- αλουμίνιο
- Χημικό στοιχείο που ανήκει στην τρίτη ομάδα του περιοδικού συστήματος και έχει σύμβολο Al. Έχει ατομικό αριθμό 13, ατομικό βάρος 26,97 και πυκνότητα περίπου 2,7. Δεν συναντάται ελεύθερο στη φύση, αλλά σε ενώσεις. Είναι το πιο διαδεδομένο από τα μέταλλα που υπάρχουν στη φύση· κατέχει την τρίτη θέση κατ’ απόλυτη σειρά, αμέσως μετά τα οξυγόνα και το πυρίτιο. Περιέχεται ως υδροξείδιο του αργιλίου στους βωξίτες, ως πυριτικό αργίλιο στους αστρίους, στους μαρμαρυγίες, στην άργιλο κλπ., ως οξείδιο του αργιλίου (Αl2O3) στο κορούνδιο και ως φθοριούχο αργίλιο (AlF3·3NaF) στον κρυόλιθο. Το απομόνωσαν πρώτη φορά σε εργαστήριο με αναγωγή του χλωριούχου αργιλίου (AlCl3) ο Έρστεντ (1825) και ο Βέλερ (1827). Στα μέσα του ίδιου αιώνα παρήχθη με ηλεκτρολυτική μέθοδο. Η βιομηχανική παραγωγή του άρχισε το 1866 στη Γαλλία και στις ΗΠΑ, με πρωτοβουλίες του Πολ Λ.Τ. Ερού και του Τσαρλς Μ. Χολ, αντίστοιχα. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε ήταν η ηλεκτρόλυση της αλουμίνας (Αl2O3).
Ιδιότητες.Είναι μέταλλο λευκό-αργυρόχρωμο, ελαφρό, ευήλατο, ευκατέργαστο, έχει σημείο τήξης 659,7°C και σημείο ζέσης 2.057°C. Στοιχείο αρκετά δραστικό χημικά, αντιστέκεται καλά στην ατμοσφαιρική διάβρωση, γιατί καλύπτεται γρήγορα από ένα λεπτό στρώμα οξειδίου που προστατεύει την επιφάνεια από άλλες αλλοιώσεις. Σε καθαρή κατάσταση φέρεται σε πολύ εύκαμπτες πλάκες ή σε λεπτή σκόνη, που όταν καίγονται σε ατμόσφαιρα οξυγόνου παράγουν ένα αρκετά έντονο φως (λυχνία α.). Δεν προσβάλλεται από το νιτρικό οξύ σε κανονική θερμοκρασία, ενώ το υδροχλωρικό και υδροφθορικό οξύ και τα οξυγονούχα οξέα αντιδρούν όταν έρθουν σε επαφή με το α., τα μεν πρώτα έντονα ενώ τα δεύτερα πιο ήπια. Είναι καλός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού (αυτή η τελευταία ιδιότητά του είναι η αιτία που η ηλεκτρική βιομηχανία προτιμά το α. από τον χαλκό, γιατί το α. έχει το 62% της αγωγιμότητας του χαλκού με πολύ μικρότεροειδικό βάρος και χαμηλότερο κόστος). Με μαζικό αριθμό 27, το α. έχει 6 ραδιενεργά ισότοπα, από τα οποία μόνο το ένα είναι ευσταθές. Αυτό το τελευταίο βρίσκεται σε ορισμένους μετεωρίτες, όπου παράγεται από την κοσμική ακτινοβολία και χάρη στο μακρό χρόνο υποδιπλασιασμού του –7,4.105 έτη– χρησιμοποιείται ως πρότυπο για τη μέτρηση ραδιενέργειας, καθώς και ως ανιχνευτής στη μεταλλουργία του α. και στις έρευνες σχετικά με τη διάβρωση των κραμάτων.
Μεταλλουργία του α.Οι μεταλλουργικές βιομηχανίες εξάγουν το α. από τους βωξίτες, που είναι ένα ένυδρο οξείδιο του α. (Αl2Ο3 · nΗ2Ο) με μεταβλητά ποσοστά οξειδίου του σιδήρου (Fe2O3), οξειδίου του πυριτίου (SiO2) και ίχνη άλλων ενώσεων, όπως το διοξείδιο του τιτανίου. Με μεθόδους διαχωρισμού όπως η Μπάγιερ (η πιο διαδεδομένη), η Πέντερσεν, η Χολ και Χάγκλουντ παίρνουμε από τον βωξίτη την αλουμίνα ή οξείδιο του α. Η διάσπαση της αλουμίνας αποτελεί την πιο κατάλληλη και συνηθισμένη παραγωγή του α. Αφού λιώσει και ανακατευτεί η αλουμίνα με άφθονο κρυόλιθο, εισάγεται σε μια δεξαμενή από σίδερο μεγάλης χωρητικότητας, που έχει επενδυθεί εσωτερικά με πλίνθους από άνθρακα. Μέσα στη δεξαμενή βυθίζονται ράβδοι από καθαρό άνθρακα. To μείγμα υποβάλλεται σε ηλεκτρόλυση. Ο αρνητικός πόλος της γεννήτριας τάσης συνδέεται με τους πλίνθους και ο θετικός πόλος με τις ράβδους. Το ηλεκτρικό ρεύμα, εξαιτίας του φαινομένου Τζάουλ (950-1.000C),κρατάει τον κρυόλιθο σε κατάσταση τήξης, ενώ στον πυθμένα της δεξαμενής, που αντιστοιχεί στον αρνητικό πόλο, συσσωρεύεται το καθαρό α. (καθαρότητα 99%) σε ρευστή κατάσταση. Ο κρυόλιθος δρα ως καταλύτης μόνο σε ένα ενδιάμεσο στάδιο της αντίδρασης και δεν καταναλώνεται κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας. Το οξυγόνο που ελευθερώνεται από την αλουμίνα αντιδρά με τον άνθρακα των ράβδων και σχηματίζει μονοξείδιο του άνθρακα και ανυδρίτη του ανθρακικού οξέος (διοξείδιο του άνθρακα) προκαλώντας έτσι τη φθορά των ράβδων. Το μεταλλικό α. ρέει από ένα άνοιγμα στον πυθμένα της δεξαμενής και η επεξεργασία διατηρείται συνεχής με την προσθήκη νέας αλουμίνας. Η τάση του ρεύματος είναι 5 V με ένταση γύρω στα 100.000 Α. Με αυτές τις συνθήκες επεξεργασίας καταναλώνονται περίπου 18.000 Kwh (κιλοβατώρες) για την παραγωγή ενός τόνου καθαρού α. το οποίο προέρχεται από 2 τόνους αλουμίνας και 100 κιλά κρυολίθου. Γι’ αυτό, οι βιομηχανίες α. είναι ηλεκτροβόρες.
Ενώσεις και κράματα
Χρήσεις.Η σπουδαιότερη ένωση του α. είναι το οξείδιο του α. ή αλουμίνα (Αl2Ο3), όχι μόνο γιατί αποτελεί μια από τις βάσεις για την παραγωγή αυτού του ίδιου του μετάλλου, αλλά και εξαιτίας των πολυάριθμων βιομηχανικών εφαρμογών (λειαντικά, τεχνητοί πολύτιμοι λίθοι, τεχνητά ρουμπίνια για ωρολόγια). Είναι αρκετά ανθεκτικό στις υψηλές θερμοκρασίες και χρησιμοποιείται για την κατασκευή κλιβάνων και χωνευτηρίων.
Από τις άλλες ενώσεις, οι πιο σημαντικές είναι το χλωριούχο α. (AlCl3), το οποίο είναι αρκετά υγροσκοπικό, σε υγρή ατμόσφαιρα δημιουργεί ατμούς και εκλύονται ατμοί υδροχλωρίου, το θειικό α., που χρησιμοποιείται στη βαφική, στη βιομηχανία χάρτου, στη βυρσοδεψία και στην υφαντουργική βιομηχανία και, τέλος, το φθοριούχο α. (ΑlF3), που υπάρχει στη φύση ως κρυόλιθος.
Επειδή είναι μέταλλο πολύ μαλακό και δεν αντέχει έστω και σε μικρές μηχανικές καταπονήσεις, το α. χρησιμοποιείται κυρίως ως κράμα με άλλα στοιχεία, τα οποία όταν βρίσκονται σε διάφορες αναλογίες προσδίδουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και ιδιότητες. Αυτά τα κράματα του α. ονομάζονται ελαφρά κράματα και, αν υπάρχει μεγάλο ποσοστό μαγνησίου, υπέρ-ελαφρά. Χαρακτηρίζονται από μεγάλη ελαφρότητα, χαμηλό σημείο τήξης, ευκολία επεξεργασίας και, στην πλεοψηφία τους, από υψηλή αντοχή στη διάβρωση και στις μηχανικές καταπονήσεις (αυτή η τελευταία ιδιότητα μπορεί να αυξηθεί με διαδοχικές θερμικές κατεργασίες). Τα κράματα του α. βρίσκουν ευρύτατη εφαρμογή στις πιο προχωρημένες τεχνικές και ιδιαίτερα στους τομείς της αεροναυπηγικής και του αυτοκινήτου. Από τα πιο διαδεδομένα είναι εκείνα που περιέχουν πυρίτιο σε ποσοστό από 9% έως 18%, καθώς και άλλα στοιχεία σε μικρότερες αναλογίες, και έχουν διάφορα ονόματα, ανάλογα με την περιεκτικότητα σε πυρίτιο (π.χ. Σιλουμίν, Σιλαφόντ κλπ.), εκείνα που περιέχουν χαλκό σε ποσοστό από 2,5% έως 5% (Ντουραλουμίνιο), μαγνήσιο σε ποσοστά από 3% έως 7% (Κοροφόντ κλπ.), μαγγάνιο από 1% έως 2%, μαγνήσιο-μαγγάνιο και εκείνα που χρησιμοποιούνται για χωνευτήρια τήξης.
Σε καθαρή κατάσταση το α. χρησιμοποιείται ως καταλύτης και αφυδατικό στη χημική βιομηχανία, ως απορροφητικό στη χρωματογραφία και ως αναγωγικό στη μεταλλουργία.
Αργιλοθερμαντική μέθοδος.Έτσι ονομάζεται μια μεταλλουργική επεξεργασία που χρησιμοποιεί τη μεγάλη χημική συγγένεια του α. προς το οξυγόνο και βασίζεται κυρίως στις εσώθερμες αντιδράσεις μεταξύ αυτού του στοιχείου και των οξειδίων των μετάλλων, οι οποίες παράγουν μεγάλα ποσά θερμότητας. Χρησιμοποιείται για την απομόνωση μετάλλων τα οποία ανάγονται από τα οξείδιά τους πολύ δύσκολα με άλλες μεθόδους ή για τα οποία επιθυμείται πολύ μικρή περιεκτικότητα σε άνθρακα (της τάξης του 0,05%). Η αργιλοθερμαντική μέθοδος χρησιμοποιείται, λόγου χάρη, για την αναγωγή του μαγγανίου από τον πυρολουσίτη (3MnO2 + 4Al = 2Al2O3 + 3Mn) ή του χρωμίου από το οξείδιό του (Cr2O3+ 2Αl = Αl2Ο3 + 2Cr). Η υψηλή θερμότητα που αναπτύσσεται από τις αντιδράσεις προκαλεί τον διαχωρισμό του αναγόμενου μετάλλου με την τήξη. Η αργιλοθερμαντική μέθοδος χρησιμοποιείται ακόμα για τη συγκόλληση μεγάλων κομματιών χάλυβα (π.χ. σιδηροτροχιές). Γι’ αυτό τον σκοπό κατασκευάζεται ένα μείγμα (θερμίτης) που αποτελείται από περίπου 75 μέρη οξειδίου του σιδήρου (Fe2O3) και 25 μέρη α. Το μείγμα αυτό αναφλέγεται με την καύση ενός μείγματος μαγνησίου και υπεροξειδίου του βαρίου. Η θερμότητα που αναπτύσσεται είναι ικανή να λιώσει το σίδηρο και η θερμοκρασία, η οποία είναι απαραίτητη γι’ αυτό φτάνει τους 3.000C.
Οικονομία. Η μέση ετήσια παγκόσμια παραγωγή α., για την περίοδο μεταξύ 1960 και 1965 ήταν 5.432.500 τόνοι· το 1988 έφτασε τους 17.530.000 τόνους, ενώ το 1994 ήταν 19.100.000 τόνοι. Οι κυριότερες χώρες παραγωγής, κατά σειρά, είναι οι ΗΠΑ, η Ρωσία, ο Καναδάς, το Καζακστάν, η Αρμενία και το Αζερμπαϊτζάν. Ακολουθούν, η Νορβηγία, η Γαλλία, η Γερμανία, η Αυστραλία, η Ινδία, η Ιταλία, η Κίνα, η Ισπανία και με διαρκώς μειούμενα ποσοστά η Γκάνα, η Πολωνία, η Ελβετία, η Αυστρία και η Ολλανδία. Οι ΗΠΑ έχουν σημαντικά αποθέματα βωξίτη αλλά προτιμούν να επεξεργάζονται μεταλλεύματα που εισάγουν.
Στην Ελλάδα, κοιτάσματα βωξίτη υπάρχουν κυρίως στη περιοχή των Μεγάρων και στη Βοιωτία, καθώς και στην Ικαρία. Ο βωξίτης αυτός είναι άριστης ποιότητας και γι’ αυτό η εξόρυξή του είχε αρχίσει από πολύ νωρίς, αν και στην αρχή εξαγόταν χωρίς κατεργασία. Το 1929 η παραγωγή βωξίτη ήταν 6.500 τόνοι και το 1939 187.000 τόνοι. Μετά τον Β’ Παγκόσμιο πόλεμο, η παραγωγή σχεδόν μηδενίστηκε (1.300 τόνοι το 1946), αυξήθηκε όμως πολύ γρήγορα, με αποτέλεσμα το 1965 να φτάσει τους 1.270.000 τόνους και το 1994 τους 2.231.000 τόνους.
Τα κράματα του αλουμινίου αποκτούν διάφορες ιδιότητες μέσω θερμικών κατεργασιών. Εδώ φαίνονται τα αποτελέσματα που έχει στη δομή του μετάλλου μια ταχεία ψύξη (φωτ. Soferec).
Βραδεία ψύξη σε κράμα αλουμινίου (φωτ. Soferec).
Κρύσταλλοι αργιλίου φωτογραφημένοι στο μικροσκόπιο με μεγέθυνση 16.000 φορές. Τα άτομα είναι διατεταγμένα οριζόντια σε κυβικό δικτυωτό και δεν προκύπτει ορατή δομή (φωτ. Igda).
Το αργίλιο και τα κράματά του διατίθενται στο εμπόριο σε διάφορες μορφές. Εδώ, πρέσα εξέτασής του.
Το αλουμίνιο είναι βασικό προϊόν της Νορβηγίας.
Μια φάση εργασίας στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας του αλουμινίου (φωτ. Montecatini).
Ηλεκτρολυτική κυψέλη για την αναγωγή της αλουμίνας (3) σε αργίλιο (4). Η άνοδος (1) αποτελείται από ράβδους άνθρακα, ενώ η σιδερένια δεξαμενή (2), επενδεδυμένη με άνθρακα, παίζει τον ρόλο της καθόδου. Το οξυγόνο της αλουμίνας ενώνεται εν μέρει με τον άνθρακα της ανόδου και το αργίλιο συγκεντρώνεται στον πυθμένα της δεξαμενής σε ρευστή κατάσταση, ελεύθερο από ακαθαρσίες.
Η αργιλοθερμαντική μέθοδος χρησιμοποιείται πολύ για τη συγκόλληση ογκωδών μεταλλικών τμημάτων. Εδώ φαίνονται οι κύριες φάσεις της συγκόλλησης δύο σιδηροτροχιών. Σε ένα καλούπι κλειστό κάτω (1) εισάγεται μείγμα κόκκων αλουμινίου και τριοξειδίου του σιδήρου, το οποίο αναφλέγεται με τη βοήθεια μαγνησίου και υπεροξειδίου του βαρίου και φτάνει θερμοκρασία περίπου 2.700°C. Ο σίδηρος λιώνει (2) και γεμίζει τα διάκενα (3). Οι σκωρίες που περιέχουν αλουμίνα εκρέουν από το πλευρό (4).
* * *ή αργίλιο, το Χημ.1. στιλπνό, λευκό, ελαφρό μέταλλο, πυκνότητας 2,7, με σημείο τήξεως τους 660οC2. Χημικό στοιχείο (Al) ατομικού αριθμού 13 και ατομικής μάζας 26,9815.
Dictionary of Greek. 2013.
