Alkuaine alumiini — alumiiniatomi
Alumiini (tai alumiini pohjoisamerikkalaisessa englanninkielessä) on jaksollisen järjestelmän kemiallinen alkuaine, jonka symboli on Al ja järjestysluku on 13. Alumiini on yksi alkuaineista. Hopeanhohtoinen ja sitkeä köyhien metallien alkuaineiden ryhmään kuuluva alumiini esiintyy pääasiassa bauksiittimalmina, ja se on merkittävä hapettumiskestävyytensä (alumiini on itse asiassa lähes aina jo valmiiksi hapettunut, mutta se on käyttökelpoinen tässä muodossa toisin kuin useimmat metallit), lujuutensa ja keveytensä vuoksi. Alumiinia käytetään monilla teollisuudenaloilla miljoonien erilaisten tuotteiden valmistukseen, ja se on erittäin tärkeää maailmantaloudelle. Alumiinista valmistetut rakenneosat ovat elintärkeitä ilmailu- ja avaruusteollisuudelle ja erittäin tärkeitä muilla kuljetus- ja rakennusaloilla, joilla tarvitaan kevyttä painoa, kestävyyttä ja lujuutta.
|
magnesium – alumiini – pii B
|
|
| Yleistä | |
|---|---|
| Nimitys, symboli, Numero | alumiini, Al, 13 |
| Kemiallinen sarja | köyhät metallit |
| RYHMÄ, Jakso, Lohko | 13 (IIIA), 3, 3, p |
| Tiheys, Kovuus | 2700 kg/m3, 2.75 |
| Eritys | hopea |
| Atominaisuudet | |
| Atomipaino | 26.981538 amu |
| Atomisäde (calc.) | 125 pm (118 pm) |
| Kovalenttinen säde | 118 pm |
| van der. Waalsin säde | ei tietoa |
| Elektronikonfiguraatio | 3s2 3p1 |
| e- ’s per energiataso | 2, 8, 3 |
| Hapetusasteet (oksidi) | 3 (amfoteerinen) |
| Kiderakenne | kuutionmuotoinen, kasvokeskinen |
| Fysikaaliset ominaisuudet | |
| Aineen olomuoto | kiinteä |
| Sulamispiste | 933.47 K (1220.58 °F) |
| Kiehumispiste | 2792 K (4566 °F) |
| Molaarinen tilavuus | 10.00 ×10-6 m3/mol |
| Höyrystymislämpö | 293.4 kJ/mol |
| Sulamislämpö | 10.79 kJ/mol |
| Höyrynpaine | 2.42 E-06 Pa __ K:ssa |
| Avun nopeus | 5100 m/s 933 K:ssa |
| Muuta | |
| Elektronegatiivisuus | 1.61 (Paulingin asteikko) |
| Ominaislämpökapasiteetti | 900 J/(kg*K) |
| Sähkönjohtavuus | 37.7 106/m ohm |
| Lämmönjohtavuus | 237 W/(m*K) |
| 1. ionisaatiopotentiaali | 577.5 kJ/mol |
| 2. ionisaatiopotentiaali | 1816.7 kJ/mol |
| 3. ionisaatiopotentiaali | 2744.8 kJ/mol |
| 4. ionisaatiopotentiaali | 11577 kJ/mol |
| 5. ionisaatiopotentiaali | 14842 kJ/mol |
| 6. ionisaatiopotentiaali | 18379 kJ/mol |
| 7. ionisaatiopotentiaali | 23326 kJ/mol |
| 8. ionisaatiopotentiaali | 27465 kJ/mol |
| 9. ionisaatiopotentiaali | 31853 kJ/mol |
| 10. ionisaatiopotentiaali | 38473 kJ/mol |
| SI-yksikköjä & STP käytetään, ellei toisin mainita. | |
Huomattavat ominaisuudet
Alumiini on pehmeä ja kevyt, mutta luja metalli, jonka himmeä hopeanharmaa ulkonäkö johtuu ohuesta hapettumiskerroksesta, joka muodostuu nopeasti, kun se altistuu ilman vaikutukselle, ja joka estää korroosion jatkumisen. Alumiini painaa noin kolmanneksen enemmän kuin teräs tai kupari; se on muokattavaa, sitkeää ja helposti työstettävää ja valettavaa; ja sillä on erinomainen korroosionkestävyys ja kestävyys. Se ei myöskään ole magneettista eikä kipinöimätöntä, ja se on toiseksi muokattavin metalli ja kuudenneksi sitkein.
2 Käyttökohteet
Määrällä tai arvolla mitattuna alumiinin käyttö ylittää kaikkien muiden metallien käytön rautaa lukuun ottamatta, ja sillä on tärkeä merkitys käytännöllisesti katsoen kaikilla maailmantalouden osa-alueilla. Puhdas alumiini on pehmeää ja heikkoa, mutta se voi muodostaa seoksia pienten määrien kuparin, magnesiumin, mangaanin, piin ja muiden alkuaineiden kanssa, jolloin saadaan seoksia, joilla on monia hyödyllisiä ominaisuuksia.
Nämä seokset muodostavat lentokoneiden ja rakettien elintärkeitä komponentteja. Kun alumiinia haihdutetaan tyhjiössä, se muodostaa pinnoitteen, joka heijastaa sekä näkyvää valoa että säteilylämpöä. Nämä pinnoitteet muodostavat ohuen suojaavan alumiinioksidikerroksen, joka ei heikkene kuten hopeapinnoitteet. Teleskooppien peilien pinnoittaminen on toinen tämän metallin käyttökohde.
Joitakin alumiinin monista käyttökohteista on
Sen oksidia, alumiinioksidia, esiintyy luonnossa korundina, smirgelinä, rubiinina ja safiirina, ja sitä käytetään lasinvalmistuksessa. Synteettistä rubiinia ja safiiria käytetään lasereissa koherentin valon tuottamiseen. Alumiini hapettuu erittäin voimakkaasti, minkä vuoksi sitä on käytetty kiinteissä rakettipolttoaineissa ja termiitissä.
3 Historia
Vanhin epäilty (vaikkakin todistamaton) viittaus alumiiniin on Plinius Vanhemman Naturalis Historia -teoksessa:
Ensimmäisenä päivänä eräs kultasepänliike Roomassa sai luvan esitellä keisari Tiberiukselle uudesta metallikappaleesta valmistetun lautasen. Lautanen oli hyvin kevyt ja lähes yhtä kirkas kuin hopea. Kultaseppä kertoi keisarille, että hän oli tehnyt metallin tavallisesta savesta. Hän myös vakuutti keisarille, että vain hän itse ja jumalat tiesivät, miten tämä metalli voitiin valmistaa savesta. Keisari kiinnostui asiasta kovasti, ja talousasiantuntijana hän oli myös hieman huolissaan. Keisari kuitenkin tunsi heti, että kaikkien hänen kulta- ja hopea-aarteidensa arvo laskisi, jos ihmiset alkaisivat valmistaa tätä kirkasta metallia savesta. Sen sijaan, että hän olisi antanut kultasepälle odotetun arvostuksen, hän määräsi hänet siksi mestattavaksi.
Vanhat kreikkalaiset ja roomalaiset käyttivät tämän metallin suoloja värjäävinä peittausaineina ja supistavina aineina haavojen sitomiseksi, ja alunaa käytetään yhä edelleen styptisenä aineena. Guyton de Morveau ehdotti vuonna 1761, että emäksistä alumiini nimettäisiin alumiiniksi. Vuonna 1808 Humphry Davy havaitsi, että alumiini on metallipohja, jolle hän antoi nimen (ks. lisätietoja nimestä oikeinkirjoituksesta jäljempänä).
Friedrich Wöhlerin katsotaan yleisesti eristäneen alumiinin (lat. alumen, alum) vuonna 1827. Tanskalainen fyysikko ja kemisti Hans Christian Ørsted oli kuitenkin tuottanut tätä metallia ensimmäistä kertaa epäpuhtaassa muodossa kaksi vuotta aikaisemmin.
Charles Martin Hall sai patentin(400655) vuonna 1886 elektrolyyttiseen prosessiin alumiinin erottamiseksi. Henri Sainte-Claire Deville (Ranska) paransi Wohlerin menetelmää (1846) ja esitti ne kirjassaan vuonna 1859, jossa prosessiin tehtiin kaksi parannusta, kun natrium korvattiin kaliumilla ja yksinkertainen kloori kaksinkertaistettiin. Hall-Héroult’n prosessin keksiminen vuonna 1886 teki alumiinin uuttamisen mineraaleista edulliseksi, joten se on nykyään yleisessä käytössä kaikkialla maailmassa.
4 Esiintyminen ja luonnonvarat
Vaikka alkuaine on runsas maankuoressa (8,1 %), se on vapaana olomuodossaan hyvin harvinainen, ja sitä pidettiin aikoin jalometallina arvokkaampana kuin kultaa (Sanotaan, että Napoleonilla oli varattuna hienoimmille vieraillensa alumiiniohutlevyjä. Muut joutuivat tyytymään kultalautasiin). Alumiini on siis verrattain uusi teollisuusmetalli, ja sitä on tuotettu kaupallisessa mittakaavassa vasta vähän yli 100 vuotta.
Alumiinia oli, kun se löydettiin, erittäin vaikea erottaa kivistä, joihin se kuului. Koska koko maapallon alumiini oli sitoutunut yhdisteiden muodossa, se oli maapallon vaikein metalli, jota oli vaikea saada, vaikka se on yksi maapallon yleisimmistä metalleista.
Tämän metallin talteenotto romusta (kierrätyksen kautta) on muodostunut tärkeäksi osaksi alumiiniteollisuutta. Kierrätyksessä metalli yksinkertaisesti sulatetaan, mikä on paljon halvempaa kuin sen tuottaminen malmista. Lisäksi alumiinin tuottaminen vaatii valtavasti sähköä. Kierrättäminen vaatii 95 prosenttia vähemmän. Alumiinin kierrätys on ollut yleinen käytäntö jo 1900-luvun alusta lähtien, eikä se ole uutta. Se oli kuitenkin vähäpuheista toimintaa aina 1960-luvun loppupuolelle asti, jolloin alumiinisten juomatölkkien kierrätys toi kierrätyksen lopullisesti yleiseen tietoisuuteen. Kierrätetyn alumiinin lähteitä ovat muun muassa autot, ikkunat ja ovet, kodinkoneet, astiat ja muut tuotteet.
Alumiini on reaktiivinen metalli, eikä sitä voida louhia malmistaan, bauksiitista (Al2O3), pelkistämällä hiilen kanssa. Sen sijaan se uutetaan elektrolyysillä – metalli hapetetaan liuoksessa ja pelkistetään sitten uudelleen puhtaaksi metalliksi. Malmin on oltava nestemäisessä tilassa, jotta tämä tapahtuisi. Bauksiitin sulamispiste on kuitenkin 2000 °C, mikä on liian korkea lämpötila, jotta sitä voitaisiin saavuttaa taloudellisesti. Sen sijaan bauksiitti liuotettiin monien vuosien ajan sulaan kryoliittiin, joka laskee sulamispisteen noin 900 °C:een. Nyt kryoliitti on kuitenkin korvattu keinotekoisella alumiini-, natrium- ja kalsiumfluoridien seoksella. Tämä prosessi vaatii edelleen paljon energiaa, ja alumiinitehtailla on yleensä omat voimalaitokset lähellä.
Boksiitin elektrolyysissä käytettävät elektrodit ovat molemmat hiiltä. Kun malmi on sulassa tilassa, sen ionit voivat liikkua vapaasti. Reaktio negatiivisella katodilla on
Al3+ + 3e- ! Al
Tässä alumiini-ioni pelkistyy (elektroneja lisätään). Tämän jälkeen alumiinimetalli vajoaa pohjalle ja napautetaan pois.
Positiivisella anodilla hapettuu bauksiitin happi, joka sitten reagoi hiilielektrodin kanssa muodostaen hiilidioksidia:
2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2
Tämä katodi on vaihdettava usein, koska se on osa reaktiota. Elektrolyysin kustannuksista huolimatta alumiini on hyvin laajalti käytetty metalli. Alumiinia voidaan nykyään louhia savesta, mutta tämä prosessi ei ole taloudellinen.
Sähkövoiman osuus alumiinin jalostuskustannuksista on noin kolmannes. Tästä syystä jalostamot sijaitsevat yleensä siellä, missä sähkövoimaa on runsaasti ja edullisesti, kuten Yhdysvaltojen luoteisosissa ja Kanadan Quebecissä.
Kiina on tällä hetkellä (2004) maailman suurin alumiinin tuottaja.
5 Isotoopit
Alumiinilla on yhdeksän isotooppia, joiden massaluvut vaihtelevat välillä 23-30. Vain Al-27 (stabiili isotooppi) ja Al-26 (radioaktiivinen isotooppi, t1/2 = 7,2 × 105 v) esiintyvät luonnossa. Al-26 syntyy ilmakehän argonista kosmisen säteilyn protonien aiheuttaman spallation avulla. Alumiini-isotooppeja on sovellettu käytännössä merisedimenttien, mangaanikyhmyjen, jäätiköiden jään, kalliopaljastumien kvartsin ja meteoriittien ajoituksessa. Al-26:n ja beryllium-10:n suhdetta on käytetty tutkimaan kulkeutumisen, laskeutumisen, sedimenttien varastoitumisen, hautautumisajan ja eroosion merkitystä 105-106 vuoden aikaskaalalla.
Kosmogeenista Al-26:ta käytettiin ensimmäisen kerran Kuun ja meteoriittien tutkimuksessa. Meteoriittisirpaleet altistuvat emokappaleistaan lähdettyään voimakkaalle kosmisen säteilyn pommitukselle matkallaan avaruudessa, mikä aiheuttaa huomattavaa Al-26:n tuotantoa. Maahan pudottuaan ilmakehän suojaus suojaa meteoriitin sirpaleita Al-26:n tuotannolta, ja sen hajoamista voidaan käyttää meteoriitin maanpäällisen iän määrittämiseen. Meteoriittitutkimukset ovat myös osoittaneet, että Al-26:ta oli suhteellisen runsaasti planeettajärjestelmämme muodostumisen aikaan. Mahdollisesti Al-26:n hajoamisesta vapautunut energia oli vastuussa joidenkin asteroidien uudelleen sulamisesta ja erilaistumisesta niiden muodostumisen jälkeen 4.6 miljardia vuotta sitten
6 Varotoimenpiteet
Alumiini on yksi niistä harvoista runsaista alkuaineista, joilla ei näytä olevan mitään hyödyllistä tehtävää elävissä soluissa, mutta muutama prosentti ihmisistä on allerginen sille — he saavat kosketusihottumaa sen kaikista muodoista: Ruuansulatushäiriöitä ja ravinteiden imeytymiskyvyttömyyttä, kun syödään alumiinipannuissa keitettyä ruokaa, sekä oksentelua ja muita myrkytysoireita, kun nautitaan sellaisia tuotteita kuin Kaopectate® (ripulilääke), Amphojel® ja Maalox® (antasidit). Muilla henkilöillä alumiinia ei pidetä yhtä myrkyllisenä kuin raskasmetalleja, mutta on näyttöä jonkinasteisesta myrkyllisyydestä, jos sitä nautitaan liiallisia määriä, vaikka alumiinisten keittoastioiden käytön, joka on suosittua sen korroosionkestävyyden ja hyvän lämmönjohtokyvyn vuoksi, ei ole osoitettu yleisesti johtavan alumiinin myrkyllisyyteen. Alumiiniyhdisteitä sisältävien antasidien liiallinen käyttö ja alumiinia sisältävien antiperspiranttien liiallinen käyttö ovat todennäköisempiä myrkytyksen syitä. On esitetty, että alumiini voisi olla yhteydessä Alzheimerin tautiin, vaikka tämä tutkimus on viime aikoina kumottu.
7 Kirjoitusasu
Alkuaineen virallinen IUPAC:n mukainen kirjoitusasu on alumiini; amerikkalaiset ja kanadalaiset kuitenkin tavallisesti kirjoittavat ja lausuvat sen alumiiniksi. Vuonna 1808 Humphry Davy ehdotti alun perin alumiumia tämän tuolloin löytämättömän metallin nimeksi, mutta neljä vuotta myöhemmin hän päätti muuttaa nimen alumiiniksi. Muutos hyväksyttiin Amerikassa, mutta se kyseenalaistettiin Isossa-Britanniassa, koska se ei vastannut kaliumin, natriumin, magnesiumin, kalsiumin ja strontiumin (kaikki Davyn löytämiä) asettamaa -ium-suffiksia. Niinpä alumiinin kirjoitusasusta tuli yleisin Britanniassa. Yhdysvallat jatkoi alumiinin käyttöä, vaikka sekä Yhdysvalloissa että Britanniassa käytetty virallinen nimi kemian alalla oli edelleen alumiini. Vuonna 1926 American Chemical Society päätti virallisesti käyttää alumiinia julkaisuissaan.
Vuonna 1990 IUPAC hyväksyi alumiinin alkuaineen vakiintuneeksi kansainväliseksi nimeksi. Alumiini on myös ranskan-, hollannin-, saksan-, tanskan-, norjan- ja ruotsinkielinen nimi; italian kielessä käytetään nimitystä alluminio, portugalin kielessä alumínio ja espanjan kielessä aluminio. (Näiden sanojen käyttö näissä muissa kielissä on yksi syy siihen, miksi IUPAC valitsi alumiinin alumiinin sijasta). Vuonna 1993 IUPAC tunnusti alumiinin hyväksyttäväksi vaihtoehdoksi, mutta suosii edelleen alumiinin käyttöä.