Aluminiu

Aluminiul este un element chimic, notat cu simbolul Al. Număr atomicul atomic al aluminiului are valoarea 13, iar masa atomică este 26.97. Este un element chimic comun, ocupând poziția a treia, după oxigen și siliciu, ca răspândire terestră, existând în procent de 7.4%. Compușii aluminiului constituie 8.13% din scoarța terestră, fiind întâlniți în substanțele minerale, precum și în lumea vegetală și animală.

În stare naturală este întâlnit sub forma mineralelor, dintre care amintim silicații, silicoaluminații (feldspat, mică, argile), criolitul (fluoaluminat de sodiu), bauxita, corindonul.

După fier, acesta a devenit metalul cu cea mai largă întrebuințare. Aluminiul a fost remarcat pentru faptul că este un metal ușor, cu o densitate de 2.7 g-cm3. Aceasta calitate îl face să fie utilizat în cantități mari în industria navală și aeronautică. Capacitatea mare de reflexie este folosită în construirea oglinzilor metalice.

Este un bun conducător electric și termic, fiind folosit în industria electrochimică sub formă de sârmă, înlocuind conductoarele electrice din cupru, care sunt mai scumpe.

Este un metal ductil și maleabil, fiind posibilă obținerea unei foițe subțiri de 0.005 mm grosime. Totodată, această proprietate este utilizată în industria alimentară, aluminiul fiind folosit la ambalarea produselor alimentare sau în industria farmaceutică.

O altă proprietate importantă a acestui metal este rezistența la coroziune, care se datorează formării unui strat protector de oxid. Rezistă la acțiunea chimică a acidului azotic diluat sau concentrat, iar acest lucru se reflectă în fabricarea canistrelor transportoare de acid azotic din aluminiu.

Prezintă o afinitate mare pentru oxigen, fiind utilizat în obținerea altor metale precum Cr, Mn, Co, V din oxizi.

Descoperire

Termenul "alumen," care este tradus în "alaun," apare în lucrarea lui Pliniu cel Bătrân, Naturalis Historia, capitolul 15 al cărții 35, furnizând detalii despre acest metal. Deși diferite substanțe erau deosebite prin Numele de alumen, toate erau caracterizate de un anumit grad de astringență, fiind utilizate în medicină sau ca vopsele..

În anul 1760, un anumit oxid metalic care prezenta stabilitate și nu putea fi redus a fost extras din alaun și numit alumină de către chimistul francez L.G.Morveau. În 1807 Sir Humphry Davy a concluzionat că reducerea compușilor chimici stabili ar trebui să se facă electrolitic cu ajutorul unei noi celule voltaice, reușind obținerea sodiului, potasiului, bariului, stronțiului și al calciului în formă metalică. Pentru această demonstrație remarcabilă a puterii electrochimice, Davy a obținut un premiu de 50.000 de franci din partea lui Napoleon. Deși eșuase în încercările sale de a obține acest element, denumindu-l aluminiu, era evident că restul metalelor obținute de el prezentau un caracter reducător mai puternic decât al carbonului și al hidrogenului.

În 1808 reușește să obțină pentru prima dată bor elementar prin reducerea oxidului boric cu potasiu obținut prin electroliză. Pierre Berthier descoperă în anul 1821 lângă Baux-de-Provence o mină în care exista un mineral ce conținea mai mult de 50% de oxid de aluminiu. Mineralul va fi numit bauxită.

Cercetarea aluminiului metalic a fost continuată de către chimistul danez Hans Christian Oersted, care descrie în 1825 Societății Filosofiei Naturale o metodă de reducere a clorurii de aluminiu la o formă metalică cu ajutorul unui amalgam mercuric al potasiului. Mercurul din amalgam era treptat îndepărtat prin distilare, produsul rezultat fiind o pulbere gri, care a fost descrisă ca aluminiu, deși era posibil să fi conținut o cantitate mare de oxid.

În 1827, Wohler îmbunătățise metoda de reducere propusă de Oersted prin utilizarea unui proces gazos în care triclorura de aluminiu volatilizată reacționa cu potasiul metalic. Potasiul era un metal rar și foarte reactiv, iar triclorura de aluminiu, datorită higroscopicității sale era un material cu care se lucra greu. Experimentele inițiale ale lui Wohler produceau cantități mici de pudră de aluminiu, însă nu constau baza producerii aluminiului în masă.

Munca sa timpurie asupra aluminiului a fost abandonată până în anul 1854, când a modificat procesul astfel încât a produs globule mici și strălucitoare, care erau suficient de pure pentru confirmarea densității reduse a aluminiului și pentru stabilirea ductilității și a caracteristicilor chimice.

Chimistul francez Henri Etienne Sainte-Claire Deville a îmbunătățit de asemenea metoda lui Wohler în 1846, descriindu-le în anul 1859, printre care afișase și propunerea folosirii sodiului în locul potasiului costisitor.

Aluminiul a fost ales drept material pentru vârful MoNumentului Washington în 1884, când o uncie (30 g) de aluminiu costa cât salariul zilnic al unui colaborator la acel proiect; aluminiul era la fel de valoros ca și argintul. În anul 1886, Charles Martin Hall, student la colegiul Oberlin, a obținut cantități mici de aluminiu prin electroliza oxidului de aluminiu dizolvat în criolit topit, folosind electrozi de cărbune.

Cu toate că procesele de extragere au suferit îmbunătățiri, preturile scădeau încontinuu, iar în 1889 se descoperise un procedeu simplu de extragere al aluminiului. Invenția dinamului de către Siemens în anul 1866 a ușurat producerea procesului de electroliză pentru extragerea metalului. Procesul Hall-Heroult din 1886 și procesul Bayer din 1887 marchează începutul aplicațiilor multiple ale aluminiului. Utilizarea acestui metal ca material de construcție a devenit atât de răspândită, încât a fost folosit în Sydney, Australia unde a fost folosit la construirea cupolei Secretariatului clădirii.

Anul 1900 marchează perioada când producția mondială de aluminiu a ajuns la 6700 de tone, 1939 cu 700000 de tone și 1943 cu 2.000.000 de tone, datorită celui de-al Doilea Război Mondial. De atunci, producția crescuse mai mult decât cea a celorlalte metale neferoase.

Anul 2008 marchează perioada când prețul aluminiului a atins apogeul în iulie, fiind cotat la 1.45 dolari per livră, însă a scăzut în decembrie la 0.7 dolari per livră.

Răspândire

In scoarta terestra, aluminiul este cel mai abundent element metalic (8.3% din greutate) si al treilea ca abundenta dintre toate elementele chimice (dupa oxigen si siliciu). Datorita afinitatii puternice pentru oxigen, nu este intalnit in stare nativa, ci doar in oxizi sau silicati. Feldspatul, grupa cea mai comuna de minerale din scoarta terestra, sunt aluminosilicati. Native aluminium metal can be found as a minor phase in low oxygen fugacity environments, such as the interiors of certain volcanoes. It also occurs in the minerals beryl, cryolite, garnet, spinel and turquoise.Format:Inote Impurities in Al₂O₃, such as chromium or cobalt yield the gemstones ruby and sapphire, respectively.Format:Inote Pure Al₂O₃, known as Corundum, is one of the hardest materials known.Format:Inote

Although aluminium is an extremely common and widespread element, the common aluminium minerals are not economic sources of the metal. Almost all metallic aluminium is produced from the ore bauxite (AlO_x(OH)_3-2x). Bauxite occurs as a weathering product of low iron and silica bedrock in tropical climatic conditions. Large deposits of bauxite occur in Australia, Brazil, Guinea and Jamaica but the primary mining areas for the ore are in Ghana, Indonesia, Jamaica, Russia and Surinam.Format:Inote Smelting of the ore mainly occurs in Australia, Brazil, Canada, Norway, Russia and the United States.Format:Inote Because smelting is an energy-intensive process, regions with excess natural gas supplies (such as the United Arab Emirates) are becoming aluminium refiners.

Cel mai abundent element metalic din scoarța terestră și al treilea element chimic ca răspândire. Nu se găsește în stare nativă, fiind întâlnit doar în combinații sub formă de minereuri, dintre care cei mai importanți sunt:

• silicații și silicoaluminații (SiO₂*Al₂O₃*Fe₂O₃*H₂O argila, K[AlSi₃O₈] feldspatul, Na[AlSi₃O₃], albita, mica, etc.)
• criolitul Na₃[AlF₆]
• bauxita AlO(OH)
• oxidul de aluminiu:Al₂O₃. În funcție de impuritățile conținute, oxidul de aluminiu poartă următoarele denumiri: corindon(incolor), topaz(galben), rubin(roșu), safir(albastru), ametist(violet), smarald(verde), șmirghelul(negru).
• oxizi micști: MgAl₂O₄ spinel, BeAl₂O₄ crisoberil

Bauxita constituie minereul din care se extrage peste 95% din producția mondială de aluminiu. După conținutul lor în aluminiu și fier, bauxitele pot fi albe(foarte bogate în Al₂O₃, 60-70%), roșii (bogate în Fe₂O₃, 20-25% și mai sărace în Al₂O₃, 40-60%) și cenușii (mai sărace în Fe₂O₃ și Al₂O₃ decât cele roșii, dar mai bogate în SiO₂). Cele mai mari zăcăminte de bauxită se află în Franța.

Metalurgia aluminiului

Aluminiul poate fi obtinut din Al₂O₃ sau din AlCl₃ prin reducere cu metale. Reducerea nu se poate face cu carbon, deoarece s-ar forma Al₄C₃.

AlCl₃ + Na - Al + 3NaCl

Industrial, aluminiul poate fi obtinut prin prelucrarea bauxitei, care poate avea loc in 2 faze:

• Prepararea aluminei (Al₂O₃), proces prin care se separa alumina de celelalte impuritati, precum Fe₂O₃, SiO₂, TiO₂, etc. Aceasta preparare are loc prin procedeul Bayer, bauxita fiind calcinata la temperatura de 700 °C intr-un cuptor rotativ, in scopul deshidratarii si distrugerii materiilor organice. Are loc un proces de macinare fina si apoi o incalzire sub agitare cu o solutie de NaOH concentrata in autoclave aflate sub presiune de 5 atmosfere si temperaturi de 160-180C, timp de cateva ore. Oxidul de aluminiu trece in solutie sub forma aluminatului de sodiu, Na[Al(OH)₄].

Amestecul se filtreaza, solutia de aluminat de sodiu fiind separata de noroaiele-rosii, bogate in Fe₂O₃ si aluminosilicatul de sodiu insolubil format ca produs secundar, conform reactiilor:

• SiO₂+2NaOH = Na₂SiO₃+H₂O
• 2NaAlO₂ + 2Na₂SiO₃ + 2H₂O = 3Na₂O*Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O

Compușii aluminiului

Cu oxigenul formează oxizi (Al₂O₃), cu sulful - sulfuri (Al₂S₃), cu clorul - cloruri (AlCl₃).

Utilizare

Este foarte folosit în industrie datorită rezistenței sale la oxidare, proprietăților mecanice bune și densității sale mici. Aluminiul este folosit în industria aerospațială, în construcții, acolo unde este necesar un material ușor și rezistent. Datorită proprietăților electrice bune, aluminiul este folosit și ca material conductori.