Elementul Aluminiu — Atomul de aluminiu
Aluminiul (sau aluminum în limba engleză nord-americană) este un element chimic din tabelul periodic care are simbolul Al și numărul atomic 13. Un membru argintiu și ductil al grupului de elemente de metale sărace, aluminiul se găsește în principal sub formă de minereu de bauxită și este remarcabil pentru rezistența sa la oxidare (de fapt, aluminiul este aproape întotdeauna deja oxidat, dar este utilizabil în această formă, spre deosebire de majoritatea metalelor), pentru rezistența sa și pentru greutatea sa redusă. Aluminiul este utilizat în multe industrii pentru a fabrica milioane de produse diferite și este foarte important pentru economia mondială. Componentele structurale realizate din aluminiu sunt vitale pentru industria aerospațială și foarte importante în alte domenii de transport și construcții în care sunt necesare greutate redusă, durabilitate și rezistență.
|
magneziu – aluminiu – siliciu B
|
|
| Generalități | |
|---|---|
| Nume, Simbol, Număr | aluminiu, Al, 13 |
| Serie chimică | metale sărace |
| Grupă, Perioadă, Bloc | 13 (IIIA), 3, p |
| Densitate, Duritate | 2700 kg/m3, 2.75 |
| Aparență | argintie |
| Proprietăți atomice | |
| Greutate atomică | 26.981538 amu |
| Rază atomică (calc.) | 125 pm (118 pm) |
| Rază covalentă | 118 pm |
| van der Waals | nu există date |
| Configurația electronilor | 3s2 3p1 |
| e- ‘s pe nivel energetic | 2, 8, 3 |
| State de oxidare (oxid) | 3 (amfoteric) |
| Structură cristalină | cubică cu fața centrată |
| Proprietăți fizice | |
| Stare a materiei | solid |
| Punct de topire | 933.47 K (1220,58 °F) |
| Punctul de fierbere | 2792 K (4566 °F) |
| Volumul molar | 10,00 ×10-6 m3/mol |
| Căldura de vaporizare | 293.4 kJ/mol |
| Căldura de fuziune | 10,79 kJ/mol |
| Presiunea de vaporizare | 2.42 E-06 Pa la __ K |
| Viteza sunetului | 5100 m/s la 933 K |
| Diverse | |
| Electronegativitatea | 1.61 (scara Pauling) |
| Capacitatea termică specifică | 900 J/(kg*K) |
| Conductivitatea electrică | 37.7 106/m ohm |
| Conductibilitate termică | 237 W/(m*K) |
| Primul potențial de ionizare | 577.5 kJ/mol |
| al 2-lea potențial de ionizare | 1816,7 kJ/mol |
| al 3-lea potențial de ionizare | 2744.8 kJ/mol |
| 4-lea potențial de ionizare | 11577 kJ/mol |
| 5-lea potențial de ionizare | 14842 kJ/mol |
| 6-lea potențial de ionizare | 18379 kJ/mol |
| 7-lea potențial de ionizare | 23326 kJ/mol |
| 8-lea potențial de ionizare | 27465 kJ/mol |
| 9-lea potențial de ionizare | 31853 kJ/mol |
| 10-lea potențial de ionizare | 38473 kJ/mol |
| Se folosesc unitățile SI & STP, cu excepția cazurilor în care se menționează. | |
Caracteristici notabile
Aluminiul este un metal moale și ușor, dar rezistent, cu un aspect cenușiu-argintiu mat, datorită unui strat subțire de oxidare care se formează rapid atunci când este expus la aer și care împiedică coroziunea ulterioară. Aluminiul cântărește aproximativ o treime din greutatea oțelului sau a cuprului; este maleabil, ductil și ușor de prelucrat și turnat; și are o rezistență excelentă la coroziune și durabilitate. De asemenea, este nemagnetic și nu produce scântei și este al doilea cel mai maleabil metal și al șaselea cel mai ductil.
2 Aplicații
Cât privește cantitatea sau valoarea, utilizarea aluminiului o depășește pe cea a oricărui alt metal, cu excepția fierului, și este important în aproape toate segmentele economiei mondiale. Aluminiul pur este moale și slab, dar poate forma aliaje cu cantități mici de cupru, magneziu, mangan, siliciu și alte elemente pentru a obține aliaje cu o varietate de proprietăți utile.
Aceste aliaje formează componente vitale ale aeronavelor și rachetelor. Când aluminiul este evaporat în vid, formează un strat care reflectă atât lumina vizibilă, cât și căldura radiantă. Aceste acoperiri formează un strat subțire de oxid de aluminiu protector care nu se deteriorează așa cum se deteriorează acoperirea cu argint. Acoperirea oglinzilor telescoapelor este o altă utilizare a acestui metal.
Câteva dintre numeroasele utilizări ale aluminiului sunt în
Oxidul său, alumina, se găsește în mod natural sub formă de corindon, smarin, rubin și safir și este utilizat în fabricarea sticlei. Rubinul și safirul sintetic sunt utilizate în lasere pentru producerea de lumină coerentă. Aluminiul se oxidează foarte energic și, ca urmare, și-a găsit utilizarea în combustibilii solizi pentru rachete și în termită.
3 Istorie
Cea mai veche referire suspectă (deși nedovedită) la aluminiu se află în Naturalis Historia a lui Pliniu cel Bătrân:
Într-o zi, un orfevru din Roma a fost autorizat să îi arate împăratului Tiberiu o farfurie de masă dintr-un metal nou. Farfuria era foarte ușoară și aproape la fel de strălucitoare ca argintul. Aurarul i-a spus împăratului că a făcut metalul din lut simplu. De asemenea, l-a asigurat pe împărat că numai el, el însuși, și zeii știau cum să producă acest metal din lut. Împăratul a devenit foarte interesat și, în calitate de expert financiar, a fost și el puțin îngrijorat. Împăratul a simțit imediat, totuși, că toate comorile sale de aur și argint ar scădea în valoare dacă oamenii ar începe să producă acest metal strălucitor din lut. De aceea, în loc să-i acorde orfevrului considerația așteptată, a ordonat ca acesta să fie decapitat.
Grecii și romanii antici foloseau săruri din acest metal ca mordanți pentru vopsit și ca astringente pentru a lega rănile, iar alaunul este încă folosit ca stigmat. În 1761, Guyton de Morveau a propus să se numească aluminul de bază alumine. În 1808, Humphry Davy a identificat existența unei baze metalice de alaun, pe care a denumit-o (vezi Ortografie mai jos pentru mai multe informații despre acest nume).
Friedrich Wöhler este în general creditat cu izolarea aluminiului (latină alumen, alum) în 1827. Cu toate acestea, acest metal a fost produs pentru prima dată în formă impură cu doi ani mai devreme de către fizicianul și chimistul danez Hans Christian Ørsted.
Charles Martin Hall a primit brevetul(400655) în 1886, privind procedeul electrolitic de extragere a aluminiului. Henri Sainte-Claire Deville (Franța) a îmbunătățit metoda lui Wohler (1846) și le-a prezentat într-o carte în 1859, cu două îmbunătățiri ale procedeului, cum ar fi înlocuirea potasiului cu sodiul și dublul în locul clorului simplu. Invenția procedeului Hall-Héroult în 1886 a făcut ca extragerea aluminiului din minerale să fie ieftină, astfel încât acesta este acum utilizat în mod curent în întreaga lume.
4 Prezența și resursele
Deși este un element abundent în scoarța terestră (8,1%), este foarte rar în forma sa liberă și a fost considerat cândva un metal prețios mai valoros decât aurul (Se spune că Napoleon avea un set de plăci de aluminiu rezervat pentru cei mai buni oaspeți ai săi. Ceilalți trebuiau să se mulțumească cu cele de aur). Prin urmare, este relativ nou ca metal industrial și este produs în cantități comerciale de puțin peste 100 de ani.
Aluminiul era, atunci când a fost descoperit, extrem de dificil de separat de rocile din care făcea parte. Deoarece întregul aluminiu de pe Pământ era legat sub formă de compuși, era cel mai greu de obținut metal de pe Pământ, în ciuda faptului că este unul dintre cele mai comune de pe planetă.
Recuperarea acestui metal din deșeuri (prin reciclare) a devenit o componentă importantă a industriei aluminiului. Reciclarea implică simpla topire a metalului, ceea ce este mult mai puțin costisitor decât crearea acestuia din minereu. Și, de asemenea, crearea aluminiului necesită cantități enorme de energie electrică. Reciclarea acestuia necesită cu 95% mai puțin. O practică obișnuită încă de la începutul anilor 1900, reciclarea aluminiului nu este nouă. Cu toate acestea, a fost o activitate puțin mediatizată până la sfârșitul anilor 1960, când reciclarea dozelor de aluminiu pentru băuturi a adus în sfârșit reciclarea în conștiința publică. Printre sursele de aluminiu reciclat se numără automobilele, ferestrele și ușile, aparatele electrocasnice, containerele și alte produse.
Aluminiul este un metal reactiv și nu poate fi extras din minereul său, bauxita (Al2O3), prin reducere cu carbon. În schimb, este extras prin electroliză – metalul este oxidat în soluție și apoi redus din nou la metalul pur. Minereul trebuie să fie în stare lichidă pentru ca acest lucru să aibă loc. Cu toate acestea, bauxita are un punct de topire de 2000°C, o temperatură prea ridicată pentru a fi obținută din punct de vedere economic. În schimb, timp de mulți ani, bauxita a fost dizolvată în criolit topit, ceea ce scade punctul de topire la aproximativ 900°C. Dar acum, criolitul a fost înlocuit cu un amestec artificial de fluoruri de aluminiu, sodiu și calciu. Acest proces necesită în continuare o mare cantitate de energie, iar fabricile de aluminiu au de obicei propriile centrale electrice în apropiere.
Electrozii folosiți în electroliza bauxitei sunt amândoi din carbon. Odată ce minereul se află în stare topită, ionii săi sunt liberi să se deplaseze. Reacția la catodul negativ este
Al3+ + 3e- ! Al
În acest caz, ionul de aluminiu se reduce (se adaugă electroni). Aluminiul metalic se scufundă apoi pe fundul apei și este extras.
Anodul pozitiv oxidează oxigenul din bauxită, care reacționează apoi cu electrodul de carbon pentru a forma dioxid de carbon:
2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2
Acest catod trebuie înlocuit des, deoarece este parte a reacției. În ciuda costului electrolizei, aluminiul este un metal foarte utilizat pe scară largă. În prezent, aluminiul poate fi extras din argilă, dar acest procedeu nu este economic.
Erentul electric reprezintă aproximativ o treime din costul rafinării aluminiului. Din acest motiv, rafinăriile tind să fie localizate acolo unde energia electrică este abundentă și ieftină, cum ar fi nord-vestul Statelor Unite și Quebecul din Canada.
China este în prezent (2004) principalul producător mondial de aluminiu.
5 Izotopi
Aluminiul are nouă izotopi, ale căror numere de masă variază între 23 și 30. Doar Al-27 (izotop stabil) și Al-26 (izotop radioactiv, t1/2 = 7,2 × 105 y) apar în mod natural. Al-26 este produs din argon în atmosferă prin spallație cauzată de protoni din raze cosmice. Izotopii de aluminiu au găsit aplicații practice în datarea sedimentelor marine, a nodurilor de mangan, a gheții glaciare, a cuarțului din expunerile de rocă și a meteoriților. Raportul dintre Al-26 și beriliu-10 a fost folosit pentru a studia rolul transportului, al depunerii, al depozitării sedimentelor, al timpilor de îngropare și al eroziunii pe scări temporale de 105 până la 106 ani.
Al-26 cosmogen a fost aplicat pentru prima dată în studiile asupra Lunii și a meteoriților. Fragmentele de meteoriți, după plecarea din corpurile-mamă, sunt expuse unui bombardament intens de raze cosmice în timpul călătoriei lor prin spațiu, provocând o producție substanțială de Al-26. După căderea pe Pământ, ecranarea atmosferică protejează fragmentele de meteorit de o producție suplimentară de Al-26, iar descompunerea acestuia poate fi apoi utilizată pentru a determina vârsta terestră a meteoritului. Cercetarea meteoritului a arătat, de asemenea, că Al-26 era relativ abundent în momentul formării sistemului nostru planetar. Este posibil ca energia eliberată de descompunerea Al-26 să fi fost responsabilă pentru refondarea și diferențierea unor asteroizi după formarea lor 4.6 miliarde de ani în urmă
6 Precauții
Aluminiul este unul dintre puținele elemente abundente care par să nu aibă nicio funcție benefică în celulele vii, dar câteva procente de oameni sunt alergici la el – ei suferă de dermatită de contact la orice formă a acestuia: o erupție cutanată cu mâncărimi de la folosirea produselor stiptice sau antiperspirante, tulburări digestive și incapacitatea de a absorbi substanțele nutritive de la consumul de alimente gătite în tigăi de aluminiu, precum și vărsături și alte simptome de otrăvire de la ingerarea unor produse precum Kaopectate® (produs antidiareic), Amphojel® și Maalox® (antiacide). La alte persoane, aluminiul nu este considerat la fel de toxic ca și metalele grele, dar există dovezi ale unei anumite toxicități dacă este consumat în cantități excesive, deși nu s-a demonstrat că utilizarea ustensilelor de gătit din aluminiu, populare datorită rezistenței sale la coroziune și bunei conducții termice, duce la toxicitatea aluminiului în general. Consumul excesiv de antiacide care conțin compuși de aluminiu și utilizarea excesivă a antiperspirantelor care conțin aluminiu sunt cauze mai probabile de toxicitate. S-a sugerat că aluminiul ar putea fi legat de boala Alzheimer, deși aceste cercetări au fost recent infirmate.
7 Grafie
Grafia oficială IUPAC a elementului este aluminiu; cu toate acestea, americanii și canadienii îl scriu și îl pronunță, în general, aluminiu. În 1808, Humphry Davy a propus inițial alumium pentru numele acestui metal descoperit la acea vreme, dar patru ani mai târziu a decis să schimbe numele în aluminiu. Această schimbare a fost acceptată în America, dar a fost contestată în Marea Britanie, deoarece nu era conformă cu precedentul sufixului -ium stabilit de potasiu, sodiu, magneziu, calciu și stronțiu (toate descoperite de Davy). Astfel, ortografia aluminiu a devenit cea mai răspândită în Marea Britanie. Statele Unite au continuat să folosească aluminiul, deși denumirea oficială folosită atât în Statele Unite, cât și în Marea Britanie în domeniul chimiei a rămas aluminiu. În 1926, Societatea Americană de Chimie a decis să folosească în mod oficial aluminiul în publicațiile sale.
În 1990, IUPAC a adoptat aluminiul ca denumire internațională standard pentru acest element. Aluminiu este, de asemenea, denumirea folosită în franceză, olandeză, germană, daneză, norvegiană și suedeză; în italiană se folosește alluminio, în portugheză alumínio și în spaniolă aluminio. (Folosirea acestor cuvinte în aceste alte limbi este unul dintre motivele pentru care IUPAC a ales aluminiu în loc de aluminium). În 1993, IUPAC a recunoscut aluminiu ca fiind o variantă acceptabilă, dar preferă în continuare utilizarea aluminiului.
.