Aliuminio gamyba1884 m, kai Vašingtono monumento viršutinė dalis buvo uždengta aliumininiu stogeliu, aliuminis tebebuvo pusiau brangus metalas. Jį naudojo juvelyriniams ir dailės dirbiniams. Bet vos po dviejų metų situacija pasikeitė. 1866 m Charles Martin Hall iš JAV ir Paul Heroult iš Prancūzijos vienas nuo kito nepriklausomai surado ekonomiškai priimtiną būdą gaminti aliuminį iš Al2O3 elektrolizės būdu. Aliuminio gamybos būdas yra puikus pavyzdys, kaip cheminiai dėsningumai panaudojami praktikoje. Svarbiausioji aliuminio rūda – boksitas – turi savyje Fe2O3 priemaišų, kurias būtina pašalinti. Gryninant boksitą pasinaudojama tuo, kad Al2O3 yra amfoterinis oksidas, todėl tirpsta NaOH(aq) tirpale. Fe2O3 šarmų tirpaluose netirpsta.Al2O3 lydosi labai aukštoje temperatūroje (2020 °C), o išlydytas yra mažai laidus elektrai. Hall ir Heroult surado tinkamą tirpiklį, kuris lydosi žemesnėje temperatūroje, yra gerai laidus elektrai ir neblogai tirpina Al2O3. Toks tirpiklis yra mineralas kriolitas, Na3AlF6, kuriame maždaug 1000 °C temperatūroje ištirpsta iki 15% (masės) Al2O3. Nuo to laiko aliuminis gaminamas elektrolizuojant maždaug 950 °C temperatūros Al2O3 tirpalą išlydytame kriolite. Gaunamas 99,6-99,8% grynumo aliuminis.Aliuminio gamybai reikia labai daug elektros energijos – 1 tonai aliuminio pagaminti sunaudojama apie 15000 kWh elektros energijos [palyginkite: 1 tonai Cl2 pagaminti elektrolizuojant NaCl(aq) reikia apie 3000 kWh elektros energijos]. Dėl šios priežasties aliuminio gamyklos statomos netoli pigių energijos šaltinių, pavyzdžiui netoli hidroelektrinių. Aliuminio gamybai iš jau naudoto aliuminio laužo reikia tik apie 5% to energijos kiekio, kurio reiktų tokiam pat kiekiui aliuminio išskirti iš boksito. Todėl rinkti jau panaudotą aliuminį ekonomiškai naudinga. JAV apie 45% sunaudojamo aliuminio yra pagaminta iš aliuminio laužo.Aliuminis
Aliuminis – svarbiausias periodinės sistemos III grupės pagrindinio pogrupio metalų atstovas. Sidabriškai baltas lengvas metalas. Jis labai plastiškas, iš jo lengva padaryti folija bei vielą. Tai puikus elektros srovės laidininkas : jo elektrinis laidumas prilygsta vario laidumui. Metalo paviršių visada dengia labai plona ir labai tanki oksido Al O plėvelė. Ši plėvelė optiškai skaidri ir išsaugo metalo gebėjimą atspindėti šviesa (blizgesį).
Aliuminis chemiškai gana aktyvus jei neturi inertinės apsauginės Al O plėvelės. Įtampų eilėje jis yra i kairę nuo geležies, tačiau oksido plėvelė praktiškai sustabdo tolesnę metalo oksidaciją ir saugo jį nuo vandens bei kai kurių rūgščių poveikio. Chemiškai pašalinus apsauginę plėvelę (pvz., šarmo tirpalu), metalas ima energingai reaguoti su vandeniu, išskirdamas vandenilį.
Aliuminio halidaiAliuminio halidai yra labai aktyvios Lewis’o rūgštys. Jie lengvai prijungia elektronų porą sudarydami rūgšties ir bazės jungimosi produktą, vadinamą aduktu. Žemiau pateiktame pavyzdyje AlCl3 yra Lewis’o rūgštis, o dietilo eteris, (C2H5)2O, yra Lewis’o bazė.Cl C2H5 Cl C2H5Cl Al + O Cl Al OCl C2H5 Cl C2H5Aliuminio halidai naudojami sintetinant organines medžiagas, nes jie, sudarydami aduktus, katalitina įvairias reakcijas. Hidrido joną H-, pagal jo elektroninę sandarą galima laikyti pseudohalidu, o joną AlH4- galime laikyti AlH3 ir H- aduktu. Tokio tipo junginys – ličio aliuminio hidridas, LiAlH4 – yra geras reduktorius, naudojamas organinėje chemijoje. Kitas svarbus kompleksinis halidas – kriolitas, Na3AlF6, naudojamas tirpiklio vaidmenyje Hall ir Heroult procese. Kriolitą galima pagaminti švininiuose induose vykdant tokią reakciją6 HF + Al(OH)3 + 3 NaOH –> Na3AlF6 + 6 H2O
Aliuminio fluoridas, AlF3, yra joninis junginys. Jis lydosi aukštoje temperatūroje (1040 °C), o išlydytas yra geras elektros srovės laidininkas. Kiti aliuminio halidai yra molekulinės sandaros medžiagos. Jų bendra formulė Al2X6 (kur X = Cl, Br arba I). Tokias molekules galime laikyti susidedančiomis iš dviejų AlX3 fragmentų, todėl jos dar vadinamos dimerais. Kiekvienas aliuminio atomas sudaro jungtis su dviem chloro atomais, “priklausančiais” tik jam, ir su dviem chloro atomais, kurie yra bendri abiem aliuminio atomams ir sudaro tarsi tiltelį tarp jų. Kiekvienas tiltelio Cl atomas sudaro po vieną įprastinę kovalentinę jungtį (jungties sudarymui panaudojami 1 aliuminio elektronas ir 1 chloro elektronas) ir po vieną koordinacinę kovalentinę jungtį (abu jungties elektronai anksčiau priklausė tik chloro atomui). Koordinacinės kovalentinės jungtys paveiksle pavaizduotos strėlėmis. Aliuminis tokiame junginyje yra sp3 hibridizacijos.
Aliuminio oksidai ir hidroksidai
Aliuminio oksidas yra vadinamas skirtingais vardais. Kristalinis aliuminio oksidas vadinamas korundu. Grynas korundas sudaro brangakmenį, vadinamą baltuoju safyru. Korundas su nedidelėmis Cr3+ priemaišomis vadinamas rubinu, o su Fe3+ ir Ti4+ priemaišomis – mėlynuoju safyru. Fizines aliuminio oksido savybes nulemia ryšių prigimtis šioje medžiagoje. Al3+ ir O2- jonai yra maži, todėl tarp jų veikia labai stiprūs joniniai ryšiai. O2- jonai sudaro kubinę tankiausios sanglaudos gardelę, o Al3+ jonai užima šios gardelės oktaedrines tuštumas. Dėl šitokios kristalinės gardelės sandaros aliuminio oksidas yra labai kieta medžiaga, naudojama kaip abrazyvas. Jis labai atsparus kaitinimui (lydosi 2020 °C temperatūroje). Aliuminio oksidu padengiami aukštos temperatūros degikliai, jis tarnauja pagrindu, ant kurio nusodinami katalizatoriai, naudojami pramoniniuose cheminiuose procesuose. Aliuminio oksidas netenka savo cheminio inertiškumo tik labai aukštoje temperatūroje.Aliuminio hidroksidas yra amfoterinė medžiaga. Jis, kaip ir kitų metalų hidroksidai, reaguoja su rūgštimis.Al(OH)3(k) + 3 H3O+(aq) –> [Al(H2O)6]3+(aq) Tačiau skirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų hidroksidų, Al(OH)3 reaguoja ir su bazėmis. Reakcijos produktas – kompleksinis jonas.Al(OH)3(k) + OH-(aq) –> [Al(OH)4]-(aq)
Jeigu aliuminis tirpsta ir rūgščiuose ir šarminiuose tirpaluose, kodėl jis netirpsta vandenyje? Aliuminis labai greitai reaguoja su oro deguonimi sudarydamas savo paviršiuje plonytį vandenyje netirpų Al2O3 sluoksnelį. Susidaręs oksido sluoksnis apsaugo metalą nuo tolimesnės oksidacijos. Al2O3 sluoksnis tirpsta rūgštyse ir šarmuose. Al2O3(k) + 6 H+(aq) –> 2 Al3+(aq) + 3 H2O Al2O3(k) + 2 OH- + 3 H2O –> 2 [Al(OH)4]-(aq) Tik ištirpinę oksido sluoksnį galime pastebėti tikrąjį aliuminio aktyvumą. Aliuminis yra pakankamai aktyvus ir gali išstumti H2(d) iš gryno vandens, kaip kad pavyzdžiui natris ar kalcis. Mes negalėtume naudoti aliuminio lėktuvų gamybai ar namų statybai, jeigu jo paviršiaus nesaugotų Al2O3 sluoksnelis.
Aliuminio panaudojimas
Aliuminis naudojamas įvairiausių mažo tankio lydinių gamybai. JAV kasmet pagaminama apie 5 milijonus tonų aliuminio. Aliuminis, kaip ir kiti šios grupės metalai, yra aktyvus metalas. Aliuminis – puikus reduktorius, nes jis labai lengvai oksiduojasi sudarydamas joną su krūviu +3. Reaguodamas su rūgštimis jis išstumia vandenilį. 2 Al(k) + 6 H+(aq) 2 Al3+(aq) + 3 H2(d) Įdomu, kad aliuminis, skirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų metalų, reaguoja su bazėmis. Tai susiję su Al(OH)3 rūgštinėmis savybėmis. 2 Al(k) + 2 OH-(aq) + 6 H2O 2[Al(OH)4]-(aq) + 3 H2(d) Kai kurių kanalizacijos valiklių veikimas pagrįstas šia reakcija. Tokį valiklį sudaro kieto natrio hidroksido ir aliuminio mišinys. Šis mišinys, pakliuvęs į vandenį, pradeda reaguoti. Išsiskirianti šiluma lydo riebalus, NaOH(aq) tirpalas tirpina juos. Besiskiriančios vandenilio dujos padeda išjudinti vamzdį užkimšusias nuosėdas. Oksiduojant aliuminio miltelius oru ar kokiu kitu oksidatoriumi išsiskiria labai didelis kiekis šilumos, todėl aliuminis naudojamas gaminant sprogmenis bei raketinį kurą. 2 Al(k) + 3/2 O2(d) Al2O3(k) DH=-1676 kJ Aliuminis yra toks stiprus reduktorius, kad sugeba atimti deguonį iš kitų metalų oksidų, sudarydamas aliuminio oksidą ir išstumdamas kitą metalą. Ši reakcija vadinama termitine reakcija. Dėl milžiniško išsiskiriančios energijos kiekio termitinė reakcija naudojama didelių metalinių objektų suvirinimui. Fe2O3(k) + 2 Al(k) Al2O3(k) + 2 Fe(s)
Aliuminio produktai
· Karšto ir šalto valcavimo plokštės, lakštai ir rulonai · Plastiku dengti ir anoduoti lakštai ir rulonai · Epiūruoti lakštai ir rulonai · Papuošti reljefu lakštai ir rulonai · Strypai ir profiliai · Vamzdžiai · Stiklajuostės
Aliuminio savybės
atominis numeris 13atomo spindulys (metališkasis), pm 143jono (M3+) spindulys, pm 50elektroneigiamumas 1,6pirmoji jonizacijos energija, kJ/mol 577,6elektrodo potencialas, Eo, V 1 -1,676lydymosi temperatūra, °C 660,37
virimo temperatūra, °C 2467tankis, g/cm3 (20 °C) 2,698kietumas 2 2,75laidumas elektrai 2 59,7Aliuminio sulfatas
Bazinis aliuminio sulfatas Al2(OH)2X(SO4)3-X kur (0