aluminij
Aluminij (lat. aluminium) je kemijski element u Periodnom sustavu elemenata, koji ima oznaku Al i protonski broj 13. Pripada metali s niskom gustoćom. Aluminij je treći najrasprostranjeniji element u zemljinoj kori (8,13 %). Veću prisutnost ima već samo kisik 46,60 % i silicij 22,72 %. S ostalim elementima stvara više spojenih tvari koje značajno doprinose izgradnji zemljine kore. Najbrojnijom skupinom su silikati i aluminosilikati (kaolinit), koji su i njegove najplodnije izvore. Najplodnija rudarska sirovina je boksit Al2O3 . nH2O, osim toga se pojavljuje u obliku aluminijevog oksida te kao mineral korund.
Povijest
Aluminij je otkrio godine 1827 njemački kemik i liječnik Friedrich Wöhler. Aluminij je tada bio rijetki metal. Koristio se za ukrašavanje. Na uniformama vojnika vojske Napoleona III. svjetlile su se aluminijevi gumbi. Njegova cijena je pala kada su u Švicarskoj izgradile prvu tvornicu za proizvodnju aluminija. Zbog svoje lagodnosti počeo je zamjenjivati željezo i druge metale. Najveću upotrebu ima tamo gdje je potrebna visoka čvrstoća uz nisku težinu - letjelica, obložne ploče, tlakovo lijevane komponente, posebno za automobilsku industriju...
Priprema osnovnih sirovina
Osnovni ulaz za proizvodnju aluminija je čist aluminijev oksid Al2O3, koji se dobiva čišćenjem boksita, koji je obično zagađen različitim oksidima, najčešće oksidima tita, željeza i silicija. Proces čišćenja boksita se izvodi pomoću natrijevog hidroksida pod tlakom. K tako očištenom Al2O3 dodaje se kriolit Na3[AlF6] i fluorit CaF2, kako bi se smanjila temperatura taljenja. Za odvajanje aluminijevog oksida od željeznog hidroksida koristi se i amfoterni karakter aluminijevog hidroksida Al(OH)3. Željezni hidroksid nema amfoterni karakter i stoga se ne rastvara u alkalnom hidroksidu. Iz toga proizlazi da ako dodamo alk. hidroksid, npr. kalijev hidroksid KOH, dolazi samo do rastvaranja Al(OH)3. Rezultirajući filtrat će sadržavati katjone aluminija Al3+, koje možemo jednostavno pretvoriti opet u aluminijev hidroksid. Iz njega sušenjem dobivamo aluminijev oksid.
Proizvodnja
K taljenju dolazi u električnoj peći elektrolitičkim procesom. Pri elektrolizi se koristi jednosmjerni struj. Priključak elektrode je izrađen od smjese uglja, koksa i dehta. Katoda je ploča, kojom su obloženi zidovi peći, anoda je povezak 6 do 12 ugljanih elektroda (grafitne štapiće). Kupa je 20% rastvor Al2O3, koji je izložen elektrolizi. Dolazi do kemijske reakcije: elektroliza tavišta.
- Al2O3 → 2Al3+ + 3O2−
- Anoda
- O2− - 2e− → O20
- O2 + C → CO2
- Katoda
- Al3+ + 3e− → Al0
Na ugljanim elektrodama se iz kupele izdvaja kisik, koji odmah reagira s ugljikom, uz stvaranje ugljik(IV)oksida CO2. Na katodnim pločicama, kojima je obložena peć, izdvaja se čisti aluminij u obliku tavišta. Tavište se kasnije lijeva u glinenim kalupima. Proizvodnja aluminija je vrlo energijski zahtjevna.
Amfoterni karakter Al, Al2O3 i Al(OH)3
Amfoterni karakter znači da reaguje i s kiselinom, i s bazom.
- reakcija s hidroksidnim anionom OH-
Al3+ → Al(OH)3 (S) → [Al(OH)4]-
Al(OH)3 (S) - nastaje bijeli mlečan
- reakcija s kationom H3O+
[Al(OH)4]- → Al(OH)3 (S) → AI3+
Proizvodnja u Slovačkoj
U arealu hlinikarne u Žiaru nad Hronom u firmi Slovalco, (većinski vlasnik Hydro) se proizvodi aluminij i njegove legure za dalju obradu.[1] Npr. firma Hydro Extrusion Slovakia proizvodi i prodaje aluminijevu foliju, pritisnute profile, građevinske sisteme.[2] Druge firme djelujući u Žiaru su proizvođači i dobavljači u automobilskoj, potrošačkoj i građevinskoj industriji: Nemak, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar.
U Slovačkoj tehnologije za industrijsku seriju proizvodnje raznih dijelova od aluminijevog metalnog pume razvili su znanstvenici pod vodstvom Františka Simančíka iz Instituta za materijale i mehaniku strojeva SAV. Te tehnologije su zaštićene svjetskim patentima.[3]
Svojstva i upotreba
Aluminij je otporan na koroziju i zapaljen izgoreva u aluminijev oksid Al2O3. U svim okolnostima osim kiselim je neškodljiv, u kiselim se rastvara (kiseli krumpir, čaj). Zbog toksičnih i kancerogenih učinaka (zamjenjuje metale u metalproteina) zabranjeno je upotrebljavati aluminijev posuđe.
Upotrebljava se pretežno kod aluminotermije - to je način dobivanja metala iz njihovih oksida, pri čemu se koristi redukcija aluminija.
npr. Fe2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Fe
Druge upotrebe aluminija - proizvodnja alobala, kod proizvodnje polietilena i legura.
Proizvodnja legura ima upotrebu u rudarskoj industriji kod proizvodnje prijevoznih sredstava i raznih laganih konstrukcija.
Najpoznatijom aluminijevom legurom je dural (iz engl. durable aluminium), koji je legura aluminija s bakrom i magnezijem (Al-Cu4-Mg). Glavno upotrebljavanje durala bilo je u letjelici. Svoje mjesto je u prošlosti pronašao kod proizvodnje kućanskih predmeta, kao što su prijedlovi i posuđe - zamijenio ga je skuplji antikoro. Često se koristi u elektrotehnici zbog njegove dobre električne vodljivosti i niže cijene, nego bakar, gdje se iz aluminijevih legura proizvode vodiči. Upotrebljava se u užadima za visokonaponske mreže (električna mreža). U stambenim mrežama prestao se upotrebljavati na kraju 80-ih godina. Razlog je što aluminij pri tlaku „odteče“ - zavrtene električne veze s aluminijevim vodičima treba dodatno zategnuti, inače s vremenom dolazi do izgubljenog električnog kontakta. Upotrebljava se također njegova vrlo dobra toplovodljivost za proizvodnju raznih hladnjaka i toplinskih izmjenjivača. U građevinarstvu se koristi za obložne ploče. Aluminij je malo otporan na vremenske utjecaje, stoga se mora površinski obraditi - eloksidiranjem (elektrokemijski se na njegovoj površini stvara sloj oksida, koji je otporan i može se bojiti i polirati).
Osim toga se upotrebljavaju dragi kamen vrste korunda Al2O3 - rubin i zafir. Al2O3 služi i za proizvodnju šmirgla papira.
U medicini se upotrebljava npr. aluminijev acetat Al(CH3COO)3 - sol octene kiseline; kao kompres protiv upala.
Značajan je i keramički prijevoz - proizvodnja porcelana i grubog keramika. Osnovna komponenta je kaolinit (sadrži mineral kaolinit). Porcelan se dobiva sagorevanjem smjese kaolinita i drobljenog živaca s kvarcom (poznat je karlovarski porcelan). Iz grube keramike se proizvodi npr. vatrena keramika, krovni pločevi, kamena posuđe, cvjetnici, cjevovodi, itd.
Soli Al3+ nalaze se u pici, u lijekovima (acylpirin, superpirin - smanjuju draženje želuca), u prašku za pečenje, na mrazene voće i povrće (zbog izgleda), sušenje šljokice, sušeno mleko, instant kafa itd.
U industriji ima značaj proizvodnja metalne pume, tzv. punjeni aluminij, koji ima povoljan omjer čvrstoće prema težini (npr. ploča od aluminijevog punjenja u usporedbi s aluminijevom folijom iste težine ima značajno veću savijenu čvrstoću). Puma je bolja za tlačenje vibracija i zvuka, koji je uzrokovano titranjem dijela kao pri njegovom lijevanju iz punog aluminija.