Grundstoffet aluminium — Aluminium Atom
Aluminium (eller aluminium på nordamerikansk engelsk) er et kemisk grundstof i det periodiske system, der har symbolet Al og atomnummer 13. Aluminium er et sølvfarvet og duktilt medlem af den fattige metalgruppe af grundstoffer og findes primært som malmen bauxit og er bemærkelsesværdigt for sin modstandsdygtighed over for oxidation (aluminium er faktisk næsten altid allerede oxideret, men er anvendeligt i denne form i modsætning til de fleste metaller), sin styrke og sin lette vægt. Aluminium anvendes i mange industrier til fremstilling af millioner af forskellige produkter og er meget vigtigt for verdensøkonomien. Strukturkomponenter fremstillet af aluminium er afgørende for luftfartsindustrien og meget vigtige på andre områder inden for transport og byggeri, hvor der er behov for lav vægt, holdbarhed og styrke.
|
magnesium – aluminium – silicium B
|
|
| Allmen | |
|---|---|
| Navn, Symbol, Nummer | aluminium, Al, 13 |
| Kemisk serie | fattige metaller |
| Gruppe, Periode, Blok | 13 (IIIA), 3, p |
| Densitet, Hårdhed | 2700 kg/m3, 2.75 |
| Udseende | silvanisk |
| Atomiske egenskaber | |
| Atomisk vægt | 26.981538 amu |
| Atomradius (beregnet.) | 125 pm (118 pm) |
| Kovalent radius | 118 pm |
| van der Waals-radius | ingen data |
| Elektronkonfiguration | 3s2 3p1 |
| e- ‘s pr. energiniveau | 2, 8, 3 |
| Oxidationstilstande (Oxid) | 3 (amfoterisk) |
| Krystalstruktur | kubisk flade centreret |
| Fysiske egenskaber | |
| Materietilstand | faststof |
| Smeltepunkt | 933.47 K (1220,58 °F) |
| Kogningspunkt | 2792 K (4566 °F) |
| Molart volumen | 10,00 ×10-6 m3/mol |
| fordampningsvarme | 293.4 kJ/mol |
| Fusionsvarme | 10,79 kJ/mol |
| Damptryk | 2.42 E-06 Pa ved __ K |
| Lydhastighed | 5100 m/s ved 933 K |
| Diskret | |
| Elektronegativitet | 1.61 (Pauling-skalaen) |
| Specifik varmekapacitet | 900 J/(kg*K) |
| Elektrisk ledningsevne | 37.7 106/m ohm |
| Termoelektrisk ledningsevne | 237 W/(m*K) |
| 1. ioniseringspotentiale | 577.5 kJ/mol |
| 2. ioniseringspotentiale | 1816,7 kJ/mol |
| 3. ioniseringspotentiale | 2744.8 kJ/mol |
| 4. ioniseringspotentiale | 11577 kJ/mol |
| 5. ioniseringspotentiale | 14842 kJ/mol |
| 6. ioniseringspotentiale | 18379 kJ/mol |
| 7. ioniseringspotentiale | 23326 kJ/mol |
| 8. ioniseringspotentiale | 27465 kJ/mol |
| 9. ioniseringspotentiale | 31853 kJ/mol |
| 10. ioniseringspotentiale | 38473 kJ/mol |
| SI-enheder & STP anvendes, medmindre andet er angivet. | |
Noterede egenskaber
Aluminium er et blødt og let, men stærkt metal med et mat sølvgråt udseende, som skyldes et tyndt oxidationslag, der dannes hurtigt, når det udsættes for luft, og som forhindrer yderligere korrosion. Aluminium vejer ca. en tredjedel så meget som stål eller kobber; det er formbart, duktilt og let at bearbejde og støbe; og det har en fremragende korrosionsbestandighed og holdbarhed. Det er også umagnetisk og gnistfrit og er det næstmest formbare metal og det sjette mest duktile.
2 Anvendelsesområder
Hvad enten målt i mængde eller værdi overstiger aluminiums anvendelse alle andre metaller undtagen jern, og det er vigtigt i stort set alle segmenter af verdensøkonomien. Rent aluminium er blødt og svagt, men det kan danne legeringer med små mængder kobber, magnesium, mangan, silicium og andre grundstoffer til legeringer med en række nyttige egenskaber.
Disse legeringer udgør vitale komponenter i fly og raketter. Når aluminium fordamper i vakuum, danner det en belægning, der reflekterer både synligt lys og strålevarme. Disse belægninger danner et tyndt lag af beskyttende aluminiumoxid, der ikke forringes som sølvbelægninger gør. Belægning af teleskopspejle er en anden anvendelse af dette metal.
Nogle af de mange anvendelsesmuligheder for aluminium er i
Dets oxid, aluminiumoxid, findes naturligt som korund, smergel, rubin og safir og anvendes i glasfremstilling. Syntetisk rubin og safir anvendes i lasere til produktion af kohærent lys. Aluminium oxiderer meget energisk og har derfor fundet anvendelse i fast raketbrændstof og termit.
3 Historie
Den ældste formodede (om end ikke beviselige) omtale af aluminium er i Plinius den Ældres Naturalis Historia:
En dag fik en guldsmed i Rom lov til at vise kejser Tiberius en middagstallerken af et nyt metal. Tallerkenen var meget let og næsten lige så skinnende som sølv. Guldsmeden fortalte kejseren, at han havde lavet metallet af almindeligt ler. Han forsikrede også kejseren om, at kun han selv og guderne vidste, hvordan man kunne fremstille dette metal af ler. Kejseren blev meget interesseret, og som finansekspert var han også en smule bekymret. Kejseren følte dog straks, at alle hans skatte af guld og sølv ville falde i værdi, hvis folk begyndte at fremstille dette lyse metal af ler. Derfor beordrede han, i stedet for at give guldsmeden den forventede agtelse, at han skulle halshugges.
De gamle grækere og romere brugte salte af dette metal som farvestoffer og som astringerende midler til at binde sår, og alun bruges stadig som styptikum. I 1761 foreslog Guyton de Morveau at kalde basen alun for alunin. I 1808 identificerede Humphry Davy eksistensen af en metalbase af alun, som han navngav (se stavemåden nedenfor for flere oplysninger om navnet).
Friedrich Wöhler er generelt krediteret for at have isoleret aluminium (latin alumen, alun) i 1827. Dette metal blev imidlertid for første gang fremstillet i uren form to år tidligere af den danske fysiker og kemiker Hans Christian Ørsted.
Charles Martin Hall modtog patent(400655) i 1886 på en elektrolytisk proces til udvinding af aluminium. Henri Sainte-Claire Deville (Frankrig) forbedrede Wohlers metode (1846) og fremlagde den i en bog i 1859 med to forbedringer af processen, nemlig at erstatte kalium med natrium og dobbeltklorid i stedet for simpel klor. Opfindelsen af Hall-Héroult-processen i 1886 gjorde det billigt at udvinde aluminium fra mineraler, og derfor er det nu almindeligt anvendt i hele verden.
4 Forekomst og ressourcer
Og selv om Al er et rigeligt forekommende grundstof i jordskorpen (8,1 %), er det meget sjældent i sin frie form og blev engang betragtet som et ædelmetal, der var mere værdifuldt end guld (Det siges, at Napoleon havde et sæt aluminiumplader reserveret til sine fineste gæster. Andre måtte nøjes med guldplader). Det er derfor forholdsvis nyt som industrielt metal og er blevet produceret i kommercielle mængder i lidt over 100 år.
Aluminium var, da det først blev opdaget, ekstremt vanskeligt at adskille fra de bjergarter, det var en del af. Da hele Jordens aluminium var bundet i form af forbindelser, var det det det vanskeligste metal på Jorden at få fat i, til trods for at det er et af klodens mest almindelige.
Genvinding af dette metal fra skrot (via genanvendelse) er blevet en vigtig del af aluminiumsindustrien. Genbrug indebærer simpelthen at smelte metallet, hvilket er langt billigere end at skabe det fra malm. Og desuden kræver det enorme mængder elektricitet at fremstille aluminium. Genbrug kræver 95 % mindre. Genanvendelse af aluminium har været en almindelig praksis siden begyndelsen af 1900-tallet og er derfor ikke ny. Det var dog en aktivitet med lav profil indtil slutningen af 1960’erne, da genanvendelse af aluminiumsdåser endelig fik genanvendelse ind i offentlighedens bevidsthed. Kilder til genanvendt aluminium omfatter biler, vinduer og døre, apparater, containere og andre produkter.
Aluminium er et reaktivt metal og kan ikke udvindes fra sin malm, bauxit (Al2O3), gennem reduktion med kulstof. I stedet udvindes det ved elektrolyse – metallet oxideres i en opløsning og reduceres derefter igen til det rene metal. Malmen skal være i flydende tilstand, for at dette kan ske. Bauxit har imidlertid et smeltepunkt på 2000 °C, hvilket er en for høj temperatur til, at det er økonomisk rentabelt at opnå den. I stedet blev bauxitten i mange år opløst i smeltet kryolit, hvilket sænker smeltepunktet til ca. 900 °C. Men nu er kryolit blevet erstattet af en kunstig blanding af aluminium-, natrium- og calciumfluorid. Denne proces kræver stadig meget energi, og aluminiumsfabrikker har som regel deres egne kraftværker i nærheden.
De elektroder, der anvendes ved elektrolyse af bauxit, er begge af kulstof. Når malmen er i smeltet tilstand, kan dens ioner frit bevæge sig rundt. Reaktionen ved den negative katode er
Al3+ + 3e- ! Al
Her reduceres aluminiumionen (der tilføres elektroner). Aluminiummetallet synker derefter til bunden og tappes af.
Den positive anode oxiderer bauxittens ilt, som derefter reagerer med kulelektroden for at danne kuldioxid:
2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2
Denne katode skal udskiftes ofte, fordi den er en del af reaktionen. På trods af omkostningerne ved elektrolyse er aluminium et meget udbredt metal. Aluminium kan nu udvindes af ler, men denne proces er ikke økonomisk.
Elektricitet udgør ca. en tredjedel af omkostningerne ved raffinering af aluminium. Derfor har raffinaderierne en tendens til at ligge der, hvor der er rigeligt og billigt med elektrisk strøm, f.eks. i det nordvestlige USA og Quebec i Canada.
Kina er i øjeblikket (2004) verdens største producent af aluminium.
5 Isotoper
Aluminium har ni isotoper, hvis massetal ligger mellem 23 og 30. Kun Al-27 (stabil isotop) og Al-26 (radioaktiv isotop, t1/2 = 7,2 × 105 y) forekommer naturligt. Al-26 fremstilles af argon i atmosfæren ved spallation forårsaget af kosmiske protoner. Aluminiumisotoper har fundet praktisk anvendelse i datering af marine sedimenter, manganknolde, is fra istiden, kvarts i steneksponeringer og meteoritter. Forholdet mellem Al-26 og beryllium-10 er blevet brugt til at studere transport, aflejring, sedimentlagring, begravelsestider og erosion på tidsskalaer på 105 til 106 år.
Kosmogen Al-26 blev først anvendt i undersøgelser af Månen og meteoritter. Meteoritfragmenter udsættes, efter at de har forladt deres moderlegemer, for intens kosmisk strålebombardement under deres rejse gennem rummet, hvilket medfører en betydelig Al-26 produktion. Efter faldet til Jorden beskytter atmosfærisk afskærmning meteoritfragmenterne mod yderligere Al-26-produktion, og dets henfald kan derefter bruges til at bestemme meteorittens jordiske alder. Meteoritforskning har også vist, at Al-26 var relativt rigeligt til stede på tidspunktet for dannelsen af vores planetsystem. Det er muligt, at den energi, der blev frigivet ved Al-26’s henfald, var ansvarlig for omsmeltningen og differentieringen af nogle asteroider efter deres dannelse 4.6 milliarder år siden
6 Forholdsregler
Aluminium er et af de få rigelige grundstoffer, der tilsyneladende ikke har nogen gavnlig funktion i levende celler, men nogle få procent af mennesker er allergiske over for det — de oplever kontaktdermatitis af enhver form for det: De kan få kontaktallergi i forbindelse med enhver form for kontaktallergi: kløende udslæt ved brug af styptiske produkter eller antiperspiranter, fordøjelsesforstyrrelser og manglende evne til at optage næringsstoffer ved at spise mad, der er tilberedt i aluminiumspande, og opkastninger og andre forgiftningssymptomer ved indtagelse af produkter som Kaopectate® (antidiarréprodukt), Amphojel® og Maalox® (antacida). Hos andre personer anses aluminium ikke for at være lige så giftigt som tungmetaller, men der er tegn på en vis toksicitet, hvis det indtages i for store mængder, selv om det ikke er påvist, at brugen af aluminiumspande, som er populært på grund af dets korrosionsbestandighed og gode varmeledningsevne, generelt fører til aluminiumforgiftning. Overdreven indtagelse af antacida, der indeholder aluminiumforbindelser, og overdreven brug af aluminiumholdige antiperspiranter er mere sandsynlige årsager til forgiftning. Det har været antydet, at aluminium kan være forbundet med Alzheimers sygdom, selv om denne forskning for nylig er blevet tilbagevist.
7 Stavemåde
Den officielle IUPAC stavemåde for grundstoffet er aluminium; amerikanere og canadiere staver og udtaler det dog generelt som aluminium. I 1808 foreslog Humphry Davy oprindeligt alumium som navn for dette dengang uopdagede metal, men fire år senere besluttede han at ændre navnet til aluminium. Denne ændring blev accepteret i USA, men anfægtet i Storbritannien, fordi den ikke var i overensstemmelse med det -ium-suffiks, som kalium, natrium, magnesium, calcium og strontium (som alle blev opdaget af Davy) havde sat forrang for. Derfor blev stavemåden aluminium den mest almindelige i Storbritannien. USA fortsatte med at bruge aluminium, selv om det officielle navn, der blev brugt i både USA og Storbritannien inden for kemi, forblev aluminium. I 1926 besluttede American Chemical Society officielt at bruge aluminium i sine publikationer.
I 1990 vedtog IUPAC aluminium som det internationale standardnavn for grundstoffet. Aluminium er også den betegnelse, der anvendes på fransk, hollandsk, tysk, dansk, norsk og svensk; på italiensk bruges alluminio, på portugisisk alumínio og på spansk aluminio. (Brugen af disse ord på disse andre sprog er en af grundene til, at IUPAC valgte aluminium frem for aluminium). I 1993 anerkendte IUPAC aluminium som en acceptabel variant, men foretrækker stadig brugen af aluminium.