Kemijski element Aluminij

Aluminij je metal (kemijski element) simbola Al, koji ima atomski broj 13, i specifičnu atomsku masu 26,982. Aluminij je otkrio Danski fizičar i kemičar Hans C. Oerested 1825. godine. Danas je aluminij dosta zastupljen u metalurgiji, kako u čistom obliku, tako i kao primjesa mnogim legurama.

Aluminij prepoznajemo kao metal srebrno-bijele boje, koji je mekan, krt, i jako rastezljiv. Aluminij je male gustoće, što znači da je relativno lagan, uz opet dobra svojstva metala u raznim industrijskim granama.

Aluminijski hladnjak CPU
Aluminijski CPU hladnjak

Često se koristi u automobilskoj industriji, u izradi rashladnih tijela različitih elektronskih sklopova, i jedan je od najviše zastupljenih metala u avionskoj industriji. S obzirom da je dosta zastupljen u Zemljinoj kori, i da ima dobra svojstva odvođenja topline, aluminij je često prvi izbor kada se radi o proizvodnji raznih radijatora (grijanje/hlađenje). Na fotografiji možete vidjeti metalni (aluminijski) dio koji služi kao hladnjak za odvođenje i raspršivanje topline sa kompijutorskog procesora. Aluminijski hladnjaci su mnogo više zastupljeni od bakrenih, jer su cijenom pristupačniji, a opet tek su neznatno slabijih svojstava. Aluminij je više zastupljen, lakše se dobija iz rude i zbog toga je jeftiniji metal od bakra. Radimo usporedbu s bakrom jer su ova dva metala sličnih svojstava, pa se često koriste u istim ili sličnim granama industrije. Bakar smo prije opisali, pa pročitajte o tom metalu.

Aluminij – Povijest, svojstva metala i korištenje u moderno doba

Zanimljivo je spomenuti da je aluminij treći po redu najzastupljeniji element u zemljinoj kori. Na prvom mjestu je kisik, pa slijedi silicij i aluminij sa udjelom od 8%. Iako je otkriven 1825. godine, kao metal se pojavio po prvi puta 1855. godine, na svjetskoj izložbi u Parizu. Danas je aluminij jedan od najviše korištenih metala u raznim industrijama. Jedino se čelik koristi više od aluminija.

Aluminij se dobiva iz boksita (rude), koja se prerađuje u glinicu Al2O3, iz koje se kasnije uz pomoć elektrolize izdvaja aluminij. Postupak elektrolize nije toliko kompleksan, ali se za izdvajanje aluminija troše velike količine električne energije.

Da bi dobili 1 kg aluminija, potrebno je utrošiti 16 kWh električne energije.

Aluminijski okvir
Alu otvori (profil)

Aluminij je mekana, krta i žilava kovina. Male je gustoće i jako je rastezljiv. Ovaj metal je otporan na djelovanje atmosferskih plinova, nekih kiselina i koroziju. Dobar je vodič topline i elektriciteta. Zbog svih spomenutih svojstava metala, danas se aluminij koristi u građevinarstvu, prehrambenoj industriji, automobilskoj industriji, kriogenoj tehnologiji, a našao je veliku primjenu i u vojnoj industriji. Aluminij se koristi za izradu razne ambalaže, u proizvodnji bijele tehnike, te za izradu posuda pod tlakom. Zbog male gustoće, te drugih povoljnih svojstava, aluminij je često korišten metal u avionskoj industriji.

Točka tališta aluminija je 660°C, a vrelište 2519°C. U atmosferskim uvjetima aluminij jako reagira, ali tek na površinskom sloju, na kojem se pojavi tanki sloj oksida, koji čuva metal od daljnjeg propadanja. To znači da je aluminij postojan na otvorenom, i otporan je na koroziju.

Tanki oksidni sloj na površini aluminija strukturno se povezuje za sami metal, ne ljušti se i na taj način štiti metal od daljnjeg propadanja (oksidacije). Sloj oksida na površini jako je tanak, ali opet iznimno gust, toliko da vlaga i zrak ne mogu doprijeti do aluminija.

Primjena aluminija

Niska specifična gustoća aluminija, posebno u poređenju sa željezom, pogoduje šarolikoj primjeni aluminija u različitim granama industrije. Ako tome pridodamo i prirodnu otpornost na koroziju, te fizička svojstva aluminija koja su pogodna za kalupljenje, lako je zaključiti koliko je taj metal važan u moderno doba, u gotovo svim granam industrije i proizvodnje.

Aluminij se koristi u:

  • industriji pakiranja (aluminijska folija, limenke…)
  • avioindustriji i svemirskoj industriji
  • brodogradnji
  • prijenosu električne energije
  • automobilskoj industriji
  • informatičkoj industriji
  • građevinarstvu
  • pirotehnici
  • kemiji

Aluminotermija – postupak pri kojem se rabi aluminij kao redukcijsko sredstvo za dobivanje nekih drugih metala (kroma, mangana, molibdena, volframa i drugih).

Dobivanje aluminija iz rude

Polazna ruda za dobivanje aluminija je boksit. Hrvatska, Bosna i Hercegovina i dijelovi država regije bogate su boksitom.

Pročišćavanjem boksita dobije se aluminijev oksid (glinica), kemijske oznake Al2O3. Kasnije se, posebnim postupkom elektrolize, iz glinice izdvaja aluminij.

Danas se najviše koristi postupak elektrolize koji podrazumijeva korištenje Hall-Heroultove ćelije. Proces podrazumijeva korištenje elektrolita od rastopljenog kriolita Na3AlF6, koji će sniziti talište glinice na otprilike 950°C. Jakost električne struje za ovaj proces je 150.000 A, sa naponom od nekih 5V.

Na donjoj fotografiji možete vidjeti jedan kompletan ciklus (dijagram) proizvodnje aluminija iz rude. Proces na dijagramu pokazuje elektrolizu, proces taljenja u peći i dobivanja različitih poluproizvoda.

Dijagram - Proces proizvodnje aluminija iz rude
proces proizvodnje aluminija

Fotografiju smo preuzeli sa linka: https://www.researchgate.net/figure/Flow-sheet-of-the-aluminum-production-process_fig3_262148554

U nastavku je opisan detaljan proces dobivanja (izdvajanja) aluminija iz rude.

Reakcija na katodi: Al3+ + 3e− → Al
Reakcija na anodi: 2O2− → O2 + 4e−

Katode se najčešće izrađuju od ugljena, pa one lagano izgaraju u ovom procesu i reagiraju sa kisikom i fluorom iz kriolita. Prilikom te reakcije u pogonu nastaje određena količina plinova CO i CO2. Pojavit će se još neki plinoviti spojevi sa fluorom (1kg po 1t Al) koji će u komori pridonijeti efektu staklenika. Aluminij koji se u tom trenutku izdvojio, čuva se nekoliko sati na visokim temperaturama da bi iz njega isparile primjese silicija, titanija, bakra i cinka. Ipak, najveća čistoća aluminija će se dobiti električnom rafinacijom (99.999%).

Napisali smo već i prije da je aluminij mekan i kovan, a čvrstoća mu se može povećati mehaničkom obradom. Naknadno će se svojstva aluminija doraditi, ovisno o potrebama i daljnjem korištenju ovog metala u industriji.

Legure (slitine) aluminija

Aluminij se dosta koristi u različitim industrijskim pogonima. Ovisno o potrebama, od aluminija se izrađuju legure da bi se dobila sirovina potrebnih mehaničkih, i ostalih svojstava.

U avionskoj industriji aliminij ima značajno mjesto. Lagan je, a opet jako čvrst i pogodan za obradu. Zbog istih osobina se koristi u svemirskoj industriji. Danas sve veću primjenu pronalazimo i u automobilskoj industriji. Nove metode zavarivanja otvaraju nam nove mogućnosti primjene aluminija. Lagan metal, koji je lako dostupan i prilično povoljan (financijski), izbor je mnogim tvornicama proizvodnje automobila i drugih različitih vozila.

Poznate legure aluminija su:

Legirni element (kemijska oznaka)
Bakar (Cu)Tehničke legure Al-Cu obično sadrže oko 4,5% udjela bakra, zbog širokog intervala skrućivanja.
Magnezij (Mg)Upotreba Al-Mg legura najčešće je ograničena na područje do 15% udjela magnezija.
Silicij (Si)Al-Si legure najčešće se koriste kod lijevanja. Udio silicija iznosi između 10-13%.
Cink (Zn)Cink se kod legiranja koristi tek u manjem udjelu (do 3%), većinom sa još nekim od metala (magnezij i/ili bakar).
Mangan (Mn)Mangan se (kao i cink) koristi u manjem udjelu, sa dodavanjem drugih metala. Udio mangana u leguri aluminija bude do 3%.

Recikliranje aluminija

Danas se aluminij često i reciklira. Naime, u Europi se reciklira čak 42% od ukupno proizvedene količine aluminija. Najveći izvori za recikliranje su limenke, pa slijedi razni drugi metalni otpad. Reciklirani aluminij se koristi u građevinarstvu (građevinskim materijalima), i u automobilskoj industriji, odnosno u prijevoznim sredstvima.

Velike količine materijala za recikliranje, i značajno manji utrošak energije (i svih drugih troškova) opravdali su sve veću potražnju za recikliranjem aluminija. Proizvodi od aluminija obično i jesu kratkog radnog vijeka, što je još jedna pozitivna stavka – koja ide u prilog recikliranju ovog metala.

Kada sve uzmemo u obzir, sasvim je opravdana činjenica da danas imamo omjer dobivenog aluminija iz rude i recikliranog aluminija 3:1. Mogli bi na brzinu zaključiti da bi taj omjer kroz kraći period išao još više u korist recikliranom aluminiju, ali ako uzmemo u obzir i sve veću potražnju za aluminijem, uvidjet ćemo povećanu potrebu za većim količinama aluminija dobivenog iz rude.

Zanimljivosti u vezi aluminija

Zanimljivo je spomenuti da se aluminij različito piše/čita na Američkom Engleskom i Britanskom Engleskom. Tako možemo pročitati da se u periodnom sustavu elemenata, pod oznakom Al, nalazi element aluminum/aluminium. Razlika se pojavila još davno, jer su Britanski znanstvenici slijedili nazive drugih elemenata (poput sodium, lithium, titanium), da bi se kasnije uočilo da naziv aluminium mnogo bolje ulazi prilikom konstruiranja rečenica. Danas se koriste oba naziva, za isti element.

Iako je jako rasprostranjen u Zemljinoj kori, aluminij je otkriven tek s početkom 19. stoljeća. U vrijeme kada je izložen prvi komad aluminija, 1855. godine, zbog činjenice da je to prva količina tog metala u svijetu, bio je prava rijetkost, i u to je vrijeme aluminij imao veću cijenu od zlata.

Prva konzerva za piće (današnja limenka) od aluminija proizvedena je 1963. godine. Danas je to neizostavna ambalaža.

Tvornica Aluminij Mostar jedan je od najvećih proizvodnih pogona u svijetu. Od velikog je značaja za regiju, i već godinama proizvodi aluminijske poluproizvode visoke ćistoće.

Da bi se razgradila jedna aluminijska limenka potrebno je 500 godina. Danas se aluminij reciklira, pa su uštede evidentne u više proizvodnih koraka. Recikliranjem se smanjuje ispuštanje štetnih plinova u atmosferu za čak 90%. Značajno se smanjuje potrošnja električne energije. Recikliranjem se utroši tek 5% električne energije, za razliku kada se aluminij dobiva iz glinice.

U prirodi ovog metala nema jer lako reagira. Ipak, jako je rasprostranjen u mnogim rudama.