JU Gimnazija „Meša Selimović“ Tuzla
Seminarski rad iz hemije na temu:
Aluminijum, dobivanje i upotreba
Atić Armin
1
Sadržaj:
Strana:
1. Osnovne osobine aluminija
3
2. Historija aluminija:
Otkriće aluminija Prvo dobivanje aluminija i Woehlerov proces Elektroliza Bayerov postupak
3 4 5 5
3. Dobijanje aluminija Rude aluminija Verneuilov proces Eloksacija-pasivizacija
6 9 10
Seminarski rad iz hemije na temu „Aluminij, dobivanje i upotreba“-Atić Armin
2
Osnovne osobine aluminija Aluminij je hemijski element koji u periodnom sistemu elemenata nosi simbol Al, atomski (redni) broj mu je 13, a atomska masa mu iznosi 26,9815386(13). Srebrno-bijeli sjajan metalni element koji pripada grupi 3 (prije IIIB) periodnog sustava elemenata. Talište mu je pri 660 °C, a vrelište pri 2519 °C. Sam metal je jako reaktivan, ali je zaštićen tankim prozirnim slojem oksida, koji brzo nastaje na zraku. Aluminij i njegov oksid su amfoterni.
Osobine aluminija: 1. mala gustoća (3,702 g/cm³), što ga svrstava u lake metale 2. visoka provodljivost toplote (235 W • mK) 3. visoka provodljivost elektriciteta (0,377 Ωμ-1 • cm-1 na 20ºC) 4. legure aluminija su dosta čvrste 5. teško se istroši i otporan je na koroziju 6. lako se oblikuje 7. visoka zastupljenost:
Zemljina kora:
O
45,5%
Si
25,7%
Al
8,3%
Fe
6,2%
Historija aluminija Otkriće aluminija Aluminij (lat. alumen = alaun ili stipsa) za razliku od mnogih drugih materijala nije dugo bio poznat. Godine 1808 otkrio i opisao ga je Sir Humphry Davy i dao mu ime „aluminum“ i pokušao naći način za proizvodnju, ali nije uspio.
3
Prvo dobivanje aluminija i Woehlerov proces Hans Christian Ørstedu je prvom uspjelo da proizvede aluminijum, kroz reakciju sa Aluminijum-hloridom (AlCl3) i Kalijum-amalgamom,ali ga nije dobio u potpuno čistom stanju. Woehler je primijenio 1827. istu metodu pri čemu je preveo Al2O3 u AlCl3 i koristio metalni kalijum kao redukciono sredstvo, pri čemu je dobio još čišći aluminijum. Historijsko otkriće možemo dokazati eksperimentom: Stavimo 1,2 g metalnog kalija (u malim komadićima bez oksidne kore) i 1,33 g anhidridnog aluminij-hlorida u zemljanu posudu. Tada stavimo posudu na tronožac sa zemljanim trouglom i pažljivo podgrijavati sa Bunsenovim plamenikom. Kada reakcija počne, plamenik se mora odmah skloniti. U slučaju burne reakcije posuda može lako puknuti. Kada se reakcija završi, rastvorimo dobijene čvrste tvari (uključujući dobiveni aluminij u prahu) u staklenoj posudi sa vodom i filtriramo uz pomoć sisaljke i Büchnerovog lijevka malo po malo. Poslije sušenja filtera, ostruže se sivi prah i raspe sa vrhovima prstiju u plamen Bunsenovog plamenika. Aluminijum u prahu izgori u aluminijum oksid (Al2O3). Za dokaz aluminija koristi se njegov afinitet prema kiseoniku. Ovaj historijski prikaz aluminija mora u svakom slučaju izvoditi u laboratoriji koja posjeduje odvod zraka. Prikaz reakcije: a) Prikaz: AlCl3
+
3K
Al
+
3 KCl
u prahu
b) Dokaz aluminijuma: 4Al
+
3O2
2Al2O3
1854. R.W. Bunsen i Henri Etienne Sainte-Claire-Deville su dobili čist aluminij elektrolizom rastaline aluminij-natrij-hlorida. Sainte-Claire-Deville je izveo tehničko dobijanje aluminija redukcijom aluminijum-hlorida sa natrijumom. Za proizvodnju aluminija elektrolizom u to doba nije bilo dovoljno izvora energije.
4
Elektroliza Nakon što su Bunsen i Sainte-Claire-Deville dobili aluminij postupkom elektrolize, C.M. Hall i P.T.Herault su opisali proces elektrolize za dobijanje aluminija iz aluminij-oksida iz jedne kriolitne rastaline primjenom anode i katode ugljenika.
Reakcija: Katoda: 2 Al 3+ + 6 e- —> 2 Al Anoda: 3 O2- —> 3O2 + 6 e3O2 + C (3- X) CO2 + (2X-3)CO Ukupno: 2Al2O3 4Al + 3O2
Bayerov postupak Karl Josef Bayer je razvio postupak (tzv. Bayer-ov postupak) kojim je omogućio proizvodnju velikih količina aluminija (masovna proizvodnja). U tom postupku se od boksita dobiva čisti boksit (u kojem se nalazi anhidridni aluminij-hidroksid). Prvo se od boksita odvajaju oksid željeza hematit (Fe2O3) i bemit (Al2O3H2O). Postupak koristi to da se aluminijumhidroksid u izmljevenom boksitu u natrijevoj bazi (NaOH) lako rastvara i pod temperaturom 180ºC i pritiskom od 7 bar nastaje natrijum-aluminat.
5
Nerastvoreni ostaci (crveni mulj prvenstveno nerastvoreni spojevi željeza) se odvajaju. Ovdje se može dobiti Galij kao nus-proizvod. Iz aluminatne baze se prilikom hlađenja dobija čisti aluminijum-hidroksid. Filtrat se sa NaOH razrjedjuje, temperatura se spušta na 78ºC, i pritisak se reducira na normalan. Sa "vakcinisanjem" sa čvrstim aluminijum hidroksidom kao kristalizacionom jezgrom, dobija se aluminijum hidroksid. Nastali čvrsti aluminijum-hidroksid se u rotirajućim pećima pri temperaturi od 1200ºC do 1300ºC prži, pri čemu nastaje aluminijum -oksid, odnosno glinica.
Iz ovog čistog boksita se može elektrolizom taljevine Hall-Heroultovim procesom dobiti čisti aluminijum. 1911. Anodna oksidacija aluminijuma-De Saint Martin 1923. Tehnička upotreba anodne oksidacije aluminijuma pomoću hromne kiseline
Dobijanje aluminija Rude aluminija 1) Boksit je prirodan materijal primarno od jednog ili više minerala aluminijum-hidroksida plus različitih kombinacija silicij-dioksida, želježnog oksida, titanijum, aluminosilikata i ostalih nečistoća u tragovima. Aluminijum-hidroksid se u boksitu nalazi i sa gibsitom, bemitom i
6
diasporom. Boksit se klasificira prema njima namijenjenoj primjeni kao abrazivnoj, hemijskom, metalurškoj i sl. Svjetska proizvodnja boksita (oko 85%) se koristi u proizvodnji aluminija kroz Bayerov proces. Sporedna metoda proizvodnje aluminijuma iz boksita je elektroliza aluminija u tekućoj kupki u prirodnom ili umjetnom kriolitu (Na3AlF6), odnosno Hall-Heroultovim procesom. Boksit je dobio ime po selu Les Baux de Provence u južnoj Francuskoj gdje je otkriven 1821 od strane geologa Pierre-a Berthiera. 2) Feldspat je naziv za grupu vrlo važnih petrogenih minerala, koji izgrađuju više od 60% Zemljine kore. Ime dolazi od njemačkih riječi „feld“ što znači polje i „spar“ što je termin za svijetlo obojene minerale sa glatkom površinom. Feldspat minerali su najčešće svijetle boje, čvrstoće 6 na Mohsovoj skali. Njegova glavna hemijska formula je x Al(Al,Si)3O8 gdje x može biti natrij (Na) i/ili kalcij (Ca) i/ili kalij (K). Feldspati se mogu javiti i u intruzivnim i u efuzivnim magmatskim stijenama, što znači da mogu kristalisati i dok se magma nalazi u Zemljinoj kori, kao i kada se izlije na površinu. Takođe se mogu javiti i u određenoj grupi metamorfnih stijena, kao i u mnogim sedimentnim stijenama. Grupa feldspata dijeli se na dvije podgrupe: alkalne feldspate i plagioklase. Podgrupi alkalnih feldspata pripadaju slijedeći minerali: • • •
sanidin - (K,Na)Si3O8 ortoklas - KSi3O8 mikroklin - KSi3O8
Minerali ove podgrupe se razlikuju po uređenosti kristalne rešetke, što je posljedica načina kristalizacije i temperature na kojima se ona vrši. Sanidin je stabilan na visokim temperaturama, a mikroklin na nižim. To znači da se sanidin javlja u intruzivnim magma-tskim stijenama, u dubini, gdje je magma toplija, i gdje ima više vremena za kristalizaciju. Zbog toga je njegova kristalna rešetka uređena. Mikroklin, za razliku od toga, kristališe na nižim temperaturama, kada se
7
magma izlije na površinu, tj. ulazi u sastav efuzivnih magmatskih stijena. Takođe, temperatura na kojoj ortoklas započinje kristalizaciju je viša nego kod mikroklina, a niža nego kod sanidina. Zbog toga se ortoklas javlja, obično, u obliku krupnih fenokristala (ima dosta vremena za kristalizaciju) u porfiroidnoj strukturi. Podgrupa plagioklasa predstavlja izomorfnu seriju od albita, koji je čisti natrijski alumosilikat, do anortita, koji je čisti kalcijski alumosilikat. Ostali članovi ove izomorfne serije imaju određeni procenat albita i anortita. Članovi grupe plagioklasa su: • • • • • •
albit - NaAlSi3O8 oligokas andezin labrador bitovnit anortit - CaAl2Si2O8
(0-10% anortitske komponente) (10-30% anortitske komponente) (30-50% anortitske komponente) (50-70% anortitske komponente) (70-90% anortitske komponente) (90-100% anortitske komponente)
Plagioklasi su veoma važna grupa petrogenih minerala, koji ulaze u sastav gotovo svih magmatskih stijena (izuzev najbazičnijih). Pri tom albit ulazi u sastav kiselih magmatskih stijena, oligoklas i andezin u sastav intermedijarnih, a labrador, bitovnit i anortit u sastav bazičnih magmatskih stena (u izuzetno rijetkim slučajevima anortit se može naći u sastavu neke ultrabazične stijene). 3) Tinjci ili liskuni (KAl2(OH,F)2[AlSi3O10]) je zajedničko ime za grupu kompleksnih hidro kalijum-aluminijum silikatnih minerala koji se blago razlikuju u hemijskom sastavu. Primjeri su biotit-(H2K)(Mg, Fe)3Al(SiO4)3, lepidolit-K Li Al(OH, F)2Al(SiO4)3, muskovit(najčešći tinjac)- H2KAl3(SiO4)3, flogopit-(H2K)(Mg, Fe)3Al(SiO4)3 i vermikulit. Imaju nizak koeficijent širenja, visoku dielektričnu snagu, dobru električnu otpornost, jedinstvenu dielektričnu konstantu i kapacitativnu stabilnost, koji su poznati kao najbolji električni i termalni izolatori. Koriste se i u opremi koja mora biti otporna na vioke temperature kao u raketama, sistemu paljena za raketne motore i slično. 4) U Korundu se takodjer nalazi aluminijum, jer se korund kristalizirani oblik aluminij-oksida (Al2O3). Korund prozirne boje se zove drago kamenje, crveni se naziva rubin, dok ga u svim ostalim bojana zovemo safir. Prema Mohsovoj skali korundova čvrstoća je izmjerena na 9,0, što ga čini drugom najčvršćom stvari na svijetu, domah iza dijamanta. 1837. Gaudin je napravio prve umjetne rubine spajajući aluminijum na visokoj temperaturi sa malom količinom hroma kao pigmentom. 1847. Ebelmen je napravio bijeli safir spajajući aluminij sa borovom kiselinom (H3BO3 ili 8
B(OH)3). Auguste Verneuil je preizveo umjetni rubin spajajući BaF2 and Al2O3 sa malo hroma na temperaturama preko 2000ºC. 1903. Verneuil je objavio da može proizvesti umjetni rubin na komercijalnoj skali korišteći svoj proces fuzije vatre. 5) Kriolit (Na3AlF6, natrij-heksafluoroaluminat) je rijedak mineral koji je eksploatiran na ogromnom nalazistu u Ivigtutu, na zapadnoj obali Grenlanda, ali ga je nestalo 1987. Korišten je kao ruda aluminija kao i u proizvodnji boksita elektrolizom. Problemi u odvajanju oksigena od aluminija prevaziđeni su korištenjem kriolita za razdvajanje oksidnog minerala. Čisti kriolit se topi na temperaturi od 1012 ºC(128 5 K), i može razdvojiti aluminijum-okside dovoljno dobro da se aluminij može izvući elektrolizom. Potrebno je dosta energije, ali je mnogo efikasnije nego zagrijavanje samih oksida.
Verneuilov proces Jedan od najvažnijih faktora za uspješnu kristalizaciju umjetnog dragog kamenja jeste nabavljanje veoma čistog startnog materijala sa minimalnom čistoćom od 99,9995% Startni materijal se prvo fino izmrvi i stavi se u kutiju u Verneuil-ovoj peći sa otvorom na dnu kroz koji prah može izaći kada kutija zavibrira. Dok se ispušta prah, kisik se ubacuje u peć i putuje sa prahom niz cijev. Cijev se nalazi unutar još veće cijevi unutar koje se nalazi hidrogen. Na mjestu gdje se uža cijev otvara u veću, javlja se potisak sa vatrom od minimalno 2000ºC u jezgru. Kako prah prolazi kroz vatru otapa se u sitne komadiće, koji postepeno stvaraju „kornet“ čiji se vrh nalazi dovoljno blizu jezgru da ostane tečan. Upravo taj vrh se formira u kristal. Kako više tih komadića pada na vrh, stvara se jedinstven kristal, a ostatak se polako miče prema dole što omogućava kristalizaciju osnove kristala, dok njegov vrh ostaje tečan. Verneuil je nakon što je usavršio proces precizirao najvažnije uslove za dobar rezultat: temperatura vatre ne smije biti veća od one potrebne za fuziju; uvijek čuvati otopljeni produkt u istom dijelu oksi-
9
hidrogenske vatre i da treba smanjivati tačku kontakta izmedju otopljenog proizvoda i osnove koliko god je moguće.
Eloksacija-pasivizacija aluminija Eloksacija (od eloksal, skraćenica za električnu oksidaciju aluminijuma) je metoda zaštite aluminijuma anodnom oksidacijom, pretvaranjem najpovršnije zone metala u oksid ili hidroksid. Nastaje jedan sloj debljine od 5 do 25 mikrometara koji štiti od korozije. Prirodna debljina oksidnog sloja iznosi nekoliko nanometara. Pod pasivizacijom podrazumijevamo pojačavanje otpornosti aluminijuma na vanjski uticaj (onemogućavaju se hemijske reakcije). Fenomen pasivizacije i depasivizacije možemo prikazati u sljedećem eksperimentu: Pasivizacija sa HNO3 Tri epruvete napunimo sljedećim rastvorima 1) Nitratna kiselina koncentracije c=6 Mol/l 2) Sona kiselina koncentracije c=6 Mol/l 3) Rastvor bakarnog sulfata koncentracije c=0,5 Mol/l Trake aluminijevog pleha se drže nekoliko minuta u nitratnoj kiselini i odmah se prebace u rastvor bakarnog sulfata. Izgled aluminijskih traka se ne mijenja, očito da nema reakcije. Razlog za to prikazuju sljedeće reakcione jednačine: 2Al + 2NO3- + 2H30+ Al2O3 + 2NO + H2O 2NO2 2 NO + O2 Aluminijev pleh reaguje sa nitritnom kiselinom izgrađujući tanki sloj aluminijum oksida koji štiti metal od daljeg napada oksidirajućih kiselina. Primjećuje se da se ne stvara vodonik. Takodje napad bakarnih (Cu2+) jona na metal sprečava sloj oksida, ali se kod uronjavanja u bakarni sulfat ne može vidjeti stvaranje bakarne presvlake. Nakon toga se aluminijske trake kratko vrijeme drže u sonoj kiselini. Kratko nakon toga razvija se vodonik koji se može identificirati probom za praskavi gas. Ponovo se stave trake aluminija u rastvor bakarnog sulfata i odmah se prevuče metal sa bakarnom presvlakom. Al2O3 + 6H3O+ + 6Cl- + 2aq. 2Al3+aq + 6Cl- + 9H2O 2Al + 6 H3O+ + 6Cl- + 2aq. 2Al + 3Cu2+aq
2Al3+aq + 3H2 + 6H2O + 6Cl2Al3+aq + 3Cu + aq
Najprije se razdvaja sloj aluminijum oksida na aluminijum uz gradnju heksakva kompleksa. Zatim sona kiselina napada slobodni aluminijum uz oslobađanje vodonika. Razvijanje gasa se može posmatrati. Pošto
10
sada fali žaštitni sloj oksida može bakarni (Cu2+) jon napasti aluminijum. Odgovarajući grupi elemenata plemenitiji bakar se na aluminijumu rastavlja u vidu hrđavocrvene prevlake.
Izvori: Protokoll zum Lehramtsvortrag "Chemie des Aluminiums" - Ute Babbel Wikipedia-slobodna enciklopedija North Carolina Geological Survey (NCGS)-oficijelni podaci www.chemistrydaily.com Mineral Information Institute (MII)-oficijelni podaci
11
