Hliník - Aluminium

Hliník,  13 Al
Hliník-4.jpg
Hliník
Výslovnost
alternativní jméno hliník (USA, Kanada)
Vzhled stříbřitě šedá metalíza
Standardní atomová hmotnost A r, std (Al) 26.981 5384 (3)
Hliník v periodické tabulce
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
B

Al

Ga
hořčíkhliníkkřemík
Atomové číslo ( Z ) 13
Skupina skupina 13 (skupina bóru)
Doba období 3
Blok   p-blok
Konfigurace elektronů [ Ne ] 3s 2 3p 1
Elektrony na skořápku 2, 8, 3
Fyzikální vlastnosti
Fáze na  STP pevný
Bod tání 933,47 K ( 660,32  ° C, 1220,58 ° F)
Bod varu 2743 K (2470 ° C, 4478 ° F)
Hustota (blízko  rt ) 2,70 g / cm 3
při kapalině (při  mp ) 2,375 g / cm 3
Teplo fúze 10,71  kJ/mol
Teplo odpařování 284 kJ/mol
Molární tepelná kapacita 24,20 J/(mol · K)
Tlak páry
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T  (K) 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Atomové vlastnosti
Oxidační stavy −2, −1, +1, +2, +3amfoterní oxid)
Elektronegativita Paulingova stupnice: 1,61
Ionizační energie
Atomový poloměr empirické: 143  hod
Kovalentní poloměr 121 ± 16 hodin
Van der Waalsův poloměr 184 hod
Barevné čáry ve spektrálním rozsahu
Spektrální linie hliníku
Další vlastnosti
Přirozený výskyt prvotní
Krystalická struktura plošně centrované krychlové (FCC)
Struktura krychlového krystalu pro hliník zaměřená na obličej
Rychlost zvuku tenký prut (válcované) 5000 m/s (při  pokojové teplotě )
Teplotní roztažnost 23,1 µm/(m⋅K) (při 25 ° C)
Tepelná vodivost 237 W/(m⋅K)
Elektrický odpor 26,5 nΩ⋅m (při 20 ° C)
Magnetické uspořádání paramagnetický
Molární magnetická citlivost +16,5 × 10 −6  cm 3 /mol
Youngův modul 70 GPa
Tažný modul 26 GPa
Hromadný modul 76 GPa
Poissonův poměr 0,35
Mohsova tvrdost 2,75
Vickersova tvrdost 160–350 MPa
Tvrdost podle Brinella 160–550 MPa
Číslo CAS 7429-90-5
Dějiny
Pojmenování z hliníku , zastaralý název pro oxid hlinitý
Předpověď Antoine Lavoisier (1782)
Objev Hans Christian Ørsted (1824)
Pojmenoval Humphry Davy (1812)
Hlavní izotopy hliníku
Izotop Hojnost Poločas rozpadu ( t 1/2 ) Režim rozpadu Produkt
26 Al stopa 7,17 x 10 5  y β + 26 mg
ε 26 mg
γ -
27 Al 100% stabilní
Kategorie Kategorie: hliník
| Reference

Hliník ( hliník v americké a kanadské angličtině ) je chemický prvek se symbolem  Al a atomovým číslem  13. Hliník má hustotu nižší než u jiných běžných kovů , přibližně na jedné třetině hustoty oceli . To má velkou afinitu k kyslíku , a vytváří ochrannou vrstvu z oxidu na povrchu, když je vystaven vzduchu. Hliník vizuálně připomíná stříbro, a to jak svou barvou, tak skvělou schopností odrážet světlo. Je měkký, nemagnetický a tvárný . Má jeden stabilní izotop, 27 Al; tento izotop je velmi běžný, takže hliník je dvanáctým nejběžnějším prvkem ve vesmíru. Při radiodaci se používá radioaktivita 26 Al .

Chemicky je hliník ve skupině boru slabý kov ; jak je pro skupinu běžné, hliník tvoří sloučeniny primárně v oxidačním stavu +3 . Hliníkový kation Al 3+ je malý a vysoce nabitý; jako takový se polarizuje a vazby hliníkových forem směřují ke kovalenci . Silná afinita ke kyslíku vede ke společné asociaci hliníku s kyslíkem v přírodě ve formě oxidů; z tohoto důvodu se hliník na Zemi nachází především v horninách v kůře , kde je po kyslíku a křemíku třetím nejhojnějším prvkem než v plášti , a prakticky nikdy jako volný kov.

Objev hliníku oznámil v roce 1825 dánský fyzik Hans Christian Ørsted . První průmyslovou výrobu hliníku zahájil francouzský chemik Henri Étienne Sainte-Claire Deville v roce 1856. Hliník se stal mnohem dostupnějším pro veřejnost díky procesu Hall – Héroult, který nezávisle vyvinuli francouzský inženýr Paul Héroult a americký inženýr Charles Martin Hall v roce 1886, a masová výroba hliníku vedla k jeho rozsáhlému využití v průmyslu a každodenním životě. Ve světových válkách I a II byl hliník zásadním strategickým zdrojem pro letectví . V roce 1954 se z hliníku stal nejvíce vyráběný barevný kov , který překonal měď . V 21. století byla většina hliníku spotřebována v dopravě, strojírenství, stavebnictví a balení ve Spojených státech, západní Evropě a Japonsku.

Přes jeho prevalenci v životním prostředí není známo, že by jakýkoli živý organismus využíval soli hliníku metabolicky , ale hliník je rostlinami a živočichy dobře snášen. Vzhledem k hojnosti těchto solí je potenciál jejich biologické role stále zajímavý a studie pokračují.

Fyzikální vlastnosti

Izotopy

Pouze z hliníkových izotopů 27
Al
je stabilní. Tato situace je běžná pro prvky s lichým atomovým číslem. Je to jediný prapůvodní izotop hliníku, tj. Jediný, který na Zemi existuje v současné podobě od vzniku planety. Tento izotop je přítomen téměř na veškerém hliníku na Zemi, což z něj činí mononuklidový prvek a znamená, že jeho standardní atomová hmotnost je prakticky stejná jako hmotnost izotopu. Díky tomu je hliník velmi užitečný v nukleární magnetické rezonanci (NMR), protože jeho jediný stabilní izotop má vysokou citlivost na NMR. Standardní atomová hmotnost hliníku je ve srovnání s mnoha jinými kovy nízká, {{efn | Většina ostatních kovů má vyšší standardní atomové hmotnosti: například železo je 55,8; měď 63,5; náskok 207,2. což má důsledky pro vlastnosti prvku (viz níže ).

Všechny ostatní izotopy hliníku jsou radioaktivní . Nejstabilnější z nich je 26 Al : i když byl přítomen spolu se stabilním 27 Al v mezihvězdném médiu, ze kterého se sluneční soustava vytvořila, protože byla také produkována hvězdnou nukleosyntézou , jeho poločas rozpadu je pouze 717 000 let, a proto je detekovatelný množství nepřežilo od vzniku planety. Nicméně, minuta stopy 26 AI jsou vyráběny z argonu v atmosféře o spallation způsobené kosmického záření protonů. Poměr 26 Al až 10 Buď byla použita pro radiodating geologických procesů více než 10 5 až 10 6  Ročník čas měřítek, zejména dopravu, ukládání sedimentů skladování, pohřebních časech, a eroze. Většina vědců o meteoritech se domnívá, že energie uvolněná rozpadem 26 Al byla zodpovědná za tání a diferenciaci některých asteroidů po jejich vzniku před 4,55 miliardami let.

Zbývající izotopy hliníku, s hmotnostními čísly v rozmezí od 22 do 43, mají všechny poločasy hluboko pod hodinu. Jsou známy tři metastabilní stavy, všechny s poločasem rozpadu pod minutu.

Elektronová skořepina

Atom hliníku má 13 elektronů uspořádaných v elektronové konfiguraci [ Ne ] 3s 2  3p 1 , přičemž tři elektrony přesahují stabilní konfiguraci vzácných plynů. V souladu s tím jsou kombinované první tři ionizační energie hliníku mnohem nižší než samotná čtvrtá ionizační energie. Taková elektronová konfigurace je sdílena s dalšími dobře charakterizovanými členy její skupiny, bórem , galliem , indiem a thaliem ; očekává se také pro nihonium . Hliník může relativně snadno odevzdat své tři nejvzdálenější elektrony v mnoha chemických reakcích (viz níže ). Elektronegativita hliníku je 1,61 (Pauling měřítko).

M. Tunes & S.Pogatscher, Montanuniversität Leoben 2019 Žádná autorská práva =)
STEM - HAADF mikrograf atomů Al s vysokým rozlišením při pohledu podél osy zóny [001].

Volný atom hliníku má poloměr 143  pm . Když jsou odstraněny tři nejvzdálenější elektrony, poloměr se zmenší na 39 pm pro 4-koordinovaný atom nebo 53,5 pm pro 6-koordinovaný atom. Při standardní teplotě a tlaku vytvářejí atomy hliníku (pokud nejsou ovlivněny atomy jiných prvků) soustavu krychlových krychlových vycentrovaných tváří vázanou kovovou vazbou poskytovanou nejvzdálenějšími elektrony atomů; proto je hliník (za těchto podmínek) kov. Tento krystalový systém sdílí mnoho dalších kovů, například olovo a měď ; velikost jednotkové buňky hliníku je srovnatelná s velikostí ostatních kovů. Systém však nesdílí ostatní členové jeho skupiny; bór má ionizační energie příliš vysokou na to, aby umožnil metalizaci, thallium má hexagonální strukturu s těsným zabalením a gálium a indium mají neobvyklé struktury, které nejsou těsně zabaleny jako hliník a thallium. Těch několik elektronů, které jsou k dispozici pro kovové vazby v kovovém hliníku, je pravděpodobně příčinou toho, že je měkký s nízkým bodem tání a nízkým elektrickým odporem .

Hromadné

Kovový hliník má vzhled od stříbřitě bílé po matně šedou, v závislosti na drsnosti povrchu . Čerstvý film z hliníku slouží jako dobrý reflektor (přibližně 92%) viditelného světla a vynikající reflektor (až 98%) středního a vzdáleného infračerveného záření. Hliníková zrcadla jsou ze všech kovových zrcátek nejreflexnější pro blízké ultrafialové a vzdálené infračervené světlo a jsou jedním z nejvíce reflexních ve viditelném spektru, téměř na stejné úrovni jako stříbro, a obě proto vypadají podobně. Hliník také dobře odráží sluneční záření , i když dlouhodobé vystavení slunečnímu záření ve vzduchu zvyšuje opotřebení povrchu kovu; tomu lze zabránit, pokud je hliník eloxován , což na povrch přidává ochrannou vrstvu oxidu.

Hustota hliníku je 2,70 g/cm 3 , což je asi 1/3 hustoty oceli, mnohem nižší než u jiných běžně se vyskytujících kovů, díky čemuž jsou hliníkové části snadno identifikovatelné díky jejich lehkosti. Nízká hustota hliníku ve srovnání s většinou ostatních kovů vyplývá ze skutečnosti, že jeho jádra jsou mnohem lehčí, zatímco rozdíl ve velikosti jednotkové buňky tento rozdíl nekompenzuje. Jedinými lehčími kovy jsou kovy skupin 1 a 2 , které jsou kromě berylia a hořčíku příliš reaktivní na strukturální použití (a berylium je velmi toxické). Hliník není tak pevný ani tuhý jako ocel, ale nízká hustota to v leteckém průmyslu a v mnoha dalších aplikacích, kde je nízká hmotnost a relativně vysoká pevnost zásadní, vynahrazuje.

Čistý hliník je docela měkký a postrádá pevnost. Ve většině aplikací se místo toho používají různé slitiny hliníku kvůli jejich vyšší pevnosti a tvrdosti. Mez kluzu z čistého hliníku je 7-11 MPa , zatímco hliníkové slitiny mají mezí kluzu v rozmezí od 200 MPa do 600 MPa. Hliník je tažný , s procentním prodloužením 50-70%a tvárný, což umožňuje snadné tažení a vytlačování . Rovněž se snadno opracovává a odlévá .

Hliník je vynikající tepelný a elektrický vodič , má přibližně 60% vodivosti mědi , tepelné i elektrické, a přitom má pouze 30% hustoty mědi. Hliník je schopen supravodivosti se supravodivou kritickou teplotou 1,2 kelvinu a kritickým magnetickým polem asi 100 gaussů (10 milliteslas ). Je paramagnetický, a proto v podstatě není ovlivněn statickými magnetickými poli. Vysoká elektrická vodivost však znamená, že je silně ovlivněna střídáním magnetických polí indukcí vířivých proudů .

Chemie

Hliník kombinuje vlastnosti kovů před a po přechodu. Vzhledem k tomu, že má několik dostupných elektronů pro kovové vazby, jako jeho těžší kongenery skupiny 13 , má charakteristické fyzikální vlastnosti post-přechodového kovu s delšími než očekávanými interatomickými vzdálenostmi. Kromě toho, protože Al 3+ je malý a vysoce nabitý kation, je silně polarizující a vazba ve sloučeninách hliníku má tendenci ke kovalenci ; toto chování je podobné jako u berylia (Be 2+ ) a tyto dva zobrazují příklad diagonálního vztahu .

Základní jádro pod valenčním pláštěm hliníku je jádro předchozího vzácného plynu , zatímco jádra jeho těžších kongenerů galia , india , thalia a nihonia obsahují také vyplněný d-subshell a v některých případech naplněný f-subshell. Proto vnitřní elektrony hliníku chrání valenční elektrony téměř úplně, na rozdíl od těžších kongenerů hliníku. Jako takový je hliník nejelektropozitivnějším kovem ve své skupině a jeho hydroxid je ve skutečnosti zásaditější než gallium. Hliník také nese drobné podobnosti s metaloidním bórem ve stejné skupině: AlX 3 sloučeniny jsou valenční izoelektronické vůči BX 3 sloučeninám (mají stejnou valenční elektronickou strukturu) a oba se chovají jako Lewisovy kyseliny a snadno tvoří adukty . Kromě toho jsou jedním z hlavních motivů chemie boru pravidelné ikosahedrální struktury a hliník tvoří důležitou součást mnoha ikosahedrálních kvazikrystalových slitin, včetně třídy Al – Zn – Mg.

Hliník má vysokou chemickou afinitu ke kyslíku, což jej činí vhodným pro použití jako redukční činidlo v termitové reakci. Jemný prášek hliníku reaguje výbušně při kontaktu s kapalným kyslíkem ; za normálních podmínek však hliník vytváří tenkou vrstvu oxidu (~ 5 nm při pokojové teplotě), která chrání kov před další korozí působením kyslíku, vody nebo zředěné kyseliny, což je proces nazývaný pasivace . Díky své obecné odolnosti proti korozi je hliník jedním z mála kovů, které si zachovávají stříbřitou odrazivost v jemně práškové formě, což z něj činí důležitou součást stříbrných barev. Hliník není kvůli své pasivaci napaden oxidačními kyselinami. To umožňuje použití hliníku pro skladování činidel, jako je kyselina dusičná , koncentrovaná kyselina sírová a některé organické kyseliny.

V horké koncentrované kyselině chlorovodíkové reaguje hliník s vodou s vývojem vodíku a ve vodném hydroxidu sodném nebo hydroxidu draselném při teplotě místnosti za vzniku hlinitanů - ochranná pasivace za těchto podmínek je zanedbatelná. Aqua regia také rozpouští hliník. Hliník je korodován rozpuštěnými chloridy , jako je běžný chlorid sodný , a proto nejsou domácí vodovody nikdy vyrobeny z hliníku. Vrstva oxidu na hliníku je také zničena kontaktem se rtutí v důsledku sloučení nebo se solemi některých elektropozitivních kovů. Nejsilnější slitiny hliníku jako takové jsou díky galvanickým reakcím s legovanou mědí méně odolné proti korozi a odolnost proti korozi hliníku je výrazně snížena vodnými solemi, zejména v přítomnosti rozdílných kovů.

Hliník reaguje s většinou nekovů při zahřívání za vzniku sloučenin, jako je nitrid hlinitý (AlN), sulfid hlinitý (Al 2 S 3 ) a halogenidy hliníku (AlX 3 ). Tvoří také širokou škálu intermetalických sloučenin zahrnujících kovy z každé skupiny v periodické tabulce.

Anorganické sloučeniny

Drtivá většina sloučenin, včetně všech minerálů obsahujících hliník a všech komerčně významných sloučenin hliníku, obsahuje hliník v oxidačním stavu 3+. Koordinační číslo takových sloučenin se liší, ale obecně Al 3+ je buď šesti- nebo čtyř-souřadnici. Téměř všechny sloučeniny hliníku (III) jsou bezbarvé.

Hydrolýza hliníku jako funkce pH. Koordinované molekuly vody jsou vynechány. (Data od Baes a Mesmer)

Ve vodném roztoku, Al 3+ existuje jako hexaaqua kationtu [Al (H 2 O) 6 ] 3+ , který má přibližnou K A z 10 -5 . Takové roztoky jsou kyselé, protože to kation může působit jako donor protonu a postupně hydrolyzuje až do sraženiny z hydroxidu hlinitého Al (OH) 3 , formulářů. To je užitečné pro čiření vody, protože sraženina nukleacuje suspendované částice ve vodě, a proto je odstraňuje. Zvýšení hodnoty pH ještě dále vede k tomu, hydroxidu rozpuštění znovu jako hlinitan , [Al (H 2 O) 2 (OH) 4 ] - , je tvořen.

Hydroxid hlinitý tvoří soli i hlinitany a rozpouští se v kyselině a zásadě, jakož i při fúzi s kyselými a zásaditými oxidy. Toto chování Al (OH) 3 se nazývá amfoterismus a je charakteristické pro slabě bazické kationty, které tvoří nerozpustné hydroxidy a jejichž hydratované druhy mohou také darovat své protony. Jedním z důsledků toho je, že soli hliníku se slabými kyselinami se hydrolyzují ve vodě na vodný hydroxid a odpovídající nekovový hydrid: například sulfid hlinitý poskytuje sirovodík . Některé soli, jako je uhličitan hlinitý, však existují ve vodném roztoku, ale jsou jako takové nestabilní; a pouze neúplná hydrolýza probíhá u solí se silnými kyselinami, jako jsou halogenidy, dusičnany a sírany . Z podobných důvodů, bezvodé soli hliníku nelze provádět zahříváním jejich „hydráty“: hydratovaný chlorid hlinitý je ve skutečnosti není AlCl 3 · 6H 2 O, ale [Al (H 2 O) 6 ] Cl 3 a Al-O vazby jsou tak silné, že zahřívání nestačí k jejich rozbití a vytvoření Al -Cl vazeb místo:

2 [Al (H 2 O) 6 ] Cl 3 teplo Al 2 O 3 + 6 HCl + 9 H 2 O

Všechny čtyři trihalogenidy jsou dobře známy. Na rozdíl od struktur tří těžších trihalogenidů obsahuje fluorid hlinitý (AlF 3 ) hliník se šesti souřadnicemi, což vysvětluje jeho nestálost a nerozpustnost a také vysoké teplo tvorby . Každý atom hliníku je obklopen šesti atomy fluoru ve zkresleném oktaedrickém uspořádání, přičemž každý atom fluoru je sdílen mezi rohy dvou oktaedrů. Takové jednotky {AlF 6 } také existují v komplexních fluoridech, jako je kryolit , Na 3 AlF 6 . AlF 3 taje při 1290 ° C (2354 ° F) a je vyráběn reakcí oxidu hlinitého s plynným fluorovodíkem při 700 ° C (1300 ° F).

S těžšími halogenidy jsou koordinační čísla nižší. Ostatní trihalogenidy jsou dimerní nebo polymerní s tetrahedrálními čtyřmi souřadnicemi hliníkových center. Chlorid hlinitý (AlCl 3 ) má vrstvenou polymerní strukturu pod bodem tání 192,4 ° C (378 ° F), ale při tání se transformuje na dimery Al 2 Cl 6 . Při vyšších teplotách ty, stále disociují na trigonální rovinný AlCl 3 monomery podobné struktury BCL 3 . Tribromid hlinitý a trijodid hlinitý tvoří Al 2 X 6 dimery ve všech třech fázích, a proto nevykazují tak významné změny vlastností při fázové změně. Tyto materiály se připravují zpracováním hliníkového kovu halogenem. Trihalogenidy hliníku tvoří mnoho adičních sloučenin nebo komplexů; jejich Lewis kyselý charakter umožňuje jejich použití jako katalyzátory pro reakce Friedel-Craftsovy . Chlorid hlinitý má hlavní průmyslové využití zahrnující tuto reakci, například při výrobě antrachinonů a styrenu ; často se také používá jako prekurzor pro mnoho dalších sloučenin hliníku a jako činidlo pro přeměnu nekovových fluoridů na odpovídající chloridy ( transhalogenační reakce ).

Hliník tvoří jeden stabilní oxid s chemickým vzorcem Al 2 O 3 , běžně nazývaným oxid hlinitý . V přírodě se nachází v minerálu korund , α-alumina; existuje také fáze γ-oxidu hlinitého. Jeho krystalická forma, korund , je velmi tvrdá ( Mohsova tvrdost 9), má vysokou teplotu tání 2045 ° C (3713 ° F), má velmi nízkou těkavost, je chemicky inertní a je dobrým elektrickým izolátorem. brusiva (jako je zubní pasta), jako žáruvzdorný materiál a v keramice , jakož i výchozí materiál pro elektrolytickou výrobu kovového hliníku. Safír a rubín jsou nečistý korund kontaminovaný stopovým množstvím jiných kovů. Dva hlavní oxid-hydroxidy, AlO (OH), jsou boehmit a diaspore . Existují tři hlavní trihydroxidy: bayerit , gibbsit a nordstrandite , které se liší krystalickou strukturou ( polymorfy ). Je také známo mnoho dalších přechodných a souvisejících struktur. Většina se vyrábí z rud různými mokrými procesy za použití kyseliny a zásady. Zahřívání hydroxidů vede k tvorbě korundu. Tyto materiály mají zásadní význam pro výrobu hliníku a samy o sobě jsou mimořádně užitečné. Velmi užitečné jsou také některé smíšené oxidové fáze, například spinel (MgAl 2 O 4 ), Na-β-alumina (NaAl 11 O 17 ) a trikalciumaluminát (Ca 3 Al 2 O 6 , důležitá minerální fáze v portlandském cementu ) .

Jedinými stabilními chalkogenidy za normálních podmínek jsou sulfid hlinitý (Al 2 S 3 ), selenid (Al 2 Se 3 ) a telurid (Al 2 Te 3 ). Všechny tři se připraví přímou reakcí jejich prvků při asi 1 000 ° C (1 800 ° F) a rychle se kompletně hydrolyzují ve vodě, čímž se získá hydroxid hlinitý a příslušný chlorovodík . Jelikož je hliník vzhledem k těmto chalkogenům malý atom, mají tito čtyřsouřadnicový čtyřboký hliník s různými polymorfními strukturami příbuznými wurtzitu , přičemž dvě třetiny možných kovových míst jsou obsazeny uspořádaným (α) nebo náhodným (β) způsobem ; sulfid má také formu γ související s y-oxidem hlinitým a neobvyklou vysokoteplotní hexagonální formu, kde polovina atomů hliníku má čtyřbokou čtyřkoordinaci a druhá polovina má trigonální bipyramidovou pětici koordinace.

Čtyři pnictides - nitrid hliníku (AIN), hliník fosfid (ALP), hliník arsenide (žel), a hliník antimonide (AlSb) - jsou známé. Jsou to všechny polovodiče III-V isoelektronické na křemík a germánium , z nichž všechny kromě AlN mají strukturu směsi zinku . Všechny čtyři mohou být vyrobeny vysokoteplotní (a případně vysokotlakou) přímou reakcí jejich složek.

Jsou známy slitiny hliníku s většinou ostatních kovů (s výjimkou většiny alkalických kovů a kovů skupiny 13) a více než 150 intermetalických látek s jinými kovy. Příprava zahrnuje ohřev fixovaných kovů dohromady v určitém poměru, následované postupným ochlazováním a žíháním . Spojování v nich je převážně kovové a krystalová struktura závisí především na účinnosti balení.

Existuje několik sloučenin s nižšími oxidačními stavy. Existuje několik sloučenin hliníku (I) : AlF, AlCl, AlBr a AlI existují v plynné fázi, když je příslušný trihalogenid zahříván hliníkem, a při kryogenních teplotách. Stabilní derivát monoiodidu hlinitého je cyklický adukt vytvořený s triethylaminem , Al 4 I 4 (NEt 3 ) 4 . Al 2 O a Al 2 S také existují, ale jsou velmi nestabilní. Velmi jednoduché sloučeniny hliníku (II) jsou vyvolávány nebo pozorovány při reakcích kovů Al s oxidanty. Například oxid hlinitý , AlO, byl detekován v plynné fázi po výbuchu a ve hvězdných absorpčních spektrech. Důkladněji jsou zkoumány sloučeniny vzorce R 4 Al 2, které obsahují Al -Al vazbu a kde R je velký organický ligand .

Organoaluminiové sloučeniny a příbuzné hydridy

Struktura trimethylaluminia , sloučeniny, která obsahuje uhlík s pěti souřadnicemi.

Různé sloučeniny sumárního vzorce ALR 3 a ALR 1,5 Cl 1,5 existují. Hliníkové trialkyly a triaryly jsou reaktivní, těkavé a bezbarvé kapaliny nebo nízkotající pevné látky. Na vzduchu se samovolně vznítí a reagují s vodou, což vyžaduje manipulaci s nimi. Na rozdíl od analogů boru často vytvářejí dimery, ale tato tendence u alkylů s rozvětveným řetězcem klesá (např. Pr i , Bu i , Me 3 CCH 2 ); například triisobutylaluminium existuje jako rovnovážná směs monomeru a dimeru. Tyto dimery, jako je trimethylaluminium (Al 2 Me 6 ), obvykle obsahují tetrahedrální Al centra vytvořená dimerizací s přemosťováním některé alkylové skupiny mezi oběma atomy hliníku. Jsou to tvrdé kyseliny a snadno reagují s ligandy a vytvářejí adukty. V průmyslu se většinou používají při reakcích inzerce alkenu, jak objevil Karl Ziegler , nejdůležitější v „růstových reakcích“, které tvoří primární nerozvětvené primární alkeny a alkoholy s dlouhým řetězcem, a při nízkotlaké polymeraci ethenu a propenu . Existuje také několik heterocyklických a klastrových organoaluminiových sloučenin zahrnujících Al – N vazby.

Průmyslově nejdůležitějším hydridem hlinitým je lithiumaluminiumhydrid (LiAlH 4 ), který se používá jako redukční činidlo v organické chemii . Může být vyroben z hydridu lithného a chloridu hlinitého . Nejjednodušší hydrid, hydrid hlinitý nebo alane, není tak důležitý. Jedná se o polymer se vzorcem (ALH 3 ) n , na rozdíl od odpovídající hydridu boru, který je dimer se vzorcem (BH 3 ) 2 .

Přirozený výskyt

Prostor

Množství hliníku na částice ve sluneční soustavě je 3,15 ppm ( ppm ). Je to dvanáctý nejhojnější ze všech prvků a třetí nejhojnější mezi prvky, které mají lichá atomová čísla, po vodíku a dusíku. Jediný stabilní izotop hliníku, 27 Al, je osmnáctým nejhojnějším jádrem ve vesmíru. Vzniká téměř úplně po fúzi uhlíku v hmotných hvězdách, které se později stanou supernovami typu II : tato fúze vytvoří 26 Mg, které se po zachycení volných protonů a neutronů stanou hliníkem. Nějaká menší množství 27 Al jsou vytvořena ve skořápkách hořících vodíku vyvinutých hvězd, kde 26 Mg může zachytit volné protony. V podstatě veškerý hliník, který nyní existuje, je 27 Al. 26 Al byl v rané sluneční soustavě přítomen v množství 0,005% ve srovnání s 27 Al, ale jeho poločas 728 000 let je příliš krátký na to, aby některá původní jádra přežila; 26 Al proto zanikl . Na rozdíl od 27 Al je spalování vodíku primárním zdrojem 26 Al, přičemž nuklid vzniká poté, co jádro 25 Mg zachytí volný proton. Nicméně, stopové množství z 26 AI, které existují, jsou nejběžnější záření gama zářič v mezihvězdného plynu ; kdyby bylo stále přítomno původních 26 Al, gama paprsky Mléčné dráhy by byly jasnější.

Země

Bauxit , hlavní hliníková ruda. Červenohnědá barva je dána přítomností minerálů oxidu železa .

Celkově je Země asi 1,59% hmotnostních hliníku (sedmý v hmotnostním množství). Hliník se vyskytuje ve větší míře v zemské kůře než ve vesmíru obecně, protože hliník snadno vytváří oxid a váže se do hornin a zůstává v zemské kůře , zatímco méně reaktivní kovy klesají do jádra. V zemské kůře je hliník nejhojnějším kovovým prvkem (8,23% hmotnosti) a třetím nejhojnějším ze všech prvků (po kyslíku a křemíku). Velké množství křemičitanů v zemské kůře obsahuje hliník. Naproti tomu plášť Země je pouze 2,38% hmotnosti hliníku. Hliník se také vyskytuje v mořské vodě v koncentraci 2 μg/kg.

Kvůli své silné afinitě ke kyslíku se hliník téměř nenachází v elementárním stavu; místo toho se nachází v oxidech nebo silikátech. Živec , nejběžnější skupina minerálů v zemské kůře, jsou hlinitokřemičitany. Hliník se také vyskytuje v minerálech beryl , kryolit , granát , spinel a tyrkys . Nečistoty v Al 2 O 3 , jako je chrom a železo , dávají drahokamům rubín a safír . Nativní hliníkový kov je extrémně vzácný a lze jej nalézt pouze jako malou fázi v prostředí s nízkou fugacitou kyslíku , jako jsou interiéry některých sopek. Rodák z hliníku byl hlášen v chladných prosakuje v severovýchodní kontinentálního svahu od Jihočínského moře . Je možné, že tyto usazeniny vznikly bakteriální redukcí tetrahydroxoaluminátu Al (OH) 4 - .

Ačkoli je hliník běžným a rozšířeným prvkem, ne všechny hliníkové minerály jsou ekonomicky životaschopnými zdroji kovu. Téměř veškerý kovový hliník se vyrábí z bauxitu rudy (AlO x (OH) 3–2 x ). Bauxit se vyskytuje jako produkt zvětrávání nízkého podloží železa a oxidu křemičitého v tropických klimatických podmínkách. V roce 2017 byla většina bauxitu vytěžena v Austrálii, Číně, Guineji a Indii.

Dějiny

Friedrich Wöhler , chemik, který nejprve důkladně popsal kovový elementární hliník

Historie hliníku byla formována použitím kamence . První písemná zmínka o kamenci, kterou vytvořil řecký historik Hérodotos , pochází z 5. století př. N. L. O starověku je známo, že používal kamenec jako barvicí mořidlo a pro obranu města. Po křížových výpravách byl kamenec, nepostradatelný statek v evropském textilním průmyslu, předmětem mezinárodního obchodu; do Evropy byl dovezen z východního Středomoří až do poloviny 15. století.

Povaha kamence zůstala neznámá. Kolem roku 1530 švýcarský lékař Paracelsus navrhl, že kamenec je solí hlinité země. V roce 1595 to experimentálně potvrdil německý lékař a chemik Andreas Libavius . V roce 1722 německý chemik Friedrich Hoffmann oznámil své přesvědčení, že základem kamence je odlišná země. V roce 1754 německý chemik Andreas Sigismund Marggraf syntetizoval oxid hlinitý vařením jílu v kyselině sírové a následným přidáním potaše .

Pokusy o výrobu hliníkového kovu pocházejí z roku 1760. První úspěšný pokus však dokončil v roce 1824 dánský fyzik a chemik Hans Christian Ørsted . Reagoval na bezvodý chlorid hlinitý s amalgámem draselným a vytvořil hrudku kovu, která vypadala podobně jako cín. Prezentoval své výsledky a předvedl vzorek nového kovu v roce 1825. V roce 1827 německý chemik Friedrich Wöhler opakoval Ørstedovy experimenty, ale žádný hliník neidentifikoval. (Důvod této nesrovnalosti byl objeven až v roce 1921.) Ve stejném roce provedl podobný experiment smícháním bezvodého chloridu hlinitého s draslíkem a vytvořil prášek hliníku. V roce 1845 dokázal vyrobit malé kousky kovu a popsal některé fyzikální vlastnosti tohoto kovu. Po mnoho let poté byl Wöhler připočítán jako objevitel hliníku.

Socha Anterose v Piccadilly Circus v Londýně byla vyrobena v roce 1893 a je jednou z prvních soch odlitých z hliníku.

Protože Wöhlerova metoda nemohla poskytnout velké množství hliníku, kov zůstal vzácný; jeho cena převyšovala cenu zlata. První průmyslovou výrobu hliníku zahájil v roce 1856 francouzský chemik Henri Etienne Sainte-Claire Deville a jeho společníci. Deville zjistil, že chlorid hlinitý lze redukovat sodíkem, což bylo pohodlnější a levnější než draslík, který Wöhler použil. Ani tehdy nebyl hliník příliš čistý a vyráběný hliník se lišil vlastnostmi podle vzorku.

První průmyslovou velkovýrobní metodu vyvinul nezávisle v roce 1886 francouzský inženýr Paul Héroult a americký inženýr Charles Martin Hall ; nyní je známý jako proces Hall – Héroult . Proces Hall – Héroult převádí oxid hlinitý na kov. Rakouský chemik Carl Joseph Bayer objevil způsob čištění bauxitu za vzniku oxidu hlinitého, nyní známého jako Bayerův proces , v roce 1889. Moderní výroba hliníkového kovu je založena na postupech Bayer a Hall – Héroult.

Ceny hliníku klesly a hliník se v 90. letech 19. století a na počátku 20. století široce používal ve špercích, předmětech denní potřeby, rámech brýlí, optických přístrojích, nádobí a fólii . Schopnost hliníku tvořit tvrdé, ale lehké slitiny s jinými kovy poskytla kovu v té době mnoho využití. Během první světové války požadovaly velké vlády velké dodávky hliníku pro lehké pevné draky; během druhé světové války byla poptávka hlavních vlád po letectví ještě vyšší.

V polovině 20. století se hliník stal součástí každodenního života a nezbytnou součástí domácích potřeb. V roce 1954 výroba hliníku překonala produkci mědi , historicky druhou ve výrobě pouze za železem, což z něj činí nejvíce vyráběný barevný kov . V polovině 20. První umělá družice Země , vypuštěná v roce 1957, se skládala ze dvou oddělených hliníkových polokoulí spojených dohromady a všechna následující vesmírná vozidla hliník do určité míry používala. Hliníková plechovka byla vynalezena v roce 1956 a pracoval jako úložiště pro nápojů v roce 1958.

Světová produkce hliníku od roku 1900

V průběhu 20. století produkce hliníku rychle rostla: zatímco světová produkce hliníku v roce 1900 činila 6 800 metrických tun, roční produkce poprvé překročila 100 000 metrických tun v roce 1916; 1 000 000 tun v roce 1941; 10 000 000 tun v roce 1971. V 70. letech 20. století z něj zvýšená poptávka po hliníku učinila směnárenské zboží; vstoupila na London Metal Exchange , nejstarší průmyslovou burzu kovů na světě, v roce 1978. Produkce stále rostla: roční produkce hliníku přesáhla v roce 2013 50 000 000 metrických tun.

Skutečná cena hliníku klesla z $ 14,000 za tunu v roce 1900 na $ 2.340 v roce 1948 (v roce 1998 amerických dolarů). Náklady na těžbu a zpracování byly sníženy v důsledku technologického pokroku a rozsahu ekonomik. Potřeba využívat méně kvalitní ložiska nižší kvality a používání rychle rostoucích vstupních nákladů (především energie) však zvýšily čisté náklady na hliník; skutečná cena začala růst v 70. letech s nárůstem nákladů na energii. Výroba se přesunula z průmyslových zemí do zemí, kde byla výroba levnější. Výrobní náklady na konci 20. století se změnily kvůli technologickému pokroku, nižším cenám energií, směnným kurzům amerického dolaru a cenám oxidu hlinitého. The BRIC společný podíl zemí v prvovýrobě a primární spotřeby výrazně vzrostly v prvním desetiletí 21. století. Čína hromadí obzvláště velký podíl na světové produkci díky množství zdrojů, levné energie a vládních podnětů; zvýšil také svůj podíl na spotřebě z 2% v roce 1972 na 40% v roce 2010. Ve Spojených státech, západní Evropě a Japonsku se nejvíce hliníku spotřebovalo v dopravě, strojírenství, stavebnictví a balení.

Etymologie

Názvy hliník a hliník jsou odvozeny od slova alumine , zastaralého výrazu pro oxid hlinitý , přirozeně se vyskytující oxid hlinitý . Oxid hlinitý byl vypůjčen z francouzštiny, která jej zase odvozila od alumenu , klasického latinského názvu pro kamenec , minerálu, ze kterého byl sbírán. Latinské slovo alumen pochází z protoindoevropského kořene *alu- což znamená „hořký“ nebo „pivo“.

1897 Americká reklama s hliníkovým pravopisem

Ražba

Britský chemik Humphry Davy , který provedl řadu experimentů zaměřených na izolaci kovu, je připočítán jako osoba, která pojmenovala prvek. První název navrhovaný pro izolování kovu z kamence byl alumium , což navrhl Davy v článku z roku 1808 o jeho elektrochemickém výzkumu, publikovaném ve Philosophical Transactions of the Royal Society . Ukázalo se, že název byl vytvořen z anglického slova kamenec a latinské přípony -ium ; v té době však bylo obvyklé, že prvky měly mít jména pocházející z latinského jazyka, a jako takový nebyl tento název přijat univerzálně. Toto jméno bylo kritizováno současnými chemiky z Francie, Německa a Švédska, kteří tvrdili, že kov by měl být pojmenován podle oxidu, oxidu hlinitého, ze kterého by byl izolován. Anglický název slovo kamenec nemá přímý odkaz na latinský jazyk, zatímco alumine / oxidu hlinitého jednoduše odkazuje latinského slova alumen (při skloňování , alumen změny hliní- ).

Jedním z příkladů bylo psaní ve francouzštině od švédského chemika Jönse Jacoba Berzeliusa s názvem Essai sur la Nomenclature chimique , vydané v červenci 1811; v této eseji mimo jiné Berzelius použil název hliník pro prvek, který by byl syntetizován z kamence. (Další článek ve stejném čísle časopisu také odkazuje na kov, jehož oxid tvoří základ safíru, pokud jde o hliník .) Shrnutí jedné z Davyiných přednášek z Královské společnosti z ledna 1811 uvádělo jako možnost název hliník . Následující rok vydal Davy učebnici chemie, ve které použil pravopis hliníku . Od té doby obě hláskování koexistují; jejich použití je však rozděleno podle oblastí: hliník je primárním hláskováním ve Spojených státech a Kanadě, zatímco hliník je ve zbytku anglicky mluvícího světa.

Pravopis

V roce 1812, britský vědec Thomas Young napsal anonymní recenzi Davyův knihy, ve kterém on navrhoval jméno hliníku namísto hliníku , který on cítil, že je „méně klasický zvuk“. Toto jméno se uchytilo : zatímco v Británii se občas používal -um hláskování, americký vědecký jazyk používal od začátku -ium . Většina vědců používala v 19. století po celém světě -ium a bylo zakořeněno v mnoha dalších evropských jazycích, jako je francouzština , němčina nebo holandština . V roce 1828 použil americký lexikograf Noah Webster ve svém americkém slovníku angličtiny výhradně hliníkové hláskování . V roce 1830, -um hláskování začalo získávat využití ve Spojených státech; v 60. letech 19. století se to stalo běžnějším hláskováním mimo vědu. V roce 1892 použil Hall ve svém reklamním letáku pravopis -um pro svůj nový elektrolytický způsob výroby kovu, a to navzdory neustálému používání pravopisu -ium ve všech patentech, které podal v letech 1886 až 1903. Není známo, zda toto hláskování bylo zavedena omylem nebo úmyslně; Hall však od svého uvedení upřednostňoval hliník, protože připomínal platinu , název prestižního kovu. V roce 1890 byla obě hláskování v USA celkem běžná, přičemž o něco častější bylo hláskování -ium ; v roce 1895 se situace obrátila; v roce 1900 se hliník stal dvakrát běžnějším než hliník ; v následujícím desetiletí ovládalo americké použití pravopis -um . V roce 1925 přijala toto hláskování Americká chemická společnost .

Mezinárodní unie pro čistou a užitou chemii (IUPAC) přijatý hliník jako standardní mezinárodní jméno pro element v roce 1990. V roce 1993, oni uznali hliník jako přijatelnou variantu; nejnovější vydání nomenklatury anorganické chemie IUPAC z roku 2005 toto hláskování také uznává. Oficiální publikace IUPAC používají jako primární pravopis -ium , ale v případě potřeby uvádějí oba.

Výroba a zdokonalování

Výroba hliníku začíná těžbou bauxitové horniny ze země. Bauxit se zpracovává a transformuje Bayerovým procesem na oxid hlinitý , který se poté zpracovává postupem Hall – Héroult , přičemž vzniká konečný kovový hliník.

Výroba hliníku je vysoce energeticky náročná, a proto mají výrobci tendenci umisťovat hutě na místa, kde je elektrická energie bohatá a levná. Od roku 2019 se největší hutě hliníku na světě nacházejí v Číně, Indii, Rusku, Kanadě a Spojených arabských emirátech, zatímco Čína je zdaleka nejlepším výrobcem hliníku se světovým podílem padesáti pěti procent.

Podle zprávy International Stock Resource Panel 's Metal Stocks in Society je globální zásoba hliníku na obyvatele používaná ve společnosti (tj. V automobilech, budovách, elektronice atd.) 80 kg (180 lb). Většina z toho je ve více rozvinutých zemích (350–500 kg (770–1,100 lb) na obyvatele) než v méně rozvinutých zemích (35 kg (77 lb) na obyvatele).

Bayerův proces

Bayerovým procesem se bauxit převádí na oxid hlinitý. Bauxit se smíchá, aby se dosáhlo rovnoměrného složení, a poté se rozemele. Výsledná kaše se smíchá s horkým roztokem hydroxidu sodného ; směs se poté zpracuje v nádobě vyhnívací při tlaku výrazně nad atmosférickém tlaku, přičemž se hydroxid hlinitý rozpustí v bauxitu, přičemž se nečistoty převedou na relativně nerozpustné sloučeniny:

Al (OH) 3 + Na + + OH - → Na + + [Al (OH) 4 ] -

Po této reakci je suspenze při teplotě nad teplotou atmosférického varu. Při snižování tlaku se ochlazuje odstraněním páry. Bauxitový zbytek se oddělí z roztoku a zlikviduje. Roztok, bez pevných látek, se naočkuje malými krystaly hydroxidu hlinitého; to způsobí rozklad [Al (OH) 4 ] - iontů na hydroxid hlinitý. Poté, co se vysráží asi polovina hliníku, se směs odešle do třídičů. Malé krystaly hydroxidu hlinitého se shromažďují, aby sloužily jako očkovací činidla; hrubé částice se zahříváním přeměňují na oxid hlinitý; přebytečný roztok se odstraní odpařením, (v případě potřeby) se čistí a recykluje.

Hall – Héroultův proces

Vytlačování ingoty z hliníku

Konverze oxidu hlinitého na kov hliníku se dosahuje procesem Hall – Héroult . V této energeticky náročné procesu, roztok oxidu hlinitého v roztaveném (950 a 980 ° C (1740 až 1800 ° F)) Směs kryolit (Na 3 AlF 6 ) s fluoridu vápenatého je elektrolýza k výrobě kovového hliníku. Tekutý kovový hliník klesá ke dnu roztoku a je odpichován a obvykle odlit do velkých bloků nazývaných hliníkové sochory pro další zpracování.

Anody elektrolýzního článku jsou vyrobeny z uhlíku - nejodolnějšího materiálu proti fluoridové korozi - a buď se při procesu vypalují, nebo se předpečou. Ty první, nazývané také Söderbergovy anody, jsou méně energeticky účinné a výpary uvolněné při pečení jsou nákladné na sběr, a proto jsou nahrazovány předpečenými anodami, přestože šetří energii, energii a práci na předpečení katod. Uhlík pro anody by měl být přednostně čistý, aby nebyl hliník ani elektrolyt znečištěn popelem. Navzdory odolnosti uhlíku proti korozi se stále spotřebovává v množství 0,4–0,5 kg na každý kilogram vyrobeného hliníku. Katody jsou vyrobeny z antracitu ; vysoká čistota pro ně není vyžadována, protože nečistoty vyluhují jen velmi pomalu. Katoda se spotřebovává rychlostí 0,02–0,04 kg na každý kilogram vyrobeného hliníku. Buňka je obvykle ukončena po 2–6 letech po selhání katody.

Proces Hall -Heroult vyrábí hliník s čistotou nad 99%. Další čištění lze provést Hoopesovým procesem . Tento proces zahrnuje elektrolýzu roztaveného hliníku elektrolytem sodíku, barya a fluoridu hlinitého. Výsledný hliník má čistotu 99,99%.

Elektrická energie představuje asi 20 až 40% nákladů na výrobu hliníku v závislosti na umístění hutě. Výroba hliníku spotřebuje zhruba 5% elektřiny vyrobené ve Spojených státech. Z tohoto důvodu byly zkoumány alternativy k procesu Hall – Héroult, ale žádná se neukázala jako ekonomicky proveditelná.

Recyklace

Běžné koše na recyklovatelný odpad spolu s košem na nerecyklovatelný odpad. Přihrádka se žlutým vrcholem je označena „hliník“. Rhodos, Řecko.

Obnova kovu prostřednictvím recyklace se stala důležitým úkolem hliníkového průmyslu. Recyklace byla nízkoprofilovou aktivitou až do konce 60. let, kdy se díky rostoucímu používání hliníkových plechovek od nápojů dostala do povědomí veřejnosti. Recyklace zahrnuje roztavení šrotu, což je proces, který vyžaduje pouze 5% energie použité k výrobě hliníku z rudy, ačkoli významná část (až 15% vstupního materiálu) se ztrácí jako struska (oxid podobný popelu). Hliníková stohovací tavička produkuje výrazně méně strusky s hodnotami uvedenými pod 1%.

Bílé stěrky z primární výroby hliníku a ze sekundárních recyklačních operací stále obsahují užitečné množství hliníku, které lze průmyslově těžit . Tento proces produkuje hliníkové polotovary spolu s vysoce složitým odpadním materiálem. Tento odpad je obtížné zvládnout. Reaguje s vodou a uvolňuje směs plynů (mimo jiné včetně vodíku , acetylenu a amoniaku ), která se při kontaktu se vzduchem samovolně vznítí; kontakt s vlhkým vzduchem má za následek uvolnění velkého množství plynného amoniaku. Navzdory těmto obtížím se odpad používá jako plnivo do asfaltu a betonu .

Aplikace

Hliníkové tělo Austin A40 Sports (c. 1951)

Kov

Celosvětová produkce hliníku v roce 2016 činila 58,8 milionu metrických tun. Překročilo to jakýkoli jiný kov kromě železa (1 231 milionů metrických tun).

Hliník je téměř vždy legován, což výrazně zlepšuje jeho mechanické vlastnosti, zejména při temperování . Například běžnými hliníkovými fóliemi a nápojovými plechovkami jsou slitiny 92% až 99% hliníku. Hlavními legujícími činidly jsou měď , zinek , hořčík , mangan a křemík (např. Dural ) s obsahem jiných kovů v několika procentech hmotnostních. Hliník, tvářený i litý, byl legován mimo jiné : manganem , křemíkem , hořčíkem , mědí a zinkem . Například rodinu slitin Kynal vyvinul britský výrobce chemikálií Imperial Chemical Industries .

Hlavní použití pro hliníkový kov jsou:

  • Doprava ( automobily , letadla, nákladní automobily , železniční vozy , námořní lodě, kola , kosmické lodě atd. ). Hliník se používá kvůli nízké hustotě;
  • Balení ( plechovky , fólie, rám atd. ). Hliník se používá proto, že je netoxický (viz níže ), ne adsorpční a tříska vodovzdorné;
  • Stavba a konstrukce ( okna , dveře , vlečky , stavební dráty, opláštění, zastřešení atd. ). Protože je ocel levnější, používá se hliník tam, kde je důležitá lehkost, odolnost proti korozi nebo technické vlastnosti;
  • Použití související s elektřinou (slitiny vodičů, motory a generátory, transformátory, kondenzátory atd. ). Používá se hliník, protože je relativně levný, vysoce vodivý, má dostatečnou mechanickou pevnost a nízkou hustotu a odolává korozi;
  • Široký sortiment domácích potřeb , od kuchyňských potřeb až po nábytek . Nízká hustota, dobrý vzhled, snadná výroba a trvanlivost jsou klíčovými faktory použití hliníku;
  • Stroje a zařízení (zařízení na zpracování, potrubí, nástroje). Hliník se používá kvůli své odolnosti proti korozi, nepyroforicitě a mechanické pevnosti.
  • Přenosné počítačové skříně. V současné době se bez legování používá jen zřídka, ale hliník lze recyklovat a čistý hliník má zbytkovou tržní hodnotu: například materiál použitých nápojových plechovek (UBC) byl použit k obalení elektronických součástí notebooku MacBook Air , smartphonu Pixel 5 nebo chytrých hodinek Summit Lite .

Sloučeniny

Velká většina (asi 90%) oxidu hlinitého se převádí na kovový hliník. Jako velmi tvrdý materiál ( Mohsova tvrdost 9) je oxid hlinitý široce používán jako brusivo; je mimořádně chemicky inertní a je užitečný ve vysoce reaktivních prostředích, jako jsou vysokotlaké sodíkové výbojky. Oxid hlinitý se běžně používá jako katalyzátor pro průmyslové procesy; např. Clausův proces přeměny sirovodíku na síru v rafinériích a na alkylát aminů . Mnoho průmyslových katalyzátorů je neseno oxidem hlinitým, což znamená, že drahý materiál katalyzátoru je dispergován po povrchu inertního oxidu hlinitého. Další hlavní použití je jako sušící činidlo nebo absorbent.

Laserová depozice oxidu hlinitého na substrát

Několik síranů hliníku má průmyslové a komerční využití. Síran hlinitý (ve formě hydrátu) se vyrábí v ročním měřítku několika milionů metrických tun. Asi dvě třetiny se spotřebují na úpravu vody . Další hlavní aplikací je výroba papíru. Používá se také jako mořidlo při barvení, při moření semen, deodorizaci minerálních olejů, při činění kůže a při výrobě dalších sloučenin hliníku. Dva druhy kamence, kamenec amonný a kamenec draselný , byly dříve používány jako mořidla a při činění kůží, ale jejich použití výrazně pokleslo po dostupnosti vysoce čistého síranu hlinitého. Bezvodý chlorid hlinitý se používá jako katalyzátor v chemickém a petrochemickém průmyslu, v barvírském průmyslu a při syntéze různých anorganických a organických sloučenin. Hydroxychloridy hliníku se používají k čištění vody, v papírenském průmyslu a jako antiperspiranty . Hlinitan sodný se používá při úpravě vody a jako urychlovač tuhnutí cementu.

Mnoho sloučenin hliníku má specializované aplikace, například:

Biologie

Schéma absorpce hliníku lidskou kůží.

Přes svůj rozšířený výskyt v zemské kůře nemá hliník v biologii žádnou známou funkci. Při pH 6–9 (relevantní pro většinu přírodních vod) se hliník vysráží z vody jako hydroxid, a proto není k dispozici; většina prvků chovajících se tímto způsobem nemá žádnou biologickou roli nebo je toxická. Soli hliníku jsou netoxické. Síran hlinitýLD 50 6207 mg/kg (orální, myš), což odpovídá 435 gramům na osobu s hmotností 70 kg (150 lb), ačkoli letalita a neurotoxicita se liší ve svých implikacích. Andrási a kol. Objevili „významně vyšší obsah hliníku“ v některých oblastech mozku, když byly nekroskopie subjektů s Alzheimerovou chorobou porovnány se subjekty bez. Cheláty hliníku s glyfosátem .

Toxicita

Hliník je ministerstvem zdravotnictví a sociálních služeb USA klasifikován jako nekarcinogenní . Recenze publikovaná v roce 1988 uvedla, že existuje jen málo důkazů o tom, že by normální expozice hliníku představovala riziko pro zdravé dospělé, a víceprvkový toxikologický přehled z roku 2014 nebyl schopen nalézt škodlivé účinky konzumovaného hliníku v množství nepřesahujícím 40 mg/den za den. kg tělesné hmotnosti . Většina spotřebovaného hliníku opustí tělo ve výkalech; většina z jeho malé části, která vstupuje do krevního oběhu, bude vyloučena močí; nicméně nějaký hliník prochází hematoencefalickou bariérou a je uložen přednostně v mozku pacientů s Alzheimerovou chorobou. Důkazy publikované v roce 1989 naznačují, že u pacientů s Alzheimerovou chorobou může hliník působit elektrostaticky zesíťujícími proteiny, a tím snižovat regulaci genů v horním temporálním gyru .

Efekty

Hliník, i když jen zřídka, může způsobit osteomalacii rezistentní na vitamín D , mikrocytovou anémii odolnou vůči erytropoetinu a změny centrálního nervového systému. Zvláště ohrožení jsou lidé s nedostatečností ledvin. Chronické požití hydratovaných křemičitanů hliníku (pro nadměrnou kontrolu kyselosti žaludku) může mít za následek navázání hliníku na střevní obsah a zvýšenou eliminaci dalších kovů, jako je železo nebo zinek ; dostatečně vysoké dávky (> 50 g/den) mohou způsobit anémii.

Lidské tělo absorbuje pět hlavních forem hliníku: volný solvatovaný trojmocný kation (Al 3+ (aq) ); nízkomolekulární, neutrální, rozpustné komplexy (LMW-Al 0 (aq) ); neutrální, rozpustné komplexy s vysokou molekulovou hmotností (HMW-Al 0 (aq) ); nízkomolekulární, nabité, rozpustné komplexy (LMW-Al (L) n +/− (aq) ); nano a mikročástice (Al (L) n (s) ). Jsou transportovány přes buněčné membrány nebo buněčnou epi/ endotelii pěti hlavními cestami: (1) paracelulární ; (2) transcelulární ; (3) aktivní doprava ; (4) kanály; (5) adsorpční nebo receptorem zprostředkovaná endocytóza .

Během incidentu se znečištěním vody v Camelfordu v roce 1988 lidé v Camelfordu nechali několik týdnů kontaminovat pitnou vodu síranem hlinitým . Závěrečná zpráva o incidentu v roce 2013 dospěla k závěru, že je nepravděpodobné, že by to způsobilo dlouhodobé zdravotní problémy.

Hliník byl podezřelý z toho, že je možnou příčinou Alzheimerovy choroby , ale výzkum v této oblasti již více než 40 let zjistil, že od roku 2018 neexistují žádné dobré důkazy o příčinném účinku.

Hliník zvyšuje expresi genů souvisejících s estrogenem v lidských buňkách rakoviny prsu kultivovaných v laboratoři. Ve velmi vysokých dávkách je hliník spojen se změněnou funkcí hematoencefalické bariéry. Malé procento lidí má kontaktní alergii na hliník a při kontaktu s výrobky obsahujícími hliník se u nich objevují svědivé červené vyrážky, bolesti hlavy, svalů, kloubů, špatná paměť, nespavost, deprese, astma, syndrom dráždivého tračníku nebo jiné příznaky.

Vystavení práškovému hliníku nebo výparům ze svařování hliníku může způsobit plicní fibrózu . Jemný hliníkový prášek se může vznítit nebo explodovat, což představuje další nebezpečí na pracovišti.

Expoziční cesty

Potraviny jsou hlavním zdrojem hliníku. Pitná voda obsahuje více hliníku než pevná strava; hliník v potravinách však může být absorbován více než hliník z vody. Mezi hlavní zdroje orální expozice člověka hliníku patří potraviny (kvůli jeho použití v potravinářských přídatných látkách, obaly na potraviny a nápoje a kuchyňské náčiní), pitná voda (kvůli použití při čištění komunální vody) a léky obsahující hliník (zejména antacida) /protivředové a pufrované aspirinové přípravky). Průměrná dietní expozice u Evropanů je 0,2–1,5 mg/kg/týden, ale může dosahovat až 2,3 mg/kg/týden. Vyšší úrovně expozice hliníku jsou většinou omezeny na horníky, pracovníky výroby hliníku a dialyzované pacienty.

Možné cesty expozice poskytuje konzumace antacid , antiperspirantů, vakcín a kosmetiky. Konzumace kyselých potravin nebo tekutin s hliníkem zvyšuje absorpci hliníku a maltol zvyšuje akumulaci hliníku v nervových a kostních tkáních.

Léčba

V případě podezření na náhlý příjem velkého množství hliníku je jedinou léčbou deferoxamin mesylát, který lze podat za účelem odstranění hliníku z těla chelatací . Toto by však mělo být používáno opatrně, protože to snižuje nejen úroveň hliníkového těla, ale také jiných kovů, jako je měď nebo železo.

Účinky na životní prostředí

Bauxit hlušina “ skladovací prostory v Stade , Německo. Hliníkový průmysl generuje přibližně 70 milionů tun tohoto odpadu ročně.

V blízkosti těžebních lokalit se vyskytuje vysoká hladina hliníku; malé množství hliníku se uvolňuje do životního prostředí v uhelných elektrárnách nebo spalovnách . Hliník ve vzduchu je vyplavován deštěm nebo se normálně usazuje, ale malé částice hliníku zůstávají ve vzduchu po dlouhou dobu.

Kyselé srážení je hlavním přírodním faktorem mobilizace hliníku z přírodních zdrojů a hlavním důvodem vlivu hliníku na životní prostředí; hlavním faktorem přítomnosti hliníku ve slané a sladké vodě jsou však průmyslové procesy, které také uvolňují hliník do vzduchu.

Ve vodě působí hliník jako toxický prostředek na zvířata, která dýchají žábry, jako jsou ryby, když je voda kyselá, ve kterých se hliník může vysrážet na žábrách, což způsobuje ztrátu iontů plazmy a hemolymfy, což vede k selhání osmoregulace . Organické komplexy hliníku mohou být snadno absorbovány a zasahovat do metabolismu u savců a ptáků, i když se to v praxi stává jen zřídka.

Hliník je primární mezi faktory, které snižují růst rostlin na kyselých půdách. Ačkoli je obecně neškodný pro růst rostlin v pH neutrálních půdách, v kyselých půdách se koncentrace toxických kationtů Al 3+ zvyšuje a narušuje růst a funkci kořenů. Pšenice si vyvinula toleranci vůči hliníku a uvolňuje organické sloučeniny, které se vážou na škodlivé kationty hliníku . Předpokládá se, že čirok má stejný mechanismus tolerance.

Výroba hliníku má své vlastní výzvy vůči životnímu prostředí v každém kroku výrobního procesu. Hlavní výzvou jsou emise skleníkových plynů . Tyto plyny jsou výsledkem elektrické spotřeby hutí a vedlejších produktů zpracování. Nejsilnější z těchto plynů jsou perfluorované uhlovodíky z procesu tavení. Uvolněný oxid siřičitý je jedním z hlavních prekurzorů kyselých dešťů .

Španělská vědecká zpráva z roku 2001 tvrdila, že houba Geotrichum candidum spotřebovává hliník v kompaktních discích . Všechny další zprávy odkazují zpět na tuto zprávu a není podporován původní výzkum. Lépe zdokumentováno je, že bakterie Pseudomonas aeruginosa a houba Cladosporium resinae jsou běžně detekovány v palivových nádržích letadel, která používají paliva na bázi petroleje (nikoli avgas ), a laboratorní kultury mohou degradovat hliník. Tyto formy života však na hliník přímo neútočí ani jej nespotřebovávají; spíše je kov korodován mikrobními odpadními produkty.

Viz také

Poznámky

Reference

Bibliografie

Další čtení

  • Mimi Sheller, Aluminium Dream: The Making of Light Modernity . Cambridge, Mass .: Massachusetts Institute of Technology Press, 2014.

externí odkazy