Aluminium

Aluminium is 'n silwerige, pletbare metaal uit die boorgroep, wat primêr uit bauxiet erts ontgin word en beskik oor merkwaardige weerstand teen oksidasie (vanweë die passiveringsverskynsel), sterkte en ligte gewig. Aluminium word in baie nywerhede aangewend om 'n groot verskeidenheid produkte te vervaardig wat belangrik is vir die wêreldekonomie. Strukturele onderdele wat van aluminium vervaardig word, is van onmisbare belang in die lugvaartnywerheid asook vir vervoer en die bounywerheid, waar ligte massa, duursaamheid en sterkte benodig word.

Kenmerkende eienskappe

'n Aluminium-metaalskerf

Aluminium is 'n sagte, liggewig metaal met 'n dowwe silwergrys voorkoms, vanweë die dun lagie oksied wat vinnig daarop vorm wanneer dit aan lug blootgestel word en die metaal teen verdere korrosie beskerm. Aluminium se digtheid is ongeveer 'n derde van staal of koper; is pletbaar en smeebaar en kan maklik gemasjineer en gegiet word; het uitstekende korrosiebestandheid en duursaamheid. Dit is ook nie-magneties en vonkwerend en is die derde mees pletbare metaal (na goud en silwer) en die sewende mees rekbare metaal.

Aanwendings

Die gebruik van aluminium, hetsy dit aan waarde of volume gemeet word, oorskry die gebruik van enige ander metaal buiten yster en is 'n belangrike metaal in bykans elke segment van die wêreldekonomie. Suiwer aluminium het 'n lae trekspanning, maar vorm geredelik legerings met baie ander elemente soos koper, sink, magnesium, mangaan en silikon. Wanneer dit gekombineer word met termo-meganiese verwerking toon hierdie aluminiumlegerings merkbare verbeterings in meganiese eienskappe.

Aluminiumlegerings maak noodsaaklike komponente van vliegtuie en vuurpyle uit vanweë hulle hoë sterkte tot gewigsverhouding. Wanneer aluminium in 'n vakuum verdamp word, vorm dit 'n bedekking wat beide sigbare lig en stralingswarmte weerkaats. Hierdie bedekkings vorm 'n dun lagie beskermende aluminiumoksied wat nie verweer met tyd soos wat silwerbedekkings doen nie. Byna alle moderne spieëls word gemaak met 'n dun weerkaatsende laag aluminium op die rugkant van 'n glasblad. Teleskoopspieëls word ook bedek met 'n dun laag aluminium maar word aan die bokant van die glas bedek om interne weerkaatsing te vermy al maak dit die oppervlak meer vatbaar vir beskadiging.

Van die vele gebruike van aluminium is in:

Vervoer (motorvoertuie, vliegtuie, vragmotors, spoortrokke, skepe, ens.
Verpakking (kannetjies, foelie ens.)
Waterbehandeling
Konstruksie (vensters, deure ens)
Verbruikersgoedere (toebehore, eetware ens.)
Elektriese transmissielyne (hoewel die elektriese geleidingsvermoë slegs 60% van koper uitmaak, is dit ligter in gewig en baie goedkoper).
Masjinerie
Ten spyte daarvan dat aluminium nie-magneties is, word dit gebruik in MKM-staal en Alnico magnete.
Hoë suiwerheid aluminium (SPA, 99.980-99.999% Al) word gebruik in elektronika en CD's.
Verpoeierde aluminium word algemeen gebruik om verf te versilwer. Aluminiumvlokkies kan ook gebruik word as bestanddeel vir onderlaagverf, veral vir voorbereiding van hout — wanneer die verf droog word, oorvleuel die vlokke om 'n waterbestande sperlaag te vorm.
Geanodiseerde aluminium is meer bestand teen verdere oksidasie en word in verskeie konstruksiebedrywe ingespan.

Aluminiumoksied, alumina, word natuurlik aangetref as korund, amaril, robyn en saffier en word gebruik vir die maak van glas. Sintetiese robyn en saffier word gebruik in lasers vir die skep van koherente lig.

Aluminium oksideer met 'n heftige reaksie en word daarom ingespan as vaste vuurpylbrandstof en termiet.

Geskiedenis

Die oudste (dog onbevestigde) verwysing na aluminium kom voor in Plinius die ouere se Naturalis Historia. Die Antieke Grieke en Romeine het soute van die metaal gebruik as bytstof vir kleur van materiale en as bloedstolmiddel met die verbind van wonde (aluin word nog steeds vir hierdie doeleinde gebruik). In 1761 het Guyton de Morveau voorgestel dat die basis van aluin "alumine" genoem word. In 1808 het Humphry Davy vasgestel dat aluin 'n metaal as basis bevat, waaraan hy toe die naam toegeken het.

Friedrich Wöhler word algemeen erken as die persoon wat aluminium vir die eerste keer geïsoleer het. Die Deense fisikus, Hans Christian Ørsted, het egter twee jaar tevore die metaal in 'n onsuiwer vorm vervaardig.

Charles Martin Hall het in 1886 die patent (V.S.A patent no. 400655) ontvang vir die elektrolitiese ekstraksie van aluminium. Henri Saint-Claire Deville (Frankryk) het Wöhler se metode verbeter in 1846 en sy bevindings in 'n boek in 1859 gepubliseer. Die ontwikkeling van die Hall-Héroult proses in 1886 het die onttrekking van aluminium vanuit minerale 'n goedkoop proses gemaak en word steeds wêreldwyd gebruik.

Die beeld wat bekend gestaan het as Eros by die Piccadilly Sirkus in London, is in 1893 gemaak en is een van die eerste beelde wat in aluminium gegiet is.

Verspreiding en hulpbronne

Alhoewel aluminium 'n element is wat in oorvloed in die Aarde se kors voorkom (8.1%), is dit baie skaars in sy vrye vorm en is eers as 'n edelmetaal beskou wat meer waardevol was as goud. (Daar word gesê dat Napoleon III van Frankryk 'n stel aluminiumborde net vir sy belangrikste gaste gebruik het. Ander moes maar tevrede wees met die goue borde.) Aluminium is dus 'n relatiewe nuwe industriële metaal en word nou in kommersiële hoeveelhede vir net bietjie langer as 'n 100 jaar lank geproduseer.

Aluminium was ten tye van die ontdekking daarvan, uiters moeilik om te skei vanuit die rotse waarvan dit deel uitgemaak het. Aangesien al die Aarde se aluminium in die vorm van verbindings opgesluit gelê het, was dit die moeilikste metaal op aarde om in die hande te kry, ten spyte van die feit dat dit waarskynlik die volopste metaal op die planeet is.

Die herwinning van hierdie metaal uit skroot het 'n belangrike onderdeel van die aluminium-nywerheid geword. Die herwinning behels eenvoudig die smelt van die metaal, wat baie goedkoper is as om dit vanuit die erts te herwin. Die suiwering van aluminium vanuit sy erts verg enorme hoeveelhede elektrisiteit; waar die herwinningsproses slegs sowat 5% van dié hoeveelheid energie benodig. Herwinning van aluminium is al 'n algemene praktyk sedert die vroeë 1900's. Dit het egter 'n lae profiel geniet tot en met die laat 1960's toe die skielike styging in die vraag na koeldrankblikkies gelei het tot die openbare bewusmaking van herwinning. Bronne van herwonne aluminium sluit in karre, vensters en deure, toebehore, houers en ander produkte.

Aluminium is 'n reaktiewe metaal en kan nie vanuit sy erts, bauxiet (Al₂O₃), ontgin word deur dit met koolstof te reduseer nie. In plaas daarvan word dit ontgin deur elektrolise –die metaal word geoksideer in 'n oplossing en dan weer gereduseer na die suiwer metaal. Die erts moet in die vloeibare vorm wees vir dit om te gebeur. Bauxiet het egter 'n smeltpunt van 2000 °C, wat 'n te hoë temperatuur is vir ekonomiese ontginning. Bauxiet is daarom vir baie jare in gesmelte krioliet opgelos, wat die smeltpunt verlaag tot 900 °C. Krioliet is nou vervang met 'n kunsmatige mengsel van aluminium-, natrium- en kalsiumfluoriede. Die proses verg egter steeds 'n groot hoeveelheid energie en aanlegte het dikwels hulle eie kragstasies.

Die elektrodes wat gebruik word vir die elektrolise van bauxiet is beide van koolstof. Wanneer die erts gesmelt is, is die ione vry om rond te beweeg. Die reaksie wat dan by die negatiewe katode plaasvind is:

Al³⁺ + 3e^- → Al

Hier word die aluminiumione gereduseer (elektrone bygevoeg). Die aluminiummetaal sink dan na die bodem en word afgetap.

Die positiewe anode oksideer die suurstof van bauxiet om suurstof gas vry te stel:

2O^2- → O₂ + 2e^-

Die anode moet dikwels vervang word omdat die suurstofgas wat gevorm word baie warm is en geredelik met die koolstofelektrode reageer as volg:

O₂ + C → C O₂

Ten spyte van die hoë koste van elektrolise, word aluminium dikwels gebruik. Aluminium kan ook onttrek word vanuit klei maar die proses is nie ekonomies lewensvatbaar nie.

Elektriese energie verteenwoordig ongeveer 'n derde van die koste van aluminium-raffinering. Dis om hierdie rede dat die raffinaderye in gebiede geleë is waar die verskaffing van elektriese krag in oorvloed beskikbaar en goedkoop is.

Isotope

Aluminium het nege isotope, waarvan die atoomgewigte wissel van 23 tot 30. Slegs Al-27 (Stabiele isotoop) en Al-26 (radio-aktiewe isotoop, t_1/2=7.2 × 10⁵ j) kom natuurlik voor, Al-27 se natuurlike verspreiding is egter 100%. Al-26 word geproduseer vanuit argon in die atmosfeer deur versplintering vanweë botsings met protone in die kosmiese straling. Aluminium isotope het praktiese toepassings gevind met die bepaling van die ouderdom van mariene afsettings, mangaanknobbels, gletser-ys, kwarts in rotse wat blootgestel is asook meteoriete. Die verhouding van Al-26 tot berillium-10 is ook gebruik om die rol van vervoerneerslag, sedimentberging en bedekkingstye asook erosie op 10⁵ tot 10⁶ jaar tydskale te bestudeer.

Kosmogeniese Al-26 is eers ingespan in studies van die Maan en meteoriete. Meteorietskerwe word nadat hulle van die oorspronklike voorwerp geskei is, blootgestel aan intense kosmiese straling soos dit deur die ruimte beweeg met die gevolg dat noemenswaardige hoeveelhede Al-26 geproduseer word. Nadat dit Aarde toe val, beskerm die atmosfeer hierdie skerwe teen verdere Al-26 produksie en kan die vervaltempo gebruik word om vas te stel hoe lank die skerf op die aarde is. Meteorietnavorsing het ook getoon dat Al-26 redelik algemeen voorgekom het ten tye van die vorming van ons sonnestelsel.

Voorsorgmaatreëls

Aluminium is een van die weinige elemente wat in groot hoeveelhede voorkom maar nie lyk asof dit enige voordelige funksie in lewende selle het nie. 'n Klein persentasie mense is egter allergies daarvoor — hulle ervaar ontsteking van die huid in kontak met enige vorm van die metaal. Vir die meeste ander mense word aluminium nie as so giftig as swaarmetale beskou nie maar daar is bewyse van 'n mate van toksisiteit wanneer dit in buitensporige hoeveelhede ingeneem word. Die gebruik van aluminium vir kookgereedskap, wat gewild is vanweë die uitstekende korrosieweerstand daarvan en goeie hittegeleiding het nog nooit gelei tot aluminiumvergiftiging nie.

Sorg moet geneem word om te verhoed dat aluminium in kontak kom met chemikalieë wat dit vinnig kan laat korrodeer. 'n Klein hoeveelheid kwik wat op 'n aluminiumoppervlak aangewend word, kan die normale oksiedlagie beskadig en selfs swaar strukturele elemente kan ernstig daardeur verswak word. Dit is vir hierdie rede dat kwiktermometers nie toegelaat word op baie lugrederye nie, aangesien aluminium 'n algemene strukturele komponent van vliegtuie uitmaak.

Brandveiligheid

Aluminium is die mees gebruikte nie-ystermetaal in die boubedryf. Alhoewel dit self nie brandbaar is nie, hou dit gevaar in indien 'n brand uitbreek. Sy termiese geleidingsvermoë (237 W/mK) is drie keer so groot as dié van staal, terwyl ook sy lae smeltpunt (660,3 °C) krities beoordeel moet word. Aluminium se volumetriese termiese uitsettingskoëffisiënt is twee keer so groot as dié van staal (αT = 0,000024 m/m°C).^[1]

Aluminium word in die boubedryf meestal binnenshuis vir vensters, deure, relings en panele gebruik waar geen statiese kragte daarop inwerk nie. Die verwoestende brand in 'n Londense woonstelbloktoring in Junie 2017 – die gebou is binne 'n halfuur deur vlamme verswelg – het weer eens getoon dat die gebruik van aluminiumpanele as buitemuurverkleding en isolasiemateriaal – met brandbare materiaal daartussen – onverantwoordelik is. Smeltende aluminium kan daartoe bydra dat 'n brand vinnig na laer verdiepings van 'n gebou versprei en brandbestryding bemoeilik. Debatte is onder deskundiges gevoer oor die rol wat smeltende aluminium in die New Yorkse Wêreldhandelsentrum se brand en ineenstorting gespeel het.^[2]

Chemie

Oksidasietoestand 1

Al H word gevorm wanneer aluminium verhit word tot 1500 °C in 'n waterstof atmosfeer.
Al₂O word gevorm wanneer die gewone oksied, Al₂O₃ saam met Si tot 1800 °C in 'n vakuum verhit word.
Al₂S kan vervaardig word deur Al₂S₃ saam met aluminiumvysels teen 1300 °C in 'n vakuum te verhit. Dit ontbind vinnig weer terug tot die reagense. Die selenied word op 'n soortgelyke manier voorberei.
Al F, Al Cl en Al Br bestaan in die dampfase wanneer die tri-halied saam met aluminium verhit word.

Oksidasietoestand 2

Aluminiumsuboksied, Al O is teenwoordig wanneer aluminium poeier in suurstof brand.

Oksidasietoestand 3

Fajans reëls toon dat die eenvoudige trivalente katioon Al³⁺ nie aangetref behoort te word in anhidriese soute of binêre verbindings soos Al₂O₃ nie. Die hidroksied is 'n swak basis en aluminium soute van swak basisse, soos karbonate, kan nie voorberei word nie. Die soute van sterk sure, soos nitrate, is stabiel en oplosbaar in water en vorm hidrate wat ten minste ses molekules kristalwater bevat.
Aluminiumhidried, (Al H₃)_n, kan vanuit aluminium trimetiel en 'n oormaat waterstof voorberei word. Dit brand plofbaar in lug. Dit kan ook voorberei word deur die werking van aluminiumchloried op litiumhidried in 'n eter oplossing, maar kan nie vanaf die oplosmiddel geskei word nie.
Aluminiumkarbied, Al₄C₃ word gemaak deur 'n mengsel van die elemente te verhit tot bo 1000 °C. Die bleek, geel kristalle het 'n komplekse kristalstruktuur en reageer met water of verdunde sure om metaan vry te stel. Die asetilied, Al₂(C₂)₃ word gemaak deur asetileen oor verhitte aluminium te voer.
Aluminiumnitried, Al N, kan voorberei word vanuit die elemente by 800 °C. Dit word deur water gehidroliseer om ammoniak en aluminiumhidroksied te lewer.
Aluminiumfosfied, Al P, word op 'n soortgelyke manier voorberei en hidroliseer om fosfien te lewer.
Aluminiumoksied, Al₂O₃, kom in die natuur voor as korund en kan gemaak word deur aluminium in suurstof te brand of deur die hidroksied, nitraat of sulfaat te verhit. As 'n edelsteen word die hardheid daarvan slegs deur die van diamant, boornitried en karborund oorskry en is dit bykans geheel onoplosbaar in water.
Aluminiumhidroksied kan voorberei word as 'n gelatienagtige neerslag deur ammoniak by 'n waterige oplossing van 'n aluminiumsout te voeg. Dit is amfoteries, deurdat beide as 'n baie swak suur optree en ook aluminate met alkalies vorm. Dit bestaan in verskeie kristallyne vorme.
Aluminiumsulfied, Al₂S₃, kan voorberei word deur waterstofsulfied oor 'n aluminiumpoeier te voer. Dit is polimorfies.
Aluminiumfluoried, Al F₃, word gemaak deur die hidroksied met H F te behandel of dit kan direk vanuit die elemente voorberei word. Dit bestaan uit 'n reuse molekuul wat sublimeer sonder om te smelt teen 1291 °C. Dit is 'n baie inerte materiaal. Die ander trihaliedes is dimeries met 'n brugagtige struktuur.
Organo-metallieke verbindings met die empiriese verhouding AlR₃ bestaan en waar hulle nie ook reuse molekules vorm nie, bestaan die verbindings ten minste uit dimere of trimere. Hulle word dikwels in organiese chemie gebruik.
Alumino-hidriede is van die mees elektropositiewe verbindings, waarvan die nuttigste litiumalumino-hidried, Li Al H₄] is. Dit ontbind na litiumhidried, aluminium en waterstof wanneer dit verhit word en word deur water gehidroliseer. Dit word ook dikwels in organiese chemie toepassings benut. Die alumino-haliede het 'n soortgelyke struktuur.