Készítette: Tóth Krisztián. Web: http://krissz.hu

Alumínium

13
26.9816
3
Al
3p1
Alumínium
Alapadatok
Név, vegyjel, rendszám alumínium, Al, 13
Elemi sorozat alumínium-csoport
Csoport, periódus, mező 13, 3, p
Megjelenés ezüstös
Atomtömeg 26,981538(2) g/mol
Elektronszerkezet [Ne] 3s2 3p1
Elektronok héjanként 2, 8, 3
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 2,70 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on 2,375 g/cm³
Olvadáspont 933,47 K
(660,32 °C, 1220,58 °F)
Forráspont 2792 K
(2519 °C, 4566 °F)
Olvadáshő 10,71 kJ/mol
Párolgáshő 294,0 kJ/mol
Moláris hőkapacitás (25 °C) 24 200 J/(mol·K)
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet köbös lapközéppontos
Oxidációs állapotok 3
(amfoter oxid)
Elektronegativitás 1,61 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 577,5 kJ/mol
Atomsugár 125 pm
Atomsugár (számított) 118 pm
Kovalens sugár 118 pm
Egyéb jellemzők
Mágnesség paramágneses
Fajlagos ellenállás 1,68·10-8 Ω·m
Hővezetési tényező (300 K) 237 W/(m·K)
Hőtágulási tényező (25 °C) 23,1 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd) (szobahőm.) 5000 m/s
Young-modulus 70 GPa
Nyírási modulus 26 GPa
Bulk modulusz 76 GPa
Poisson-arányszám 0,35
Mohs-keménység 2,75
Vickers-keménység 167 MPa
Brinell-keménység 245 HB
CAS-szám 7429-90-5

Az Alumínium bővebb leírása

Az alumínium (nyelvújításkori magyar nevén timany) a periódusos rendszer III. főcsoportjába tartozó könnyűfém. Rendszáma 13, vegyjele Al. Ezüstös színű, levegő hatására a felszínén pillanatok alatt oxidréteg alakul ki, amely megvédi a további oxidációtól. Nem színezi a lángot. Az alumíniumot és az ötvözeteit az iparban nagy mennyiségben alkalmazzák a kis sűrűségük és a kedvező mechanikai sajátságaik miatt.

Története

Először Ørsted állította elő 1825-ben. Az 1855. évi párizsi világkiállításon mutatták be; a világ első 1 kg tömegű alumíniumtömbjét. Az ezüstösen csillogó fémdarabot „agyagezüstnek” nevezték, mivel agyagszerű ércből sikerült előállítani. Az alumínium ára akkoriban még az aranyéval vetekedett, így eleinte ékszereket készítettek alumíniumból.

Jellemzői

Az alumínium puha, vágható, ezüstfehér, porrá törve szürke könnyűfém. A levegő oxigénjével gyorsan reagál, és a felületét védő alumínium-oxid (Al2O3) miatt passzív: a tömény savak nem támadják meg. Amfoter jellegű, ebből következik, hogy lúgok és híg savak oldják aluminátok, illetve alumínium-sók képződése közben. Ha eltávolítjuk az oxidréteget, reagál vízzel; ekkor alumínium-hidroxid (Al(OH)3) keletkezik és hidrogéngáz szabadul föl. Az alumíniumtermékeken a védő oxidréteget mesterségesen vastagítják (eloxálás). Az alumíniumedényeket nem jó súrolni, mert a védőréteg nélkül az alumínium reakcióba lép a levegő oxigénjével és víztartalmával.

Fizikai tulajdonságai:

  • sűrűsége: 2700 kg/m3,
  • olvadáspontja: 660 °C.

Kristályrácsa lapközepes köbös. Nem mágnesezhető. Szakítószilárdsága kicsi. Rosszul önthető.

Előfordulása

Az alumínium az oxigén és a szilícium után a földkéreg harmadik leggyakoribb eleme. Nagy kémiai reakcióképessége miatt elemi állapotában nem fordul elő. Fontos összetevője az agyagásványoknak, a bauxitnak, a csillámoknak és számos kőzetalkotó ásványnak, az úgynevezett alumínium-szilikátoknak.

Előállítása

Régebben alumínium-klorid nátriumos redukciójával, a Wöhler-eljárással állították elő:

\mathrm{AlCl_3 + 3 \ Na \rightarrow Al + 3\ NaCl}\,\!

Ma az alumíniumgyártás nyersanyaga a bauxit. A bauxitot először a Bayer-eljárással timfölddé alakítják, tehát az alumínium-oxidot nagy hőmérsékleten, NaOH oldattal oldják ki. A keletkezett aluminátlúgot ülepítéssel és szűréssel szétválasztják a fel nem oldott nagy vastartalmú maradéktól, a vörösiszaptól. Az oldatból hígítással és hűtéssel választják ki az alumínium-hidroxidot. Ezt szűrik, majd csőkemencében víztelenítik (kalcinálják), aminek eredményeként alumínium-oxid képződik. Ezután a Hall-Héroult eljárással a timföldhöz kriolitot kevernek, hogy csökkentsék olvadáspontját, majd hevítik és elektrolízissel alumíniummá redukálják:

\mathrm{2 \ Al_2O_3 \rightarrow 4\ Al + 3\ O_2}\,\!

Negatív elektródként grafittal, vagy tiszta szénnel bélelt acél kádakat használnak, és az olvadékba fölülről merítik a pozitív pólust, ami szintén szén vagy grafit. Az a pozitív elektródon fejlődő oxigén szén-dioxiddá és (mérgező) szén-monoxiddá oxidálja a szén- vagy grafitelektródot, amit ezért időnként cserélni vagy pótolni kell. Az alumínium a kád alján gyűlik össze.

Bővebben lásd: Könnyűfém-kohászat

Vegyületei

lásd még: Az alumínium vegyületei

Gyakoribb vegyületei:

Al2O3 alumínium-oxid, timföld
Al(OH)3 alumínium-hidroxid
Al2Br6 alumínium-bromid
AlCl3 alumínium-klorid
Al2(SO4)3 alumínium-szulfát
Al(NO3)3 alumínium-nitrát
AlPO4 alumínium-foszfát
Na3AlF6 kriolit

Ötvözetei

Fő ötvözői: Cu, Mg, Si járulékos ötvözői: Ni, Mn

  • Dural ötvözetek (Al-Cu)
  • Hidronálium ötvözetek (Al-Mg)
  • Szilumin ötvözetek (Al-Si)

Felhasználása

  • ötvözetek formájában repülők, autók gyártására
  • csomagolóanyagként (alufólia, üdítős dobozok)
  • por alakban
    • redukálószerként fémek előállítására
    • fedőfestékként megfelelő kötőanyaghoz keverve (metál festékek)
  • elektromos huzalok gyártása
  • szerkezeti elemek gyártása (állványok stb…)
  • fémek előállítása (aluminotermia)
  • vegyiparban az ellenállóság kihasználása (pl.: tömény salétromsav tárolása)
  • timsó
  • Útjelző táblák

Élettani tulajdonságai

Oldott állapotban a fehérjéket irreverzibilisen kicsapja, ezért sóit, például a timsót (KAl(SO4)2·12H2O) vérzéscsillapítónak használják.

Valószínűleg szerepet játszik az Alzheimer-kór kialakulásában.

Iparilag előállított tiszta alumínium

A timföldből elektrolízissel 99,7% 99,5%-os és 99,0%-os tisztaságú kohóalumíniumot lehet előállítani. Ez jó korrózióállóságú, kis villamos ellenállású, de kis szilárdságú fém. Előnyös tulajdonságai a szennyezők csökkentésével javulnak. Az alumínium finomítását többszöri elektrolízissel végzik. Ezzel a módszerrel 99,99%-os tisztaságú alumínium állítható elő. Ez a művelet igen energiaigényes: 1 kg kohóalumínium előállításához 20 kWh, 1 kg nagytisztaságú alumíniumhoz pedig 39-40 kWh villamos energia szükséges. A tiszta alumínium képlékeny alakíthatósága kitűnő, de nehezen forgácsolható (kenődik).

Nagytisztaságú alumínium

A 99,99%-os alumínium lemez, szalag, rúd és huzal formájában kerül felhasználásra. Elsősorban a villamosipar, a vegyipar és a műszeripar dolgozza fel. A fém szilárdságát kismennyiségű magnézium ötvözésével javítják, ez nem jár a vezetőképesség, korrózióállás és jó hidegalakíthatóság romlásával.

99,99%-os alumínium és magnézium ötvözetéből készült lemezek szilárdsági tulajdonságai.
Anyagminőség Al 99,99% Al 99,99%
Jellemzők + 0,73% Mg + 1,6-1,9% Mg + 2,5-3% Mg
Rm N/mm² lágy 35-60 100 150-180 200-220
félkemény 70-100 - - -
kemény 110-138 190 200-250 280-300
σF N/mm² lágy 13-22 35 70-90 110-130
félkemény 30-60 - - -
kemény 100-128 184 170-210 230-260
δ10 % lágy 50-40 27,2 26 26
félkemény 9-5 - - -
kemény 5-4 3,8 4-5 4-5
HB lágy 12-15 29,2 56 65
félkemény 18-24 - - -
kemény 25-30 48,4 75 90

Kohóalumínium

A kohóalumíniumot ötvözési célokra 15 kg-os tömbökben, plasztikus feldolgozásra 100–180 kg tömegű hengerlési illetve préstuskókban hozzák forgalomba.

Kohóalumíniumból készült félgyártmányok szilárdsági tulajdonságai.
Anyagminőség Al 99,7 és Al 99,5 Al 99,3 és Al 99
Rm N/mm² lemez rúd cső huzal lemez rúd cső huzal
lágy 70 70 70 65-90 80 80 80 65-90
félkemény 100 90 90 110-160 110 100 100 110-160
kemény 130 130 140-180 140 140 140 140 140-180
δ10 % lágy 22 22 22 22 20 22 20 22
félkemény 6 6 5 4 4,5 5 4 4
kemény 4 3 2 2 3 3 2 2
HB lágy 18-25 18-24 - - 20-30 20-26 - -
félkemény 25-35 26-33 - - 30-38 28-35 - -
kemény 35-40 35-38 - - 38-45 37-42 - -

Óvintézkedések

Megfelelő tárolás esetén nem reakcióképes, veszélytelen.