aluminiu
Aluminiu (lat. aluminium) este un element chimic din Tabela periodică a elementelor, care are simbolul Al și numărul atomic 13. Acesta aparține metalelor cu densitate scăzută. Aluminiul este cel de-al treilea element cel mai răspândit în crușta terestră (8,13 %). O cantitate mai mare decât a acestuia o au doar oxigenul 46,60 % și siliciul 22,72 %. Cu ceilalți elemente formează mai multe compuși, care contribuie în mod semnificativ la structura cruștei terestre. Grupa cea mai numeroasă o reprezintă silicații și aluminosilicații (kaolinit), care sunt și cele mai importante surse ale acestuia. Cel mai important material de extracție este bauxitul Al2O3 . nH2O, în afară de aceasta, se găsește și sub forma de oxid de aluminiu și ca mineral corund.
Istorie
Aluminiul a fost descoperit în anul 1827 de chimistul și medicul german Friedrich Wöhler. În acea perioadă, aluminiul era un metal rar. Se folosea în scopuri decorativ. Pe uniformele soldaților din armata lui Napoleon III. străluceau nasturi din aluminiu. Prețul său a scăzut, când în Elveția s-a construit prima fabrică de producție a aluminiului. Din cauza greutății mici a început să înlocuiască fierul și alte metale. Cel mai mare volum de utilizare are acolo, unde este necesară o mare rezistență la o greutate mică - industria aeriană, panouri de finisare, piese turnate sub presiune, în special pentru industria auto...
Prăparea surovinelor de bază
Sursa de bază pentru producția de aluminiu este oxidul de aluminiu pur Al2O3, care se obține prin curățarea bauxitului, care este contaminat de obicei cu diferiți oxizi, cel mai frecvent cu oxizi de titaniu, fier și siliciu. Procesul de curățare a bauxitului se face cu ajutorul hidroxidului de sodiu sub presiune. La acest oxid de aluminiu curățat Al2O3 se adaugă cryolit Na3[AlF6] și fluorit CaF2, pentru a reduce temperatura de topire. Pentru separarea oxidului de aluminiu de hidroxidul de fier se folosește și caracterul amfoter al hidroxidului de aluminiu Al(OH)3. Hidroxidul de fier nu are caracter amfoter și, prin urmare, nu se dizolvă în hidroxidul alcalin. Din acest motiv, dacă adăugăm hidroxid alcalin, de exemplu hidroxid de potasiu KOH, va avea loc doar dizolvarea Al(OH)3. Soluția filtrată va conține ioni de aluminiu Al3+, care pot fi ușor transformați din nou în hidroxid de aluminiu. Din acesta, prin uscare, se obține oxidul de aluminiu.
Producere
Topirea are loc într-o cuptor electric prin procesul electrochimic. La electroliză se folosește curentul continuu. Electrodele sunt fabricate dintr-o amestec de cărbune, cocs și pulbere de cărbune. Catodul sunt plăci, cu care sunt acoperite pereții cuptorului, anodul este un fascicul de 6 până la 12 electrozi de cărbune (bare de grafit). Băia este formată dintr-o soluție de 20% Al2O3, care este supusă electrolizei. Apare o reacție chimică: electroliza topiturii.
- Al2O3 → 2Al3+ + 3O2−
Oxigenul este extras din băie pe electrozi de cărbune, care imediat reacționează cu carbonul, formând dioxid de carbon CO2. Pe plăcile catodice, cu care este acoperit cuptorul, se izolează aluminiu pur sub formă de topitură. Acesta este turnat ulterior în forme din argilă. Producerea aluminiului este foarte consumatoare de energie.
Caracter amfoter Al, Al2O3 și Al(OH)3
Caracterul amfoter înseamnă că reacționează atât cu acidul, cât și cu baza.
- reacția cu anionul hidroxid OH-
Al3+ → Al(OH)3 (S) → [Al(OH)4]-
Al(OH)3 (S) - apare un nor albicios
- reacția cu cationul H3O+
[Al(OH)4]- → Al(OH)3 (S) → AI3+
Producerea pe Slovacia
În complexul hlinikárni din Žiaru deasupra Hronului în firmă Slovalco, (acționar majoritar Hydro) se produce aluminiu și aliaje pentru prelucrare ulterioară.[1] De exemplu, firma Hydro Extrusion Slovakia produce și vinde plăci de aluminiu, profile extrudate, sisteme de construcție.[2] Alte firme active în Žiaru sunt producători și furnizori în industria auto, de consum și construcții: Nemak, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar.
Pe Slovacia tehnologiile pentru producerea în serie industrială a diferitelor piese din aluminiu spumă metalică s-au dezvoltat de cercetători sub conducerea lui František Simančík din Institutul de materiale și mecanică a mașinilor SAV. Aceste tehnologii sunt protejate de brevete globale.[3]
Proprietăți și aplicații
Aluminiul este rezistent la coroziune și arde în oxid de aluminiu Al2O3. În toate mediile, cu excepția celei acide, este inofensiv, în mediul acid se dizolvă (varza acră, ceaiul). Din cauza efectelor toxice și canceroase (înlocuiește metalele din metaloproteine) este interzisă utilizarea vaselor de aluminiu.
Se folosește în special în aluminotermie - este un mod de obținere a metalelor din oxidul lor, folosindu-se capacitatea de reducere a aluminiului.
de exemplu Fe2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Fe
Alte aplicații ale aluminiului - producția alobalurilor, în producția polietilenei și a aliajelor.
Producția aliajelor are aplicații în industria metalurgică în producția mijloacelor de transport și a diferitelor structuri ușoare.
Cea mai cunoscută aliaj de aluminiu este duralul (din engleză. durable aluminium), care este aliaj de aluminiu cu cupru și magnesium (Al-Cu4-Mg). Principala aplicație a duralului a fost în industria aeriană. În trecut a găsit locul său în producția de obiecte casnice, cum ar fi ustensilele și vasele - a fost înlocuit de mai scumpul antikoro. Se folosește frecvent în electrotehnică pentru bună conductibilitate electrică și preț mai mic decât cuprul, unde se produc conductori din aliaje de aluminiu. Se folosește în cabluri pentru rețele de înaltă tensiune (rețea de distribuție electrică). În instalații casnice s-a încetat să se folosească la sfârșitul anilor 80. Motivul este că aluminiul sub presiune „curge“ - conexiunile electrice cu conductori de aluminiu trebuie să fie verificate periodic, altfel în timp apare o pierdere de contact electric. Se folosește și bună conductibilitate termică pentru producerea diferitelor radiatoare și schimbătoare de căldură. În construcții se folosește pentru panouri de finisare. Aluminiul este puțin rezistent la influențele atmosferice, deci trebuie să fie prelucrat superficial - anodizarea (electrochimic se formează pe suprafața sa o strat de oxid, care este rezistent și poate fi colorat și lucrat).
În plus, se folosesc pietre prețioase de corund Al2O3 - rubin și zafir. Al2O3 servește și la producerea hârtiei de șters.
În medicină se folosește de exemplu acetatul de aluminiu Al(CH3COO)3 - sare a acidului acetic; ca compresă împotriva inflamațiilor.
O importanță mare o are și industria ceramică - producerea porțelanului și a ceramicii groase. Componenta de bază este caolinul (conține mineralul caolinit). Porțelanul se obține prin arsul amestecului de caolin și de piatră spartă cu cuar (este cunoscut porțelanul carlovar). Din ceramica groasă se produce de exemplu materiale refractare, acoperișuri, vaselă de piatră, vaze, țevi, etc.
Sărurile Al3+ se găsesc în apa potabilă, în medicamente (acylpirină, superpirină - reduc iritația stomacului), în praf de copt, pe fructe și legume congelate (din motive estetice), stabilizator de spumă, lapte praf, cafea instant etc.
În industrie are importanță producerea spumei metalice, așa-numita spumă de aluminiu, care are un raport bun între rigiditate și greutate (de exemplu, o placă din spumă de aluminiu comparativ cu o placă de aluminiu de aceeași greutate are o rigiditate la încovoiere mult mai mare). Spuma este mai bună la amortizarea vibrațiilor și a zgomotului, care este cauzat de oscilația piesei, ca și în cazul turnării din aluminiu solid.