Elementet aluminium — Aluminiumatom
Aluminium (eller aluminium på nordamerikansk engelska) är ett kemiskt grundämne i det periodiska systemet med symbolen Al och atomnummer 13. Aluminium är en silverglänsande och formbar medlem av gruppen fattiga metaller och finns främst som malmen bauxit och är anmärkningsvärd för sin motståndskraft mot oxidation (aluminium är faktiskt nästan alltid redan oxiderat, men kan användas i denna form till skillnad från de flesta metaller), sin styrka och sin låga vikt. Aluminium används i många industrier för att tillverka miljontals olika produkter och är mycket viktigt för världsekonomin. Strukturkomponenter tillverkade av aluminium är viktiga för flyg- och rymdindustrin och mycket viktiga inom andra transport- och byggnadsområden där lättvikt, hållbarhet och styrka krävs.
|
magnesium – aluminium – kisel B
|
|
| Allmänt | |
|---|---|
| Namn, symbol, Nummer | aluminium, Al, 13 |
| Kemisk serie | fattiga metaller |
| Grupp, Period, Block | 13 (IIIA), 3, p |
| Täthet, Hårdhet | 2700 kg/m3, 2.75 |
| Utseende | silvrigt |
| Atomegenskaper | |
| Atomvikt | 26.981538 amu |
| Atomradie (beräknad.) | 125 pm (118 pm) |
| Kovalent radie | 118 pm |
| van der. Waals radie | ingen data |
| Elektronkonfiguration | 3s2 3p1 |
| e- s per energinivå | 2, 8, 3 |
| Oxidationstillstånd (Oxid) | 3 (amfoterisk) |
| Kristallstruktur | Kubisk yta centrerad |
| Fysikaliska egenskaper | |
| Materialtillstånd | fast |
| Smältpunkt | 933.47 K (1220.58 °F) |
| Kokpunkt | 2792 K (4566 °F) |
| Molärvolym | 10,00 ×10-6 m3/mol |
| Förångningsvärme | 293.4 kJ/mol |
| Fusionsvärme | 10,79 kJ/mol |
| Damptryck | 2.42 E-06 Pa vid __ K |
| Ljudets hastighet | 5100 m/s vid 933 K |
| Det övriga | |
| Elektronegativitet | 1.61 (Pauling-skalan) |
| Specifik värmekapacitet | 900 J/(kg*K) |
| Elektrisk ledningsförmåga | 37.7 106/m ohm |
| Värmeledningsförmåga | 237 W/(m*K) |
| 1:a joniseringspotential | 577.5 kJ/mol |
| 2:a joniseringspotential | 1816,7 kJ/mol |
| 3:a joniseringspotential | 2744.8 kJ/mol |
| 4:e joniseringspotential | 11577 kJ/mol |
| 5:e joniseringspotential | 14842 kJ/mol |
| 6:e joniseringspotential | 18379 kJ/mol |
| 7:e joniseringspotential | 23326 kJ/mol |
| 8:e joniseringspotential | 27465 kJ/mol |
| 9:e joniseringspotential | 31853 kJ/mol |
| 10:e joniseringspotentialen | 38473 kJ/mol |
| SI-enheter & STP används utom i de fall det anges. | |
Noterade egenskaper
Aluminium är en mjuk och lätt men stark metall med ett matt silvergrått utseende på grund av ett tunt oxidationsskikt som bildas snabbt när den utsätts för luft och som förhindrar ytterligare korrosion. Aluminium väger ungefär en tredjedel så mycket som stål eller koppar, är formbart, duktilt och lätt att bearbeta och gjuta samt har utmärkt korrosionsbeständighet och hållbarhet. Den är också icke-magnetisk och gnistfri och är den näst mest formbara metallen och den sjätte mest duktila.
2 Användningsområden
Oavsett om det mäts i kvantitet eller värde överstiger användningen av aluminium den av alla andra metaller utom järn, och den är viktig i praktiskt taget alla segment av världsekonomin. Rent aluminium är mjukt och svagt, men det kan bilda legeringar med små mängder koppar, magnesium, mangan, kisel och andra element för att skapa legeringar med en mängd användbara egenskaper.
Dessa legeringar utgör viktiga komponenter i flygplan och raketer. När aluminium förångas i vakuum bildar det en beläggning som reflekterar både synligt ljus och strålningsvärme. Dessa beläggningar bildar ett tunt lager av skyddande aluminiumoxid som inte försämras som silverbeläggningar gör. Beläggning av teleskopspeglar är en annan användning av denna metall.
Några av de många användningsområdena för aluminium är i
Dess oxid, aluminiumoxid, finns naturligt i form av korund, smaragd, rubin och safir och används vid glastillverkning. Syntetisk rubin och safir används i lasrar för framställning av koherent ljus. Aluminium oxiderar mycket energiskt och har därför använts i fasta raketbränslen och termit.
3 Historia
Den äldsta misstänkta (om än ej bevisbara) hänvisningen till aluminium finns i Plinius den äldres Naturalis Historia:
En dag fick en guldsmed i Rom tillåtelse att visa kejsaren Tiberius en middagstallrik av en ny metall. Tallriken var mycket lätt och nästan lika ljus som silver. Guldsmeden berättade för kejsaren att han hade gjort metallen av vanlig lera. Han försäkrade också kejsaren att endast han själv och gudarna visste hur man kunde framställa denna metall från lera. Kejsaren blev mycket intresserad, och i egenskap av finansexpert var han också lite orolig. Kejsaren kände dock omedelbart att alla hans skatter av guld och silver skulle sjunka i värde om människor började tillverka denna ljusa metall av lera. Därför beordrade han istället för att ge guldsmeden den förväntade respekten att han skulle halshuggas.
De gamla grekerna och romarna använde salter av denna metall som färgämnen och som sammandragande medel för att binda sår, och alun används fortfarande som ett styptikum. År 1761 föreslog Guyton de Morveau att basen alun skulle kallas alunin. År 1808 identifierade Humphry Davy förekomsten av en metallbas av alun, som han namngav (se stavning nedan för mer information om namnet).
Friedrich Wöhler anses allmänt ha isolerat aluminium (latin alumen, alun) 1827. Metallen framställdes dock för första gången i oren form två år tidigare av den danske fysikern och kemisten Hans Christian Ørsted.
Charles Martin Hall fick patent (400655) 1886 på en elektrolytisk process för att utvinna aluminium. Henri Sainte-Claire Deville (Frankrike) förbättrade Wohlers metod (1846) och presenterade den i en bok 1859 med två förbättringar av processen genom att ersätta kalium med natrium och dubbelt i stället för enkelt klor. Uppfinningen av Hall-Héroult-processen 1886 gjorde det billigt att utvinna aluminium ur mineraler och därför är det nu vanligt förekommande i hela världen.
4 Förekomst och resurser
Och även om Al är ett rikligt förekommande grundämne i jordskorpan (8,1 %) är det mycket sällsynt i fri form och betraktades en gång i tiden som en ädelmetall som var mer värdefull än guld (Det sägs att Napoleon hade en uppsättning aluminiumtallrikar reserverade för sina finaste gäster. Andra fick nöja sig med guldtallrikar). Den är därför relativt ny som industrimetall och har producerats i kommersiella mängder i drygt 100 år.
Aluminium var, när det först upptäcktes, extremt svårt att separera från de bergarter som det ingick i. Eftersom hela jordens aluminium var bundet i form av föreningar var det den svåraste metallen på jorden att få fram, trots att den är en av planetens vanligaste.
Utvinning av denna metall från skrot (via återvinning) har blivit en viktig del av aluminiumindustrin. Återvinning innebär att man helt enkelt smälter metallen, vilket är mycket billigare än att skapa den från malm. Dessutom krävs det enorma mängder elektricitet för att skapa aluminium. Återvinning kräver 95 procent mindre. Återvinning av aluminium har varit vanligt förekommande sedan början av 1900-talet och är alltså inget nytt. Det var dock en verksamhet med låg profil fram till slutet av 1960-talet, då återvinning av aluminiumdrycksburkar äntligen fick återvinning att hamna i allmänhetens medvetande. Källor för återvunnet aluminium är bilar, fönster och dörrar, apparater, behållare och andra produkter.
Aluminium är en reaktiv metall och kan inte utvinnas ur sin malm, bauxit (Al2O3), genom reduktion med kol. I stället utvinns den genom elektrolys – metallen oxideras i en lösning och reduceras sedan igen till den rena metallen. Malmen måste vara i flytande tillstånd för att detta ska kunna ske. Bauxit har dock en smältpunkt på 2000 °C, vilket är en för hög temperatur för att uppnås på ett ekonomiskt sätt. Istället löstes bauxiten under många år upp i smält kryolit, vilket sänker smältpunkten till cirka 900 °C. Men nu har kryolit ersatts av en konstgjord blandning av aluminium-, natrium- och kalciumfluorider. Denna process kräver fortfarande mycket energi, och aluminiumfabrikerna har vanligtvis egna kraftverk i närheten.
De elektroder som används vid elektrolys av bauxit är båda av kol. När malmen väl är i smält tillstånd kan dess joner röra sig fritt. Reaktionen vid den negativa katoden är
Al3+ + 3e- ! Al
Här reduceras aluminiumjonen (elektroner tillförs). Aluminiummetallen sjunker sedan till botten och tappas av.
Den positiva anoden oxiderar syret i bauxiten, som sedan reagerar med kolelektroden för att bilda koldioxid:
2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2
Denna katod måste bytas ut ofta eftersom den är en del av reaktionen. Trots kostnaden för elektrolys är aluminium en mycket allmänt använd metall. Aluminium kan numera utvinnas ur lera, men denna process är inte ekonomisk.
Elektricitet utgör ungefär en tredjedel av kostnaden för raffinering av aluminium. Av denna anledning tenderar raffinaderier att ligga där det finns gott om och billig elkraft, till exempel i nordvästra USA och Quebec i Kanada.
Kina är för närvarande (2004) världens största producent av aluminium.
5 Isotoper
Aluminium har nio isotoper, vars masstal sträcker sig från 23 till 30. Endast Al-27 (stabil isotop) och Al-26 (radioaktiv isotop, t1/2 = 7,2 × 105 y) förekommer naturligt. Al-26 produceras från argon i atmosfären genom spallation orsakad av kosmiska protoner. Aluminiumisotoper har fått praktisk tillämpning vid datering av marina sediment, manganknölar, glaciäris, kvarts i stenhällar och meteoriter. Förhållandet mellan Al-26 och beryllium-10 har använts för att studera betydelsen av transport, avlagring, lagring av sediment, begravningstider och erosion på tidsskalor på 105-106 år.
Kosmogen Al-26 tillämpades först vid studier av månen och meteoriter. Meteoritfragment, efter att ha lämnat sina moderkroppar, utsätts för intensiv kosmisk strålningsbombning under sin resa genom rymden, vilket orsakar en betydande Al-26-produktion. När meteoritfragmenten faller till jorden skyddar atmosfärisk avskärmning dem från ytterligare Al-26-produktion, och dess sönderfall kan sedan användas för att bestämma meteoritens jordiska ålder. Meteoritforskningen har också visat att Al-26 var relativt rikligt förekommande vid tiden för bildandet av vårt planetsystem. Möjligen var den energi som frigjordes vid sönderfallet av Al-26 ansvarig för omsmältningen och differentieringen av vissa asteroider efter deras bildning 4.6 miljarder år sedan
6 Försiktighetsåtgärder
Aluminium är ett av de få rikligt förekommande grundämnena som inte tycks ha någon fördelaktig funktion i levande celler, men några få procent av människorna är allergiska mot det – de får kontaktdermatit av någon form av det: De kan få allergiska reaktioner på aluminium, t.ex. kliande utslag vid användning av styptiska produkter eller antiperspiranter, matsmältningsstörningar och oförmåga att ta upp näringsämnen när de äter mat som tillagats i aluminiumpannor samt kräkningar och andra förgiftningssymptom när de får i sig produkter som Kaopectate® (antidiarréprodukt), Amphojel® och Maalox® (antacida). Hos andra personer anses aluminium inte vara lika giftigt som tungmetaller, men det finns bevis för en viss toxicitet om det konsumeras i för stora mängder, även om användningen av kokkärl av aluminium, som är populärt på grund av dess korrosionsbeständighet och goda värmeledningsförmåga, inte har visat sig leda till aluminiumförgiftning i allmänhet. Överdriven konsumtion av antacida som innehåller aluminiumföreningar och överdriven användning av aluminiumhaltiga antiperspiranter är mer troliga orsaker till toxicitet. Det har föreslagits att aluminium kan vara kopplat till Alzheimers sjukdom, även om den forskningen nyligen har tillbakavisats.
7 Stavning
Den officiella IUPAC-stämpeln för grundämnet är aluminium; amerikaner och kanadensare stavar och uttalar det dock i allmänhet aluminium. År 1808 föreslog Humphry Davy ursprungligen alumium som namn på denna då oupptäckta metall, men fyra år senare beslutade han att ändra namnet till aluminium. Denna ändring accepterades i Amerika, men ifrågasattes i Storbritannien eftersom den inte överensstämde med -ium-suffixet som föregicks av kalium, natrium, magnesium, kalcium och strontium (alla upptäckta av Davy). Därför blev stavningen aluminium den vanligaste i Storbritannien. USA fortsatte att använda aluminium även om det officiella namnet som användes i både USA och Storbritannien inom kemin förblev aluminium. År 1926 beslutade American Chemical Society officiellt att använda aluminium i sina publikationer.
IUPAC antog 1990 aluminium som internationellt standardnamn för grundämnet. Aluminium är också det namn som används på franska, nederländska, tyska, danska, norska och svenska; på italienska används alluminio, på portugisiska alumínio och på spanska aluminio. (Användningen av dessa ord på dessa andra språk är en av anledningarna till att IUPAC valde aluminium framför aluminium). 1993 erkände IUPAC aluminium som en godtagbar variant, men föredrar fortfarande användningen av aluminium.