Het element aluminium — Aluminiumatoom

Aluminium (of aluminium in Noord-Amerikaans Engels) is een chemisch element in het periodiek systeem dat het symbool Al en atoomnummer 13 heeft. Aluminium wordt voornamelijk gevonden in het erts bauxiet en is opmerkelijk door zijn weerstand tegen oxidatie (aluminium is eigenlijk bijna altijd al geoxideerd, maar is in deze vorm bruikbaar in tegenstelling tot de meeste metalen), zijn sterkte, en zijn lichte gewicht. Aluminium wordt in vele industrieën gebruikt om miljoenen verschillende producten te vervaardigen en is zeer belangrijk voor de wereldeconomie. Uit aluminium vervaardigde constructiedelen zijn van vitaal belang voor de lucht- en ruimtevaartindustrie en zeer belangrijk op andere gebieden van vervoer en bouw waar licht gewicht, duurzaamheid en sterkte nodig zijn.

magnesium – aluminium – silicium B Al Ga
Algemeen
Naam, Symbool, Nummer	aluminium, Al, 13
Chemische reeks	arme metalen
Groep, Periode, Blok	13 (IIIA), 3, p
Dichtheid, Hardheid	2700 kg/m3, 2.75
Opzicht	Zilverachtig
Atomaire eigenschappen
Atomair gewicht	26.981538 amu
Atomaire radius (calc.)	125 pm (118 pm)
Covalente radius	118 pm
van der Waals radius	geen gegevens
Elektronenconfiguratie	3s2 3p1
e- ’s per energieniveau	2, 8, 3
Oxidatietoestanden (oxide)	3 (amfoteer)
Kristalstructuur	kubisch gecentreerd
Fysische eigenschappen
toestand van de materie	vast
smeltpunt	933.47 K (1220,58 °F)
kookpunt	2792 K (4566 °F)
molair volume	10,00 ×10-6 m3/mol
verdampingswarmte	293.4 kJ/mol
Smeltingswarmte	10,79 kJ/mol
Dampdruk	2.42 E-06 Pa bij __ K
Snelheid van het geluid	5100 m/s bij 933 K
Diversen
Electronegativiteit	1.61 (Pauling-schaal)
Specifieke warmtecapaciteit	900 J/(kg*K)
Elektrisch geleidingsvermogen	37.7 106/m ohm
Thermische geleidbaarheid	237 W/(m*K)
1ste ionisatiepotentiaal	577.5 kJ/mol
2e ionisatiepotentiaal	1816,7 kJ/mol
3e ionisatiepotentiaal	2744.8 kJ/mol
4e ionisatiepotentiaal	11577 kJ/mol
5e ionisatiepotentiaal	14842 kJ/mol
6e ionisatiepotentiaal	18379 kJ/mol
7e ionisatiepotentiaal	23326 kJ/mol
8e ionisatiepotentiaal	27465 kJ/mol
9e ionisatiepotentiaal	31853 kJ/mol
10e ionisatiepotentiaal	38473 kJ/mol
SI eenheden & STP worden gebruikt, behalve waar genoteerd.

Notele kenmerken

Aluminium is een zacht en licht maar sterk metaal met een dof zilvergrijs uiterlijk, te wijten aan een dun laagje oxidatie dat zich snel vormt wanneer het aan de lucht wordt blootgesteld en dat verdere corrosie verhindert. Aluminium weegt ongeveer een derde van staal of koper, is smeedbaar, buigzaam en gemakkelijk te bewerken en te gieten, en heeft een uitstekende weerstand tegen corrosie en duurzaamheid. Het is ook niet-magnetisch en vonkvrij en is het tweede meest kneedbare metaal en het zesde meest vervormbare.

2 Toepassingen

Wat ook gemeten wordt in termen van hoeveelheid of waarde, het gebruik van aluminium overtreft dat van elk ander metaal behalve ijzer, en het is belangrijk in vrijwel alle segmenten van de wereldeconomie. Zuiver aluminium is zacht en zwak, maar het kan legeringen vormen met kleine hoeveelheden koper, magnesium, mangaan, silicium, en andere elementen om legeringen te maken met een verscheidenheid van nuttige eigenschappen.

Deze legeringen vormen vitale onderdelen van vliegtuigen en raketten. Wanneer aluminium in een vacuüm wordt verdampt, vormt het een deklaag die zowel zichtbaar licht als stralingswarmte reflecteert. Deze coatings vormen een dunne laag van beschermend aluminiumoxide dat niet bederft zoals zilvercoatings. Het coaten van telescoopspiegels is een andere toepassing van dit metaal.

Enkele van de vele toepassingen van aluminium zijn in

Zijn oxide, aluminiumoxide, wordt in de natuur gevonden als korund, smaragd, robijn, en saffier en wordt gebruikt bij het maken van glas. Synthetisch robijn en saffier worden gebruikt in lasers voor de productie van coherent licht. Aluminium oxideert zeer energetisch en wordt daarom gebruikt in vaste raketbrandstoffen en thermiet.

3 Geschiedenis

De oudste vermoedelijke (hoewel onbewijsbare) verwijzing naar Aluminium is in Plinius de Oudere’s Naturalis Historia:

Op een dag kreeg een goudsmid in Rome toestemming om keizer Tiberius een dinerbord van een nieuw metaal te laten zien. Het bord was heel licht, en bijna zo helder als zilver. De goudsmid vertelde de keizer dat hij het metaal had gemaakt van gewone klei. Hij verzekerde de keizer ook dat alleen hijzelf en de Goden wisten hoe dit metaal uit klei gemaakt kon worden. De Keizer werd zeer geïnteresseerd, en als financieel expert was hij ook een beetje bezorgd. De keizer voelde echter onmiddellijk aan dat al zijn schatten van goud en zilver in waarde zouden dalen als de mensen dit heldere metaal uit klei zouden gaan produceren. In plaats van de goudsmid de verwachte achting te geven, beval hij daarom dat hij zou worden onthoofd.

De oude Grieken en Romeinen gebruikten zouten van dit metaal als kleurstof en als adstringerend middel om wonden te verbinden, en aluin wordt nog steeds gebruikt als een stypticum. In 1761 stelde Guyton de Morveau voor om de basis aluin alumine te noemen. In 1808 identificeerde Humphry Davy het bestaan van een metalen basis van aluin, die hij een naam gaf (zie Spelling hieronder voor meer informatie over de naam).

Friedrich Wöhler wordt algemeen gecrediteerd voor het isoleren van aluminium (Latijn alumen, aluin) in 1827. Dit metaal werd echter twee jaar eerder voor het eerst in onzuivere vorm geproduceerd door de Deense natuur- en scheikundige Hans Christian Ørsted.

Charles Martin Hall kreeg in 1886 octrooi(400655) op het elektrolytische proces om aluminium te winnen. Henri Sainte-Claire Deville (Frankrijk) verbeterde de methode van Wohler (1846) en presenteerde deze in een boek in 1859 met twee verbeteringen aan het proces zoals de vervanging van kalium door natrium en dubbel in plaats van gewoon chloruur. De uitvinding van het Hall-Héroult proces in 1886 maakte het winnen van aluminium uit mineralen goedkoop, en daarom wordt het nu over de hele wereld gebruikt.

4 Voorkomen en hulpbronnen

Hoewel Al een overvloedig element is in de aardkorst (8,1%), is het zeer zeldzaam in zijn vrije vorm en werd het ooit beschouwd als een edelmetaal dat waardevoller was dan goud (er wordt gezegd dat Napoleon een stel aluminium platen had gereserveerd voor zijn beste gasten. Anderen moesten het doen met gouden exemplaren). Het is daarom betrekkelijk nieuw als industrieel metaal en wordt sinds iets meer dan 100 jaar in commerciële hoeveelheden geproduceerd.

Aluminium was, toen het voor het eerst werd ontdekt, uiterst moeilijk te scheiden van de gesteenten waar het deel van uitmaakte. Aangezien het gehele aluminium op aarde gebonden was in de vorm van verbindingen, was het het moeilijkst te verkrijgen metaal op aarde, ondanks het feit dat het een van de meest voorkomende van de planeet is.

Herwinning van dit metaal uit schroot (via recycling) is een belangrijk onderdeel geworden van de aluminiumindustrie. Bij recycling wordt het metaal gewoon gesmolten, wat veel goedkoper is dan het uit erts te winnen. Bovendien is voor het maken van aluminium een enorme hoeveelheid elektriciteit nodig. Voor recycling is 95% minder nodig. Aluminiumrecycling, een praktijk die al sinds het begin van de 20e eeuw wordt toegepast, is niet nieuw. Het was echter een activiteit die weinig aandacht kreeg tot het einde van de jaren 1960, toen het recycleren van aluminium drankblikjes recycling eindelijk in het publieke bewustzijn bracht. Bronnen voor gerecycleerd aluminium zijn auto’s, ramen en deuren, apparaten, containers en andere producten.

Aluminium is een reactief metaal en kan niet uit zijn erts, bauxiet (Al2O3), worden gewonnen door reductie met koolstof. In plaats daarvan wordt het gewonnen door elektrolyse – het metaal wordt in oplossing geoxideerd en vervolgens weer gereduceerd tot het zuivere metaal. Het erts moet in vloeibare toestand zijn om dit te kunnen doen. Bauxiet heeft echter een smeltpunt van 2000°C, wat een te hoge temperatuur is om op economische wijze te bereiken. In plaats daarvan werd het bauxiet jarenlang opgelost in gesmolten kryoliet, dat het smeltpunt verlaagt tot ongeveer 900°C. Maar nu is kryoliet vervangen door een kunstmatig mengsel van aluminium-, natrium- en calciumfluoriden. Dit proces vergt nog steeds veel energie, en aluminiumfabrieken hebben gewoonlijk hun eigen krachtcentrales in de buurt.

De elektroden die worden gebruikt bij de elektrolyse van bauxiet zijn beide van koolstof. Zodra het erts in gesmolten toestand is, zijn de ionen vrij om zich te verplaatsen. De reactie aan de negatieve kathode is

Al3+ + 3e- ! Al

Hier wordt het aluminiumion gereduceerd (er worden elektronen toegevoegd). Het aluminiummetaal zinkt dan naar de bodem en wordt afgetapt.

De positieve anode oxideert de zuurstof van bauxiet, die vervolgens met de koolstofelektrode reageert tot kooldioxide:

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

Deze kathode moet vaak worden vervangen omdat hij deel uitmaakt van de reactie. Ondanks de kosten van elektrolyse is aluminium een zeer veel gebruikt metaal. Aluminium kan nu uit klei worden gewonnen, maar dit proces is niet economisch.

Elektrische energie vertegenwoordigt ongeveer een derde van de kosten van de raffinage van aluminium. Om deze reden neigen raffinaderijen te worden gevestigd waar elektrische energie overvloedig en goedkoop is, zoals het noordwesten van de Verenigde Staten en Quebec in Canada.

China is momenteel (2004) de top wereldproducent van aluminium.

5 Isotopen

Aluminium heeft negen isotopen, waarvan de massagetallen variëren van 23 tot 30. Alleen Al-27 (stabiele isotoop) en Al-26 (radioactieve isotoop, t1/2 = 7,2 × 105 y) komen in de natuur voor. Al-26 wordt geproduceerd uit argon in de atmosfeer door spallatie veroorzaakt door kosmische-straalprotonen. Aluminiumisotopen hebben praktische toepassingen gevonden bij het dateren van mariene sedimenten, mangaanknollen, ijs van gletsjers, kwarts in blootliggende gesteenten, en meteorieten. De verhouding van Al-26 tot beryllium-10 is gebruikt om de rol van transport, depositie, sedimentopslag, begravingstijden en erosie te bestuderen op tijdschalen van 105 tot 106 jaar.

Cosmogeen Al-26 werd voor het eerst toegepast in studies van de Maan en meteorieten. Meteorietfragmenten worden, na het verlaten van hun moederlichaam, tijdens hun reis door de ruimte blootgesteld aan intense kosmische stralenbombardementen, die een aanzienlijke productie van Al-26 veroorzaken. Na hun val op aarde beschermen atmosferische schilden de meteorietfragmenten tegen verdere Al-26 productie, en het verval ervan kan dan worden gebruikt om de aardse leeftijd van de meteoriet te bepalen. Meteorietenonderzoek heeft ook aangetoond dat Al-26 relatief overvloedig aanwezig was ten tijde van de vorming van ons planetenstelsel. Mogelijk was de energie die vrijkwam door het verval van Al-26 verantwoordelijk voor het omsmelten en differentiëren van sommige asteroïden na hun vorming 4.6 miljard jaar geleden

6 Voorzorgsmaatregelen

Aluminium is een van de weinige overvloedige elementen die geen nuttige functie in levende cellen lijken te hebben, maar een paar procent van de mensen is er allergisch voor — zij krijgen contactdermatitis van elke vorm ervan: een jeukende huiduitslag bij het gebruik van styptische of antitranspiratiemiddelen, spijsverteringsstoornissen en een onvermogen om voedingsstoffen op te nemen bij het eten van voedsel dat in aluminium pannen is gekookt, en braken en andere vergiftigingsverschijnselen bij het innemen van producten als Kaopectate® (anti-diarree product), Amphojel®, en Maalox® (maagzuurremmers). Voor andere personen is aluminium niet zo toxisch als zware metalen, maar er zijn aanwijzingen voor enige toxiciteit als het in excessieve hoeveelheden wordt geconsumeerd, hoewel niet is aangetoond dat het gebruik van aluminium kookgerei, populair vanwege de corrosiebestendigheid en de goede warmtegeleiding, in het algemeen tot aluminiumtoxiciteit leidt. Overmatige consumptie van maagzuurremmers die aluminiumverbindingen bevatten en overmatig gebruik van aluminiumhoudende antitranspiratiemiddelen zijn waarschijnlijker oorzaken van toxiciteit. Er is gesuggereerd dat aluminium in verband kan worden gebracht met de ziekte van Alzheimer, hoewel dat onderzoek onlangs is weerlegd.

7 Spelling

De officiële IUPAC-spelling van het element is aluminium; Amerikanen en Canadezen spellen en spreken het echter over het algemeen uit als aluminium. In 1808 stelde Humphry Davy oorspronkelijk alumium voor als naam voor dit toen nog onontdekte metaal, maar vier jaar later besloot hij de naam te veranderen in aluminium. Deze wijziging werd in Amerika aanvaard, maar in Groot-Brittannië in twijfel getrokken omdat zij niet in overeenstemming was met het -ium achtervoegsel dat door kalium, natrium, magnesium, calcium en strontium (alle ontdekt door Davy) was ingesteld. Aldus werd de schrijfwijze aluminium de meest gangbare in Groot-Brittannië. De Verenigde Staten bleven aluminium gebruiken, hoewel de officiële naam die zowel in de Verenigde Staten als in Groot-Brittannië in de scheikunde werd gebruikt, aluminium bleef. In 1926 besloot de American Chemical Society officieel om aluminium te gebruiken in haar publicaties.

In 1990 nam de IUPAC aluminium aan als de standaard internationale naam voor het element. Aluminium is ook de naam die in het Frans, Nederlands, Duits, Deens, Noors en Zweeds wordt gebruikt; het Italiaans gebruikt alluminio, het Portugees alumínio en het Spaans aluminio. (Het gebruik van deze woorden in deze andere talen is een van de redenen waarom de IUPAC aluminium verkoos boven aluminium). In 1993 erkende de IUPAC aluminium als een aanvaardbare variant, maar geeft nog steeds de voorkeur aan het gebruik van aluminium.