Aluminium

Chemiczne i fizyczne właściwości aluminium

Nieszlachetny, srebrzysto szary, niestabilny, kowalny metal, elektrycznie bardzo dobrze przewodzący. Poniżej temperatury 1,18 K jest nadprzewodnikiem. W przyrodzie występuje głównie w postaci związków, najbardziej znaną rudą jest boksyt Al2O3 . 2 H2O (dihydrat tlenku glinu).

Tworzy związki w stopniach utlenienia od +I do +III, najbardziej powszechne i stabilne są związki glinu. W kwaśnym środowisku tworzy w roztworze wodnym kation glinowy, w środowisku zasadowym anion glinianowy [AlO2]−. Aluminium jest w czystej postaci bardzo reaktywne, na powietrzu szybko pokrywa się cienką warstwą tlenku Al2O3, która chroni metal przed dalszym utlenianiem.

Aluminium jest bardzo dobrze rozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach. Nasycony kwas azotowy lub kwas siarkowy pokrywają je jednak, podobnie jak tlen atmosferyczny, warstwą pasywacyjną tlenku. Również wodorotlenki metali alkalicznych łatwo rozpuszczają metaliczne aluminium, tworząc glinany (AlO2)−.

Aluminium i jego stopy są bardzo dobrze spawalne niemal wszystkimi metodami spawania. Wyjątkiem jest stop duraluminium, który jest trudny do spawania.

Aluminium w formie metalicznej zostało wyizolowane w 1825 roku przez duńskiego fizyka Hansa Christiana Ørsteda.

Aluminium i jego występowanie w przyrodzie

Dzięki dużej reaktywności aluminium w przyrodzie spotykamy się prawie wyłącznie z jego związkami.

Aluminium jest trzecim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Według ostatnich dostępnych danych aluminium stanowi 7,5–8,3% skorupy ziemskiej. W wodzie morskiej jego stężenie jest bardzo niskie, tylko 0,01 mg Al/l, a we wszechświecie przypada na jeden atom aluminium około pół miliona atomów wodoru.

Najpospolitszą skałą na bazie aluminium jest boksyt, Al2O3 · 2 H2O. Zwykle towarzyszą mu inne domieszki na bazie tlenków krzemu, tytanu, żelaza i innych.

Innym znaczącym minerałem jest kriolit, heksafluoroaluminian sodu Na3AlF6, stosowany głównie jako topnik do obniżania temperatury topnienia tlenku glinu podczas elektrolitycznej produkcji aluminium.

Minerały na bazie tlenku glinu Al2O3 są bardzo ważne i cenione. Korund znajduje się na 9. miejscu skali twardości Mohsa. Techniczny tlenek glinu nazywany jest również elektorytem i jest powszechnie używany do produkcji papieru ściernego.

Drogocenne kamienie, których podstawowym materiałem jest tlenek glinu, różnią się domieszką, która powoduje ich charakterystyczne zabarwienie. Czerwony rubin jest zabarwiony domieszką tlenku chromu, niebieski szafir zawiera głównie śladowe ilości tlenków tytanu i żelaza.

Obie wspomniane formy korundu należą do najbardziej cenionych kamieni szlachetnych na świecie, ale mają również znaczące zastosowania w technice. Szafirowe końcówki wyróżniają się swoją twardością i wytrzymałością i są używane w najwyższej klasy przyrządach pomiarowych. Rubin jest znany jako materiał do konstrukcji pierwszego lasera na świecie.

Produkcja aluminium

Mimo że aluminium jest jednym z najczęściej występujących pierwiastków w skorupie ziemskiej, jego produkcja przemysłowa do niedawna była jednym z bardzo trudnych procesów. Jest to głównie dlatego, że elementarnego aluminium nie można łatwo metalurgicznie zredukować z jego rudy, jak na przykład żelazo za pomocą koksu w wielkim piecu. Dopiero opanowanie przemysłowej elektrolizy stopu rud metalicznych umożliwiło obecną wielosettunową produkcję czystego aluminium rocznie.
Podczas elektrolizy z roztopionej mieszaniny wcześniej oczyszczonego boksytu i kriolitu w temperaturze około 950 °C na katodzie wydziela się aluminium elementarne, a na anodzie grafitowej powstaje tlen, który natychmiast reaguje z materiałem elektrody powodując powstawanie toksycznego tlenku węgla CO.
Na terenie dawnej Czechosłowacji w 1933 roku rozpoczęto produkcję blach aluminiowych, a później w 1954 roku produkcję artykułów konsumpcyjnych z folii aluminiowej w Brześćíku. Firma kontynuuje produkcję. Dodatkowo w 1953 roku rozpoczęto produkcję aluminium w słowackim Żiar ob Hronom, dokąd większa część boksytu była importowana z Węgier. Produkcja aluminium przy użyciu technologii Söderberga została tam zakończona w 1998 roku.

Stopy aluminium

Najważniejsze jest jednak zastosowanie aluminium w formie stopów, z których zdecydowanie najbardziej znane są stopy z magnezem, miedzią i manganem, znane jako duraluminium. Materiał ten ma znacznie większą wytrzymałość i twardość niż samo aluminium, przy zredukowanej gęstości. Są też bardzo odporne na korozję. Wszystkie te właściwości czynią duraluminium idealnym materiałem dla przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego, ale znajdziemy go również przy produkcji wind, rowerów, lekkich drabin i podobnych zastosowaniach.

Bardzo znane stopy aluminium to kategorie 6061 i 7005. Jaka jest między nimi różnica? Stop serii 7005 (składający się z 93,35% Al, 0,13% Cr, 1,4% Mg, 0,45% Mn, 0,03% Ti, 4,5% Zn, 0,14% Zr), jest często zastępowany stopem oznaczonym jako Alloy 6061, który składa się z 98,1% Al, 0,020% Cr, 1% Mg, 0,28% Mn, 0,6% S. Materiał Al 6061 ma nieco niższe właściwości mechaniczne, ale łatwiej się go spawa, ponieważ w przeciwieństwie do 7005 nie zawiera cynku, który przy spawaniu może powodować ewentualne pęknięcia. W przeciwieństwie do na przykład ram rowerowych z materiału 7005, które mogą same się utwardzać, ramy z Al 6061 zawsze muszą być obróbkowane termicznie. Minusem stopu 6061 jest fakt, że mają o dwadzieścia procent mniejszą wytrzymałość niż seria 7005. Jednak materiał 6061 ma jedną zaletę, a mianowicie łatwiej się formuje ze względu na większą miękkość, a przy tej samej grubości rury w porównaniu z 7005 na pewno będzie lżejszy.