Alumínium

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.

13 magnézium ← alumínium → szilícium B ↑ Al ↓ Ga [Ne] 3s2 3p1 13 Al Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	alumínium, Al, 13
Latin megnevezés	aluminium
Elemi sorozat	földfémek
Csoport, periódus, mező	13, 3, p
Megjelenés	ezüstös
Atomtömeg	26,9815384(3) 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$\Delta _{fus}{H}^{\ominus }$	10,71 kJ/mol
Párolgáshő $\Delta _{vap}{H}^{\ominus }$	294,0 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 24,2 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	köbös lapközéppontos
Oxidációs szám	3 (amfoter oxid)
Elektronegativitás	1,61 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 577,5 kJ/mol
	2.: 1816,7 kJ/mol
	3.: 2744,8 kJ/mol
Atomsugár	125 pm
Atomsugár (számított)	118 pm
Kovalens sugár	118 pm
Egyebek
Mágnesség	paramágneses
Fajlagos ellenállás	(20 °C) 26,50 nΩ·m
Hővezetési tényező	(300 K) 237 W/(m·K)
Hőtágulási együttható	(25 °C) 23,1 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(szobahőm.) 5000 m/s
Young-modulus	70 GPa
Nyírási modulus	26 GPa
Kompressziós modulus	76 GPa
Poisson-tényező	0,35
Mohs-keménység	2,75
Vickers-keménység	167 MPa
Brinell-keménység	245 HB
CAS-szám	7429-90-5
Fontosabb izotópok
Fő cikk: Az alumínium izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 26Al mest. 7,17·105 év β+ 1,17 26Mg ε - 26Mg γ 1,8086 - 27Al 100% Al stabil 14 neutronnal
Hivatkozások

Az alumínium név a latin alumen (timsó) szóból származik, melyet már az ókorban is ismertek.

Története

Elsőként Lavoisier, majd Davy sejtette meg a timsóról, hogy az egy akkor még nem azonosított fém sója lehet, amit Davy nevezett el „alumíniumnak” a timsó angol alum szava után, de érdemben egyiküknek sem sikerült ezt a fémet kinyerniük. Ez először Ørstednek sikerült 1825-ben, majd Wöhler és Deville dolgozott tovább az előállításán. 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 belőle. Végül 1886-ban Charles Martin Hall és Paul Héroult jött rá egymástól függetlenül, hogy kriolitos elektrolízissel nagy mennyiségben előállítható, így az értéke is rohamosan zuhanni kezdett a 20. század elejére.

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 (nátrium-hidroxid, kálium-hidroxid) és híg savak (sósav, citromsav, kénsav) is oldják aluminátok, illetve alumínium-sók képződése közben. Ha eltávolítjuk az oxidréteget, reagál vízzel; ekkor alumínium-hidroxid (Al(OH)₃) keletkezik és hidrogéngáz szabadul fel. 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,
• forráspontja: 2519 °C.

Kristályrácsa lapközepes köbös. Nem mágnesezhető. Szakítószilárdsága kicsi. Rosszul önthető. Kiváló hő és elektromos vezető.

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:

$\mathrm {2\ Al_{2}O_{3}\rightarrow 4\ Al+3\ O_{2}} \,\!$

Negatív elektródként grafittal, vagy tiszta szénnel bélelt acél kádakat használnak, és az olvadékba felülről 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.

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

• Dúralumínium (vagy dural) ötvözetek (Al-Cu)
• Hidronálium ötvözetek (Al-Mg)
• Szilumin ötvözetek (Al-Si)

Felhasználása

• ötvözetek formájában repülőgépek, gépkocsik 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
• 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. A szervezetbe került nagyobb mennyiségű alumínium alumíniummérgezést okozhat, amelynek tünetei a következők:

• kiszáradt bőr,
• fejfájás,
• felfúvódás,
• gyomorégés,
• emlékezetvesztés,
• izombénulás,
• zavartság,
• a nyálkahártya kiszáradása,
• megfázásra való hajlam.

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 felhasználása lemez, szalag, rúd és huzal formájában történik. 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.

Források

• Kémiai kislexikon (Makkay Ferenc, Kriterion Könyvkiadó)
• A Pallas nagy lexikona (Révai Testvérek Budapesten)
• Pattantyús. Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.
• Kémia Általános Iskola 8., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest

További információk

A Wikimédia Commons tartalmaz Alumínium témájú médiaállományokat.

• Az alumínium - muszakiak.hu
• a magyar Wikipédia alumíniumot tartalmazó vegyületeinek listája