HLINÍK: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, ZÍSKÁVÁNÍ, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Hliník je kovový prvek, který patří do (III A) skupiny 13 periodické tabulky prvků, a který je reprezentován symbolem A. Jedná se o lehký kov s nízkou hustotou a tvrdostí. Vzhledem k jeho amfoterním vlastnostem byl některými vědci klasifikován jako metaloid.

Jedná se o tvárný a velmi tvárný kov, a proto se používá k výrobě drátu, tenkých hliníkových plechů, jakož i jakéhokoli druhu předmětu nebo postavy; například slavné plechovky s jejich slitinami nebo hliníková fólie, pomocí které jsou baleny potraviny nebo dezerty.

Zmačkaná hliníková fólie, jeden z nejjednodušších a nej každodennějších předmětů vyrobených z tohoto kovu. Zdroj: Pexels.

Kamenec (hydratovaný síran hlinito-draselný) se už od pradávna používá v medicíně, činění kůže a jako mořidlo na barvení tkanin. Jeho minerály jsou tedy známy věčně.

Hliník jako kov byl však izolován velmi pozdě, v roce 1825, Øerstedem, což vedlo k vědecké činnosti, která umožňovala jeho průmyslové využití. V té chvíli byl hliník kovem s nejvyšší produkcí na světě, po železě.

Hliník se nachází hlavně v horní části zemské kůry a tvoří 8% hmotnosti. Odpovídá svému třetím nejhojnějším prvkům, který je ve svých křemičitých a křemičitanových minerálech překonán kyslíkem a křemíkem.

Bauxit je sdružení minerálů, mezi nimiž jsou: oxid hlinitý (oxid hlinitý) a oxidy kovů železa, titanu a křemíku. Představuje hlavní přírodní zdroj pro těžbu hliníku.

Dějiny

Kamenec

V Mezopotámii, 5000 let před naším letopočtem. C. Keramiku již vyráběli z jílu, který obsahoval sloučeniny hliníku. Mezitím před 4000 lety Babyloňané a Egypťané používali v některých chemických sloučeninách hliník.

První písemný dokument vztahující se k kamenci byl vyroben herodotem, řeckým historikem, v 5. století před naším letopočtem. Kamenec byl používán jako mořidlo při barvení tkanin a při ochraně dřeva, s nímž byly navrženy dveře pevností, před požáry.

Stejně tak Pliny „Starší“ v 1. století označuje kamenec, dnes známý jako kamenec, jako látku používanou v medicíně a mořidlo.

Od 16. století se kamenec používal při činění kůže a jako papír pro klížení. Byla to želatinová látka, která dala papíru konzistenci a umožnila jeho použití v písemné formě.

V 1767, švýcarský chemik Torbern Bergman dosáhl syntézy kamence. Za tímto účelem zahřál moonite kyselinou sírovou a poté do roztoku přidal potaš.

Uznávání v alumině

V roce 1782 francouzský chemik Antoine Lavoisier zdůraznil, že oxid hlinitý (Al ₂ O ₃) je oxidem některého prvku. To má takovou afinitu k kyslíku, že jeho separace byla obtížná. Lavoisier proto předpověděl existenci hliníku.

Později, v roce 1807, anglický chemik Sir Humphry Davy podrobil aluminu elektrolýze. Metoda, kterou použil, však vytvořila slitinu hliníku s draslíkem a sodíkem, takže nemohl kov izolovat.

Davy poznamenal, že alumina měla kovový základ, který původně označil jako „alumium“, na základě latinského slova „alumen“, což je název používaný pro alum. Davy později změnil název na „hliník“, současné anglické jméno.

V roce 1821 se německému chemikovi Eilhardovi Mitscherlichovi podařilo objevit správný vzorec pro oxid hlinitý: Al ₂ O ₃.

Izolace

Ve stejném roce objevil francouzský geolog Pierre Berthier minerál hliníku v ložisku načervenalé jílové horniny ve Francii v oblasti Les Baux. Berthier označil minerál za bauxit. Tento minerál je v současné době hlavním zdrojem hliníku.

V roce 1825 vyrobil dánský chemik Hans Christian Øersted kovovou tyč z předpokládaného hliníku. Popsal to jako „kus kovu, který vypadá trochu jako cínová barva a lesk.“ Oersted byl schopen dosáhnout snížením chlorid hlinitý, chlorid hlinitý ₃, s amalgámu draslíku.

Předpokládalo se však, že výzkumný pracovník nezískal čistý hliník, ale slitinu hliníku a draslíku.

V roce 1827 se německému chemikovi Friedrichovi Wöehlerovi podařilo vyrobit asi 30 gramů hliníkového materiálu. Poté, po 18 letech vyšetřovací práce, dosáhl Wöehler v roce 1845 výroby kulovitých kuliček velikosti hlavy špendlíku, s kovovým leskem a šedivou barvou.

Wöehler dokonce popsal některé vlastnosti kovu, jako je barva, měrná hmotnost, tažnost a stabilita.

Průmyslová produkce

V roce 1855 francouzský chemik Henri Sainte-Claire Deville vylepšil Wöehlerovu metodu. K tomu použil redukci chloridu hlinitého nebo chloridu hlinitého s kovovým sodíkem, za použití kryolitu (Na ₃ AlF ₆).

To umožnilo průmyslovou výrobu hliníku ve francouzském Rouenu a v letech 1855 až 1890 bylo dosaženo výroby 200 tun hliníku.

V roce 1886 francouzský inženýr Paul Héroult a americký student Charles Hall nezávisle vytvořili metodu výroby hliníku. Metoda spočívá v elektrolytické redukci oxidu hlinitého v roztaveném kryolitu za použití stejnosměrného proudu.

Metoda byla efektivní, ale měla problém s vysokým požadavkem na elektřinu, což zvýšilo cenu výroby. Héroult tento problém vyřešil založením svého odvětví v Neuhausenu (Švýcarsko), čímž využil Rýnské vodopády jako generátory elektřiny.

Hall se původně usadil v Pittsburgu (USA), později však přemístil svůj průmysl poblíž vodopádů Niagara Falls.

Nakonec v roce 1889 Karl Joseph Bayer vytvořil způsob výroby oxidu hlinitého. To spočívá v ohřevu bauxitu v uzavřené nádobě s alkalickým roztokem. Během procesu zahřívání se frakce aluminy izoluje v solném roztoku.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Fyzický vzhled

Hliníkový kovový kbelík. Zdroj: Carsten Niehaus

Stříbrošedá pevná látka s kovovým leskem (horní obrázek). Je to měkký kov, ale ztuhne malým množstvím křemíku a železa. Kromě toho se vyznačuje tím, že je velmi tažný a tvárný, protože lze vyrobit hliníkové plechy o tloušťce až 4 mikrony.

Atomová hmotnost

26,981 u

Atomové číslo (Z)

13

Bod tání

660,32 ° C

Bod varu

2 470 ° C

Hustota

Okolní teplota: 2,70 g / ml

Teplota tání (kapalina): 2,375 g / ml

Jeho hustota je ve srovnání s jinými kovy značně nízká. Z tohoto důvodu je hliník docela lehký.

Teplo fúze

10,71 kJ / mol

Odpařovací teplo

284 kJ / mol

Molární kalorická kapacita

24,20 J / (mol K)

Elektronegativita

1,61 v Paulingově stupnici

Ionizační energie

-První: 577,5 kJ / mol

-Second: 1 816,7 kJ / mol

-Third: 2 744,8 kJ / mol

Teplotní roztažnost

23,1 µm / (mK) při 25 ° C

Tepelná vodivost

237 W / (m K)

Hliník má tepelnou vodivost třikrát oproti oceli.

Elektrický odpor

26,5 nΩ m při 20 ° C

Jeho elektrická vodivost je 2/3 mědi.

Magnetický řád

Paramagnetický

Tvrdost

2,75 na Mohsově stupnici

Reaktivita

Hliník je odolný vůči korozi, protože když je vystaven vzduchu, brání tenká vrstva oxidu Al ₂ O ₃, která se tvoří na jeho povrchu, pokračovat v oxidaci v kovu.

V kyselých roztocích reaguje s vodou za vzniku vodíku; zatímco v alkalických roztocích tvoří aluminátový ion (AlO ₂ ^-).

Zředěné kyseliny to nemohou rozpustit, ale mohou být v přítomnosti koncentrované kyseliny chlorovodíkové. Hliník je však odolný vůči koncentrované kyselině dusičné, i když je napaden hydroxidy za vzniku vodíku a aluminátového iontu.

Práškový hliník se spaluje v přítomnosti kyslíku a oxidu uhličitého za vzniku oxidu hlinitého a karbidu hliníku. Může být zkorodován chloridem přítomným v roztoku chloridu sodného. Z tohoto důvodu se nedoporučuje použití hliníku v trubkách.

Hliník je oxidován vodou při teplotách pod 280 ° C.

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

Struktura a elektronická konfigurace

Hliník je kovový prvek (s některými metalloidními barvivy pro některé), jeho atomy Al spolu vzájemně reagují díky kovové vazbě. Tato nesměrová síla je ovládána svými valenčními elektrony, které jsou rozptýleny po celém krystalu ve všech jeho rozměrech.

Podle elektronické konfigurace hliníku jsou tyto valenční elektrony následující:

3s ² 3p ¹

Hliník je proto trojmocný kov, protože má tři valenční elektrony; dva ve 3s orbitální a jeden ve 3p. Tyto orbity se překrývají a vytvářejí molekulární orbity 3s a 3p, tak blízko sebe, že nakonec vytvářejí vodivé pásy.

S kapela je plná, zatímco kapela p má spoustu volných míst pro více elektronů. Proto je hliník dobrým vodičem elektřiny.

Kovová vazba hliníku, poloměr jeho atomů a jeho elektronické vlastnosti definují krystal (fcc). Takový krystal FCC je zřejmě jediným známým allotropem hliníku, takže to jistě vydrží vysoké tlaky, které na něj působí.

Oxidační čísla

Elektronická konfigurace hliníku okamžitě naznačuje, že je schopen ztratit až tři elektrony; to znamená, že má vysokou tendenci tvořit kationt ^{AI3 +}. Když se předpokládá existence tohoto kationtu ve sloučenině odvozené od hliníku, říká se, že má oxidační číslo +3; jak je dobře známo, je to nejběžnější pro hliník.

Existují však jiná možná, ale vzácná oxidační čísla pro tento kov; jako je například: -2 (AI ²), 1 (AI ^-), 1 (AI ⁺) a 2 (AI ²⁺).

Al ₂ O ₃, například, hliník má číslo oxidace +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ²); zatímco v Ali a AlO, +1 (Al ⁺ F ^-) a +2 (Al ²⁺ O ²), v daném pořadí. Avšak za normálních podmínek nebo situací je Al (III) nebo +3 zdaleka nejhojnějším oxidačním číslem; protože Al ³⁺ je isoelektronický k neonovému ušlechtilému plynu.

Proto se ve školních učebnicích vždy předpokládá, a z dobrého důvodu, že hliník má +3 jako jediný počet nebo oxidační stav.

Kde najít a získat

Hliník je koncentrován ve vnějším okraji zemské kůry, je třetím prvkem, který předčí pouze kyslík a křemík. Hliník představuje 8% hmotnosti zemské kůry.

Nachází se v vyvřelých horninách, zejména: hlinitokřemičitany, živce, živce a slídy. Také v načervenalé hlíně, jako je tomu v případě bauxitu.

- Bauxity

Bauxitový důl. Zdroj: Uživatel: VargaA

Bauxity jsou směsí minerálů, které obsahují hydratovaný oxid hlinitý a nečistoty; jako jsou oxidy železa a titanu a oxid křemičitý, s následujícími hmotnostními procenty:

-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%.

Alumina se nachází v bauxitu v hydratované formě se dvěma variantami:

-monohydráty (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), které mají dvě krystalografické formy, boemit a diasporu

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

Bauxit je hlavním zdrojem hliníku a dodává většinu hliníku získaného těžbou.

- Hliníkové usazeniny

Změny

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

Hydrotermální

Alunite.

Magmatický

Hliníkové horniny, které mají minerály, jako jsou syenity nefelin a anorthites (20% Al ₂ O ₃).

Metamorfický

Křemičitany hlinité (Andalusit, sillimanit a kyanit).

Detitanti

Ložiska kaolinu a různé jíly (32% Al ₂ O ₃).

- Využití bauxitu

Bauxit se těží pod širým nebem. Jakmile se sbírají horniny nebo jíly, které je obsahují, jsou rozdrceny a rozdrceny v kulových a tyčových mlýnech, dokud nezískají částice o průměru 2 mm. V těchto procesech zůstává ošetřený materiál navlhčený.

Při získávání aluminy se postupuje podle postupu Bayera v roce 1989. Mletý bauxit se štěpí přidáním hydroxidu sodného za vzniku solubilizovaného hlinitanu sodného; zatímco znečišťující látky železo, titan a oxidy křemíku zůstávají v suspenzi.

Znečišťující látky se dekantují a trihydrát oxidu hlinitého se vysráží z hlinitanu sodného ochlazením a zředěním. Následně se trihydratovaný oxid hlinitý vysuší, čímž se získá bezvodý oxid hlinitý a voda.

- Elektrolýza aluminy

Pro získání hliníku je alumina podrobena elektrolýze, obvykle podle metody vytvořené Hall-Héroultem (1886). Proces spočívá v redukci roztaveného oxidu hlinitého na kryolit.

Kyslík se váže na uhlíkovou anodu a uvolňuje se jako oxid uhličitý. Mezitím se uvolněný hliník ukládá na dno elektrolytického článku, kde se hromadí.

Slitiny

Slitiny hliníku jsou obvykle označeny čtyřmi čísly.

1xxx

Kód 1xxx odpovídá hliníku s 99% čistotou.

2xxx

Kód 2xxx odpovídá slitině hliníku s mědí. Jsou to silné slitiny, které se používaly v kosmických vozidlech, ale praskaly korozí. Tyto slitiny jsou známé jako dural.

3xxx

Kód 3xxx zahrnuje slitiny, ve kterých se do hliníku přidává mangan a malé množství hořčíku. Jsou to slitiny velmi odolné proti opotřebení, používají se při přípravě kuchyňských potřeb na slitiny 3003 a 3004 v nápojových plechovkách.

4xxx

Kód 4xxx představuje slitiny, ve kterých se křemík přidává k hliníku, což snižuje teplotu tání kovu. Tato slitina se používá při výrobě svařovacích drátů. Slitina 4043 se používá při svařování automobilů a konstrukčních prvků.

5xxx

Kód 5xxx zahrnuje slitiny, kde je hořčík primárně přidáván do hliníku.

Jsou to silné slitiny odolné vůči korozi mořské vody, používané k výrobě tlakových nádob a různých mořských aplikací. Slitina 5182 se používá k výrobě víček sodových plechovek.

6xxx

Kód 6xxx zahrnuje slitiny, ve kterých se do slitiny přidává křemík a hořčík s hliníkem. Tyto slitiny jsou odlévatelné, svařitelné a odolné vůči korozi. Nejběžnější slitina v této řadě se používá v architektuře, rámech kol a konstrukci iPhone 6.

7xxx

Kód 7xxx označuje slitiny, ve kterých se zinek přidává do hliníku. Tyto slitiny, také známé jako Ergal, jsou odolné proti rozbití a mají velkou tvrdost, používají slitiny 7050 a 7075 v konstrukci letadel.

Rizika

Přímá expozice

Kontakt s hliníkovým práškem může způsobit podráždění kůže a očí. Dlouhodobé vystavení hliníku může způsobit příznaky podobné chřipce, bolest hlavy, horečku a zimnici; Kromě toho se může objevit bolest na hrudi a napětí.

Vystavení jemnému hliníkovému prachu může způsobit zjizvení plic (plicní fibrózu) se symptomy kašle a dušností. OSHA stanovila limit 5 mg / m ³ pro expozici hliníkovému prachu během 8 hodin pracovního dne.

Hodnota biologické tolerance pro pracovní expozici hliníku byla stanovena na 50 µg / g kreatininu v moči. Snížení výkonu v neuropsychologických testech nastává, když koncentrace hliníku v moči překračuje 100 µg / g kreatininu.

Rakovina prsu

Hliník se používá jako hydrochlorid hliníku v antiperspiračních deodorancích, protože byl spojen s rozvojem rakoviny prsu. Tento vztah však nebyl mimo jiné jasně stanoven, protože absorpce hydrochloridu hlinitého kůží je pouze 0,01%.

Neurotoxické účinky

Hliník je neurotoxický a u lidí s expozicí v zaměstnání je spojen s neurologickými chorobami, mezi něž patří Alzheimerova choroba.

Mozek pacientů s Alzheimerovou chorobou má vysokou koncentraci hliníku; ale není známo, zda je příčinou nebo následkem nemoci.

U pacientů s dialýzou byla stanovena přítomnost neurotoxických účinků. Při tomto postupu byly použity hlinité soli jako fosfátové pojivo, které produkovalo vysoké koncentrace hliníku v krvi (> 100 ug / l plazmy).

Postižení pacienti vykazovali dezorientaci, problémy s pamětí a v pokročilém stádiu demenci. Neurotoxicita hliníku je vysvětlena, protože mozek je obtížně eliminovatelný a ovlivňuje jeho fungování.

Hliníkový přívod

Hliník je přítomen v mnoha potravinách, zejména čaji, koření a obecně zelenině. Evropský úřad pro bezpečnost potravin (EFSA) stanovil mez tolerance pro příjem hliníku v potravinách 1 mg / kg tělesné hmotnosti denně.

V roce 2008 EFSA odhadl, že denní příjem hliníku v potravinách se pohyboval mezi 3 a 10 mg za den, a proto se dochází k závěru, že nepředstavuje zdravotní riziko; stejně jako použití hliníkového nádobí k vaření jídla.

Aplikace

- Jako kov

Elektrický

Hliník je dobrý elektrický vodič, proto se používá ve slitinách v elektrických přenosových vedeních, motorech, generátorech, transformátorech a kondenzátorech.

Budova

Hliník se používá při výrobě dveřních a okenních rámů, příček, plotů, nátěrů, tepelných izolátorů, stropů atd.

Doprava

Hliník se používá při výrobě dílů pro automobily, letadla, nákladní automobily, jízdní kola, motocykly, čluny, kosmické lodě, železniční vozy atd.

Kontejnery

Hliníkové plechovky pro různé druhy potravin. Zdroj: Pxhere.

Hliník se používá k výrobě plechovek na nápoje, sudů na pivo, podnosů atd.

Domov

Hliníkové kbelíky. Zdroj: Pexels.

Hliník se používá k výrobě kuchyňského náčiní: hrnce, pánve, pánve a balicí papír; kromě nábytku, lamp atd.

Reflexní síla

Hliník účinně odráží zářivou energii; od ultrafialového světla po infračervené záření. Reflexní síla hliníku ve viditelném světle je kolem 80%, což umožňuje jeho použití jako stínidla v lampách.

Kromě toho si hliník zachovává svoji stříbrnou reflexní charakteristiku i ve formě jemného prášku, takže jej lze použít při výrobě stříbrných barev.

- Hliníkové sloučeniny

Alumina

Používá se k výrobě kovového hliníku, izolátorů a zapalovacích svíček. Při zahřívání aluminy se vytváří porézní struktura, která pohlcuje vodu, používá se k vysoušení plynů a slouží jako sedlo pro působení katalyzátorů při různých chemických reakcích.

Síran hlinitý

Používá se při výrobě papíru a jako povrchové plnivo. Síran hlinitý slouží k vytvoření hlinitanu hlinitého draselného. Toto je nejpoužívanější kamenec as mnoha aplikacemi; jako je výroba léčiv, barev a mořidel pro barvení tkanin.

Chlorid hlinitý

Je to nejpoužívanější katalyzátor ve Friedel-Craftsových reakcích. Jedná se o syntetické organické reakce používané při přípravě aromatických ketonů a antrachinonu. Hydratovaný chlorid hlinitý se používá jako topický antiperspirant a deodorant.

Hydroxid hlinitý

Používá se na nepromokavé textilie a na výrobu hlinitanů.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Hliník. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Hliník. PubChem Database. CID = 5359268. Obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminium
4. Editors of Encyclopaedia Britannica. (13. ledna 2019). Hliník. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
5. UC Rusal. (sf). Hliníková historie. Obnoveno z: aluminiumeader.com
6. Univerzita v Oviedu. (2019). Hliníková metalurgie.. Obnoveno z: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. února 2019). Hliník nebo slitiny hliníku. Obnoveno z: thinkco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Zdravotní účinky expozice hliníku. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10,3238 / arztebl.2017,0653
9. Elsevier. (2019). Hliníkové slitiny. Obnoveno z: sciposedirect.com
10. Natalia GM (16. ledna 2012). Dostupnost hliníku v potravinách. Obnoveno od: customer.es