HLINÍK: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, ZÍSKAVANIE, POUŽITIA - CHÉMIA - 2025

Hliník je kovový prvok, ktorý patrí do (III A) skupiny 13 periodickej tabuľky prvkov, a ktorý je reprezentovaný symbolom A. Jedná sa o ľahký kov s nízkou hustotou a tvrdosťou. Niektorí vedci ho kvôli svojim amfotérnym vlastnostiam klasifikovali ako metaloid.

Je to tvárný a veľmi poddajný kov, a preto sa používa na výrobu drôtov, tenkých hliníkových plechov, ako aj akéhokoľvek druhu predmetu alebo postavy; napríklad známe plechovky s ich zliatinami alebo hliníková fólia, v ktorej sú balené potraviny alebo dezerty.

Vlnitá hliníková fólia, jeden z najjednoduchších a najbežnejších predmetov vyrobených z tohto kovu. Zdroj: Pexels.

Kamenec (hydratovaný síran hlinito-draselný) sa používa už od pradávna v medicíne, pri činení kože a ako moridlo na farbenie tkanín. Preto sú jej minerály známe navždy.

Hliník ako kov však izoloval veľmi neskoro, v roku 1825, Øerstedom, čo viedlo k vedeckej činnosti, ktorá umožňovala jeho priemyselné využitie. V tom okamihu bol hliník kovom s najvyššou produkciou na svete po železe.

Hliník sa nachádza hlavne v hornej časti zemskej kôry a predstavuje 8% hmotnosti. Zodpovedá jeho tretiemu najhojnejšiemu prvku, ktorý je vo svojich kremičitých a silikátových mineráloch prekonaný kyslíkom a kremíkom.

Bauxit je združenie minerálov, medzi ktoré patria: oxid hlinitý (oxid hlinitý) a oxidy kovov železa, titánu a kremíka. Predstavuje hlavný prírodný zdroj pri ťažbe hliníka.

histórie

kamenec

V Mezopotámii, 5 000 rokov pred naším letopočtom. C. Keramiku už vyrobili z hliny, ktorá obsahovala zlúčeniny hliníka. Medzitým pred 4000 rokmi Babyloňania a Egypťania používali v niektorých chemických zlúčeninách hliník.

Prvý písomný dokument vzťahujúci sa na kamenec bol vyrobený gréckym historikom Herodotusom v 5. storočí pred naším letopočtom. Kamenec sa používal ako moridlo pri farbení tkanín a na ochranu dreva, s ktorým boli navrhnuté pevnostné dvere, pred požiarmi.

Rovnakým spôsobom, Pliny „Starší“ v 1. storočí označuje kamenec, dnes známy ako kamenec, ako látku používanú v medicíne a moridlo.

Od 16. storočia sa kamenec používal na činenie kože a na glejenie papiera. Bola to želatínová látka, ktorá dáva papieru konzistenciu a umožňuje jeho použitie v písomnej forme.

V roku 1767 švajčiarsky chemik Torbern Bergman dosiahol syntézu kamenca. Za týmto účelom zahrial moonit kyselinou sírovou a potom pridal do roztoku potaš.

Uznanie v alumine

V roku 1782 francúzsky chemik Antoine Lavoisier poukázal na to, že oxid hlinitý (Al ₂ O ₃ ) je oxidom určitého prvku. To má takú afinitu k kyslíku, že jeho oddelenie bolo ťažké. Lavoisier preto predpovedal existenciu hliníka.

Neskôr, v roku 1807, anglický chemik Sir Humphry Davy podrobil alumínu elektrolýze. Avšak spôsob, ktorý použil, vytvoril zliatinu hliníka s draslíkom a sodíkom, takže nemohol kov izolovať.

Davy poznamenal, že alumina má kovový základ, ktorý pôvodne označoval ako „alumium“ na základe latinského slova „alumen“, ktorý sa používa ako alum. Davy neskôr zmenil názov na „hliník“, súčasné anglické meno.

V roku 1821 sa nemeckému chemikovi Eilhardovi Mitscherlichovi podarilo objaviť správny vzorec pre oxid hlinitý: Al ₂ O ₃ .

Izolácia

V tom istom roku francúzsky geológ Pierre Berthier objavil v ložisku červenkastého ílu vo Francúzsku v oblasti Les Baux minerál hliníka. Berthier označil minerál za bauxit. Tento minerál je v súčasnosti hlavným zdrojom hliníka.

V roku 1825 dánsky chemik Hans Christian Øersted vyrobil kovovú tyč z údajného hliníka. Popísal to ako „kus kovu, ktorý vyzerá trochu ako cínová farba a lesk.“ Oersted bol schopný dosiahnuť znížením chlorid hlinitý, chlorid hlinitý ₃ , s amalgámu draslíka.

Predpokladalo sa však, že výskumný pracovník nezískal čistý hliník, ale zliatinu hliníka a draslíka.

V roku 1827 sa nemeckému chemikovi Friedrichovi Wöehlerovi podarilo vyrobiť asi 30 gramov hliníkového materiálu. Potom, po 18 rokoch vyšetrovacej práce, dosiahol Wöehler v roku 1845 výrobu guľôčok veľkosti hlavy špendlíka s kovovým leskom a šedivou farbou.

Wöehler dokonca opísal niektoré vlastnosti kovu, ako je farba, merná hmotnosť, ťažnosť a stabilita.

Priemyselná produkcia

V roku 1855 francúzsky chemik Henri Sainte-Claire Deville vylepšil Wöehlerovu metódu. K tomu sa používa redukcia chloridu hlinitého alebo aluminium chloridu sodného s kovovým sodíkom, s použitím kryolit (Na ₃ alf ₆ ) ako tok.

To umožnilo priemyselnú výrobu hliníka vo francúzskom Rouene a medzi rokmi 1855 a 1890 sa dosiahla výroba 200 ton hliníka.

V roku 1886 francúzsky inžinier Paul Héroult a americký študent Charles Hall nezávisle vytvorili metódu výroby hliníka. Táto metóda spočíva v elektrolytickej redukcii oxidu hlinitého v roztavenom kryolite pomocou jednosmerného prúdu.

Metóda bola efektívna, ale mala problém vysokej spotreby elektrickej energie, ktorá spôsobila drahšiu výrobu. Héroult vyriešil tento problém založením svojho priemyslu v Neuhausen (Švajčiarsko), čím využil Rýnske vodopády ako generátory elektrickej energie.

Hall sa pôvodne usadil v Pittsburgu (USA), neskôr sa však presťahoval do priemyselného odvetvia neďaleko vodopádov Niagara Falls.

Nakoniec v roku 1889 Karl Joseph Bayer vytvoril spôsob výroby oxidu hlinitého. Spočíva v zohrievaní bauxitu v uzavretej nádobe s alkalickým roztokom. Počas procesu zahrievania sa alumínová frakcia regeneruje v soľnom roztoku.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

Fyzický vzhľad

Hliníkový kovový vedro. Zdroj: Carsten Niehaus

Strieborná šedá pevná látka s kovovým leskom (horný obrázok). Je to mäkký kov, ale stvrdne malým množstvom kremíka a železa. Okrem toho sa vyznačuje tým, že je veľmi ťažký a poddajný, pretože je možné vyrobiť hliníkové plechy s hrúbkou až 4 mikróny.

Atómová hmotnosť

26,981 u

Atómové číslo (Z)

13

Bod topenia

660,32 ° C

Bod varu

2 470 ° C

Hustota

Okolitá teplota: 2,70 g / ml

Teplota topenia (kvapalina): 2,375 g / ml

Jeho hustota je v porovnaní s inými kovmi značne nízka. Z tohto dôvodu je hliník celkom ľahký.

Teplo fúzie

10,71 kJ / mol

Odparovacie teplo

284 kJ / mol

Molárna kalorická kapacita

24,20 J / (mol K)

electronegativity

1,61 v Paulingovej stupnici

Ionizačná energia

-Prvé: 577,5 kJ / mol

-Sekunda: 1 816,7 kJ / mol

-Third: 2744,8 kJ / mol

Tepelná rozťažnosť

23,1 um / (mK) pri 25 ° C

Tepelná vodivosť

237 W / (m K)

Hliník má trojnásobnú tepelnú vodivosť ako oceľ.

Elektrický odpor

26,5 nΩ m pri 20 ° C

Jeho elektrická vodivosť je 2/3 vodivosti medi.

Magnetické usporiadanie

paramagnetický

tvrdosť

2,75 na Mohsovej stupnici

reaktivita

Hliník je odolný voči korózii, pretože keď sú vystavené vzduchu, tenká vrstva Al ₂ O ₃ oxidu , ktorá vznikne na jeho povrchu bráni oxidácii z pokračujúcej vnútri kovu.

V kyslých roztokoch reaguje s vodou za vzniku vodíka; zatiaľ čo v alkalických roztokoch, že tvoria hlinitany ión (ALO ₂ ^- ).

Zriedené kyseliny ju nemôžu rozpustiť, ale môžu byť v prítomnosti koncentrovanej kyseliny chlorovodíkovej. Hliník je však odolný voči koncentrovanej kyseline dusičnej, aj keď je hydroxidom napadnutý za vzniku vodíka a hlinitanového iónu.

Práškový hliník sa spaľuje v prítomnosti kyslíka a oxidu uhličitého za vzniku oxidu hlinitého a karbidu hliníka. Môže byť skorodovaná chloridom prítomným v roztoku chloridu sodného. Z tohto dôvodu sa neodporúča použitie hliníka v rúrkach.

Hliník je oxidovaný vodou pri teplotách pod 280 ° C.

2 Al (s) + 6 H ₂ O (g) => 2AL (OH) ₃ (s) + 3H ₂ (g) + teplo

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Hliník je kovovým prvkom (s niektorými metalloidovými farbivami), jeho atómy Al navzájom interagujú vďaka kovovej väzbe. Táto nesmerová sila sa riadi jej valenčnými elektrónmi, ktoré sú rozptýlené po celom kryštáli vo všetkých jeho rozmeroch.

Podľa elektronickej konfigurácie hliníka sú tieto valenčné elektróny nasledujúce:

3s ² 3p ¹

Preto je hliník trojmocný kov, pretože má tri valenčné elektróny; dva v 3s orbitálnej a jeden v 3p. Tieto orbitaly sa prekrývajú a vytvárajú molekulárne orbitály 3s a 3p, tak blízko seba, že nakoniec tvoria vodivé pásy.

Pásmo s je plné, zatiaľ čo p pásmo má veľa voľných miest pre viac elektrónov. Preto je hliník dobrým vodičom elektriny.

Kovová väzba hliníka, polomer jeho atómov a jeho elektronické charakteristiky definujú kryštál z fcc (kubický centrom centrovaný). Takýto kryštál FCC je zrejme jediným známym alotrópom hliníka, takže určite vydrží vysoké tlaky, ktoré naň pôsobia.

Oxidačné čísla

Elektronická konfigurácia hliníka okamžite naznačuje, že je schopný stratiť až tri elektróny; to znamená, že má vysokú tendenciu tvoriť katión ^Al3 + . Ak sa predpokladá existencia tohto katiónu v zlúčenine odvodenej od hliníka, hovorí sa, že má oxidačné číslo +3; ako je dobre známe, toto je najbežnejšie pre hliník.

Pre tento kov však existujú iné možné, ale zriedkavé oxidačné čísla; ako je napríklad: -2 (AI ² ), 1 (AI ^- ), 1 (AI ⁺ ) a 2 (AI ²⁺ ).

Al ₂ O ₃ , napríklad, hliník má číslo oxidácie +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ² ); zatiaľ čo v Ali a AlO, +1 (Al ⁺ F ^- ) a +2 (Al ²⁺ O ² ), v danom poradí. Avšak za normálnych podmienok alebo situácií je Al (III) alebo +3 zďaleka najhojnejšie oxidačné číslo; pretože Al ³⁺ je izoelektronický pre neónový vzácny plyn.

Preto sa v školských učebniciach vždy predpokladá az dobrého dôvodu hliník ako jediný číslo alebo oxidačný stav +3.

Kde nájsť a získať

Hliník je koncentrovaný vo vonkajšom okraji zemskej kôry, čo je jeho tretí prvok, ktorý prevyšuje iba kyslík a kremík. Hliník predstavuje 8% hmotnosti zemskej kôry.

Nachádza sa v vyvrelých horninách, najmä: hlinitokremičitany, živce, živce a sľudy. Aj v červenkastých íloch, ako je to v prípade bauxitu.

- Bauxity

Bauxitová baňa. Zdroj: Používateľ: VargaA

Bauxity sú zmesou minerálov, ktoré obsahujú hydratovaný oxid hlinitý a nečistoty; ako sú oxidy železa a titánu a oxid kremičitý, s nasledujúcimi hmotnostnými percentami:

-Na ₂ O ₃ 35 až 60%

Fe ₂ O ₃ 10 až 30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

H ₂ O ústavy 12-30%.

Oxid hlinitý sa nachádza v bauxite v hydratovanej forme s dvoma variantmi:

-monohydrates (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), ktoré majú dve kryštalografickej formy, Boemia a diaspór

-Trihydrates (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), v zastúpení gibbsit.

Bauxit je hlavným zdrojom hliníka a dodáva väčšinu hliníka získaného ťažbou.

- Hliníkové usadeniny

O zmene

Najmä Bauxites tvorená 40-50% Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ a 3-10% SiO ₂ .

hydrotermálne

Alunite.

Magmatic

Hliníkové horniny, ktoré majú minerály, ako sú syenit nefelín a anorthites (20% Al ₂ O ₃ ).

metamorfická

Kremičitany hlinité (Andalusit, sillimanit a kyanit).

Detritics

Ložiská kaolínu a rôzne íly (32% Al ₂ O ₃ ).

- Využívanie bauxitu

Bauxit sa ťaží pod holým nebom. Hneď ako sa zhromaždia horniny alebo íly, ktoré ich obsahujú, rozdrvia sa a melú sa v guľových a tyčových mlynoch, až kým nedosiahnu častice s priemerom 2 mm. V týchto procesoch zostáva ošetrený materiál zvlhčený.

Pri získavaní aluminy sa postupuje podľa postupu, ktorý vytvoril Bayer v roku 1989. Mletý bauxit sa štiepi pridaním hydroxidu sodného za vzniku solubilizovaného hlinitanu sodného; zatiaľ čo znečisťujúce látky oxidy železa, titánu a kremíka zostávajú v suspenzii.

Znečisťujúce látky sa dekantujú a trihydrát oxidu hlinitého sa vyzráža z hlinitanu sodného ochladením a zriedením. Následne sa trihydrát oxidu hlinitého vysuší, čím sa získa bezvodý oxid hlinitý a voda.

- Elektrolýza oxidu hlinitého

Na získanie hliníka sa alumina podrobuje elektrolýze, zvyčajne podľa metódy, ktorú vytvoril Hall-Héroult (1886). Tento proces spočíva v redukcii roztaveného oxidu hlinitého na kryolit.

Kyslík sa viaže na uhlíkovú anódu a uvoľňuje sa ako oxid uhličitý. Medzitým sa uvoľnený hliník ukladá na spodok elektrolytického článku, kde sa hromadí.

zliatiny

Hliníkové zliatiny sa zvyčajne označujú štyrmi číslami.

1xxx

Kód 1xxx zodpovedá hliníku s 99% čistotou.

2xxx

Kód 2xxx zodpovedá zliatine hliníka a medi. Sú to silné zliatiny, ktoré sa používali v leteckých vozidlách, ale praskali pred koróziou. Tieto zliatiny sú známe ako dural.

3xxx

Kód 3xxx sa vzťahuje na zliatiny, v ktorých sa do hliníka pridáva mangán a malé množstvo horčíka. Sú to zliatiny veľmi odolné proti opotrebeniu, pričom sa pri príprave kuchynského riadu používajú zliatiny 3003 a 3004 v nápojových plechovkách.

4xxx

Kód 4xxx predstavuje zliatiny, v ktorých sa kremík pridáva k hliníku, čo znižuje teplotu topenia kovu. Táto zliatina sa používa na výrobu zváracích drôtov. Zliatina 4043 sa používa pri zváraní automobilov a konštrukčných prvkov.

5xxx

Kód 5xxx sa vzťahuje na zliatiny, v ktorých sa horčík primárne pridáva k hliníku.

Sú to silné zliatiny odolné voči korózii morskej vody, ktoré sa používajú na výrobu tlakových nádob a na rôzne morské aplikácie. Zliatina 5182 sa používa na výrobu viečok plechoviek zo sódy.

6xxx

Kód 6xxx sa vzťahuje na zliatiny, v ktorých sa kremík a horčík pridávajú do zliatiny s hliníkom. Tieto zliatiny sú odlievateľné, zvárateľné a odolné proti korózii. Najbežnejšia zliatina v tejto sérii sa používa v architektúre, rámoch bicyklov a konštrukcii telefónu iPhone 6.

7xxx

Kód 7xxx označuje zliatiny, v ktorých sa zinok pridáva do hliníka. Tieto zliatiny, tiež známe ako Ergal, sú odolné proti rozbitiu a majú veľkú tvrdosť, používajú zliatiny 7050 a 7075 v konštrukcii lietadiel.

riziká

Priama expozícia

Kontakt s práškom hliníka môže spôsobiť podráždenie pokožky a očí. Dlhodobé vysoké vystavenie hliníku môže spôsobiť príznaky podobné chrípke, bolesti hlavy, horúčku a zimnicu; Okrem toho sa môže vyskytnúť bolesť a napätie na hrudníku.

Vystavenie jemnému hliníkovému prachu môže spôsobiť jazvy na pľúcach (pľúcna fibróza) so symptómami kašľa a dýchavičnosti. OSHA stanovila limit 5 mg / m ³ pre vystavenie hliníkovému prachu v 8-hodinovom pracovnom dni.

Hodnota biologickej tolerancie pri pracovnom vystavení hliníku bola stanovená na 50 µg / g kreatinínu v moči. K zníženiu účinnosti v neuropsychologických testoch dochádza, keď koncentrácia hliníka v moči prekročí 100 µg / g kreatinínu.

Rakovina prsníka

Hliník sa používa ako hydrochlorid hliníka v antiperspiračných dezodorantoch, ktoré sa spájajú s rozvojom rakoviny prsníka. Tento vzťah však nebol okrem iného jasne stanovený, pretože absorpcia hydrochloridu hlinitého v pokožke je iba 0,01%.

Neurotoxické účinky

Hliník je neurotoxický a u ľudí s pracovnou expozíciou je spojený s neurologickými chorobami, ktoré zahŕňajú Alzheimerovu chorobu.

Mozog pacientov s Alzheimerovou chorobou má vysokú koncentráciu hliníka; nie je však známe, či je príčinou alebo dôsledkom choroby.

Prítomnosť neurotoxických účinkov bola stanovená u dialyzovaných pacientov. Pri tomto postupe sa ako fosfátové spojivo použili soli hliníka, ktoré produkovali vysoké koncentrácie hliníka v krvi (> 100 ug / l plazmy).

Postihnutí pacienti mali dezorientáciu, problémy s pamäťou a v pokročilom štádiu demenciu. Neurotoxicita hliníka je vysvetlená, pretože mozog je ťažko eliminovateľný a ovplyvňuje jeho fungovanie.

Hliníkový prívod

Hliník je prítomný v mnohých potravinách, najmä v čaji, korení a vo všeobecnosti v zelenine. Európsky úrad pre bezpečnosť potravín (EFSA) stanovil limit tolerancie pre príjem hliníka v potravinách 1 mg / kg telesnej hmotnosti denne.

V roku 2008 EFSA odhadol, že denný príjem hliníka v potravinách sa pohyboval medzi 3 a 10 mg za deň, a preto sa dospelo k záveru, že nepredstavuje zdravotné riziko; ako aj použitie hliníkového riadu na varenie jedla.

aplikácia

- Ako kov

elektrický

Hliník je dobrý elektrický vodič, a preto sa používa v zliatinách v elektrických prenosových vedeniach, motoroch, generátoroch, transformátoroch a kondenzátoroch.

budova

Hliník sa používa na výrobu dverových a okenných rámov, priečok, plotov, náterov, tepelných izolátorov, stropov atď.

doprava

Hliník sa používa na výrobu dielov pre automobily, lietadlá, nákladné autá, bicykle, motocykle, člny, kozmické lode, železničné automobily atď.

kontajnery

Hliníkové plechovky na rôzne druhy potravín. Zdroj: Pxhere.

Hliník sa používa na výrobu nápojových plechoviek, sudov na pivo, podnosov atď.

Domov

Hliníkové vedrá. Zdroj: Pexels.

Hliník sa používa na výrobu kuchynského riadu: hrnce, panvice, panvice a baliaci papier; okrem nábytku, svietidiel atď.

Reflexná sila

Hliník účinne odráža žiarivú energiu; od ultrafialového svetla po infračervené žiarenie. Reflexná sila hliníka vo viditeľnom svetle je okolo 80%, čo umožňuje jeho použitie ako tieňa v lampách.

Hliník si okrem toho zachováva svoju reflexnú charakteristiku striebra aj vo forme jemného prášku, takže ho možno použiť pri výrobe strieborných farieb.

- zlúčeniny hliníka

oxid hlinitý

Používa sa na výrobu kovového hliníka, izolátorov a zapaľovacích sviečok. Po zahriatí oxidu hlinitého sa vytvorí pórovitá štruktúra, ktorá absorbuje vodu, používa sa na vysúšanie plynov a slúži ako sedadlo na pôsobenie katalyzátorov pri rôznych chemických reakciách.

Síran hlinitý

Používa sa pri výrobe papiera a ako povrchové plnivo. Síran hlinitý slúži na vytvorenie kamenca hlinitého draselného. Toto je najpoužívanejší kamenec as mnohými aplikáciami; ako je výroba liekov, farieb a moridiel na farbenie tkanín.

Chlorid hlinitý

Je to najpoužívanejší katalyzátor pri Friedel-Craftsových reakciách. Sú to syntetické organické reakcie používané pri príprave aromatických ketónov a antrachinónu. Hydratovaný chlorid hlinitý sa používa ako lokálny antiperspirant a dezodorant.

Hydroxid hlinitý

Používa sa na nepremokavé textílie a na výrobu hlinitanov.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Hliník. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Hliník. PubChem Database. CID = 5359268. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminium
4. Editori encyklopédie Britannica. (13. januára 2019). Hliník. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
5. UC Rusal. (SF). Hliníková história. Zozbierané z: aluminiumeader.com
6. Univerzita Oviedo. (2019). Hliníková metalurgia. , Získané z: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. februára 2019). Hliník alebo zliatiny hliníka. Získané z: thinkco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Účinky vystavenia hliníka na zdravie. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10,3238 / arztebl.2017,0653
9. Elsevier. (2019). Hliníkové zliatiny. Obnovené z: sciposedirect.com
10. Natalia GM (16. januára 2012). Dostupnosť hliníka v potravinách. Získané z: consumer.es