alumínio - Aluminium


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Alumínio,   13 Al
Alumínio-4.jpg
Propriedades gerais
Pronúncia
nome alternativo alumínio (EUA, Canadá)
Aparência cinza metálico prateado
Peso atómico Padrão ( A r, padrão ) 26,981 5384 (3)
Alumínio na tabela periódica
hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro argão
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio crômio Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo criptônio
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Indium Lata antimônio Telúrio Iodo xênon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio neodímio Promécio Samário európio gadolínio Térbio disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Conduzir Bismuto Polônio Astatine radão
francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio amerício curandeiro Berkelium californium Einsteinium fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium dubnium seaborgium Bohrium hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium fleróvio Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
B

Al

Ga
magnésioalumíniosilício
Número atómico ( Z ) 13
Grupo grupo 13 (grupo de boro)
Período período de 3
Quadra p-bloco
categoria de elemento   de metal de pós-transição , às vezes considerado um metalóide
configuração eletrônica [ Ne ] 3s 2 3p 1
Elétrons por shell
2, 8, 3
Propriedades físicas
Fase em  STP sólido
Ponto de fusão 933,47  K (660,32 ° C, 1220,58 ° F)
Ponto de ebulição 2743 K (2470 ° C, 4478 ° F)
Densidade (perto  rt ) 2,70 g / cm 3
quando o líquido (no  pf ) 2,375 g / cm 3
Calor de fusão 10,71  kJ / mol
Calor da vaporização 284 kJ / mol
capacidade térmica molar 24,20 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
em  T  (K) 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Propriedades atômicas
estados de oxidação -2, -1, 1, 2, 3 (a  anfotérico óxido)
Eletro-negatividade escala Pauling: 1,61
energias de ionização
  • 1: 577,5 kJ / mol
  • 2: 1816,7 kJ / mol
  • 3: 2744,8 kJ / mol
  • ( Mais )
Raio atômico empírica: 143  pm
raio covalente 121 ± 04:00
Van der Waals raio 184 pm
Linhas de cor em uma faixa espectral
Linhas espectrais de alumínio
outras propriedades
Estrutura de cristal encarar-centrado cúbico (FCC)
estrutura cristalina cúbica de face centrada de alumínio
Velocidade do som haste fina (laminado) 5000 m / s (em  RT )
Expansão térmica 23,1? M / (m-K) (a 25 ° C)
Condutividade térmica 237 W / (mK)
Resistividade elétrica 26,5 Nco · m (a 20 ° C)
ordenamento magnético paramagnético
susceptibilidade magnética + 16,5 · 10 -6  cm 3 / mol
Módulo de Young 70 GPa
módulo de cisalhamento 26 GPa
módulo de volume 76 GPa
coeficiente de Poisson 0,35
dureza de Mohs 2.75
dureza de Vickers 160-350 MPa
dureza Brinell 160-550 MPa
Número CAS 7429-90-5
História
Naming depois de alumina ( óxido de alumínio ), o próprio nome de mineral alúmen
Predição Antoine Lavoisier (1782)
Descoberta e primeiro isolamento Hans Christian Oersted (1824)
nomeado pela Humphry Davy (1812)
Principais isótopos de alumínio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) modo de decaimento produtos
26 Al vestígio 7,17 x 10 5  y β + 26 Mg
ε 26 Mg
γ -
27 Al 100% estável
| referências

De alumínio ou de alumínio é um elemento químico com símbolo  Al e número atómico  13. É um prateado-branco, macio, não magnético e dúctil de metal no grupo de boro . Em massa, de alumínio representa cerca de 8% da crosta terrestre ; que é o terceiro elemento mais abundante depois de oxigénio e de silício e o metal mais abundante na crosta terrestre, mas é menos comum no manto abaixo. O chefe de minério de alumínio é de bauxite . Metal de alumínio é tão quimicamente reactivo que espécimes nativas são rara e limitada a extremas reduzindo ambientes. Em vez disso, encontra-se combinado em mais de 270 diferentes minerais .

O alumínio é notável pela sua baixa densidade e à sua capacidade para resistir à corrosão através do fenómeno de passivação . Alumínio e suas ligas são vitais para a indústria aeroespacial indústria e importante no transporte indústrias e construção, tais como fachadas de edifícios e janelas. Os óxidos e sulfatos são os compostos mais úteis de alumínio.

Apesar da sua prevalência no ambiente, nenhuma forma conhecida de vida usa alumínio sais metabolicamente , mas o alumínio é bem tolerado pelas plantas e animais. Por causa da abundância destes sais, o potencial para um papel biológico para eles é de interesse de continuar, e estudos continuam.

Características físicas

Núcleos e isótopos

De alumínio número atómico é 13. De isótopos de alumínio, apenas uma é estável: 27 Al. Isto é consistente com número atômico do alumínio fato é estranho. É o único isótopo que existiu na Terra na sua forma actual desde a criação do planeta . É essencialmente o único isótopo que representa o elemento da Terra, o que torna o alumínio um elemento mononuclidic e praticamente iguala seu peso atômico padrão ao do isótopo. Tal baixo peso atómico padrão de alumínio tem alguns efeitos sobre as propriedades do elemento (ver abaixo ).

Todos os outros isótopos são radioativos e não poderia ter sobrevivido; o isótopo mais estável destes é 26 Al ( meia-vida de  720.000 anos). 26 Al é produzido a partir de árgon na atmosfera por espalação causada por raios cósmicos protões e usado em radiodating . A proporção de 26 Al a 10 Ser tem sido usado para estudar o transporte, deposição, sedimentos de armazenamento, os tempos de sepultamento, e erosão em 10 5 a 10 6 escalas de tempo ano. A maioria dos cientistas de meteoritos acredita que a energia liberada pelo decaimento de 26 Al foi responsável pela fusão e diferenciação de alguns asteróides após a sua formação 4,55 bilhões de anos atrás.

Os isótopos restantes de alumínio, com números de massa entre 21 e 43, têm meias-vidas bem menos de uma hora. Três metaestáveis estados são conhecidos, todos com meias-vidas sob um minuto.

Escudo do elétron

Um átomo de alumínio tem 13 electrões, dispostos numa configuração de electrões de [ Ne ] 3s 2 3p 1 , com três electrões para além de uma configuração de gás nobre estável. Por conseguinte, as três primeiras combinadas energias de ionização de alumínio são muito mais baixos do que a energia de ionização quarto sozinho. O alumínio pode de maneira relativamente fácil entregar as suas três electrões mais exteriores em muitas reacções químicas (ver abaixo ). A electronegatividade de alumínio é de 1,61 (escala Pauling).

Um átomo de alumínio livre tem um raio de 143  pm . Com os três elétrons da camada externa removida, o raio encolhe a 39 pm por um átomo de 4-coordenada ou 53,5 pm para um átomo 6-coordenada. Em condições normais de temperatura e pressão , átomos de alumínio (quando não foi afectada por átomos de outros elementos) formar um sistema cristalino cúbico de face centrada ligado por ligação metálica fornecida por electrões exteriores dos átomos; portanto, de alumínio (nestas condições) é um metal. Este sistema cristalino é partilhada por alguns outros metais, tais como chumbo e cobre ; o tamanho de uma célula unitária de alumínio é comparável ao das referidas outros metais.

Massa

superfície condicionada a partir de uma barra de alumínio de elevada pureza (99,9998%), tamanho 55 x 37 milímetros

Metal de alumínio, quando em quantidade, é muito brilhante e se assemelha a prata porque preferencialmente absorve ultravioleta distante radiação ao refletir toda a luz visível para que ele não transmitir qualquer cor de luz refletida, ao contrário do espectro de reflectância de cobre e ouro . Outra característica importante de alumínio é a sua baixa densidade, 2,70 g / cm 3 . O alumínio é relativamente macio, duráveis, leves, dúctil e maleável com aparência variando de prateado de cinza opaco, dependendo da rugosidade da superfície. É nonmagnetic e não facilmente inflamar. Uma película de fresco de alumínio serve como um bom reflector (aproximadamente 92%) da luz visível e uma excelente reflector (tanto quanto 98%) de meio e longe do infravermelho radiação. A resistência ao escoamento do alumínio puro é 7-11 MPa , ao passo que as ligas de alumínio têm pontos fortes rendimento variando de 200 MPa a 600 MPa. O alumínio tem cerca de um terço da densidade e rigidez de aço . Ele é facilmente usinado , fundido , desenhado e extrudados .

Átomos de alumínio são dispostos numa cúbica de face centrada estrutura (FCC). O alumínio tem uma energia de empilhamento de falta de cerca de 200 mJ / m 2 .

O alumínio é um bom térmico e condutor eléctrico , tendo 59% da condutividade de cobre, tanto térmica como eléctrica, ao mesmo tempo que apenas 30% da do cobre densidade. O alumínio é capaz de supercondutividade , com uma temperatura crítica supercondutor de 1,2 Kelvin e um campo magnético crítico de cerca de 100 Gauss (10 milliteslas ). O alumínio é o material mais comum para a fabricação de supercondutores qubits .

Química

De alumínio corrosão resistência pode ser excelente devido a uma fina camada superficial de óxido de alumínio que se forma quando o metal estiver exposta ao ar, impedindo ainda mais a oxidação , num processo denominado passivação . As ligas de alumínio fortes são menos resistentes à corrosão, devido à galvanização reacções com Ligados cobre . Esta resistência à corrosão é bastante reduzido por sais aquosas, especialmente na presença de metais diferentes.

Em soluções altamente ácidas, alumínio reage com água para formar de hidrogénio, e aqueles em altamente alcalinas para formar aluminatos - passivação de protecção sob estas condições é negligenciável. Principalmente porque é corroído por dissolvidos cloretos , tais como comum de cloreto de sódio , encanamento doméstico não é feita a partir de alumínio.

No entanto, devido à sua resistência geral à corrosão, o alumínio é um dos poucos metais que retém reflectância prateada em forma finamente pulverizada, tornando-se um componente importante de prata de cor tintas. Revestimento do espelho de alumínio tem a maior reflectância de qualquer metal sob a 200-400 nm ( UV ) e a 3,000-10,000 nm (distante IR regiões); na gama visível 400-700 nm é ligeiramente superado por estanho e prata e no 700-3000 nm (próximo de infravermelho) por prata , ouro , e cobre .

O alumínio é oxidada por água a temperaturas inferiores a 280 ° C, para produzir hidrogénio , o hidróxido de alumínio e calor:

2 Al + 6 H 2 O → 2 Al (OH) 3 + 3 H 2

Esta conversão é de interesse para a produção de hidrogénio. No entanto, a aplicação comercial deste facto tem desafios em contornar a camada de óxido de passivação, que inibe a reacção, e em armazenar a energia necessária para regenerar o metal de alumínio.

compostos inorgânicos

A grande maioria dos compostos, incluindo todos os minerais contendo Al e todos os compostos de alumínio comercialmente significativos, apresentam alumínio no estado de oxidação 3+. O número de coordenação de tais compostos varia, mas geralmente Al 3+ é de seis coordenadas ou tetracoordinate. Quase todos os compostos de alumínio (III) são incolores.

Todos os quatro trialogenetos são bem conhecidos. Ao contrário das estruturas dos três tri-halogenetos de mais pesadas, fluoreto de alumínio (AlF 3 ) dispõe de seis coordenadas Al. O ambiente de coordenação octaédrica para AlF 3 está relacionada com a compactação do flúor íon, seis dos quais pode caber ao redor da pequena Al 3+ centro. AlF 3 sublima (com craqueamento) em 1291 ° C (2356 ° F). Com halogenetos mais pesados, os números de coordenação são mais baixos. Os outros são trihalogenetos dimérica ou polimérico com centros Al tetraédricos. Estes materiais são preparados por tratamento do metal de alumínio com a halogénio, embora existam outros métodos. A acidificação dos óxidos ou hidróxidos proporciona hidratos. Em solução aquosa, os halogenetos frequentemente formar misturas, contendo geralmente de seis coordenadas centros Al que caracterizam tanto halogeneto e aquo ligandos . Quando o alumínio e fluoreto são juntos em solução aquosa, eles formam facilmente iões complexos, tais como [AlF (H
2
O)
5
] 2+
, AlF
3
(H
2
O)
3
, e[AlF
6
] 3-
. No caso do cloreto, aglomerados de polialumínio são formados tal como [Al 13 O 4 (OH) 24 (H 2 O) 12 ] 7+ .

hidrólise de alumínio como uma função do pH. moléculas de água coordenadas são omitidos.

Alumínio forma um óxido estável com a fórmula química Al 2 O 3. Ela pode ser encontrada na natureza no mineral corindo . O óxido de alumínio é também vulgarmente chamado de alumina . Safira e rubi são corindo impuro contaminado com pequenas quantidades de outros metais. As duas óxido-hidróxidos, AlO (OH), são boemite e diásporo . Existem três trihydroxides: bayerite , gibsite , e nordstrandita , que diferem na sua estrutura cristalina ( polimorfos ). A maior parte são produzidos a partir de minérios através de uma variedade de processos por via húmida utilizando ácido e de base. Aquecendo os hidróxidos leva à formação de corindo. Estes materiais são de importância central para a produção de alumínio e são eles próprios extremamente útil.

Carboneto de alumínio (Al 4 C 3 ) é feita por aquecimento de uma mistura dos elementos acima de 1.000 ° C (1.832 ° F). Os cristais amarelos pálidos consistem em alumínio centros tetraédricos. Ele reage com água ou com ácidos diluídos para se obter metano . O acetileto , Al 2 (C 2 ) 3 , é feita pela passagem de acetileno através de alumínio aquecido.

Nitreto de alumínio (AlN) é a única conhecida por nitreto de alumínio. Ao contrário dos óxidos, possui centros Al tetraédricos. Ela pode ser feita a partir dos elementos a 800 ° C (1472 ° F). É um material estável ao ar com uma forma útil elevada condutividade térmica . Fosforeto de alumínio (ALP) é feito de modo semelhante; que hidrolisa para dar fosfina :

AlP + 3 H 2 O → Al (OH) 3 + PH 3

estados de oxidação raros

Embora a grande maioria dos compostos de alumínio apresentam Al 3+ centros, compostos com estados de oxidação mais baixos são conhecidos e, por vezes de importância como precursores dos Al 3+ espécies.

Alumínio (I)

AlF, AlCl e AlBr existir na fase gasosa quando o tri-halogeneto de alumínio é aquecido com. A composição AlI é instável à temperatura ambiente, a conversão de tri-iodeto de:

Um derivado estável do monoiodide alumínio é o cíclico aducto formado com trietilamina , Al 4 I 4 (NEt 3 ) 4 . Também de interesse teórico mas apenas de existência fugaz são Al 2 O e Al 2 S. Al 2 O é feito por aquecimento do óxido normal, Al 2 O 3 , com silício a 1800 ° C (3272 ° F) em um vácuo . Tais materiais rapidamente desproporcionadas aos materiais de partida.

De alumínio (II)

Compostos muito simples Al (II) são invocados ou observado nas reacções de Al de metal com agentes oxidantes. Por exemplo, o monóxido de alumínio , AIO, foi detectado na fase gasosa após a explosão e em espectros de absorção estelar. Mais cuidadosamente investigados são os compostos da fórmula R 4 Al 2 que contêm uma ligação Al-Al e em que R é um grande orgânico ligando .

compostos organo-alumínio e hidretos relacionados

Estrutura de trimetilalumínio , um composto que apresenta de carbono de cinco coordenadas.

Uma variedade de compostos de fórmula empírica AlR 3 e AlR 1,5 Cl 1,5 existir. Estas espécies geralmente apresentam tetraédrico Al centros formada por dimerização com alguns R ou Cl ponte entre ambos os átomos de Al, por exemplo, " trimetilalumínio " tem a fórmula Al 2 (CH 3 ) 6 (ver figura). Com grandes grupos orgânicos, existem compostos triorganoaluminium como três coordenadas monómeros, tais como tri-isobutilalumínio . Tais compostos são amplamente utilizados em química industrial, apesar do fato de que eles são muitas vezes altamente pirofórico . Existem poucos análogos entre organoalumínicos e organoboro outros do que os grandes grupos de compostos orgânicos.

O hidreto de alumínio e industrialmente importante é o hidreto de alumínio e lítio (LiAlH 4 ), que é usado como um agente de redução em química orgânica . Ela pode ser produzida a partir de hidreto de lítio e tricloreto de alumínio :

4 LiH + AlCl 3 → LiAlH 4 + 3 LiCl

Vários derivados úteis de LiAlH 4 são conhecidos, por exemplo, bis dihydridoaluminate (2-metoxietoxi) de sódio . O hidreto simples, hidreto de alumínio ou alano, permanece uma curiosidade laboratorial. É um polímero com a fórmula (AlH 3 ) n , em contraste com o hidreto de boro correspondente, que é um dímero com a fórmula (BH 3 ) 2 .

ocorrência natural

No espaço

De alumínio abundância na per-partícula sistema solar é 3,15 ppm (partes por milhão). É o décimo segundo mais abundante de todos os elementos e terceiro mais abundante entre os elementos que têm os números atómicos impar, depois hidrogénio e azoto. O único isótopo estável de alumínio, 27 de Al, é o núcleo XVIII mais abundantes no universo. Ele é criado quase inteiramente após a fusão de carbono em estrelas massivas que mais tarde se tornará Tipo II supernovas : esta fusão cria 26 Mg, que, após a captura de prótons livres e nêutrons se torna alumínio. Algumas quantidades menores de 27 Al são criados em hidrogênio queima de cascas de estrelas evoluídas, onde 26 Mg pode capturar prótons livres. Essencialmente todo o alumínio já existentes é 27 Al; 26 Al estava presente no Sistema Solar cedo, mas é atualmente extinta . No entanto, as quantidades-traço de 26 Al que existem são o mais comum de raios gama emissor do gás interestelar .

Na terra

Bauxite, um importante minério de alumínio. A cor vermelha-castanha é devida à presença de ferro minerais.

Em geral, a terra é de cerca de 1,59% de alumínio por massa (sétimo em abundância por massa). Alumínio ocorre em maior proporção na Terra que no universo porque o alumínio forma facilmente o óxido e fica ligado em rochas e travessas em alumínio na crosta terrestre, enquanto os metais menos reactivos afundar para o núcleo. Em crosta terrestre, o alumínio é o mais abundante (8,3% por massa) elemento metálico e o terceiro mais abundante de todos os elementos (depois de oxigénio e de silício). Um grande número de silicatos na crosta terrestre conter alumínio. Em contraste, o da terra manto apenas 2,38% de alumínio, em massa.

Devido à sua forte afinidade para o oxigênio, alumínio quase nunca é encontrada no estado elementar; em vez disso, encontra-se em óxidos ou silicatos. Feldspatos , o grupo mais comum de minerais na crosta da Terra, são aluminossilicatos. O alumínio também ocorre no minerais berilo , criolita , granada , espinélio , e turquesa . Impurezas em Al 2 O 3 , tais como o crómio e de ferro , produzir o gemas rubi e safira , respectivamente. Metal de alumínio nativa só podem ser encontradas como uma fase menor em oxigénio baixas de fugacidade ambientes, tais como o interior de certos vulcões. Alumínio nativa tem sido relatada em fontes frias do nordeste do talude continental do Mar da China Meridional . É possível que estes depósitos resultou bacteriana redução de tetrahydroxoaluminate Al (OH) 4 - .

Embora o alumínio é um elemento comum e generalizado, nem todos os minerais de alumínio são fontes economicamente viáveis do metal. Quase todo o alumínio metálico é produzido a partir do minério de bauxite (AlO x (OH) 3-2 x ). Bauxite ocorre como uma resistência do produto de baixo teor de ferro e sílica alicerce em condições climáticas tropicais. Em 2017, mais de bauxita foi extraído na Austrália, China, Guiné e Índia.

História

Friedrich Wöhler , o químico que primeiro minuciosamente descrito alumínio elementar,

A história de alumínio foi moldada por utilização de alúmen . O primeiro registo escrito de alum, feita por grega historiador Heródoto , remonta ao século 5 aC. Os antigos são conhecidos por terem alum usado como um tingimento mordaz e para a defesa da cidade. Após a Cruzadas , alum, um bem indispensável na indústria europeia tecido, era um assunto do comércio internacional; ele foi importado para a Europa a partir do Mediterrâneo Oriental até o século de mid-15th.

A natureza do alum permaneceu desconhecida. Por volta de 1530, médico suíço Paracelso sugeriu alum era um sal de uma Terra de alum. Em 1595, médico alemão e químico Andreas Libavius experimentalmente confirmou esta; Em 1722, o químico alemão Friedrich Hoffmann anunciou sua crença de que a base de sulfato de alumínio foi uma terra distinta. Em 1754, o químico alemão Andreas Sigismundo Marggraf sintetizado de alumina por ebulição argila em ácido sulfúrico e, subsequentemente, adição de cloreto de potássio .

Tentativas de produzir alumínio data de metal de volta para 1760. A primeira tentativa bem sucedida, no entanto, foi concluída em 1824 pelo físico dinamarquês e químico Hans Christian Ørsted . Reagiu anidro cloreto de alumínio com potássio amálgama , obtendo-se um pedaço de metal que olha semelhante ao estanho. Ele apresentou seus resultados e demonstrou uma amostra do novo metal em 1825. Em 1827, o químico alemão Friedrich Wöhler repetiu os experimentos de Ørsted, mas não identificou nenhum alumínio. (A razão para esta inconsistência só foi descoberta em 1921) Ele conduziu uma experiência semelhante em 1827 por mistura de cloreto de alumínio anidro com potássio e produzido um pó de alumínio. Em 1845, foi capaz de produzir pequenas peças de metal e descrito algumas propriedades físicas deste metal. Por muitos anos depois disso, Wöhler foi creditado como o descobridor de alumínio. Como método de Wöhler não poderia produzir grandes quantidades de alumínio, o metal permaneceu rara; seu custo excedeu a de ouro.

A Imagem de Anteros em Piccadilly circo , Londres, foi realizada em 1893 e é uma das primeiras estátuas expressos em alumínio.

Químico francês Henri Etienne Sainte-Claire Deville anunciou um método industrial de produção de alumínio em 1854 na Academia de Ciências de Paris . Tricloreto de alumínio pode ser reduzida por sódio, que era mais conveniente e menos dispendioso do que o de potássio, que tinha Wöhler utilizado. Em 1856, Deville, juntamente com companheiros estabelecido pela primeira vez a produção industrial mundial de alumínio. De 1855 a 1859, o preço do alumínio caiu por uma ordem de magnitude, de US $ 500 a US $ 40 por libra. Mesmo assim, o alumínio não foi ainda de grande pureza e de alumínio produzido diferiam em propriedades por amostra.

O primeiro método de produção industrial em larga escala foi desenvolvida de forma independente em 1886 pelo engenheiro francês Paul Héroult e engenheiro americano Charles Martin Hall ; agora é conhecido como o processo de Hall-Héroult . O processo de Hall-Héroult converte de alumina para o metal. Químico austríaco Carl Joseph Bayer descobriu um modo de purificao de bauxite para produzir alumina, agora conhecido como o processo Bayer , em 1889. A produção moderna do metal alumínio é baseado nos processos Bayer e Hall-Heroult.

Preços do alumínio caíram e alumínio tornou-se amplamente utilizado em jóias, itens de uso diário, armações de óculos, instrumentos ópticos, talheres, e folha na década de 1890 e início do século 20. A capacidade de alumínio para formar duras ligas ainda leves com outros metais desde que os de metal muitos usos na época. Durante a I Guerra Mundial , os principais governos exigiram grandes carregamentos de alumínio para fuselagens luz forte.

Pela metade do século 20, o alumínio tornou-se uma parte da vida cotidiana e um componente essencial de utensílios domésticos. Durante a metade do século 20, o alumínio emergiu como um material de engenharia civil, com aplicações de construção em ambos construção básica e trabalhos de acabamento interior, e cada vez mais sendo usado em engenharia militar, para ambos os aviões e motores armadura veículos terrestres. Primeiro satélite artificial da Terra , lançado em 1957, consistiu em duas alumínio separado semi-esferas unidas e todos os veículos espaciais posteriores foram feitos de alumínio. O alumínio pode inventou-se em 1956 e empregue como um dispositivo de armazenamento para bebidas em 1958.

A produção mundial de alumínio desde 1900

Ao longo do século 20, a produção de alumínio subiu rapidamente: enquanto a produção mundial de alumínio em 1900 foi de 6.800 toneladas, a produção anual pela primeira vez ultrapassado 100.000 toneladas métricas em 1916; 1.000.000 toneladas em 1941; 10.000.000 toneladas em 1971. Na década de 1970, o aumento da demanda para o alumínio tornou uma mercadoria de troca; que entrou no London Metal Exchange , o mais antigo de troca de metal industrial no mundo, em 1978. A produção continuou a crescer: a produção anual de alumínio ultrapassou 50.000.000 toneladas métricas em 2013.

O preço real para o alumínio caiu de US $ 14.000 por tonelada métrica em 1900 para US $ 2.340 em 1948 (em 1998 dólares dos Estados Unidos). Custos de extração e processamento foram reduzidos ao longo do progresso tecnológico e da escala das economias. No entanto, a necessidade de explorar de baixo grau depósitos de pior qualidade eo uso de rápido aumento dos custos de entrada (acima de tudo, a energia) aumentou o custo líquido de alumínio; o preço real começou a crescer na década de 1970 com o aumento do custo de energia. Produção movido dos países industrializados para os países onde a produção era mais barato. Os custos de produção no final do século 20 mudou por causa dos avanços na tecnologia, preços de energia mais baixos, taxas de câmbio do dólar dos Estados Unidos, e os preços de alumina. Os BRIC share combinado dos países cresceu na primeira década do século 21 a partir de 32,6% para 56,5% na produção primária e 21,4% para 47,8% no consumo primário. China está acumulando uma especialmente grande parte da produção graças do mundo a abundância de recursos, energia barata e estímulos governamentais; também aumentou a sua quota de consumo de 2% em 1972 para 40% em 2010. Nos Estados Unidos, Europa Ocidental e Japão, a maioria de alumínio foi consumida em transportes, engenharia, construção e embalagens.

Etimologia

O alumínio é o nome de alumina ou óxido de alumínio na nomenclatura moderna. A palavra "alumina" vem "alúmen", do mineral a partir da qual foi recolhido. A palavra "alum" vem alumen , a Latin palavra que significa "sal amargo". A palavra alumen deriva do proto-indo-europeu raiz * alu- que significa "amargo" ou "cerveja".

1897 anúncio americano com o alumínio ortografia

Químico britânico Humphry Davy , que realizou uma série de experimentos voltados para sintetizar o metal, é creditado como a pessoa que o nome do elemento. Em 1808, ele sugeriu o metal ser nomeado alumium . Esta sugestão foi criticado por químicos contemporâneos da França, Alemanha e Suécia, que insistiram que o metal deve ser nomeado para o óxido, alumina, a partir do qual seria isolado. Em 1812, Davy escolheu alumínio , produzindo assim o nome moderno. No entanto, é escrito e pronunciado de forma diferente fora da América do Norte: alumínio está em uso nos EUA e Canadá, enquanto o alumínio está em uso em outro lugar.

Soletração

O -ium sufixo seguindo o precedente estabelecido em outros elementos recém-descobertas do tempo: potássio, sódio, magnésio, cálcio e estrôncio (todos os quais Davy isolou-se). No entanto, os nomes dos elementos que terminam em -um eram conhecidos na época; por exemplo, platina (conhecido por europeus desde o século 16), molibdénio (descoberto em 1778), e tântalo (descoberto em 1802). A -um sufixo é consistente com a ortografia universal de alumina para o óxido de (em oposição a alumina); comparar com óxido de lantânio , óxido de lantânio , e magnésia , óxido de cério , e tória , os óxidos de magnésio , cério , e tório , respectivamente.

Em 1812, o cientista britânico Thomas Young escreveu uma revisão anônimo do livro de Davy, na qual ele se opôs ao alumínio e propôs o nome de alumínio : "por isso vamos tomar a liberdade de escrever a palavra, em detrimento de alumínio, que tem um a menos clássica som." Este nome pegou em: enquanto o -um ortografia foi ocasionalmente usado na Grã-Bretanha, a linguagem científica americana usado -ium desde o início. A maioria dos cientistas usaram -ium em todo o mundo no século 19; ele ainda continua sendo o padrão na maioria dos outros idiomas. Em 1828, lexicógrafo americano Noah Webster utilizado exclusivamente o alumínio ortografia em seu dicionário americano do Idioma Inglês . Na década de 1830, o -um ortografia começou a ganhar uso nos Estados Unidos; Por volta de 1860, tornou-se a ortografia mais comum lá fora da ciência. Em 1892, Salão usou a -um ortografia em seu folheto de publicidade para seu novo método eletrolítico de produzir o metal, apesar de seu uso constante do -ium ortografia em todas as patentes que ele apresentados entre 1886 e 1903. Foi posteriormente sugerido que este era um erro de digitação em vez do que o pretendido. Em 1890, ambas as grafias tinha sido comum nos EUA em geral, o -ium ortografia sendo ligeiramente mais comum; Em 1895, a situação tinha invertido; Por volta de 1900, alumínio tinha sido duas vezes tão comum como a de alumínio ; na década seguinte, a -um ortografia dominado uso americano. Em 1925, a American Chemical Society adotou essa ortografia.

A União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) adoptado de alumínio como o nome internacional padrão para o elemento em 1990. Em 1993, reconheceram alumínio como uma variante aceitável; o mesmo é verdade para a mais recente edição da nomenclatura IUPAC da química inorgânica 2005 . Publicações oficiais da IUPAC usar o -ium ortografia ao primário, mas lista tanto se for o caso.

Produção e refinamento

maiores produtores mundiais de alumínio primário de 2016
País Output
(mil
toneladas)
 China 31.873
 Rússia 3.561
 Canadá 3.208
 Índia 2.896
 Emirados Árabes Unidos 2.471
 Austrália 1.635
 Noruega 1.247
 Bahrain 971
 Arábia Saudita 869
 Estados Unidos 818
 Brasil 793
 África do Sul 701
 Islândia 700
total mundial 58.800

A produção de alumínio é altamente consumindo energia, e assim os produtores tendem a localizar fundições em locais onde a energia elétrica é tanto abundante e barato. A partir de 2012, a maior do mundo fundições de alumínio estão localizadas na China, Rússia, Bahrein, Emirados Árabes Unidos e África do Sul.

Em 2016, a China foi o maior produtor de alumínio com uma quota mundial de cinquenta e cinco por cento; os próximos maiores países produtores foram Rússia, Canadá, Índia e Emirados Árabes Unidos.

De acordo com o Painel de Recursos Internacional de Stocks Metal no relatório da Sociedade , o mundial per capita estoque de alumínio em uso na sociedade (ou seja, carros, edifícios, eletrônicos etc.) é de 80 kg (180 lb). Grande parte deste é em países mais desenvolvidos (350-500 kg (770-1,100 lb) per capita) em vez de países menos desenvolvidos (35 kg (77 libras) por habitante).

processo Bayer

Bauxite é convertido em óxido de alumínio pelo processo Bayer. Bauxite é misturada durante composição uniforme e, em seguida, é triturado. A resultante lama é misturada com uma solução quente de hidróxido de sódio ; a mistura é então tratada num vaso digestor, a uma pressão bem acima da atmosférica, dissolvendo o hidróxido de alumínio em bauxita durante a conversão de impurezas em um composto relativamente insolúveis:

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

Após esta reacção, a pasta está a uma temperatura acima do seu ponto de ebulição atmosférico. Arrefece-se através da remoção de vapor, como a pressão é reduzida. O resíduo de bauxita é separado a partir da solução e descartado. A solução, isenta de sólidos, é semeado com pequenos cristais de hidróxido de alumínio; isto faz com que a decomposição dos [Al (OH) 4 ] - iões de hidróxido de alumínio. Depois de cerca de metade de alumínio precipitou, a mistura é enviada para os classificadores. Pequenos cristais de hidróxido de alumínio são recolhidas para servir como agentes de semeadura; partículas grosseiras são reduzidos para o óxido de alumínio; o excesso de solução é removido por evaporação (se necessário) purificado, e reciclado.

Hall-Héroult processo

A conversão de alumina e de metal de alumínio é conseguida através do processo de Hall-Héroult . Neste processo intensivo de energia, uma solução de alumina em um fundido (950 e 980 ° C (1740 e 1800 ° F)) mistura de criolite (Na 3 AlF 6 ) com fluoreto de cálcio é electrolisado para produzir metal de alumínio. Os pias de metal de alumínio líquido para o fundo da solução e é aproveitado fora, e geralmente fundido em grandes blocos denominados lingotes de alumínio para processamento adicional.

Extrusão lingotes de alumínio

Ânodos da célula de electrólise são feitos de a-carbono material mais resistente contra fluoreto de corrosão-e ou cozer no processo ou são pré-cozidas. O primeiro, também chamado de ânodos Söderberg, são menos eficiente de energia e gases liberados durante o cozimento são caros para coletar, razão pela qual eles estão sendo substituídos por ânodos pré-cozidos, mesmo que salvar o poder, energia e trabalho para pré-cozimento cátodos. Carbono para os ânodos deverá ser, de preferência puro de modo que nem alumínio nem o electrólito está contaminado com cinzas. Apesar resistividade de carbono contra a corrosão, que ainda é consumido a uma taxa de 0,4-0,5 kg por cada kg de alumínio produzido. Catodos são feitos de antracite ; elevada pureza para eles não é necessário porque as impurezas de lixiviação muito lentamente. Cátodo é consumido a uma taxa de 0,02-0,04 kg por cada kg de alumínio produzido. A célula é geralmente um encerrada após 2-6 anos após uma falha do cátodo.

O processo de Hall-Heroult produz alumínio com um grau de pureza superior a 99%. A purificação adicional pode ser feito pelo processo Hoopes . Este processo envolve a electrólise de alumínio fundido com um sal de sódio, bário, e de electrólito de fluoreto de alumínio. O alumínio resultante tem uma pureza de 99,99%.

energia eléctrica representa cerca de 20 a 40% do custo de produção de alumínio, dependendo da localização da fundição. A produção de alumínio consome cerca de 5% da eletricidade gerada nos Estados Unidos. Devido a isso, alternativas para o processo Hall-Héroult têm sido pesquisados, mas nenhum acabou por ser economicamente viável.

caixas comuns para resíduos recicláveis, juntamente com um bin para os resíduos não recicláveis. O compartimento com uma parte superior amarela é rotulado de "alumínio". Rhodes, Grécia.

Reciclando

Recuperação do metal por meio de reciclagem tornou-se uma tarefa importante da indústria do alumínio. Reciclagem era uma atividade de baixo perfil até o final dos anos 1960, quando o uso crescente de alumínio latas de bebidas trouxe para a consciência pública. A reciclagem envolve a fusão do refugo, um processo que requer apenas 5% da energia utilizada para a produção de alumínio a partir de minérios, embora uma parte significativa (até 15% do material de entrada) está perdido como escória (óxido de cinzas semelhantes). Uma pilha aparelho de fusão de alumínio produz significativamente menos escória, com valores reportados abaixo de 1%.

Branco escória da produção de alumínio primário e de operações de reciclagem secundários ainda contém quantidades úteis de alumínio que podem ser extraídos industrialmente . O processo produz lingotes de alumínio, em conjunto com um material de resíduos altamente complexo. Este desperdício é difícil de gerir. Ele reage com água, libertando uma mistura de gases (incluindo, entre outros, hidrogénio , acetileno , e amónia ), que inflama espontaneamente em contacto com o ar; contactar com o ar húmido resultados na libertação de quantidades copiosas de gás amoníaco. Apesar destas dificuldades, os resíduos são utilizados como um enchimento em asfalto e concreto .

aplicações

Alumínio-bodied Austin A40 Sports (c. 1951)

Metal

O alumínio é o mais amplamente utilizado dos metais não-ferrosos . A produção global de alumínio em 2016 foi de 58,8 milhões de toneladas. Ele excedeu a de qualquer outro metal, exceto ferro (1.231 milhões de toneladas).

O alumínio é quase sempre ligado, o que melhora significativamente as suas propriedades mecânicas, especialmente quando temperado . Por exemplo, os comuns folhas de alumínio e latas de bebidas são ligas de 92% a 99% de alumínio. Os principais de liga agentes são cobre , zinco , magnésio , manganês e silício (por exemplo, duralumínio ) com os níveis de outros metais em alguns por cento em peso.

As principais utilizações para o metal de alumínio está em:

  • Transporte ( automóveis , aviões, caminhões , vagões ferroviários , embarcações, bicicletas e aparelhos espaciais, etc.). O alumínio é utilizado devido à sua baixa densidade;
  • Embalagem ( latas , folha, estrutura, etc.). O alumínio é utilizado porque é não-tóxico, não- adsortiva , e lasca à prova;
  • Construção civil ( janelas , portas , tapume , a construção de fio, revestimento, cobertura, etc.). Desde aço é mais barato, o alumínio é utilizado quando a leveza, resistência à corrosão, ou engenharia características são importantes;
  • utilizações relacionadas com a electricidade (ligas de condutores, motores e geradores, transformadores, condensadores, etc.). O alumínio é utilizado porque é relativamente barata, altamente condutora, tem resistência mecânica suficiente e de baixa densidade, e resiste à corrosão;
  • Uma vasta gama de agregado familiar itens, desde utensílios de cozinha para móveis . Baixa densidade, boa aparência, facilidade de fabricação, e durabilidade são os factores chave da utilização de alumínio;
  • Máquinas e equipamentos (processamento de equipamentos, tubos, ferramentas). O alumínio é utilizado devido à sua resistência à corrosão, não-piroforicidade, e resistência mecânica.

compostos

A grande maioria (cerca de 90%) de óxido de alumínio é convertido em alumínio metálico. Sendo um material muito duro ( Dureza de Mohs 9), alumina é amplamente usado como um abrasivo; sendo extraordinariamente quimicamente inerte, ele é útil em ambientes altamente reactivos, tais como sódio de alta pressão lâmpadas. O óxido de alumínio é utilizada como um catalisador para os processos industriais; por exemplo, o processo Claus para converter sulfureto de hidrogénio em enxofre em refinarias e para alquilar aminas . Muitos industriais catalisadores são suportados por alumina, o que significa que o material catalisador caro é disperso sobre uma superfície da alumina inerte. Uma outra utilização principal é como um agente de secagem ou absorvente.

deposição por laser de alumina sobre um substrato

Vários sulfatos de alumínio têm aplicação industrial e comercial. O sulfato de alumínio (na sua forma de hidrato) é produzido na escala anual de vários milhões de toneladas métricas. Cerca de dois terços é consumido no tratamento de água . A próxima aplicação importante é no fabrico de papel. É também usado como um mordente de tingimento, em sementes de decapagem, de desodorização de óleos minerais, em curtimento de couro , e na produção de outros compostos de alumínio. Dois tipos de sulfato de alumínio, alúmen de amónio e o alúmen de potássio , foram anteriormente utilizados como mordentes e em curtimento de couro, mas a sua utilização tem diminuído significativamente seguinte disponibilidade de sulfato de alumínio de elevada pureza. Anidro de cloreto de alumínio é usado como catalisador em indústrias químicas e petroquímicas, a indústria de tingimento, e na síntese de vários compostos inorgânicos e orgânicos. Hidroxicloretos de alumínio são utilizados na purificação da água, na indústria de papel e, como antitranspirantes. O aluminato de sódio é usado no tratamento de água e como um acelerador de solidificação do cimento.

Muitos compostos de alumínio têm aplicações de nicho, por exemplo:

Biologia

Esquemático de absorção de alumínio pela pele humana.

Apesar de sua ocorrência generalizada na crosta da Terra, o alumínio não tem nenhuma função conhecida na biologia. Os sais de alumínio são notavelmente não tóxico, sulfato de alumínio tendo um LD 50 de 6207 mg / kg (oral, rato), o que corresponde a 500 gramas para um 80 kg (180 lb) pessoa.

toxicidade

Na maioria das pessoas, o alumínio não é tão tóxica como metais pesados . Alumínio é classificado como um não-cancerígeno pelo Departamento de Saúde e Serviços Humanos dos Estados Unidos . Há pouca evidência de que a exposição normal ao alumínio apresenta um risco para adultos saudáveis, e há evidências de toxicidade, se for consumido em quantidades não superiores a 40 mg / dia por kg de massa corporal . A maioria de alumínio consumido vai deixar o corpo nas fezes; a pequena parte que entra no corpo, vai ser excretados através da urina. Alumínio que não permanecer no corpo acumula-se em, acima de tudo, osso; e para além de que, no cérebro, fígado, e rim. Metal de alumínio não pode passar a barreira sangue-cérebro e filtros naturais antes do cérebro, mas alguns compostos, tais como o fluoreto, pode.

efeito

Alumínio, embora raramente, pode fazer com que a vitamina D-resistente osteomalacia , eritropoietina resistente à anemia microcíticas , e alterações do sistema nervoso central. Pessoas com insuficiência renal estão especialmente em risco. Ingestão crónica de silicatos de alumínio hidratados (por excesso de controlo da acidez gástrica) pode resultar em alumínio de ligação para o conteúdo intestinal e aumentou a eliminação de outros metais, tais como ferro ou zinco ; doses suficientemente elevadas (> 50 g / dia) pode causar anemia. Uma vez que o alumínio é excretado pelo rim, a sua função pode ser prejudicada por quantidades tóxicas de alumínio.

Existem cinco formas principais de alumínio absorvidos pelo corpo humano: o solvatado catião trivalente livre (Al 3+ (aq) ); baixo peso molecular, complexos neutros, solúveis (LMW-Al 0 (aq) ); elevado peso molecular, complexos neutros, solúveis (HMW-Al 0 (aq) ); baixo peso molecular, carregadas, complexos solúveis (LMW-Al (G) n +/- (aq) ); nano e micro-partículas (Al (L) n (s) ). Eles são transportados através das membranas celulares ou células epi / endotélio através de cinco vias principais: (1) paracelular ; (2) transcelular ; (3) de transporte activo ; (4) canais; (5) por adsorção ou mediada pelo receptor de endocitose .

Um acidente na Inglaterra revelou que as quantidades milimolar de alumínio na água potável causar déficits cognitivos significativos. Sais de alumínio ingeridos oralmente pode depositar no cérebro. Há pesquisas sobre correlação entre distúrbios neurológicos, incluindo a doença de Alzheimer , e os níveis de alumínio, mas tem sido inconclusivos até agora.

Alumínio aumenta estrogénio -relacionados expressão de genes em humanos de cancro da mama células cultivadas em laboratório. Em doses muito elevadas, o alumínio está associada com função alterada da barreira sangue-cérebro . Uma pequena porcentagem de pessoas que têm contato alergias ao alumínio e experiência erupções vermelhas coceira, dor de cabeça, dor muscular, dor nas articulações, falta de memória, insônia, depressão, asma, síndrome do intestino irritável, ou outros sintomas quando em contacto com produtos que contêm alumínio.

A exposição a fumos de soldadura de alumínio ou de alumínio em pó pode causar fibrose pulmonar . De alumínio em pó fino pode inflamar-se ou explodir, o que representa um outro local de trabalho perigo.

vias de exposição

O alimento é a principal fonte de alumínio. A água potável contém mais de alumínio do que o alimento sólido; no entanto, o alumínio em alimentos podem ser absorvidos mais de alumínio a partir de água. As principais fontes de exposição oral humana de alumínio incluem alimentos (devido à sua utilização em aditivos alimentares, alimentos e embalagens de bebidas, e utensílios de cozinha), que bebem água (devido ao seu uso em tratamento de água municipal) e medicamentos contendo alumínio (particularmente antiácido / antiúlcera e formulações tamponadas aspirina). Exposição dietética em médias europeus para 0,2-1,5 mg / kg / semana, mas pode ser tão elevada como 2,3 mg / kg / semana. Níveis de exposição mais elevados de alumínio são principalmente limitado aos mineiros, trabalhadores da produção de alumínio e de diálise pacientes.

O consumo excessivo de antiácidos , antitranspirantes , vacinas , e cosméticos fornecem níveis significativos de exposição. O consumo de alimentos ou de líquidos com alumínio ácidas aumenta a absorção de alumínio, e maltol tem sido demonstrado que o aumento da acumulação de alumínio em tecidos nervosos e de osso.

Tratamento

No caso de suspeita de ingestão súbita de uma grande quantidade de alumínio, o único tratamento é o mesilato de deferoxamina , que pode ser dado para ajudar a eliminar o alumínio do corpo pela quelação . No entanto, este deve ser aplicado com cuidado, pois isso reduz não só os níveis de corpo de alumínio, mas também aqueles de outros metais, tais como cobre ou ferro. Nutricionalmente, tratamento de semelhantes aos de outros metais tóxicos, incluindo a remoção de fontes de alumínio a partir de meio ambiente, aumentando a produção de energia celular, o que aumenta a actividade dos órgãos de eliminação, e quelantes de alumínio com nutrientes.

Efeitos ambientais

" Rejeito de bauxita " instalação de armazenamento em Stade , na Alemanha. A indústria de alumínio gera cerca de 70 milhões de toneladas de resíduos por ano.

Altos níveis de alumínio ocorrem perto de locais de mineração; pequenas quantidades de alumínio são libertados para o meio ambiente nas centrais a carvão ou incineradores . De alumínio no ar é lavada a cabo pela chuva ou normalmente estabelece-se, mas pequenas partículas de alumínio permanecem no ar por um longo período de tempo.

Ácida precipitação é o principal factor natural para mobilizar alumínio a partir de fontes naturais e a principal razão para os efeitos ambientais de alumínio; no entanto, o principal factor de presença de alumínio em sal e de água doce são os processos industriais que também libertam alumínio em ar.

Em água, de alumínio actua como um agente toxiс em emalhar animais -breathing, tais como peixes , causando perda de plasma - e hemolinfa iões levando a osmorregulatório falha. Complexos orgânicos de alumínio podem ser facilmente absorvidas e interferem com o metabolismo em mamíferos e aves, embora isso raramente acontece na prática.

O alumínio é primário entre os factores que reduzem o crescimento das plantas em solos ácidos. Embora seja geralmente inofensivo para o crescimento das plantas em solos de pH neutro, em solos ácidos a concentração de tóxico Al 3+ catiões aumenta e perturba o crescimento e função raiz. Trigo tem desenvolvido uma tolerância ao alumínio, libertando compostos orgânicos que se ligam ao alumínio prejudiciais catiões . Sorgo é acreditado para ter o mesmo mecanismo de tolerância.

A produção de alumínio possui seus próprios desafios para o meio ambiente em cada etapa do processo de produção. O grande desafio é o gás de efeito estufa emissões. Estes gases resultar de consumo eléctrico das fundições e os subprodutos do processamento. O mais potente destes gases são perfluorocarbonetos a partir do processo de fundição. Libertado dióxido de enxofre é um dos precursores principais de chuva ácida .

Um relatório científico espanhol a partir de 2001 afirmou que o fungo Geotrichum candidum consome o alumínio em discos compactos . Outros relatórios todas remetem para esse relatório e não há nenhuma pesquisa original de apoio. Melhor documentado, a bactéria Pseudomonas aeruginosa e o fungo Cladosporium resinae são comumente detectada em tanques de combustível dos aviões que usam querosene combustíveis baseados em (não avgas ) e culturas de laboratório pode degradar alumínio. No entanto, estas formas de vida não atacam ou consumir o alumínio directamente; em vez disso, o metal é corroído por resíduos de produtos micróbio.

Veja também

Notas

Referências

Bibliografia

Outras leituras

  • Mimi Sheller, alumínio sonho: The Making of Light Modernidade. Cambridge, MA: Institute of Technology Press, 2014 Massachusetts.

links externos