Οι ιδιότητες, τα χαρακτηριστικά, το ιστορικό και οι εφαρμογές του αλουμινίου
Το αλουμίνιο (επίσης γνωστό ως αλουμίνιο) είναι το πιο άφθονο μεταλλικό στοιχείο στο φλοιό της γης. Και είναι επίσης καλό, γιατί χρησιμοποιούμε πολλά. Περίπου 41 εκατομμύρια τόνοι χυτεύονται κάθε χρόνο και απασχολούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Από τα σώματα αυτοκινήτου μέχρι τα κουτιά μπύρας και από τα ηλεκτρικά καλώδια μέχρι τα δέρματα των αεροσκαφών, το αλουμίνιο είναι ένα πολύ μεγάλο μέρος της καθημερινότητάς μας.
Ιδιότητες
- Ατομικό σύμβολο: Al
- Ατομικός αριθμός: 13
- Στοιχείο Κατηγορία: Μετά μεταβατικό μέταλλο
- Πυκνότητα: 2,70 g / cm3
- Σημείο τήξης: 1220,58 ° F (660,32 ° C)
- Σημείο ζέσης: 4566 ° F (2519 ° C)
- Η σκληρότητα του Moh: 2,75
Χαρακτηριστικά
Το αλουμίνιο είναι ένα ελαφρύ, εξαιρετικά αγώγιμο, ανακλαστικό και μη τοξικό μέταλλο που μπορεί εύκολα να επεξεργαστεί. Η αντοχή του μετάλλου και οι πολυάριθμες πλεονεκτικές ιδιότητες το καθιστούν ιδανικό υλικό για πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.
Ιστορία
Οι ενώσεις αλουμινίου χρησιμοποιήθηκαν από τους αρχαίους Αιγυπτίους ως χρωστικές, καλλυντικά και φάρμακα, αλλά μόλις 5000 χρόνια αργότερα οι άνθρωποι ανακάλυψαν πώς να μυρίζουν καθαρό μεταλλικό αλουμίνιο. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η ανάπτυξη μεθόδων παραγωγής μεταλλικού αλουμινίου συνέπεσε με την εμφάνιση ηλεκτρικής ενέργειας κατά τον 19ο αιώνα, καθώς η τήξη αλουμινίου απαιτεί σημαντικές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας.
Μια σημαντική ανακάλυψη στην παραγωγή αλουμινίου ήρθε το 1886 όταν ο Charles Martin Hall ανακάλυψε ότι το αλουμίνιο θα μπορούσε να παραχθεί χρησιμοποιώντας ηλεκτρολυτική αναγωγή.
Μέχρι τότε, το αλουμίνιο ήταν πιο σπάνιο και ακριβότερο από το χρυσό. Ωστόσο, μέσα σε δύο χρόνια από την ανακάλυψη του Hall, δημιουργήθηκαν εταιρείες αλουμινίου στην Ευρώπη και την Αμερική.
Κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα, η ζήτηση αλουμινίου αυξήθηκε σημαντικά, ιδιαίτερα στις βιομηχανίες μεταφορών και συσκευασίας.
Παρόλο που οι τεχνικές παραγωγής δεν έχουν αλλάξει σημαντικά, έχουν γίνει ιδιαίτερα αποτελεσματικές. Τα τελευταία 100 χρόνια, η ποσότητα ενέργειας που καταναλώνεται για την παραγωγή μιας μονάδας αλουμινίου έχει μειωθεί κατά 70%.
Παραγωγή
Η παραγωγή αλουμινίου από μεταλλεύματα εξαρτάται από το οξείδιο του αλουμινίου (Al2O3), το οποίο εξάγεται από βωξίτη. Ο βωξίτης περιέχει συνήθως 30-60% οξείδιο αργιλίου (συνήθως αναφέρεται ως αλουμίνα) και βρίσκεται τακτικά κοντά στην επιφάνεια της γης. Αυτή η διαδικασία μπορεί να χωριστεί σε δύο μέρη. (1) την εκχύλιση αλουμίνας από βωξίτη, και (2) την τήξη μεταλλικού αλουμινίου από αλουμίνα.
Ο διαχωρισμός της αλουμίνας πραγματοποιείται κανονικά χρησιμοποιώντας τη διαδικασία Bayer. Αυτό συνεπάγεται τη σύνθλιψη του βωξίτη σε σκόνη, την ανάμιξή του με νερό για να γίνει πολτός, θέρμανση και προσθήκη καυστικής σόδα (NaOH). Η καυστική σόδα διαλύει την αλουμίνα, η οποία της επιτρέπει να διέλθει από τα φίλτρα, αφήνοντας πίσω τις ακαθαρσίες.
Το διάλυμα αργιλικού άλατος αποστραγγίζεται στη συνέχεια σε δεξαμενές καθιζήσεως όπου προστίθενται σωματίδια υδροξειδίου του αργιλίου ως «σπόρος». Η ανάδευση και η ψύξη καταλήγουν σε κατακρήμνιση υδροξειδίου του αργιλίου πάνω στο υλικό σπόρων, το οποίο στη συνέχεια θερμαίνεται και ξηραίνεται για να παραχθεί αλουμίνα.
Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα χρησιμοποιούνται για τη διάβρωση αλουμινίου από αλουμίνα στη διαδικασία που ανακαλύφθηκε από τον Charles Martin Hall.
Η αλουμίνα που τροφοδοτείται στα κύτταρα διαλύεται σε φθοριωμένο λουτρό τετηγμένου κρυόλιθου στους 1742F ° (950 ° C).
Ένα συνεχές ρεύμα οπουδήποτε από 10.000-300.000Α αποστέλλεται από τις ανθρωπογενείς ανόδους στο κύτταρο μέσω του μίγματος σε ένα κέλυφος καθόδου. Αυτό το ηλεκτρικό ρεύμα διασπά την αλουμίνα σε αλουμίνιο και οξυγόνο. Το οξυγόνο αντιδρά με τον άνθρακα για να παράγει διοξείδιο του άνθρακα, ενώ το αλουμίνιο προσελκύεται από την επένδυση κυψελίδων καθόδου άνθρακα.
Το αλουμίνιο μπορεί στη συνέχεια να συλλεχθεί και να ληφθεί σε φούρνους όπου μπορεί να προστεθεί ανακυκλώσιμο υλικό αλουμινίου. Περίπου το ένα τρίτο του συνολικού αλουμινίου που παράγεται σήμερα προέρχεται από ανακυκλωμένο υλικό. Σύμφωνα με την Αμερικανική Γεωλογική Έρευνα, οι μεγαλύτερες χώρες παραγωγής αλουμινίου το 2010 ήταν η Κίνα, η Ρωσία και ο Καναδάς.
Εφαρμογές
Οι εφαρμογές του αλουμινίου είναι πολύ πολλές για να απαριθμήσουν και λόγω των ειδικών ιδιόκτητων ιδιοτήτων του μετάλλου, οι ερευνητές βρίσκουν σε τακτική βάση νέες εφαρμογές.
Γενικά, το αλουμίνιο και τα πολλά κράματα του χρησιμοποιούνται σε τρεις μεγάλες βιομηχανίες. τη μεταφορά, τη συσκευασία και την κατασκευή.
Το αλουμίνιο, σε ποικίλες μορφές και κράματα, είναι κρίσιμο για τα δομικά στοιχεία (πλαίσια και σώματα) αεροσκαφών, αυτοκινήτων, αμαξοστοιχιών και σκαφών. Το 70% ορισμένων εμπορικών αεροσκαφών αποτελείται από κράματα αλουμινίου (μετρούμενα κατά βάρος). Εάν το μέρος απαιτεί αντοχή σε τάση ή διάβρωση ή ανοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, ο τύπος του κράματος που χρησιμοποιείται εξαρτάται από τις απαιτήσεις κάθε συστατικού μέρους.
Περίπου το 20% του συνολικού παραγόμενου αλουμινίου χρησιμοποιείται σε υλικά συσκευασίας. Το φύλλο αλουμινίου είναι κατάλληλο υλικό συσκευασίας για τρόφιμα λόγω του ότι είναι μη τοξικό, ενώ είναι επίσης κατάλληλο σφραγιστικό για χημικά προϊόντα λόγω της χαμηλής αντιδραστικότητας του και είναι αδιαπέραστο από το φως, το νερό και το οξυγόνο. Μόνο στις ΗΠΑ, περίπου 100 δισεκατομμύρια κουτιά αλουμινίου αποστέλλονται κάθε χρόνο. Πάνω από τα μισά από αυτά τελικά ανακυκλώνονται.
Λόγω της ανθεκτικότητας και της αντοχής στη διάβρωση, περίπου 15% αλουμινίου που παράγεται κάθε χρόνο χρησιμοποιείται σε εφαρμογές κατασκευών. Περιλαμβάνει παράθυρα και πλαίσια πόρτας, στέγες, πλαισιώσεις και δομικά πλαίσια, καθώς και υδρορροές, παντζούρια και πόρτες γκαράζ.
Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του αλουμινίου επιτρέπει επίσης τη χρήση της σε αγωγούς μεγάλων αποστάσεων. Ενισχυμένα με χάλυβα, τα κράματα αλουμινίου είναι πιο οικονομικά αποδοτικά από τον χαλκό και μειώνουν την χαλάρωση λόγω του ελαφρού βάρους τους.
Άλλες εφαρμογές για αλουμίνιο περιλαμβάνουν κελύφη και ψύκτες για ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, πόλους φωτισμού δρόμου, κατασκευές πετρελαίου, αλουμινένια παράθυρα, μαγειρικά σκεύη, μπαστούνια του μπέιζμπολ και ανακλαστικές συσκευές ασφαλείας.
Πηγές:
Οδός, Άρθουρ. & Αλέξανδρος, WO 1944. Μέταλλα στην υπηρεσία του ανθρώπου . 11η έκδοση (1998).
USGS. Περιλήψεις ορυκτών εμπορευμάτων: Αλουμίνιο (2011). http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/aluminum/