aluminio - Aluminium


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Aluminio,   13 Al
Aluminio-4.jpg
Propiedades generales
Pronunciación
nombre alternativo aluminio (Estados Unidos, Canadá)
Apariencia metálica gris plateado
Peso atómico Standard ( A r, estándar ) 26,981 5,384 (3)
Aluminio en la tabla periódica
Hidrógeno Helio
Litio Berilio Boro Carbón Nitrógeno Oxígeno Flúor Neón
Sodio Magnesio Aluminio Silicio Fósforo Azufre Cloro Argón
Potasio Calcio Escandio Titanio Vanadio Cromo Manganeso Planchar Cobalto Níquel Cobre Zinc Galio Germanio Arsénico Selenio Bromo Criptón
Rubidio Estroncio Itrio Circonio Niobio Molibdeno tecnecio Rutenio Rodio Paladio Plata Cadmio indio Estaño Antimonio Telurio Yodo Xenón
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B

Al

Ga
magnesioaluminiosilicio
El número atómico ( Z ) 13
Grupo grupo 13 (grupo del boro)
Período 3 periodo
Bloquear p-bloque
categoría de elementos   metal del bloque p , a veces considerado un metaloide
Configuración electronica [ Ne ] 3s 2 3p 1
Electrones por shell
2, 8, 3
Propiedades físicas
Fase al  STP sólido
Punto de fusion 933,47  K (660,32 ° C, 1220,58 ° F)
Punto de ebullición 2743 K (2470 ° C, 4478 ° F)
Densidad (cerca  rt ) 2,70 g / cm 3
cuando el líquido (en  mp ) 2,375 g / cm 3
Calor de fusión 10,71  kJ / mol
Calor de vaporización 284 kJ / mol
capacidad calorífica molar 24,20 J / (mol · K)
Presión de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
en  T  (K) 1482 1632 1817 2054 2364 2790
propiedades atómicas
estados de oxidación -2, -1, 1, 2, 3 (un  anfótero óxido)
electronegatividad escala de Pauling: 1,61
energías de ionización
  • Primero: 577,5 kJ / mol
  • Segunda: 1816,7 kJ / mol
  • Tercera: 2744,8 kJ / mol
  • ( Más )
Radio atómico empírica: 143  pm
radio covalente 121 ± 16:00
Van der Waals radio 184 pm
Líneas de color en un rango espectral
Las líneas espectrales de aluminio
Otras propiedades
Estructura cristalina cara cúbica centrada (fcc)
estructura cristalina cúbica centrada en las caras para el aluminio
Velocidad del sonido varilla delgada (laminado) 5,000 m / s (a  rt )
Expansión térmica 23,1 m / (m · K) (a 25 ° C)
Conductividad térmica 237 W / (m · K)
Resistividad electrica 26,5 nΩ · m (a 20 ° C)
ordenamiento magnético paramagnético
Susceptibilidad magnética + 16,5 · 10 -6  cm 3 / mol
El módulo de Young 70 GPa
Módulo de corte 26 GPa
Módulo de volumen 76 GPa
coeficiente de Poisson 0.35
dureza de Mohs 2.75
dureza Vickers 160-350 MPa
dureza Brinell 160-550 MPa
Número CAS 7429-90-5
Historia
nombrar después de alúmina ( óxido de aluminio ), por sí misma el nombre de mineral de alumbre
Predicción Antoine Lavoisier (1782)
Descubrimiento y primer aislamiento Hans Christian Oersted (1824)
Nombrado por Humphry Davy (1812)
Los isótopos de aluminio
Isótopo Abundancia La vida media ( t 1/2 ) modo de desintegración Producto
26 Al rastro 7,17 × 10 5  y β + 26 Mg
ε 26 Mg
γ -
27 Al 100% estable
| referencias

De aluminio o de aluminio es un elemento químico con el símbolo  Al y número atómico  13. Es un blanco plateado, suave, no magnético y dúctil de metal en el grupo de boro . En masa, aluminio representa aproximadamente el 8% de la corteza terrestre ; es el tercer elemento más abundante después de oxígeno y silicio y el metal más abundante en la corteza, aunque es menos común en el manto a continuación. El jefe de mineral de aluminio es la bauxita . El aluminio metálico es tan químicamente reactivo que las muestras nativas son raros y limitada a extremos reductores entornos. En cambio, se encuentra combinado en más de 270 diferentes minerales .

El aluminio es notable por su baja densidad y su capacidad para resistir la corrosión a través del fenómeno de pasivación . El aluminio y sus aleaciones son vitales para la industria aeroespacial industria e importante en el transporte de las industrias y la construcción, tales como fachadas de edificios y marcos de ventanas. Los óxidos y sulfatos son los compuestos más útiles de aluminio.

A pesar de su prevalencia en el medio ambiente, no forma conocida de vida utiliza aluminio sales metabólicamente , pero el aluminio es bien tolerado por las plantas y los animales. Debido a la abundancia de estas sales, la posibilidad de un papel biológico para ellos es de interés continuo, y los estudios continúan.

Características físicas

Los núcleos y los isótopos

De aluminio número atómico es 13. De isótopos de aluminio, sólo uno es estable: 27 Al. Esto es consistente con el número atómico del hecho de aluminio es impar. Es el único isótopo que ha existido en la Tierra en su forma actual desde la creación del planeta . Es esencialmente el único isótopo que representa el elemento en la Tierra, lo que hace de aluminio un elemento mononuclidic y prácticamente equivale su peso atómico estándar a la del isótopo. Tal peso atómico bajo nivel de aluminio tiene algunos efectos sobre las propiedades del elemento (véase a continuación ).

Todos los otros isótopos son radiactivos y no podría haber sobrevivido; el isótopo más estable de éstos es 26 Al ( vida media de  720.000 años). 26 Al se produce a partir de argón en la atmósfera por espalación causada por rayos cósmicos protones y se utiliza en radiodating . La relación de 26 Al a 10 Be se ha utilizado para estudiar el transporte, deposición de sedimentos de almacenamiento, tiempos de entierro, y la erosión de 10 5 a 10 6 escalas de tiempo del año. La mayoría de los científicos creen meteoritos que la energía liberada por la descomposición de 26 Al era responsable de la fusión y la diferenciación de algunos asteroides después de su formación, hace 4,55 mil millones de años.

Los isótopos restantes de aluminio, con números de masa entre 21 y 43, todos tienen vidas medias muy por debajo de una hora. Tres metaestables estados son conocidos, todos ellos con vidas medias de menos de un minuto.

Capa electrónica

Un átomo de aluminio tiene 13 electrones, dispuestos en una configuración electrónica de [ Ne 3s] 2 3p 1 , con tres electrones más allá de una configuración de gas noble estable. En consecuencia, los tres primeros combinados energías de ionización de aluminio son muy inferiores a la cuarta energía de ionización solo. El aluminio puede entregarse con relativa facilidad sus tres electrones externos en muchas reacciones químicas (véase a continuación ). La electronegatividad de aluminio es 1,61 (escala de Pauling).

Un átomo de aluminio libre tiene un radio de 143  pm . Con los tres electrones más exteriores retirados, el radio se reduce a 39 pm de un átomo de 4-coordinado o 53,5 pm de un átomo de 6-coordinado. A temperatura y presión estándar , átomos de aluminio (cuando no se ve afectada por átomos de otros elementos) forman un sistema de cristales cúbicos de caras centradas ligado por enlace metálico proporcionado por electrones más externos átomos; por lo tanto, de aluminio (en estas condiciones) es un metal. Este sistema cristalino es compartida por algunos otros metales, como el plomo y cobre ; el tamaño de una celda unitaria de aluminio es comparable a la de los otros metales.

Abultar

superficie grabada de una barra de aluminio de alta pureza (99,9998%), tamaño de 55 × 37 mm

El aluminio metálico, cuando en cantidad, es muy brillante y se asemeja a la plata , ya que preferentemente absorbe el ultravioleta lejano de radiación al tiempo que refleja toda la luz visible para que no se produzca ningún color a la luz reflejada, a diferencia de los espectros de reflectancia de cobre y oro . Otra característica importante de aluminio es su baja densidad, 2,70 g / cm 3 . El aluminio es relativamente suave, resistente, ligero, dúctil y maleable, con la apariencia que va de plateado a gris opaco, dependiendo de la rugosidad de la superficie. No es magnético y no se inflama fácilmente. Una película fresca de aluminio sirve como un buen reflector (aproximadamente 92%) de luz visible y un excelente reflector (tanto como 98%) de medio y lejos de infrarrojos de radiación. El límite de elasticidad de aluminio puro es 7-11 MPa , mientras que las aleaciones de aluminio tienen límites elásticos que van de 200 MPa a 600 MPa. De aluminio tiene alrededor de un tercio de la densidad y rigidez de acero . Es fácil de mecanizar , yeso , dibujado y extruido .

Átomos de aluminio están dispuestos en una cúbica centrada en las caras estructura (fcc). El aluminio tiene una energía de falla de apilamiento de aproximadamente 200 mJ / m 2 .

El aluminio es un buen térmico y conductor eléctrico , que tiene 59% de la conductividad de cobre, tanto térmica como eléctrica, mientras que sólo el 30% de de cobre densidad. El aluminio es capaz de superconductividad , con una temperatura crítica de superconducción de 1,2 kelvin y un campo magnético crítico de alrededor de 100 gauss (10 militeslas ). El aluminio es el material más común para la fabricación de superconductores qubits .

Química

De aluminio la corrosión resistencia puede ser excelente debido a una fina capa superficial de óxido de aluminio que se forma cuando el metal desnudo se expone al aire, impidiendo de manera efectiva aún más la oxidación , en un proceso denominado pasivación . Las aleaciones de aluminio más fuertes son menos resistentes a la corrosión debido a galvánicas reacciones con aleación de cobre . Esta resistencia a la corrosión se reduce en gran medida por las sales acuosas, particularmente en presencia de metales diferentes.

En las soluciones muy ácidas, aluminio reacciona con agua para formar hidrógeno, y en los altamente alcalinas para formar aluminatos - pasivación de protección bajo estas condiciones es despreciable. Sobre todo porque es corroído por disueltos cloruros , tales como común de cloruro de sodio , plomería de la casa no está hecha de aluminio.

Sin embargo, debido a su resistencia general a la corrosión, el aluminio es uno de los pocos metales que conserva reflectancia plateado en forma de polvo fino, por lo que es un componente importante de color plata pinturas. Acabado de espejo de aluminio tiene la más alta reflectancia de cualquier metal en la 200-400 nm ( UV ) y la 3.000-10.000 nm (medida IR ) regiones; en el rango visible de 400-700 nm que está ligeramente superado por estaño y plata y en el 700-3000 nm (IR cercano) por plata , oro , y cobre .

El aluminio se oxida por el agua a temperaturas inferiores a 280 ° C para producir hidrógeno , hidróxido de aluminio y el calor:

2 Al + 6 H 2 O → 2 Al (OH) 3 + 3 H 2

Esta conversión es de interés para la producción de hidrógeno. Sin embargo, la aplicación comercial de este hecho tiene desafíos en eludir la capa de óxido de pasivación, que inhibe la reacción, y en el almacenamiento de la energía requerida para regenerar el metal de aluminio.

Compuestos inorgánicos

La gran mayoría de compuestos, incluyendo todos los minerales que contienen Al y todos los compuestos de aluminio comercialmente importantes, la característica de aluminio en el estado de oxidación 3+. El número de coordinación de tales compuestos varía, pero en general Al 3+ es de seis coordenadas o tetracoordinado. Casi todos los compuestos de aluminio (III) son incoloros.

Los cuatro trihaluros son bien conocidos. A diferencia de las estructuras de los tres trihaluros más pesados, fluoruro de aluminio (AlF 3 ) dispone de seis coordenadas Al. El entorno de coordinación octaédrica para AlF 3 está relacionado con la compacidad del fluoruro ion, seis de los cuales puede encajar alrededor de la pequeña Al 3+ centro. AlF 3 sublima (con agrietamiento) a 1291 ° C (2356 ° F). Con haluros más pesados, los números de coordinación son más bajos. Los otros trihaluros son dimérico o polimérico con los centros de Al tetraédricos. Estos materiales se preparan mediante el tratamiento de metal de aluminio con el halógeno, aunque existen otros métodos. La acidificación de los óxidos o hidróxidos proporciona hidratos. En solución acuosa, los haluros menudo forman mezclas, que contiene generalmente de seis coordenadas centros de Al que recogen tanto el haluro y aquo ligandos . Cuando el aluminio y fluoruro están juntos en solución acuosa, forman fácilmente iones complejos tales como [AlF (H
2
O)
5
] 2+
, AlF
3
(H
2
O)
3
, y[AlF
6
] 3-
. En el caso del cloruro, se forman cúmulos de polialuminio, tales como [Al 13 O 4 (OH) 24 (H 2 O) 12 ] 7+ .

hidrólisis de aluminio como una función del pH. moléculas de agua coordinadas se omiten.

Aluminio forma un óxido estable con la fórmula química Al 2 O 3. Se puede encontrar en la naturaleza en el mineral corindón . El óxido de aluminio también es comúnmente llamado alúmina . Sapphire y rubí son corindón impuro contaminado con trazas de otros metales. Los dos óxido-hidróxidos, AlO (OH), son bohemita y diáspora . Hay tres trihidróxidos: bayerita , gibbsita , y nordstrandita , que difieren en su estructura cristalina ( polimorfos ). La mayoría se producen a partir de minerales por una variedad de procesos húmedos utilizando ácido y base. El calentamiento de los hidróxidos conduce a la formación de corindón. Estos materiales son de importancia central para la producción de aluminio y ellos mismos son extremadamente útiles.

Carburo de aluminio (Al 4 C 3 ) se realiza por calentamiento de una mezcla de los elementos anteriores 1000 ° C (1832 ° F). Los cristales de color amarillo pálido consisten en centros de aluminio tetraédricos. Reacciona con agua o ácidos diluidos para dar metano . El acetiluro , Al 2 (C 2 ) 3 , se hace mediante el paso de acetileno a través de aluminio calentado.

El nitruro de aluminio (AlN) es el único nitruro conocido por aluminio. A diferencia de los óxidos, que cuenta con centros de Al tetraédricos. Puede ser hecho de los elementos a 800 ° C (1472 ° F). Es un material estable al aire con una forma útil de alta conductividad térmica . El fosfuro de aluminio (ALP) se hace de manera similar; se hidroliza para dar fosfina :

AlP + 3 H 2 O → Al (OH) 3 + PH 3

estados de oxidación más raras

Aunque la gran mayoría de los compuestos de aluminio característica de Al 3+ centros, los compuestos con estados de oxidación más bajos son conocidos y en algún momento de significación como precursores de los de Al 3+ especies.

Aluminio (I)

AlF, AlCl y AlBr existen en la fase gaseosa cuando el trihaluro se calienta con aluminio. La composición AlI es inestable a temperatura ambiente, la conversión a triyoduro:

Un derivado estable de monoiodide aluminio es el cíclico aducto formado con trietilamina , Al 4 I 4 (neto 3 ) 4 . También de interés teórico, pero sólo de la existencia fugaz son Al 2 O y Al 2 S. Al 2 O se obtiene calentando el óxido normal, Al 2 O 3 , con silicio a 1800 ° C (3272 ° F) en un vacío . Tales materiales rápidamente desproporcionados a los materiales de partida.

De aluminio (II)

Compuestos muy simples Al (II) se invocan o observaron en las reacciones de Al de metal con oxidantes. Por ejemplo, monóxido de aluminio , AlO, se ha detectado en la fase gaseosa después de la explosión y en los espectros de absorción estelar. Más bien investigados son compuestos de la fórmula R 4 Al 2 que contienen un enlace Al-Al y donde R es un gran orgánica ligando .

compuestos de organoaluminio e hidruros relacionados

Estructura de trimetilaluminio , un compuesto de carbono que cuenta con cinco coordenada.

Una variedad de compuestos de fórmula empírica AlR 3 y AlR 1,5 Cl 1,5 existen. Estas especies por lo general cuentan tetraédrica Al centros formado por dimerización con un poco de R o Cl puente entre los dos átomos de Al, por ejemplo, " trimetilaluminio " tiene la fórmula Al 2 (CH 3 ) 6 (ver figura). Con grupos orgánicos grandes, existen compuestos triorganoaluminium como las tres coordenadas monómeros, tales como triisobutilaluminio . Tales compuestos son ampliamente utilizados en la química industrial, a pesar del hecho de que a menudo son muy pirofórico . Existen pocos análogos entre organoaluminio y organoboro compuestos distintos de los grupos orgánicos de gran tamaño.

El hidruro de aluminio industrialmente importante es hidruro de litio y aluminio (LiAlH 4 ), que se usa en como un agente reductor en la química orgánica . Puede ser producido a partir de hidruro de litio y tricloruro de aluminio :

4 LiH + AlCl 3 → LiAlH 4 + 3 LiCl

Varios derivados útiles de LiAlH 4 se conocen, por ejemplo bis dihydridoaluminate (2-metoxietoxi) de sodio . El hidruro más simple, hidruro de aluminio o alano, sigue siendo una curiosidad de laboratorio. Es un polímero con la fórmula (ALH 3 ) n , en contraste con el correspondiente hidruro de boro que es un dímero con la fórmula (BH 3 ) 2 .

La presencia natural

En el espacio

De aluminio abundancia per-partícula en el sistema solar es 3,15 ppm (partes por millón). Es la duodécima más abundante de todos los elementos y tercero más abundante entre los elementos que tienen números atómicos impares, después de hidrógeno y nitrógeno. El único isótopo estable de aluminio, 27 Al, es el décimo octavo núcleo más abundante en el universo. Se crea casi en su totalidad después de la fusión del carbono en las estrellas masivas que más tarde se convertirá en supernovas del Tipo II : esta fusión crea 26 Mg, que, tras la captura de protones y neutrones libres se convierte en aluminio. Algunas cantidades más pequeñas de 27 Al se crean en hidrógeno quema de conchas de estrellas evolucionadas, donde 26 Mg puede capturar protones libres. Esencialmente todo el aluminio ahora en existencia es 27 Al; 26 Al estaba presente en el sistema solar temprano, pero es actualmente extinta . Sin embargo, las cantidades traza de 26 Al que existen son los más comunes de rayos gamma emisor en el gas interestelar .

En la tierra

Bauxita, un mineral importante aluminio. El color rojo-marrón se debe a la presencia de hierro minerales.

En general, la Tierra es de aproximadamente 1,59% en masa de aluminio (séptimo en abundancia en masa). De aluminio se produce en mayor proporción en la Tierra que en el Universo porque el aluminio forma fácilmente el óxido y se llega a unir en rocas y estancias de aluminio en la corteza terrestre mientras que los metales menos reactivos se hunden hasta el núcleo. En la corteza terrestre, el aluminio es el más abundante (8,3% en masa) elemento metálico y el tercero más abundante de todos los elementos (después del oxígeno y silicio). Un gran número de silicatos en la corteza terrestre contiene aluminio. Por el contrario, de la Tierra manto es solamente 2,38% de aluminio en masa.

Debido a su fuerte afinidad por el oxígeno, aluminio casi nunca se encuentra en el estado elemental; en lugar de ello se encuentra en óxidos o silicatos. Feldespatos , el grupo más común de los minerales en la corteza terrestre, son aluminosilicatos. El aluminio también se produce en los minerales berilo , criolita , granate , espinela , y turquesa . Las impurezas en Al 2 O 3 , tales como cromo y hierro , rendimiento del piedras preciosas rubí y zafiro , respectivamente. Metal de aluminio nativo se puede encontrar solamente como una fase menor en bajos de oxígeno de fugacidad entornos, tales como los interiores de ciertos volcanes. Nativo de aluminio se ha reportado en las surgencias frías en el noreste de talud continental del Mar del Sur de China . Es posible que estos depósitos se debieron a bacteriana reducción de tetrahydroxoaluminate Al (OH) 4 - .

Aunque el aluminio es un elemento común y generalizado, no todos los minerales de aluminio son fuentes económicamente viables del metal. Casi todo el aluminio metálico se produce a partir del mineral de bauxita (AlO x (OH) 3-2 x ). La bauxita se produce como meteorización producto de bajo contenido de hierro y lecho de roca de sílice en condiciones climáticas tropicales. En 2017, la mayor parte de la bauxita se extrae en Australia, China, Guinea y la India.

Historia

Friedrich Wöhler , el químico que describió por primera vez a fondo aluminio elemental metálica

La historia de aluminio ha sido construida por el uso de alumbre . El primer registro escrito de alumbre, hecha por griega historiador Herodoto , data del siglo quinto antes de Cristo. Los antiguos se sabe que tienen alumbre utilizado como un teñido con mordiente y para la defensa de la ciudad. Después de la Cruzadas , alumbre, un bien indispensable en la industria de la tela europea, era un objeto de comercio internacional; fue importada a Europa desde el Mediterráneo oriental hasta el siglo de mid-15th.

La naturaleza de alumbre sigue siendo desconocido. Alrededor de 1530, médico suizo Paracelso sugirió alumbre era una sal de una tierra de alumbre. En 1595, el médico y químico alemán Andreas Libavius confirmó experimentalmente esto; En 1722, el químico alemán Friedrich Hoffmann anunció su creencia de que la base de alumbre era una tierra distinta. En 1754, el químico alemán Andreas Segismundo Marggraf sintetizó alúmina por ebullición arcilla en ácido sulfúrico y, posteriormente, la adición de potasa .

Los intentos de producir aluminio metal de la fecha de 1760. El primer intento exitoso, sin embargo, se completó en 1824 por el físico y químico danés Hans Christian Oersted . Reaccionó anhidro cloruro de aluminio con el potasio amalgama , produciendo un trozo de metal aspecto similar al estaño. Presentó sus resultados y demostró una muestra del nuevo metal en 1825. En 1827, el químico alemán Friedrich Wöhler repitió los experimentos de Ørsted pero no identificó ninguna aluminio. (La razón de esta inconsistencia fue descubierto en 1921.) Se llevó a cabo un experimento similar en 1827 mediante la mezcla de cloruro de aluminio anhidro con potasio y produjo un polvo de aluminio. En 1845, fue capaz de producir pequeñas piezas de metal y describe algunas propiedades físicas de este metal. Durante muchos años en lo sucesivo, Wöhler fue acreditado como el descubridor de aluminio. Como método de Wöhler no podía producir grandes cantidades de aluminio, el metal se mantuvo rara; su costo superó a la de oro.

La estatua de Anteros en Piccadilly Circus , Londres, se hizo en 1893 y es una de las primeras estatuas fundidas en aluminio.

Químico francés Henri Etienne Sainte-Claire Deville anunció un método industrial de producción de aluminio en 1854 en la Academia de Ciencias de París . Tricloruro de aluminio podría reducirse en sodio, que era más conveniente y menos costoso que el potasio, que había utilizado Wöhler. En 1856, Deville, junto con compañeros estableció por primera vez la producción industrial mundial de aluminio. De 1855 a 1859, el precio del aluminio se redujo en un orden de magnitud, de US $ 500 a $ 40 por libra. Incluso entonces, el aluminio todavía no era de gran pureza y aluminio producido diferían en las propiedades de la muestra.

El primer método de producción industrial a gran escala fue desarrollada de forma independiente en 1886 por el ingeniero francés Paul Héroult y el ingeniero estadounidense Charles Martin Hall ; que ahora se conoce como el proceso Hall-Héroult . El proceso Hall-Héroult convierte alúmina en el metal. Químico austríaco Carl Joseph Bayer descubrió una manera de purificar la bauxita para producir alúmina, ahora conocido como el proceso de Bayer , en 1889. La producción moderna del metal de aluminio se basa en los procesos de Bayer y Hall-Héroult.

Los precios del aluminio cayeron y se convirtieron en aluminio ampliamente utilizado en joyería, artículos de uso diario, monturas de gafas, instrumentos ópticos, artículos de mesa, y el papel de aluminio en la década de 1890 y principios del siglo 20. La capacidad de aluminio para formar aleaciones todavía luz dura con otros metales siempre que los metales muchos usos en el momento. Durante la Primera Guerra Mundial , los principales gobiernos exigieron grandes cargamentos de aluminio para fuselajes fuertes de luz.

Por la mitad del siglo 20, el aluminio se había convertido en una parte de la vida cotidiana y un componente esencial de artículos para el hogar. Durante la mitad del siglo 20, el aluminio surgió como un material de ingeniería civil, con la creación de aplicaciones, tanto en la construcción básica y el trabajo acabado interior, y cada vez más se utiliza en la ingeniería militar, tanto para aviones y motores de vehículos armadura tierra. El primer satélite artificial de la Tierra , lanzada en 1957, consistió en dos aluminio separada semiesferas unidas entre sí y todos los vehículos espaciales posteriores han sido hechas de aluminio. El aluminio puede fue inventado en 1956 y se emplea como un dispositivo de almacenamiento para las bebidas en 1958.

La producción mundial de aluminio desde 1900

A lo largo del siglo 20, la producción de aluminio aumentó rápidamente: mientras que la producción mundial de aluminio en 1900 fue de 6.800 toneladas métricas, la producción anual superó los primeros 100.000 toneladas métricas en 1916; 1.000.000 de toneladas en 1941; 10.000.000 de toneladas en 1971. En la década de 1970, el aumento de la demanda de aluminio convirtieron en un artículo de intercambio; que entró en la Bolsa de Metales de Londres , el intercambio de metal industrial más antiguo del mundo, en 1978. La producción siguió creciendo: la producción anual de aluminio excede 50.000.000 de toneladas métricas en 2013.

El precio real para el aluminio se redujo de $ 14.000 por tonelada en 1900 a $ 2.340 en 1948 (en 1998 dólares de los EE.UU.). Extracción y procesamiento de los costos se redujeron durante el progreso tecnológico y la escala de las economías. Sin embargo, la necesidad de explotar los depósitos de calidad más pobres de menor calidad y el uso de rápido aumento costos de los insumos (por encima de todo, la energía) aumentaron el costo neto de aluminio; el precio real comenzó a crecer en la década de 1970 con la subida de los costos de energía. La producción se trasladó desde los países industrializados a los países donde la producción era más barata. Los costos de producción en el siglo 20 cambiaron debido a los avances en la tecnología, precios más bajos de energía, tipos de cambio del dólar de los Estados Unidos, y precios de la alúmina. Los BRIC parte conjunta de los países creció en la primera década del siglo 21 desde 32,6% a 56,5% en la producción primaria y el 21,4% a 47,8% en el consumo primario. China está acumulando una especialmente buena parte de la producción del mundo gracias a la abundancia de los recursos, la energía barata, y los estímulos gubernamentales; también aumentó su participación en el consumo del 2% en 1972 al 40% en 2010. En los Estados Unidos, Europa Occidental y Japón, la mayor parte de aluminio fue consumida en el transporte, ingeniería, construcción y embalaje.

Etimología

El aluminio se nombra después de alúmina, u óxido de aluminio en la nomenclatura moderna. La palabra "alúmina" viene de "alumbre", el mineral de la que se recogió. La palabra "alumbre" viene de Alumen , una América palabra que significa "sal amarga". La palabra Alumen deriva del proto-indoeuropeo de la raíz * alu- significa "amargo" o "cerveza".

1897 americano anuncio que ofrece el aluminio ortografía

Químico británico Humphry Davy , quien realizó una serie de experimentos destinados a sintetizar el metal, se acredita como la persona que dio nombre al elemento. En 1808, sugirió que el metal se llamará alumium . Esta sugerencia fue criticada por los químicos contemporáneos de Francia, Alemania y Suecia, que insistieron en el metal debe ser nombrado por el óxido, óxido de aluminio, de la que se aisló. En 1812, Davy eligió aluminio , produciendo así el nombre moderno. Sin embargo, se escribe y se pronuncia de manera diferente fuera de América del Norte: de aluminio está en uso en los EE.UU. y Canadá, mientras que el aluminio está en uso en otros lugares.

Ortografía

El -ium sufijo siguió el precedente establecido en otros elementos recién descubiertos de la época: potasio, sodio, magnesio, calcio y estroncio (todos los cuales Davy aisló). Sin embargo, los nombres de elementos que terminan en -um eran conocidas en el momento; por ejemplo, platino (sabe que los europeos desde el siglo 16), molibdeno (descubierto en 1778), y de tántalo (descubierto en 1802). El -um sufijo es consistente con la ortografía universal de alúmina para el óxido de (a diferencia de alúmina); comparar con lantana , el óxido de lantano , y magnesia , óxido de cerio , y óxido de torio , los óxidos de magnesio , cerio , y torio , respectivamente.

En 1812, el científico británico Thomas Young escribió un comentario anónimo del libro de Davy, en el que se oponía a aluminio y propuso el nombre de aluminio : "por lo que tomaremos la libertad de escribir la palabra, con preferencia al aluminio, que tiene una menos clásica sonar." Este nombre tuvo éxito: mientras que el -um ortografía se utiliza ocasionalmente en Gran Bretaña, el lenguaje científico estadounidense utilizado -ium desde el principio. La mayoría de los científicos utilizaron -ium en todo el mundo en el siglo 19; sigue siendo la norma en la mayoría de otros idiomas. En 1828, el lexicógrafo estadounidense Noah Webster utiliza exclusivamente el aluminio ortografía en su Diccionario de la Real Academia Inglés . En la década de 1830, el -um ortografía comenzó a ganar el uso en los Estados Unidos; por la década de 1860, se había convertido en el deletreo más común que hay fuera de la ciencia. En 1892, Hall utilizó el -um ortografía en su prospecto de la publicidad para su nuevo método electrolítico de producir el metal, a pesar de su constante uso de la -ium ortografía en todas las patentes que presentó entre 1886 y 1903. Fue posteriormente sugirió que esto era una errata en lugar de la intención. En 1890, ambas grafías habían sido común en los EE.UU. en general, el -ium ortografía siendo ligeramente más común; Antes de 1895, la situación se había revertido; por 1900, de aluminio había sido dos veces tan común como aluminio ; durante la siguiente década, el -um ortografía dominado uso americano. En 1925, la Sociedad Americana de Química adoptó este ortografía.

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó aluminio como el nombre internacional estándar para el elemento en 1990. En 1993, reconocieron aluminio como una variante aceptable; lo mismo es cierto para la más reciente edición 2005 de la nomenclatura de la IUPAC de la química inorgánica . Publicaciones oficiales de la IUPAC utilizan el -ium ortografía como primaria, pero la lista tanto en su caso.

Producción y refinamiento

los principales productores del mundo de aluminio primario, 2016
País Salida
(miles de
toneladas)
 China 31873
 Rusia 3561
 Canadá 3208
 India 2896
 Emiratos Árabes Unidos 2471
 Australia 1635
 Noruega 1247
 Bahrein 971
 Arabia Saudita 869
 Estados Unidos 818
 Brasil 793
 Sudáfrica 701
 Islandia 700
total mundial 58.800

La producción de aluminio es altamente consumidor de energía, y por lo que los productores tienden a localizarse fundiciones en lugares donde la energía eléctrica es abundante y barato. A partir de 2012, más grandes del mundo fundiciones de aluminio se encuentran en China, Rusia, Bahrein, Emiratos Árabes Unidos y Sudáfrica.

En 2016, China fue el principal productor de aluminio con una cuota mundial de cincuenta y cinco por ciento; los países productores siguen en importancia fueron Rusia, Canadá, India y los Emiratos Árabes Unidos.

De acuerdo con el Panel Internacional de Recursos 's existencias de metales en el informe Sociedad , el mundial per capita social de aluminio en uso en la sociedad (es decir, en coches, edificios, electrónica, etc.) es de 80 kg (180 lb). Mucho de esto es en los países más desarrollados (350-500 kg (770-1,100 lb) per cápita) en lugar de los países menos desarrollados (35 kg (77 lb) por cápita).

proceso Bayer

La bauxita se convierte en óxido de aluminio mediante el proceso Bayer. La bauxita se mezcla para la composición uniforme y luego se muele. La resultante suspensión se mezcla con una solución caliente de hidróxido de sodio ; la mezcla se trata a continuación en un recipiente digestor a una presión muy por encima de la atmosférica, la disolución del hidróxido de aluminio en la bauxita, mientras que la conversión de impurezas en un compuesto relativamente insolubles:

Al (OH) 3 + Na + + OH - → Na + + [Al (OH) 4 ] -

Después de esta reacción, la suspensión se encuentra a una temperatura superior a su punto de ebullición atmosférico. Se enfría mediante la eliminación de vapor de agua como se reduce la presión. El residuo bauxita se separa de la solución y se desecha. La solución, libre de sólidos, se siembra con pequeños cristales de hidróxido de aluminio; esto provoca la descomposición de los [Al (OH) 4 ] - iones a hidróxido de aluminio. Después de aproximadamente la mitad de aluminio ha precipitado, la mezcla se envía a los clasificadores. Pequeños cristales de hidróxido de aluminio se recogen para servir como agentes de siembra; partículas gruesas se reducen a óxido de aluminio; el exceso de solución se elimina por evaporación, (si es necesario) purificado y reciclado.

Hall-Héroult

La conversión de alúmina a metal aluminio se consigue por el proceso Hall-Héroult . En este proceso intensivo de energía, una solución de alúmina en un fundido (950 y 980 ° C (1740 y 1800 ° F)) mezcla de criolita (Na 3 AlF 6 ) con fluoruro de calcio se electroliza para producir aluminio metálico. Los lavabos de metal aluminio líquido a la parte inferior de la solución y se puntea en off, y por lo general echaron en grandes bloques llamados palanquillas de aluminio para su posterior procesamiento.

Extrusión palanquillas de aluminio

Los ánodos de la celda de electrólisis están hechos de carbono material más resistente contra fluoruro a la corrosión y, o bien hornee al proceso o se precocidos. Los antiguos también llamados ánodos, Söderberg, son menos bajo consumo de energía y los gases liberados durante la cocción son costosos para recoger, que es por eso que están siendo reemplazados por ánodos precocidos a pesar de que ahorrar energía, energía y mano de obra para los cátodos de precocido. Carbon para ánodos debe ser preferiblemente puro de modo que ni aluminio ni el electrolito está contaminado con cenizas. A pesar de resistividad de carbono contra la corrosión, todavía se consume a una velocidad de 0,4-0,5 kg por cada kilogramo de aluminio producido. Los cátodos están hechos de antracita ; de alta pureza para ellos no es necesaria debido a las impurezas de lixiviación sólo muy lentamente. Cátodo se consume a una velocidad de 0,02-0,04 kg por cada kilogramo de aluminio producido. Una célula es por lo general un terminada después de 2-6 años después de un fallo del cátodo.

El proceso Hall-Heroult produce aluminio con una pureza de por encima de 99%. La purificación adicional se puede realizar por el proceso de Hoopes . Este proceso implica la electrólisis de aluminio fundido con una sal de sodio, bario, y el electrolito de fluoruro de aluminio. El aluminio resultante tiene una pureza de 99,99%.

La energía eléctrica representa aproximadamente 20 a 40% del costo de producción de aluminio, dependiendo de la ubicación de la fundición. La producción de aluminio consume aproximadamente el 5% de la electricidad generada en los Estados Unidos. Debido a esto, las alternativas al proceso Hall-Héroult se han investigado, pero ninguno ha resultado ser económicamente viable.

contenedores comunes de residuos reciclables, junto con un contenedor para los residuos no reciclables. La bandeja con una tapa de color amarillo está marcado como "aluminio". Rodas, Grecia.

Reciclaje

La recuperación del metal a través de reciclaje se ha convertido en una tarea importante de la industria del aluminio. El reciclaje es una actividad de bajo perfil hasta finales de 1960, cuando el creciente uso de aluminio latas de bebidas se lo llevó a la conciencia pública. El reciclaje implica la fusión de la chatarra, un proceso que requiere sólo el 5% de la energía utilizada para producir aluminio a partir del mineral, aunque una parte importante (hasta 15% del material de entrada) se pierde como escoria (óxido de ceniza-like). Una pila de caldera de fusión de aluminio produce significativamente menos escoria, con los valores reportados por debajo de 1%.

Escoria blanca de la producción de aluminio primario y de operaciones de reciclaje secundarios aún contiene cantidades útiles de aluminio que pueden ser extraídos industrialmente . El proceso produce palanquillas de aluminio, junto con un material de desecho altamente compleja. Estos residuos son difíciles de manejar. Reacciona con el agua, liberando una mezcla de gases (incluidos, entre otros, hidrógeno , acetileno , y amoníaco ), que se inflama espontáneamente en contacto con el aire; en contacto con los resultados de aire húmedo en la liberación de grandes cantidades de gas amoníaco. A pesar de estas dificultades, los residuos se utilizan como relleno en asfalto y hormigón .

aplicaciones

Cuerpo de aluminio Austin A40 Deportes (c. 1951)

Metal

El aluminio es el más ampliamente utilizado de metales no ferrosos . La producción mundial de aluminio en 2016 fue de 58,8 millones de toneladas métricas. Es superior a la de cualquier otro metal, excepto hierro (1.231 millones de toneladas métricas).

El aluminio es casi siempre aleado, lo que mejora notablemente sus propiedades mecánicas, especialmente cuando templado . Por ejemplo, las comunes láminas de aluminio y latas de bebidas son aleaciones de 92% a 99% de aluminio. Los principales aleantes agentes son cobre , zinc , magnesio , manganeso , y silicio (por ejemplo, de duraluminio ) con los niveles de otros metales en un pequeño tanto por ciento en peso.

Los principales usos de metal de aluminio están en:

  • Transporte ( coches , aviones, camiones , vagones de ferrocarril , buques marinos, bicicletas , vehículos espaciales, etc.). El aluminio se utiliza debido a su baja densidad;
  • Embalaje ( latas , papel de aluminio, marco etc.). El aluminio se utiliza porque es no tóxico, no adsorbente , y astilla -proof;
  • Edificación y construcción ( ventanas , puertas , revestimiento , cables de construcción, revestimientos, techos, etc.). Desde acero es más barato, el aluminio se utiliza cuando ligereza, resistencia a la corrosión, o de ingeniería características son importantes;
  • usos relacionados con la electricidad (aleaciones conductoras, motores y generadores, transformadores, condensadores, etc.). El aluminio se utiliza porque es relativamente barato, de alta conductividad, tiene una resistencia mecánica adecuada y baja densidad, y resiste la corrosión;
  • Una amplia gama de hogar artículos, desde utensilios de cocina a los muebles . De baja densidad, de buena apariencia, la facilidad de fabricación, y la durabilidad son los factores clave del uso de aluminio;
  • Maquinaria y equipo (equipo de procesamiento, tuberías, herramientas). El aluminio se utiliza debido a su resistencia a la corrosión, no pirofórico, y resistencia mecánica.

Compuestos

La gran mayoría (aproximadamente 90%) de óxido de aluminio se convierte en aluminio metálico. Al ser un material muy duro ( dureza Mohs 9), alúmina se utiliza ampliamente como un abrasivo; siendo extraordinariamente químicamente inerte, es útil en entornos altamente reactivos, tales como sodio de alta presión lámparas. El óxido de aluminio es comúnmente usado como un catalizador para procesos industriales; por ejemplo, el proceso de Claus para convertir el sulfuro de hidrógeno a azufre en refinerías y para alquilato aminas . Muchos industriales catalizadores están soportados por la alúmina, lo que significa que el material catalizador caro se dispersa sobre una superficie de la alúmina inerte. Otro uso principal es como agente de secado o absorbente.

deposición por láser de alúmina sobre un sustrato

Varios sulfatos de aluminio tienen aplicación industrial y comercial. El sulfato de aluminio (en su forma hidrato) se produce en la escala anual de varios millones de toneladas métricas. Alrededor de dos tercios se consume en el tratamiento del agua . La siguiente aplicación es importante en la fabricación de papel. También se utiliza como mordiente en el teñido, en las semillas de decapado, de desodorización de los aceites minerales, en el curtido del cuero , y en la producción de otros compuestos de aluminio. Dos tipos de alumbre, alumbre de amonio y alumbre de potasio , se utilizaron anteriormente como mordientes y en el curtido de cuero, pero su uso se ha reducido significativamente después de la disponibilidad de sulfato de aluminio de alta pureza. Anhidro cloruro de aluminio se utiliza como un catalizador en las industrias químicas y petroquímicas, la industria de la tinción, y en la síntesis de diversos compuestos orgánicos e inorgánicos. Hidroxicloruros de aluminio se utilizan en la purificación del agua, en la industria del papel, y como antitranspirantes. Aluminato de sodio se utiliza en el tratamiento de agua y como un acelerador de la solidificación de cemento.

Muchos compuestos de aluminio tienen aplicaciones de nicho, por ejemplo:

Biología

Esquemática de la absorción de aluminio por la piel humana.

A pesar de su amplia presencia en la corteza terrestre, el aluminio no tiene ninguna función conocida en biología. Las sales de aluminio son notablemente no tóxico, sulfato de aluminio que tiene una LD 50 de 6.207 mg / kg (oral, ratón), que corresponde a 500 gramos durante 80 kg (180 lb) persona.

Toxicidad

En la mayoría de las personas, el aluminio no es tan tóxico como los metales pesados . El aluminio se clasifica como un no-cancerígeno por el Departamento de Salud y Servicios Humanos de los Estados Unidos . Hay poca evidencia de que la exposición normal al aluminio presenta un riesgo para adulto sano, y no hay evidencia de toxicidad si se consume en cantidades no mayores que 40 mg / día por kg de masa corporal . La mayor parte de aluminio consumido dejará el cuerpo en las heces; la pequeña parte de la misma que entra en el cuerpo, se excreta por la orina. De aluminio que no permanece en el cuerpo se acumula en, sobre todo, hueso; y aparte de eso, en el cerebro, hígado y riñón. El aluminio metálico no puede pasar la barrera sangre-cerebro y filtros naturales antes que el cerebro, pero algunos compuestos, tales como el fluoruro, puede.

efectos

Aluminio, aunque en raras ocasiones, puede causar la vitamina D resistente a la osteomalacia , la eritropoyetina resistente a la anemia microcítica , y alteraciones del sistema nervioso central. Las personas con insuficiencia renal están especialmente en riesgo. La ingestión crónica de silicatos de aluminio hidratados (por exceso de control de la acidez gástrica) puede resultar en aluminio unión a contenido intestinal y aumento de la eliminación de otros metales, tales como hierro o zinc ; dosis suficientemente altas (> 50 g / día) pueden causar anemia. Puesto que el aluminio es excretado por los riñones, su función puede verse afectada por cantidades tóxicas de aluminio.

Hay cinco principales formas de aluminio absorbidos por el cuerpo humano: la solvatada catión trivalente libre (Al 3+ (aq) ); de bajo peso molecular, complejos neutros, solubles (LMW-Al 0 (aq) ); de alto peso molecular, complejos neutros, solubles (HMW-Al 0 (aq) ); de bajo peso molecular, cargada complejos, solubles (LMW-Al (L) n +/- (aq) ); nano y micro-partículas (Al (L) n (s) ). Son transportados a través de membranas celulares o de células epi- / endotelios a través de cinco rutas principales: (1) paracelular ; (2) transcelular ; (3) transporte activo ; (4) canales; (5) de adsorción o mediada por el receptor de endocitosis .

Un accidente en Inglaterra reveló que las cantidades milimolares de aluminio en el agua potable causan déficits cognitivos significativos. Sales de aluminio ingerido por vía oral pueden depositar en el cerebro. Hay investigaciones sobre la correlación entre los trastornos neurológicos, como la enfermedad de Alzheimer , y los niveles de aluminio, pero ha sido concluyentes hasta el momento.

De aluminio aumenta estrógeno -related la expresión génica en humanos con cáncer de mama células cultivadas en el laboratorio. En dosis muy altas, el aluminio se asocia con la función alterada de la barrera sangre-cerebro . Un pequeño porcentaje de personas que tienen contacto alergias a aluminio y experimentan erupciones de color rojo con picazón, dolor de cabeza, dolor muscular, dolor en las articulaciones, falta de memoria, insomnio, depresión, asma, síndrome del intestino irritable, u otros síntomas al entrar en contacto con productos que contengan aluminio.

La exposición a humos de aluminio o de soldadura de aluminio en polvo puede causar fibrosis pulmonar . Polvo de aluminio fino puede encenderse o explotar, que presenta otro peligro lugar de trabajo.

Vía de exposición

Los alimentos son la principal fuente de aluminio. El agua potable contiene más aluminio que los alimentos sólidos; sin embargo, el aluminio en los alimentos puede ser absorbido más de aluminio a partir de agua. Las principales fuentes de exposición oral humana al aluminio incluyen el alimento (debido a su uso en aditivos alimentarios, envases de alimentos y bebidas, y utensilios de cocina), agua potable (debido a su uso en el tratamiento del agua municipal), y medicamentos que contienen aluminio (particularmente antiácido / antiulcerosa y formulaciones aspirina con cubierta entérica). Exposición dietética en los promedios de los europeos a 0,2-1,5 mg / kg / semana, pero puede ser tan alta como 2,3 mg / kg / semana. Los niveles de exposición más elevados de aluminio se limitan sobre todo a los mineros, los trabajadores de la producción de aluminio, y de diálisis pacientes.

El consumo excesivo de antiácidos , antitranspirantes , vacunas y cosméticos proporcionar niveles de exposición significativas. El consumo de alimentos o líquidos con aluminio ácidas mejora la absorción de aluminio, y maltol se ha demostrado que aumenta la acumulación de aluminio en los tejidos nerviosos y de los huesos.

Tratamiento

En caso de sospecha de ingesta repentina de una gran cantidad de aluminio, el único tratamiento es deferoxamina mesilato que se puede dar para ayudar a eliminar el aluminio del cuerpo por quelación . Sin embargo, esto debe aplicarse con precaución ya que esto reduce no sólo los niveles de cuerpo de aluminio, pero también las de otros metales tales como cobre o hierro. Nutricionalmente, el tratamiento de similares a las de otros metales tóxicos e incluye la eliminación de las fuentes de aluminio a partir de medio ambiente, la mejora de la producción de energía celular, mejorar la actividad de los órganos de eliminación, y quelantes de aluminio con nutrientes.

Efectos ambientales

" Residuos de bauxita instalación de almacenamiento" en Stade , Alemania. La industria del aluminio genera unos 70 millones de toneladas de este tipo de residuos al año.

Los altos niveles de aluminio ocurren cerca de los sitios mineros; pequeñas cantidades de aluminio se liberan al medio ambiente en las plantas o eléctricas de carbón incineradores . De aluminio en el aire se elimina por lavado por la lluvia o normalmente se establece pero pequeñas partículas de aluminio permanecen en el aire durante mucho tiempo.

Ácida precipitación es el principal factor natural para movilizar de aluminio a partir de fuentes naturales y la principal razón de los efectos ambientales de aluminio; sin embargo, el factor principal de la presencia de aluminio en agua dulce y salada son los procesos industriales que también liberan de aluminio en el aire.

En el agua, de aluminio actúa como un agente toxiс en branquiales animales consisten en respirar, tales como peces , causando pérdida de plasma - y hemolinfa iones que conduce a osmoregulatoria fracaso. Complejos orgánicos de aluminio pueden ser fácilmente absorbidos e interfieren con el metabolismo en mamíferos y aves, aunque esto rara vez ocurre en la práctica.

El aluminio es primaria entre los factores que reducen el crecimiento de plantas en suelos ácidos. Aunque generalmente es inofensivo para crecimiento de las plantas en suelos de pH neutro, en suelos ácidos la concentración de tóxicos de Al 3+ cationes aumenta y perturba el crecimiento de raíces y la función. Trigo ha desarrollado una tolerancia al aluminio, la liberación de compuestos orgánicos que se unen a aluminio nocivos cationes . El sorgo se cree que tienen el mismo mecanismo de tolerancia.

La producción de aluminio posee sus propios desafíos para el medio ambiente en cada paso del proceso de producción. El principal desafío es el gas de efecto invernadero de las emisiones. Estos gases son el resultado de consumo eléctrico de las fundiciones y los subproductos de procesamiento. El más potente de estos gases son los perfluorocarbonos desde el proceso de fundición. Autorización de dióxido de azufre es uno de los precursores primarios de la lluvia ácida .

Un informe científico español entre 2001 y afirmó que el hongo Geotrichum candidum consume el aluminio en discos compactos . Todos los demás informes se hace referencia de nuevo a ese informe y no hay ninguna investigación original de sustento. Mejor documentado, la bacteria Pseudomonas aeruginosa y el hongo Cladosporium resinae se detectan comúnmente en tanques de combustible de aviones que utilizan queroseno combustibles -basado (no avgas ), y cultivos de laboratorio puede degradar aluminio. Sin embargo, estas formas de vida no atacan el aluminio o consumir directamente; más bien, el metal se corroe por los productos de desecho microbio.

Ver también

notas

referencias

Bibliografía

Otras lecturas

  • Mimi Sheller, aluminio Sueño: The Making of Light Modernidad. Cambridge, MA: Instituto de Tecnología Press, 2014 Massachusetts.

enlaces externos