Właściwości, cechy, historia i zastosowania aluminium
Aluminium (znane również jako aluminium) jest najobficiej występującym metalem w skorupie ziemskiej. I to też jest dobre, ponieważ używamy go dużo. Około 41 milionów ton wytapiano co roku i wykorzystano w szerokim zakresie zastosowań. Od karoserii samochodowych po puszki po piwie, od kabli elektrycznych po skórki samolotów - aluminium jest bardzo ważną częścią naszego codziennego życia.
Nieruchomości
- Symbol atomu: Al
- Liczba atomowa: 13
- Kategoria elementu: Post-transition metal
- Gęstość: 2,70 g / cm 3
- Temperatura topnienia: 1220,58 ° F (660,32 ° C)
- Temperatura wrzenia: 4566 ° F (2519 ° C)
- Twardość Mohma: 2,75
Charakterystyka
Aluminium jest lekkim, wysoce przewodzącym, odbijającym i nietoksycznym metalem, który można łatwo obrabiać. Trwałość metalu i liczne korzystne właściwości sprawiają, że jest on idealnym materiałem do wielu zastosowań przemysłowych.
Historia
Związki glinu były używane przez starożytnych Egipcjan jako barwniki, kosmetyki i leki, ale dopiero w 5000 lat później ludzie odkryli, jak wytapiać czyste metaliczne aluminium. Nic dziwnego, że rozwój metod produkcji metalu aluminiowego zbiegł się z nadejściem elektryczności w XIX wieku, ponieważ wytapianie aluminium wymaga znacznych ilości energii elektrycznej.
Przełom w produkcji aluminium nastąpił w 1886 roku, kiedy Charles Martin Hall odkrył, że aluminium może być wytwarzane przy użyciu redukcji elektrolitycznej.
Do tego czasu aluminium było rzadsze i droższe niż złoto. Jednak w ciągu dwóch lat od odkrycia Halla powstały firmy aluminiowe w Europie i Ameryce.
W XX wieku znacząco wzrosło zapotrzebowanie na aluminium, szczególnie w branży transportowej i opakowaniowej.
Chociaż techniki produkcji nie zmieniły się znacząco, stały się znacznie bardziej wydajne. W ciągu ostatnich 100 lat ilość energii zużytej na wyprodukowanie jednej jednostki aluminium spadła o 70%.
Produkcja
Produkcja aluminium z rudy zależy od tlenku glinu (Al2O3), który jest wydobywany z rudy boksytu. Boksyt zwykle zawiera 30-60% tlenku glinu (powszechnie określanego jako tlenek glinu) i regularnie znajduje się w pobliżu powierzchni ziemi. Ten proces można podzielić na dwie części; (1) ekstrakcja tlenku glinu z boksytu i (2) wytapianie metalu aluminiowego z tlenku glinu.
Oddzielanie tlenku glinu w zwykły sposób odbywa się za pomocą procesu zwanego procesem Bayera. Obejmuje to rozdrabnianie boksytu na proszek, mieszanie go z wodą w celu wytworzenia zawiesiny, ogrzewanie i dodanie sody kaustycznej (NaOH). Soda kaustyczna rozpuszcza tlenek glinu, który pozwala mu przejść przez filtry, pozostawiając zanieczyszczenia za sobą.
Roztwór glinianu jest następnie odprowadzany do zbiorników osadnika, gdzie cząstki wodorotlenku glinu są dodawane jako "nasiona". Mieszanie i chłodzenie prowadzi do wytrącenia wodorotlenku glinu na materiał siewny, który następnie ogrzewa się i suszy, aby wytworzyć tlenek glinu.
Elektrolizery są używane do wytapiania aluminium z tlenku glinu w procesie odkrytym przez Charlesa Martina Halla.
Tlenek glinu wprowadzony do komórek rozpuszcza się w fluorowanej kąpieli ze stopionego kriolitu w temperaturze 1742 ° F ° (950 ° C).
Prąd stały o wartości od 10 000 do 300 000 A jest wysyłany z anod węgla w komórce przez mieszaninę do powłoki katodowej. Ten prąd elektryczny rozkłada tlenek glinu na aluminium i tlen. Tlen reaguje z węglem w celu wytworzenia dwutlenku węgla, podczas gdy aluminium przyciąga się do podszewki komórkowej katody węglowej.
Następnie aluminium można zbierać i przenosić do pieców, w których można dodawać nadający się do recyklingu materiał aluminiowy. Około jedna trzecia wszystkich produkowanych obecnie aluminium pochodzi z materiałów pochodzących z recyklingu. Według US Geological Survey, największymi krajami produkującymi aluminium w 2010 r. Były Chiny, Rosja i Kanada.
Aplikacje
Zastosowania aluminium są zbyt liczne, by je wymienić, a ze względu na szczególne właściwości metalu naukowcy regularnie znajdują nowe aplikacje.
Ogólnie mówiąc, aluminium i jego wiele stopów stosuje się w trzech głównych branżach; transport, opakowanie i budowa.
Aluminium, w różnych formach i stopach, ma kluczowe znaczenie dla elementów konstrukcyjnych (ram i nadwozi) samolotów, samochodów, pociągów i łodzi. Aż 70% niektórych komercyjnych samolotów składa się ze stopów aluminium (mierzonych wagowo). Niezależnie od tego, czy część wymaga naprężenia lub odporności na korozję, czy tolerancji na wysokie temperatury, rodzaj użytego stopu zależy od wymagań każdej części składowej.
Około 20% wszystkich wyprodukowanych aluminium jest wykorzystywane w materiałach opakowaniowych. Folia aluminiowa jest odpowiednim materiałem opakowaniowym dla żywności, ponieważ jest nietoksyczna, podczas gdy jest również odpowiednim szczeliwem dla produktów chemicznych z powodu jej niskiej reaktywności i jest nieprzepuszczalna dla światła, wody i tlenu. W samych Stanach Zjednoczonych każdego roku dostarczanych jest około 100 miliardów aluminiowych puszek. Ponad połowa z nich zostaje ostatecznie poddana recyklingowi.
Ze względu na swoją wytrzymałość i odporność na korozję około 15% aluminium produkowanego rocznie jest wykorzystywane w zastosowaniach budowlanych. Obejmuje to okna i ramy drzwi, pokrycia dachowe, bocznice i szkielety konstrukcyjne, a także rynny, rolety i bramy garażowe.
Przewodność elektryczna aluminium pozwala również na stosowanie go w przewodach dalekiego zasięgu. Wzmocnione stalą, stopy aluminium są bardziej ekonomiczne niż miedź i zmniejszają ugięcia ze względu na ich niewielką masę.
Inne zastosowania dla aluminium obejmują muszle i radiatory do elektroniki użytkowej, słupy oświetleniowe uliczne, wieże wiertnicze, aluminiowe okna, przybory kuchenne, kije baseballowe i odblaskowe urządzenia bezpieczeństwa.
Źródła:
Ulica, Arturze. & Alexander, WO 1944. Metale w służbie człowieka . 11 edycja (1998).
USGS. Podsumowania dotyczące surowców mineralnych: aluminium (2011). http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/aluminum/