert ved symbolet A. Dette er et lett metall med en lav tetthet og hardhet. På grunn av dets amfoteriske egenskaper, har det 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, samt enhver type gjenstand eller figur; for eksempel de berømte bokser med legeringer, eller aluminiumsfolie som mat eller desserter er pakket inn med.

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

Alum (et hydratisert kaliumaluminiumsulfat) har blitt brukt av mennesker siden antikken i medisin, solskinn og som en mordant for 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 virksomhet som tillot industriell bruk. I det øyeblikket var aluminium det metall som hadde 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 rikeste elementet, og blir overgått av oksygen og silisium i silika- og silikatmineraler.

Bauxitt er en forening av mineraler, blant dem: aluminiumoksyd (aluminiumoksyd), og metalloksider av jern, titan og silisium. Det representerer den viktigste naturressursen for gruvedrift av aluminium.

Historie

Alum

I Mesopotamia, 5000 år f.Kr. C., De lagde 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 skrevne dokumentet relatert til alun ble laget av Herodotus, en gresk historiker, på 500-tallet f.Kr. Alum ble brukt som en mordant i farging av stoffer og for å beskytte treverket, som festningsdørene ble designet med, mot branner.

På samme måte refererer Plinius "den eldste" på 1000-tallet til alun, i dag kjent som alun, som et stoff som brukes i medisin og mordant.

Fra 1500-tallet ble alun brukt i soling av lær og som papirstørrelse. Dette var et gelatinøst stoff som ga papiret konsistens og tillot det å bruke skriftlig.

I 1767 oppnådde den sveitsiske kjemikeren Torbern Bergman syntesen av alun. For å gjøre dette, varmte han månen med svovelsyre, og la deretter potash til løsningen.

Anerkjennelse i alumina

I 1782, den franske kjemikeren Antoine Lavoisier påpekes at aluminiumoksyd (Al ₂ O ₃ ) var et oksyd av et element. Dette har en slik tilknytning til oksygen at separasjonen var vanskelig. Derfor spådde Lavoisier da eksistensen av aluminium.

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

Davy kommenterte at aluminiumoksyd hadde en metallisk base, som han opprinnelig utpekte som 'alumium', basert på det latinske ordet 'alumen', navnet brukt på alun. Davy endret senere navnet til "aluminium", det nåværende engelske navnet.

I 1821 klarte den tyske kjemikeren Eilhard Mitscherlich å finne den riktige formelen for aluminiumoksyd: Al ₂ O ₃ .

Isolering

Samme år oppdaget den franske geologen Pierre Berthier et aluminiumsmineral i en rødlig leirbergavsetning 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 metallstykke som ligner litt på tinn i farge og glans." Øersted var i stand til å oppnå dette ved å redusere aluminiumkloridet, AlCl ₃ , med et kaliumamalgam.

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

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

Wöehler beskrev til og med noen egenskaper ved metallet, som farge, spesifikk tyngdekraft, duktilitet og stabilitet.

Industriell produksjon

I 1855 forbedret den franske kjemikeren Henri Sainte-Claire Deville Wöhlers metode. For dette brukte han reduksjonen av aluminiumklorid eller natriumaluminiumklorid med metallisk natrium ved å bruke kryolit (Na ₃ AlF ₆ ) 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 skapte den franske ingeniøren Paul Héroult og den amerikanske studenten Charles Hall uavhengig av en metode for produksjon av aluminium. Metoden består av elektrolytisk reduksjon av aluminiumoksyd i smeltet kryolit ved bruk av likestrøm.

Metoden var effektiv, men den hadde problemet med det høye strømbehovet, noe som gjorde produksjonen dyrere. Héroult løste dette problemet ved å etablere sin industri i Neuhausen (Sveits), og utnyttet dermed Rhinenfallene som elektrisitetsgeneratorer.

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

Til slutt, i 1889, skapte Karl Joseph Bayer en metode for å produsere aluminiumoksyd. Denne består av 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

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

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

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

Fusjonsvarme

10,71 kJ / mol

Fordampingsvarme

284 kJ / mol

Molær kalorikapasitet

24,20 J / (mol K)

elektro

1.61 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergi

-Først: 577,5 kJ / mol

-Andre: 1.816,7 kJ / mol

-Tredde: 2.744,8 kJ / mol

Termisk ekspansjon

23,1 um / (mK) ved 25 ºC

Termisk ledningsevne

237 W / (m K)

Aluminium har en termisk konduktivitet tre ganger så stor som stål.

Elektrisk resistivitet

26,5 nΩ m ved 20 ºC

Den elektriske ledningen er 2/3 av kobberens.

Magnetisk orden

paramagnetisk

hardhet

2,75 på Mohs-skalaen

reaktivitet

Aluminium er motstandsdyktig mot korrosjon fordi det tynne laget Al ₂ O _3- oksyd som dannes på overflaten, når det utsettes for luft, forhindrer oksidasjon i å fortsette inne i metallet.

I syreoppløsninger reagerer den med vann for å danne hydrogen; mens det i alkaliske oppløsninger danner aluminiumoksatet (AlO ₂ ^- ).

Fortynnede syrer kan ikke løse den opp, 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 aluminatet.

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

Aluminium oksideres av vann ved temperaturer under 280 ºC.

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

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Aluminium som er et metallisk element (med metalloidfargestoffer for noen), dets Al-atomer interagerer med hverandre takket være den metalliske bindingen. Denne ikke-retningsstyrken styres av dens valenselektroner, som er spredt over hele krystallen i alle dens dimensjoner.

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

3s ² 3p ¹

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

Bandet er fullt, mens p-bandet har mye ledig plass for flere elektroner. Derfor er aluminium en god leder av elektrisitet.

Den metalliske bindingen av aluminium, radien til atomer og dens elektroniske egenskaper definerer en fcc (ansiktssentrert kubikk) krystall. En slik FCC-krystall er tilsynelatende den eneste kjente allotropen av aluminium, så den vil sikkert motstå høye trykk som virker på den.

Oksidasjonsnummer

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

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

I Al ₂ O ₃ , for eksempel, har aluminium en oksidasjonstall av 3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); mens i AlI og AlO , henholdsvis +1 (Al ⁺ F ^- ) og +2 (Al ²⁺ O ^2- ). Under normale forhold eller situasjoner er imidlertid Al (III) eller +3 det klart rikeste oksidasjonsnummeret; siden Al ³⁺ er isoelektronisk for neongelgassen.

Det er grunnen til at det i skolens lærebøker alltid antas, og med god grunn, at aluminium har +3 som eneste antall eller oksidasjonstilstand.

Hvor å finne og skaffe

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

Den finnes i stollede bergarter, hovedsakelig: aluminosilikater, feltspat, feltspatoid og mikas. Også i rødlige leire, som tilfellet er med bauxitt.

- Bauxitter

Bauxittgruve. Kilde: Bruker: VargaA

Bauxitter er en blanding av mineraler som inneholder hydrert aluminiumoksyd og urenheter; slik som jern og titanoksider og silika, med følgende vektprosenter:

-A ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O av konstitusjon 12-30%.

Alumina finnes i bauxitt i hydratisert form med to varianter:

-monohydrates (Al ₂ O ₃ -H _to O), som har to krystallografiske former, boemite og diaspor

-Trihydrater (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), representert ved gibbsite.

Bauxitt er den viktigste kilden til aluminium og leverer det meste av aluminium oppnådd fra gruvedrift.

- Aluminiumsavsetninger

Av endring

Hovedsakelig de bauxitter som dannes av 40-50% av Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ og 3-10% av SiO ₂ .

hydrotermale

Alunitt.

magmatisk

Aluminøse bergarter som har mineraler som syenitter, nefelin og anorthitter (20% av Al ₂ O ₃ ).

metamorfe

Aluminiumsilikater (Andalusitt, sillimanitt og kyanitt).

Detritics

Kaolinavleiringer og forskjellige leire (32% Al ₂ O ₃ ).

- Utnyttelse av bauksitt

Bauxitt er utvunnet under åpen himmel. Når steinene eller leirene som inneholder den er samlet, knuses de og males i kule- 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 bakkede bauxitt fordøyes ved tilsetning av natriumhydroksyd, og danner natriumaluminatet som er solubilisert; mens forurensningene jern, titan og silisiumoksider forblir i suspensjon.

Forurensningene dekanteres og aluminiumoksydtrihydratet utfelles fra natriumaluminatet ved avkjøling og fortynning. Deretter tørkes det trihydratiserte aluminiumoksydet for å gi vannfri aluminiumoksyd og vann.

- Elektrolyse av aluminiumoksyd

For å få aluminium blir aluminiumoksyd utsatt for elektrolyse, vanligvis etter metoden skapt av Hall-Héroult (1886). Prosessen består i å redusere det smeltede aluminiumoksydet til kryolit.

Oksygenet binder seg til karbonanoden og frigjøres som karbondioksid. I mellomtiden blir det frigjorte aluminiumet avsatt i bunnen av den elektrolytiske cellen der det akkumuleres.

legeringer

Aluminiumslegeringer identifiseres vanligvis 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 romfartøyer, men de sprakk av korrosjon. Disse legeringene er kjent som duralumin.

3XXX

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

4xxx

4xxx-koden representerer legeringer som silisium blir tilsatt aluminium, noe som senker metallets smeltepunkt. Denne legeringen brukes til fremstilling av sveisetråder. Legering 4043 brukes i sveising av biler og konstruksjonselementer.

5xxx

5xxx-koden dekker legeringer der magnesium først og fremst tilsettes aluminium.

De er sterke legeringer som er motstandsdyktige mot korrosjon i sjøvann, og brukes til å lage trykkfartøyer og forskjellige marine anvendelser. Alloy 5182 brukes til å lage lokkene til brusbokser.

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 innen arkitektur, sykkelrammer og konstruksjon 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 aluminiumspulver kan forårsake hud- og øyeirritasjon. Langvarig, høy eksponering for aluminium kan forårsake influensalignende symptomer, hodepine, feber og frysninger. I tillegg kan smerter og tetthet i brystet oppstå.

Eksponering for fint aluminiumsstøv kan forårsake lunge arrdannelse (lungefibrose), med symptomer på hoste og kortpustethet. OSHA fastsatte en grense på 5 mg / m ³ for eksponering for aluminiumstøv i løpet av en 8-timers arbeidsdag.

Den biologiske toleranseverdien for yrkeseksponering for aluminium er fastslått til 50 ug / g kreatinin i urin. En svekkende ytelse i nevropsykologiske tester oppstår når aluminiumskonsentrasjonen i urinen overstiger 100 ug / g kreatinin.

Brystkreft

Aluminium brukes som aluminiumhydroklorid i antiperspirant deodoranter, etter å ha blitt 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 hos personer med yrkeseksponering har det vært knyttet til nevrologiske sykdommer, som inkluderer Alzheimers sykdom.

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

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

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

Aluminiumsinntak

Aluminium finnes 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 representerer en helserisiko; samt bruk av aluminiumsutstyr 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 vindusrammer, skillevegger, gjerder, belegg, varmeisolatorer, tak, etc.

Transportere

Aluminium brukes til fremstilling av deler til biler, fly, lastebiler, sykler, motorsykler, båter, romskip, jernbanevogner, etc.

containere

Aluminiumsbokser for forskjellige varianter av mat. Kilde: Pxhere.

Aluminium brukes til å lage drikkebokser, ølfat, brett osv.

Hjem

Aluminiumspann. Kilde: Pexels.

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

Refleksjonsmakt

Aluminium reflekterer effektivt strålende energi; fra ultrafiolett lys til infrarød stråling. Den reflekterende kraften til aluminium i synlig lys er rundt 80%, noe som gjør det mulig å bruke det som en skygge i lamper.

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

Det brukes til å lage metallisk aluminium, isolatorer og tennplugger. Når aluminiumoksyd blir oppvarmet, utvikler det en porøs struktur som absorberer vann, som brukes til å tørke ut gasser og tjene som et sete for påvirkning av katalysatorer i forskjellige kjemiske reaksjoner.

Aluminiumsulfat

Det brukes i papirfremstilling og som overflatefyller. Aluminiumsulfat tjener til å danne kaliumaluminiumalum. Dette er det mest brukte alunet og med mange bruksområder; for eksempel fremstilling av medisiner, maling og mordant for farging av stoffer.

Aluminiumklorid

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

Aluminiumhydroksyd

Det 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 informasjon om bioteknologi. (2019). Aluminium. PubChem-databasen. CID = 5359268. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminum
4. Redaktørene av Encyclopaedia Britannica. (13. januar 2019). Aluminium. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: britannica.com
5. UC Rusal. (SF). Aluminiumshistorie. Gjenopprettet fra: aluminiumleader.com
6. Oviedo universitet. (2019). Aluminium metallurgi. . Gjenopprettet fra: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. februar 2019). Aluminium eller legeringer. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Helseeffektene av aluminiumseksponering. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Aluminiumslegeringer. Gjenopprettet fra: sciencedirect.com
10. Natalia GM (16. januar 2012). Aluminium tilgjengelighet i mat. Gjenopprettet fra: forbruker.es