Pierwiastek aluminium — Atom aluminium
Aluminium (lub aluminium w północnoamerykańskim angielskim) jest pierwiastkiem chemicznym w układzie okresowym, który ma symbol Al i liczbę atomową 13. Srebrzysty i plastyczny członek grupy metali słabych elementów, aluminium znajduje się głównie jako rudy boksytu i jest godne uwagi ze względu na jego odporność na utlenianie (aluminium jest faktycznie prawie zawsze już utlenione, ale jest do wykorzystania w tej formie w przeciwieństwie do większości metali), jego wytrzymałość, a jego waga jest niewielka. Aluminium jest wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu do produkcji milionów różnych produktów i jest bardzo ważne dla światowej gospodarki. Elementy konstrukcyjne wykonane z aluminium są istotne dla przemysłu lotniczego i kosmicznego oraz bardzo ważne w innych dziedzinach transportu i budownictwa, w których potrzebna jest lekkość, trwałość i wytrzymałość.
|
magnez – aluminium – krzem B
|
|
| Ogólne | |
|---|---|
| Nazwa, Symbol, Liczba | aluminium, Al, 13 |
| Seria chemiczna | metale słabe |
| Grupa, Okres, Blok | 13 (IIIA), 3, p |
| Gęstość, Twardość | 2700 kg/m3, 2.75 |
| Wygląd | srebrzysty |
| Właściwości atomowe | |
| Waga atomowa | 26.981538 amu |
| Promień atomowy (calc.) | 125 pm (118 pm) |
| Promień kowalencyjny | 118 pm |
| van der Waalsa | brak danych |
| Konfiguracja elektronów | 3s2 3p1 |
| e-. na poziom energetyczny | 2, 8, 3 |
| Stany utlenienia (tlenek) | 3 (amfoteryczny) |
| Struktura kryształu | cubic face centered |
| Właściwości fizyczne | |
| Stan skupienia materii | ciało stałe |
| Temperatura topnienia | 933.47 K (1220.58 °F) |
| Punkt wrzenia | 2792 K (4566 °F) |
| Objętość molowa | 10.00 ×10-6 m3/mol |
| Ciepło parowania | 293.4 kJ/mol |
| Ciepło topnienia | 10,79 kJ/mol |
| Ciśnienie pary | 2.42 E-06 Pa w temperaturze __ K |
| Prędkość dźwięku | 5100 m/s w temperaturze 933 K |
| Różne | |
| Elektronegatywność | 1.61 (skala Paulinga) |
| Pojemność cieplna właściwa | 900 J/(kg*K) |
| Przewodnictwo elektryczne | 37.7 106/m ohm |
| Przewodność cieplna | 237 W/(m*K) |
| 1. potencjał jonizacji | 577.5 kJ/mol |
| 2gi potencjał jonizacji | 1816.7 kJ/mol |
| 3gi potencjał jonizacji | 2744.8 kJ/mol |
| 4. potencjał jonizacji | 11577 kJ/mol |
| 5. potencjał jonizacji | 14842 kJ/mol |
| 6-ty potencjał jonizacji | 18379 kJ/mol |
| 7-ty potencjał jonizacji | 23326 kJ/mol |
| 8-ty potencjał jonizacji | 27465 kJ/mol |
| 9-ty potencjał jonizacji | 31853 kJ/mol |
| 10-ty potencjał jonizacji | 38473 kJ/mol |
| Używa się jednostekSI & STP, z wyjątkiem przypadków, w których zaznaczono. | |
Charakterystyka godna uwagi
Aluminium jest miękkim i lekkim, ale wytrzymałym metalem o matowym srebrno-szarym wyglądzie, co wynika z cienkiej warstwy utleniania, która tworzy się szybko po wystawieniu na działanie powietrza i która zapobiega dalszej korozji. Aluminium waży około jedną trzecią tego, co stal lub miedź; jest plastyczne, ciągliwe i łatwo poddaje się obróbce mechanicznej i odlewaniu; ma doskonałą odporność na korozję i trwałość. Jest również niemagnetyczne i nieiskrzące oraz jest drugim najbardziej ciągliwym metalem i szóstym najbardziej ciągliwym.
2 Zastosowania
Czy mierzone pod względem ilości lub wartości, zastosowanie aluminium przekracza zastosowanie każdego innego metalu z wyjątkiem żelaza i jest ważne praktycznie we wszystkich segmentach gospodarki światowej. Czyste aluminium jest miękkie i słabe, ale może tworzyć stopy z niewielkimi ilościami miedzi, magnezu, manganu, krzemu i innych pierwiastków, tworząc stopy o różnych użytecznych właściwościach.
Stopy te tworzą istotne składniki samolotów i rakiet. Kiedy aluminium jest odparowywane w próżni, tworzy powłokę, która odbija zarówno światło widzialne, jak i promieniowanie cieplne. Powłoki te tworzą cienką warstwę ochronną tlenku aluminium, która nie ulega zniszczeniu tak jak powłoki srebrne. Powlekanie luster teleskopów jest kolejnym zastosowaniem tego metalu.
Kilka z wielu zastosowań aluminium to w
Jego tlenek, tlenek glinu, występuje naturalnie jako korund, szmergiel, rubin i szafir i jest używany w produkcji szkła. Syntetyczny rubin i szafir są używane w laserach do produkcji koherentnego światła. Aluminium utlenia się bardzo energicznie i w rezultacie znalazło zastosowanie w stałych paliwach rakietowych i termitach.
3 Historia
Najstarsze podejrzewane (choć niepotwierdzone) odniesienie do Aluminium znajduje się w Naturalis Historia Pliniusza Starszego:
Jednego dnia złotnikowi w Rzymie pozwolono pokazać cesarzowi Tyberiuszowi talerz obiadowy z nowego metalu. Talerz był bardzo lekki i prawie tak jasny jak srebro. Złotnik powiedział cesarzowi, że zrobił ten metal ze zwykłej gliny. Zapewnił też cesarza, że tylko on sam i bogowie wiedzą, jak wytworzyć ten metal z gliny. Cesarz stał się bardzo zainteresowany, a jako ekspert finansowy był też trochę zaniepokojony. Cesarz jednak od razu wyczuł, że wszystkie jego skarby złota i srebra stracą na wartości, jeśli ludzie zaczną produkować ten świetlisty metal z gliny. Dlatego, zamiast obdarzyć złotnika oczekiwanym szacunkiem, kazał go ściąć.
Starożytni Grecy i Rzymianie używali soli tego metalu jako barwiących zapraw i jako środków ściągających do wiązania ran, a ałun jest nadal używany jako styptyk. W 1761 roku Guyton de Morveau zaproponował nazwanie ałunu ałunem bazowym. W 1808 roku Humphry Davy zidentyfikował istnienie metalowej bazy ałunu, którą nazwał (zobacz pisownię poniżej, aby uzyskać więcej informacji na temat nazwy).
Friedrich Wöhler jest ogólnie przypisywany wyizolowaniu aluminium (łac. alumen, ałun) w 1827 roku. Jednak metal ten został wyprodukowany po raz pierwszy w postaci nieczystej dwa lata wcześniej przez duńskiego fizyka i chemika Hansa Christiana Ørsteda.
Charles Martin Hall otrzymał patent (400655) w 1886 roku, na elektrolitycznym procesie ekstrakcji aluminium. Henri Sainte-Claire Deville (Francja) udoskonalił metodę Wohlera (1846) i przedstawił ją w książce w 1859 r. z dwoma ulepszeniami procesu, polegającymi na zastąpieniu potasu sodem i podwojeniu zamiast zwykłego chloru. Wynalazek procesu Halla-Héroulta w 1886 roku sprawił, że pozyskiwanie aluminium z minerałów stało się niedrogie, dzięki czemu jest ono obecnie powszechnie stosowane na całym świecie.
4 Występowanie i zasoby
Ale Al jest obficie występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (8,1%), jest bardzo rzadki w wolnej postaci i był kiedyś uważany za metal szlachetny, cenniejszy od złota (mówi się, że Napoleon miał zestaw aluminiowych talerzy zarezerwowanych dla swoich najlepszych gości. Inni musieli zadowolić się złotymi). Jest to zatem stosunkowo nowy metal przemysłowy i jest produkowany w ilościach komercyjnych od nieco ponad 100 lat.
Aluminium, kiedy zostało po raz pierwszy odkryte, było niezwykle trudne do oddzielenia od skał, których było częścią. Ponieważ całe ziemskie aluminium było związane w formie związków, był to najtrudniejszy do uzyskania metal na Ziemi, pomimo faktu, że jest jednym z najbardziej powszechnych na naszej planecie.
Odzyskiwanie tego metalu ze złomu (poprzez recykling) stało się ważnym elementem przemysłu aluminiowego. Recykling polega po prostu na stopieniu metalu, co jest znacznie mniej kosztowne niż tworzenie go z rudy. Poza tym, produkcja aluminium wymaga ogromnych ilości energii elektrycznej. Recykling wymaga jej o 95% mniej. Recykling aluminium, powszechna praktyka od wczesnych lat 1900, nie jest niczym nowym. Był jednak mało popularną działalnością aż do późnych lat 60-tych, kiedy to recykling aluminiowych puszek po napojach sprawił, że recykling w końcu zaistniał w świadomości społecznej. Źródła aluminium z recyklingu obejmują samochody, okna i drzwi, urządzenia, kontenery i inne produkty.
Aluminium jest metalem reaktywnym i nie może być wydobywane z jego rudy, boksytu (Al2O3), poprzez redukcję węglem. Zamiast tego jest on pozyskiwany w procesie elektrolizy – metal jest utleniany w roztworze, a następnie ponownie redukowany do czystego metalu. Aby to nastąpiło, ruda musi być w stanie ciekłym. Jednak temperatura topnienia boksytu wynosi 2000°C, co jest zbyt wysoką temperaturą, by można ją było osiągnąć w sposób ekonomiczny. Zamiast tego, przez wiele lat boksyt był rozpuszczany w stopionym kriolicie, który obniża temperaturę topnienia do około 900°C. Obecnie jednak kriolit został zastąpiony sztuczną mieszaniną fluorków glinu, sodu i wapnia. Proces ten nadal wymaga dużej ilości energii, a fabryki aluminium zazwyczaj mają w pobliżu własne elektrownie.
Elektrody stosowane w elektrolizie boksytu są zarówno węglowe. Gdy ruda jest już w stanie stopionym, jej jony mogą się swobodnie przemieszczać. Reakcja zachodząca na katodzie ujemnej to
Al3+ + 3e- ! Al
Tutaj jon glinu ulega redukcji (dodawane są elektrony). Metal aluminium opada na dno i zostaje odtopiony.
Anoda dodatnia utlenia tlen z boksytu, który następnie reaguje z elektrodą węglową tworząc dwutlenek węgla:
2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2
Ta katoda musi być często wymieniana, ponieważ jest częścią reakcji. Pomimo kosztów elektrolizy, aluminium jest bardzo szeroko stosowanym metalem. Aluminium może być obecnie wydobywane z gliny, ale proces ten nie jest ekonomiczny.
Energia elektryczna stanowi około jednej trzeciej kosztów rafinacji aluminium. Z tego powodu rafinerie są zwykle zlokalizowane tam, gdzie energia elektryczna jest obfita i tania, np. w północno-zachodnich Stanach Zjednoczonych i Quebecu w Kanadzie.
Chiny są obecnie (2004) największym światowym producentem aluminium.
5 Izotopy
Aluminium ma dziewięć izotopów, których liczby masowe wahają się od 23 do 30. Tylko Al-27 (izotop stabilny) i Al-26 (izotop radioaktywny, t1/2 = 7.2 × 105 y) występują naturalnie. Al-26 jest wytwarzany z argonu w atmosferze w wyniku spallacji spowodowanej przez protony promieniowania kosmicznego. Izotopy glinu znalazły praktyczne zastosowanie w datowaniu osadów morskich, konkrecji manganowych, lodu lodowcowego, kwarcu w odsłonięciach skalnych i meteorytów. Stosunek Al-26 do berylu-10 został wykorzystany do badania roli transportu, depozycji, magazynowania osadów, czasów zakopywania i erozji w skalach czasowych od 105 do 106 lat.
Kosmogeniczny Al-26 został po raz pierwszy zastosowany w badaniach Księżyca i meteorytów. Fragmenty meteorytów, po opuszczeniu ich macierzystych ciał, są narażone na intensywne bombardowanie promieniami kosmicznymi podczas ich podróży w przestrzeni kosmicznej, powodując znaczną produkcję Al-26. Po upadku na Ziemię osłona atmosferyczna chroni fragmenty meteorytu przed dalszą produkcją Al-26, a jego rozpad może być wykorzystany do określenia ziemskiego wieku meteorytu. Badania meteorytów wykazały również, że Al-26 był stosunkowo obfity w czasie formowania się naszego układu planetarnego. Możliwe, że energia uwolniona w wyniku rozpadu Al-26 była odpowiedzialna za przetapianie i różnicowanie się niektórych asteroid po ich uformowaniu 4.6 miliardów lat temu
6 Środki ostrożności
Aluminium jest jednym z niewielu obficie występujących pierwiastków, które wydają się nie mieć żadnej korzystnej funkcji w żywych komórkach, ale kilka procent ludzi jest na nie uczulonych — doświadczają kontaktowego zapalenia skóry od jakiejkolwiek jego formy: swędząca wysypka po użyciu produktów styropianowych lub antyperspirantów, zaburzenia trawienia i niezdolność do wchłaniania składników odżywczych po spożyciu żywności gotowanej na aluminiowych patelniach oraz wymioty i inne objawy zatrucia po spożyciu takich produktów jak Kaopectate® (produkt przeciw biegunce), Amphojel® i Maalox® (leki zobojętniające). U innych osób aluminium nie jest uważane za tak toksyczne jak metale ciężkie, ale istnieją dowody na pewną toksyczność w przypadku spożywania go w nadmiernych ilościach, chociaż nie wykazano, aby używanie aluminiowych naczyń kuchennych, popularnych ze względu na ich odporność na korozję i dobre przewodzenie ciepła, prowadziło ogólnie do toksyczności aluminium. Bardziej prawdopodobnymi przyczynami toksyczności są nadmierne spożycie leków zobojętniających sok żołądkowy zawierających związki glinu oraz nadmierne stosowanie antyperspirantów zawierających aluminium. Sugerowano, że aluminium może być związane z chorobą Alzheimera, chociaż badania te zostały ostatnio obalone.
7 Pisownia
Oficjalna pisownia IUPAC pierwiastka to aluminium; jednak Amerykanie i Kanadyjczycy generalnie piszą i wymawiają to aluminium. W 1808 Humphry Davy pierwotnie zaproponował alumium dla nazwy tego wtedy-nieodkryty metal, ale cztery lata później postanowił zmienić nazwę na aluminium. Zmiana ta została zaakceptowana w Ameryce, ale zakwestionowana w Wielkiej Brytanii, ponieważ nie była zgodna z precedensem przyrostka -ium ustanowionym przez potas, sód, magnez, wapń i stront (wszystkie odkryte przez Davy’ego). Tak więc, pisownia aluminium stała się najbardziej powszechna w Wielkiej Brytanii. Stany Zjednoczone kontynuowały używanie aluminium, chociaż oficjalna nazwa używana zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i w Wielkiej Brytanii w dziedzinie chemii pozostała aluminium. W 1926 roku American Chemical Society postanowił oficjalnie używać aluminium w swoich publikacjach.
W 1990 roku IUPAC przyjęła aluminium jako standardową nazwę międzynarodową dla elementu. Aluminium jest również nazwą używaną w języku francuskim, holenderskim, niemieckim, duńskim, norweskim i szwedzkim; włoski używa alluminio, portugalski alumínio, a hiszpański aluminio. (Użycie tych słów w tych innych językach jest jednym z powodów, dla których IUPAC wybrał aluminium zamiast glinu). W 1993 roku IUPAC uznał aluminium jako dopuszczalny wariant, ale nadal preferuje użycie aluminium.
.