Aluminiul este un element chimic esențial, notat cu simbolul Al. Numărul său atomic este 13, iar masa atomică are valoarea de 26.982. După fier, aluminiul a devenit metalul cu cea mai largă și diversificată întrebuințare în diverse industrii.
Proprietăți Fizice și Mecanice
Aluminiul este recunoscut pentru densitatea sa redusă, de aproximativ 2.7 g/cm³. Această caracteristică îl face ideal pentru aplicații unde greutatea este un factor critic, cum ar fi în industria navală și aeronautică. De asemenea, este un metal ductil și maleabil, permițând prelucrarea sa în forme variate, inclusiv foi subțiri de până la 0.005 mm grosime.
O altă proprietate remarcabilă a aluminiului este rezistența la coroziune. Aceasta se datorează formării unui strat protector de oxid de aluminiu pe suprafața sa, care previne degradarea ulterioară.
La temperaturi joase, spre deosebire de majoritatea oțelurilor, aluminiul nu devine casant, ci își crește rezistența. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate, rezistența sa scade.
Aluminiul este, de asemenea, un bun conductor electric și termic. Deși nu este la fel de conductiv ca cuprul, este preferat în multe aplicații datorită densității sale mult mai scăzute.
Aliajele de aluminiu prezintă o rezistență la tracțiune cuprinsă între 70 și 700 MPa, cele utilizate pe scară largă pentru extrudare având rezistențe între 150-300 MPa.
Istoricul Descoperirii și Prelucrării
Termenul "alumen," tradus ca "alaun," apare în lucrarea lui Pliniu cel Bătrân, "Naturalis Historia." În anul 1760, chimistul francez L.G. Morveau a extras un oxid metalic stabil din alaun, numindu-l alumină.
Sir Humphry Davy, în 1807, a sugerat că reducerea compușilor chimici stabili ar putea fi realizată electrolitic. Deși a reușit obținerea altor metale prin electroliză, izolarea aluminiului pur a rămas o provocare.
Pierre Berthier a descoperit în 1821 o mină bogată în oxid de aluminiu lângă Baux-de-Provence. Cercetările au continuat, iar în 1825, chimistul danez Hans Christian Ørsted a descris o metodă de reducere a clorurii de aluminiu la formă metalică folosind un amalgam de potasiu și mercur.
În 1827, Wohler a îmbunătățit metoda lui Oersted, utilizând triclorura de aluminiu volatilă și potasiu metalic. Cu toate acestea, potasiul era un metal rar și reactiv, iar triclorura de aluminiu era greu de manipulat din cauza higroscopicității sale.
În 1884, aluminiul a fost ales pentru vârful Monumentului Washington, fiind la acea vreme la fel de valoros ca argintul. Deși procesele de extragere au fost perfecționate, prețurile au continuat să scadă.
Invenția dinamului de către Siemens în 1866 a facilitat producția prin electroliză. Procesele Hall-Heroult (1886) și Bayer (1887) au marcat începutul aplicațiilor extinse ale aluminiului.
Producția și Extragerea Aluminiului
Aluminiul este cel mai abundent element metalic din scoarța terestră și al treilea element chimic ca răspândire. Minereul principal din care se extrage peste 95% din producția mondială de aluminiu este bauxita.
Bauxitele sunt clasificate în funcție de conținutul de aluminiu și fier:
- Bauxite albe: foarte bogate în Al₂O₃ (60-70%).
- Bauxite roșii: bogate în Fe₂O₃ (20-25%) și mai sărace în Al₂O₃ (40-60%).
- Bauxite cenușii: mai sărace în Fe₂O₃ și Al₂O₃ decât cele roșii, dar mai bogate în SiO₂.
Cele mai mari zăcăminte de bauxită se află în Franța.
Procesul Bayer
Prepararea aluminei (Al₂O₃), necesară separării aluminiului de impurități precum Fe₂O₃, SiO₂, TiO₂, are loc prin procedeul Bayer. Bauxita este calcinată la 700 °C într-un cuptor rotativ pentru deshidratare și distrugerea materiilor organice. Ulterior, are loc măcinarea fină și încălzirea sub agitare cu o soluție concentrată de NaOH în autoclave, la presiuni de 5 atmosfere și temperaturi de 160-180°C, timp de câteva ore.
Electroliza
Aluminiul este separat de minereurile sale prin electroliză. Acest proces utilizează electricitatea pentru a descompune substanțe. Până la 5% din energia electrică consumată în SUA este dedicată fabricării aluminiului.
Consumul de energie pentru obținerea aluminiului recuperat este semnificativ mai redus decât pentru producerea aluminiului primar, ceea ce face reciclarea o opțiune mult mai favorabilă mediului.
Animație 3D | Procesul Hall Heroult | Procesul de extracție a aluminiului
Utilizări și Aplicații
Aluminiul este un metal extrem de versatil, utilizat pe scară largă în diverse domenii datorită combinației sale de proprietăți: rezistență la coroziune, greutate redusă, maleabilitate și bune proprietăți mecanice.
Industria Aerospațială și Construcții
În industria aerospațială, aluminiul este esențial datorită raportului excelent rezistență-greutate. Este folosit în construcția de aeronave, componente structurale și interioare.
În construcții, aluminiul este preferat pentru ramele de ferestre, uși, fațade și structuri ușoare, unde rezistența la coroziune și greutatea redusă sunt avantaje majore.
Produse de Consum
Aluminiul se regăsește într-o multitudine de produse de zi cu zi:
- Ambalaje: cutii de băuturi răcoritoare, folie de aluminiu pentru uz alimentar.
- Electrocasnice: componente pentru frigidere, cuptoare.
- Transport: caroserii de automobile, biciclete, vagoane de tren.
- Electronice: carcase pentru laptopuri, smartphone-uri.
Avantaje Ecologice
Aluminiul este un material ecologic, deoarece poate fi reciclat de multiple ori fără a-și pierde calitatea. Procesul de reciclare consumă mult mai puțină energie (până la 95% mai puțină) comparativ cu producția de aluminiu primar, contribuind astfel la reducerea poluării și la conservarea resurselor naturale.
Comparativ cu oțelul, aluminiul este mult mai ușor și nu ruginește, deși oțelul este, în general, mai rezistent, dar și mai greu.