Az alumínium elem — Alumínium atom

Az alumínium (vagy észak-amerikai nyelven alumínium) a periódusos rendszerben szereplő kémiai elem, amelynek jelképe Al, atomi száma pedig 13. Az alumínium a szegényfémek csoportjának ezüstös és képlékeny tagja, elsősorban a bauxit érceként fordul elő, és figyelemre méltó az oxidációval szembeni ellenállása (az alumínium valójában szinte mindig már oxidált, de a legtöbb fémtől eltérően ebben a formában is felhasználható), szilárdsága és könnyű súlya miatt. Az alumíniumot számos iparágban több millió különböző termék előállításához használják, és nagyon fontos a világgazdaság számára. Az alumíniumból készült szerkezeti elemek létfontosságúak a repülőgépiparban, és nagyon fontosak a közlekedés és az építőipar más területein, ahol könnyű súlyra, tartósságra és szilárdságra van szükség.

.

magnézium – alumínium – szilícium B Al Ga
Általános
Név, jel, Szám	alumínium, Al, 13
Kémiai sorozat	szegény fémek
csoport, időszak, blokk	13 (IIIA), 3, p
sűrűség, keménység	2700 kg/m3, 2.75
megjelenés	ezüstös
Atomi tulajdonságok
Atomsúly	26.981538 amu
Atomsugár (calc.)	125 pm (118 pm)
Kovalens sugár	118 pm
van der. Waals-sugár	nincs adat
Elektronkonfiguráció	3s2 3p1
e- energiaszintenként	2, 8, 3
Oxidációs állapotok (oxid)	3 (amfoterikus)
Kristályszerkezet	kubikus arcközpontú
fizikai tulajdonságok
anyagállapot	szilárd
olvadáspont	933.47 K (1220,58 °F)
Főpont	2792 K (4566 °F)
Moláris térfogat	10,00 × 10-6 m3/mol
Gőzölési hő	293.4 kJ/mol
Fúziós hő	10,79 kJ/mol
Gőznyomás	2.42 E-06 Pa __ K-en
Hangsebesség	5100 m/s 933 K-en
Szerte
Elektronegativitás	1.61 (Pauling-skála)
Specifikus hőkapacitás	900 J/(kg*K)
Elektromos vezetőképesség	37.7 106/m ohm
Hővezető képesség	237 W/(m*K)
1. ionizációs potenciál	577.5 kJ/mol
2. ionizációs potenciál	1816,7 kJ/mol
3. ionizációs potenciál	2744.8 kJ/mol
4. ionizációs potenciál	11577 kJ/mol
5. ionizációs potenciál	14842. kJ/mol
6. ionizációs potenciál	18379 kJ/mol
7. ionizációs potenciál	23326 kJ/mol
8. ionizációs potenciál	27465 kJ/mol
9. ionizációs potenciál	31853 kJ/mol
10. ionizációs potenciál	38473 kJ/mol
SI egységeket & STP használunk, kivéve, ahol ez nem szerepel.

Figyelemre méltó tulajdonságok

Az alumínium lágy és könnyű, de erős fém, amelynek tompa ezüstszürke megjelenése a levegőn gyorsan kialakuló vékony oxidációs rétegnek köszönhető, amely megakadályozza a további korróziót. Az alumínium súlya körülbelül egyharmada az acélénak vagy a réznek; alakítható, képlékeny, könnyen megmunkálható és önthető; valamint kiváló korrózióállósággal és tartóssággal rendelkezik. Emellett nem mágneses és nem szikrázik, valamint a második legjobban formálható fém és a hatodik legduktabb.

2 Alkalmazások

Az alumínium felhasználása – akár mennyiségben, akár értékben mérve – meghaladja a vas kivételével minden más fémét, és a világgazdaság szinte minden szegmensében fontos. A tiszta alumínium lágy és gyenge, de kis mennyiségű rézzel, magnéziummal, mangánnal, szilíciummal és más elemekkel ötvözeteket képezhet, amelyekből számos hasznos tulajdonsággal rendelkező ötvözetek hozhatók létre.

Ezek az ötvözetek a repülőgépek és rakéták létfontosságú alkotóelemei. Amikor az alumíniumot vákuumban elpárologtatják, olyan bevonatot képez, amely mind a látható fényt, mind a sugárzó hőt visszaveri. Ezek a bevonatok vékony védő alumínium-oxid réteget képeznek, amely nem romlik, mint az ezüst bevonatok. A távcsőtükrök bevonására is használják ezt a fémet.

Az alumínium számos felhasználási területe közül néhányat

Az alumíniumoxidja, a timföld a természetben korund, smirgli, rubin és zafír formájában fordul elő, és az üveggyártásban használják. A szintetikus rubint és zafírt lézerekben használják koherens fény előállítására. Az alumínium nagyon energikusan oxidálódik, ezért szilárd rakétaüzemanyagokban és termitben is felhasználásra került.

3 Történelem

Az alumíniumra vonatkozó legrégebbi feltételezett (bár nem bizonyítható) utalás Plinius az idősebb Naturalis Historia című művében található:

Egy nap egy római aranyművesnek megengedték, hogy Tiberius császárnak egy új fémből készült étkészletet mutasson. A tányér nagyon könnyű volt, és majdnem olyan fényes, mint az ezüst. Az aranyműves elmondta a császárnak, hogy a fémet sima agyagból készítette. Arról is biztosította a császárt, hogy csak ő maga és az istenek tudják, hogyan lehet ezt a fémet agyagból előállítani. A császár nagyon érdeklődő lett, és mint pénzügyi szakértő, egy kicsit aggódott is. A császár azonban azonnal érezte, hogy minden arany- és ezüstkincsének értéke csökkenni fog, ha az emberek elkezdik ezt a fényes fémet agyagból előállítani. Ezért ahelyett, hogy megadta volna az aranyművesnek a várt megbecsülést, megparancsolta, hogy fejezzék le.

A régi görögök és rómaiak ennek a fémnek a sóit használták színező pácanyagként és sebkötöző adstringensként, és az alumíniumot ma is használják sztiptikumként. Guyton de Morveau 1761-ben javasolta, hogy a bázikus alumíniumot nevezzük alumíniumnak. Humphry Davy 1808-ban azonosította az alumínium fémbázis létezését, amelyet elnevezett (a névvel kapcsolatos további információkért lásd alább a helyesírást).

Friedrich Wöhlernek tulajdonítják általában az alumínium (latinul alumen, alum) 1827-ben történt izolálását. Ezt a fémet azonban két évvel korábban Hans Christian Ørsted dán fizikus és kémikus állította elő először tisztátalan formában.

Charles Martin Hall 1886-ban kapott szabadalmat(400655) az alumínium kinyerésére szolgáló elektrolitikus eljárásra. Henri Sainte-Claire Deville (Franciaország) továbbfejlesztette Wohler módszerét (1846), és 1859-ben egy könyvben mutatta be ezeket, az eljárás két fejlesztésével, mivel a nátriumot káliummal, az egyszerű klór helyett pedig kettős klórral helyettesítette. A Hall-Héroult-eljárás 1886-os feltalálása olcsóbbá tette az alumínium ásványokból való kinyerését, így ma már világszerte elterjedt.

4 Előfordulás és erőforrások

Bár a földkéregben bőségesen megtalálható elem (8,1%), szabad formában nagyon ritka, és egykor az aranynál is értékesebb nemesfémnek tartották (Állítólag Napóleon a legjobb vendégeinek tartogatott egy készlet alumíniumtányért. A többieknek be kellett érniük az aranytányérokkal). Ipari fémként tehát viszonylag új keletű, és alig több mint 100 éve állítják elő kereskedelmi mennyiségben.

Az alumíniumot felfedezésekor rendkívül nehéz volt elválasztani a kőzetektől, amelyeknek része volt. Mivel a Föld teljes alumíniumkészlete vegyületek formájában volt megkötve, ez volt a legnehezebben kinyerhető fém a Földön, annak ellenére, hogy a bolygó egyik leggyakoribb fémje.

A fém visszanyerése a hulladékból (újrahasznosítás útján) az alumíniumipar fontos elemévé vált. Az újrahasznosítás során egyszerűen megolvasztják a fémet, ami sokkal olcsóbb, mint ércből előállítani. Ráadásul az alumínium előállítása óriási mennyiségű villamos energiát igényel. Az újrahasznosítás 95%-kal kevesebbet igényel. Az alumínium újrahasznosítása az 1900-as évek eleje óta bevett gyakorlat, és nem új keletű. Ez azonban egészen az 1960-as évek végéig, amikor az alumínium italos dobozok újrahasznosítása végleg a köztudatba emelte az újrahasznosítást. Az újrahasznosított alumínium forrásai közé tartoznak az autók, ablakok és ajtók, készülékek, konténerek és más termékek.

Az alumínium reaktív fém, és nem nyerhető ki ércéből, a bauxitból (Al2O3) szénnel történő redukcióval. Ehelyett elektrolízissel nyerik ki – a fémet oldatban oxidálják, majd újra redukálják a tiszta fémmé. Ehhez az ércnek folyékony állapotban kell lennie. A bauxit olvadáspontja azonban 2000 °C, ami túl magas hőmérséklet ahhoz, hogy gazdaságos legyen. Ehelyett a bauxitot sok éven át olvasztott kriolitban oldották fel, ami az olvadáspontot körülbelül 900°C-ra csökkenti. Mostanra azonban a kriolitot alumínium-, nátrium- és kalcium-fluoridok mesterséges keverékével helyettesítették. Ez az eljárás még mindig sok energiát igényel, és az alumíniumgyáraknak általában saját erőművük van a közelben.

A bauxit elektrolízisénél használt elektródák mindkettő szén. Amint az érc olvadt állapotba kerül, az ionjai szabadon mozoghatnak. A reakció a negatív katódon a következő

Al3+ + 3e- ! Al

Az alumíniumion itt redukálódik (elektronok adódnak hozzá). Az alumíniumfém ezután lesüllyed az aljára és lecsapolódik.

A pozitív anódon oxidálódik a bauxit oxigénje, ami aztán a szénelektróddal szén-dioxiddá reagál:

2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2

Ezt a katódot gyakran kell cserélni, mert a reakció része. Az elektrolízis költségei ellenére az alumínium nagyon széles körben használt fém. Az alumíniumot ma már agyagból is ki lehet nyerni, de ez az eljárás nem gazdaságos.

A villamos energia az alumínium finomításának költségének körülbelül egyharmadát teszi ki. Emiatt a finomítók általában ott helyezkednek el, ahol az elektromos energia bőséges és olcsó, például az Egyesült Államok északnyugati részén és a kanadai Quebecben.

Kína jelenleg (2004) a világ legnagyobb alumíniumtermelője.

5 Izotópok

Az alumíniumnak kilenc izotópja van, amelyek tömegszáma 23-tól 30-ig terjed. A természetben csak az Al-27 (stabil izotóp) és az Al-26 (radioaktív izotóp, t1/2 = 7,2 × 105 y) fordul elő. Az Al-26 a légkörben lévő argonból keletkezik kozmikus sugárzású protonok által okozott spallációval. Az alumíniumizotópok gyakorlati alkalmazásra találtak tengeri üledékek, mangángumók, gleccserjég, kőzetekben lévő kvarc és meteoritok kormeghatározásában. Az Al-26 és a berillium-10 arányát a szállítás, a lerakódás, az üledéktárolás, az eltemetési idők és az erózió szerepének tanulmányozására használták 105-106 éves időskálán.

A kozmogén Al-26-ot először a Hold és a meteoritok vizsgálatában alkalmazták. A meteoritdarabok az anyatestükről való távozásukat követően intenzív kozmikus sugárzási bombázásnak vannak kitéve az űrben való utazásuk során, ami jelentős Al-26 termelődést okoz. A Földre esés után a légköri árnyékolás megvédi a meteoritdarabokat a további Al-26-termelődéstől, és a bomlás segítségével meghatározható a meteorit földi kora. A meteoritkutatások azt is kimutatták, hogy bolygórendszerünk kialakulásának idején az Al-26 viszonylag nagy mennyiségben fordult elő. Lehetséges, hogy az Al-26 bomlása során felszabaduló energia volt felelős egyes aszteroidák keletkezésük utáni újraolvadásáért és differenciálódásáért 4.6 milliárd évvel ezelőtt

6 Óvintézkedések

Az alumínium egyike azon kevés bőségesen előforduló elemeknek, amelyeknek úgy tűnik, hogy nincs hasznos funkciójuk az élő sejtekben, de az emberek néhány százaléka allergiás rá — ők kontakt dermatitist tapasztalnak tőle bármilyen formában: viszkető kiütést a sztiptikus vagy izzadásgátló termékek használatától, emésztési zavarokat és a tápanyagok felszívódásának képtelenségét az alumíniumserpenyőben főtt ételek fogyasztásától, valamint hányást és a mérgezés egyéb tüneteit olyan termékek lenyelésétől, mint a Kaopectate® (hasmenés elleni termék), Amphojel® és Maalox® (savlekötők). Más személyek esetében az alumíniumot nem tartják olyan mérgezőnek, mint a nehézfémeket, de bizonyíték van arra, hogy túlzott mennyiségben történő fogyasztása esetén bizonyos mérgező hatású, bár a korrózióállósága és jó hővezetése miatt népszerű alumínium főzőedények használata nem vezetett általánosságban alumíniummérgezéshez. Az alumíniumvegyületeket tartalmazó savlekötők túlzott fogyasztása és az alumíniumtartalmú izzadásgátlók túlzott használata a toxicitás valószínűbb oka. Felmerült, hogy az alumínium összefüggésbe hozható az Alzheimer-kórral, bár ezt a kutatást nemrégiben cáfolták.

7 Helyesírás

Az elem hivatalos IUPAC helyesírása alumínium; az amerikaiak és a kanadaiak azonban általában alumíniumnak írják és ejtik. 1808-ban Humphry Davy eredetileg alumiumot javasolt ennek az akkor még fel nem fedezett fémnek a nevére, de négy évvel később úgy döntött, hogy a nevet alumíniumra változtatja. Ezt a változtatást Amerikában elfogadták, de Nagy-Britanniában megkérdőjelezték, mivel nem felelt meg a kálium, nátrium, magnézium, kalcium és stroncium (mind Davy által felfedezett) -ium utótagú precedensnek. Így Nagy-Britanniában az alumínium írásmód vált a legelterjedtebbé. Az Egyesült Államokban továbbra is az alumíniumot használták, bár a kémia területén mind az Egyesült Államokban, mind Nagy-Britanniában az alumínium maradt a hivatalos elnevezés. Az Amerikai Kémiai Társaság 1926-ban úgy döntött, hogy kiadványaiban hivatalosan is az alumíniumot használja.

1990-ben az IUPAC elfogadta az alumíniumot az elem szabványos nemzetközi neveként. Az alumínium a francia, holland, német, dán, norvég és svéd nyelvben is használt elnevezés; az olasz az alluminio, a portugál alumínio és a spanyol aluminio elnevezést használja. (Ezeknek a szavaknak a használata ezekben a más nyelvekben az egyik oka annak, hogy az IUPAC az alumíniumot választotta az alumínium helyett). 1993-ban az IUPAC elismerte az alumíniumot mint elfogadható változatot, de továbbra is az alumínium használatát részesíti előnyben.