Aluminio

Aluminio estas kemia elemento de la perioda tabelo kun la simbolo Al kaj atomnumero 13.

Ĝia CAS-numero 7429-90-5. Ĝi apartenas al la grupo de posttransiraj metaloj kaj estas elemento de grupo 13.

Aluminio estas la plej abunda metalo en la Tero, sed nur en la krusto, dum ĝi estas malpli ofta en la suba tavolo. Laŭ maso, aluminio estas ĝis ĉirkaŭ 8% el la terkrusto; ĝi estas la tria plej abunda elemento post oksigeno kaj silicio.

En la fruaj civilizacioj, la homo konis alunon kaj aluminon aŭ aluminian oksidon (Al2O3), sed Ørsted povis izoli la metalon nur en 1807. Aluminia oksido venas de erco nomata baŭksito. Aluminia metalo estas kemie tiom reagema ke indiĝanaj specimenoj estas raraj kaj limigitaj al tre limigitaj medioj. Anstataŭe, ĝi troviĝas kombinita en ĉirkaŭ 270 diferencaj mineraloj.

Aluminio estas blueta-blanka metalo, tre fleksiĝema (formebla) kaj duktila (etendebla). Ĝi estas tre leĝera metalo, kaj bone konduktas elektron kaj varmon. Pura aluminio estas tre mola; tial alojoj de aluminio kaj silicio kaj fero fortigas aluminion, kaj en tiu formo oni povas uzi ĝin en la konstruado de aviadiloj, ŝipoj, aliaj veturiloj, duktoj kaj nuboskrapuloj. Aluminio estas uzata ankaŭ en dratoj, gasduktoj, pordoj kaj fenestroj (kadroj), konduktiloj, aluminia folio, farboj, kaj tuboj da dentopasto. Ĝi ne rustiĝas. Aluminio estas uzata ankaŭ kiel elektra konduktilo. Aluminia drato de certa konduktiveco devas esti pli dika ol same konduktiva kupra drato, sed kompense estas malpli peza, ĉar la denso de aluminio estas eĉ ne triono de tiu el kupro.

Spite sian abundon en la medio, neniu konata formo de vivulo uzas aluminiajn salojn metabole, sed aluminio estas bone tolerata fare de plantoj kaj animaloj. Pro abundo de tiuj saloj, la potencialo por biologia rolo por ili estas de kontinua intereso, kaj studoj tiurilate pluas.

Historio 
En antikva Grekio kaj Romio oni jam uzis alunon, produktitan el alunito, nature trovebla sulfato de aluminio. La tekstila industrio uzis alunon kiel fiksilon de farboj. Ĝi estis uzata ankaŭ por presi sur pergameno, por tani ledon, produkti vitron kaj por koaguligi sangon en vundoj.

La historio de aluminio estis formita per la uzado de aluno. La unua verkita aludo de aluno, fare de la greka historiisto Herodoto, datas reen el la 5a jarcento a.K. Oni scias, ke antikvanoj uzis alunon kiel tinkturan mordanton kaj por urbodefendo. Post la Krucmilitoj, aluno, nemalhavebla havaĵo en la eŭropa industrio, estis celo de internacia komerco; ĝi estis importita al Eŭropo el la orienta Mediteraneo ĝis mezo de la 15a jarcento.

La naturo de aluno restas nekonata. Ĉirkaŭ 1530, la svisa kuracisto Paracelso sugestis, ke aluno estis salto de aluna tero. En 1595, la germana doktoro kaj kemiisto Andreas Libavius eksperimente konfirmis tion; En 1722, la germana kemiisto Friedrich Hoffmann anoncis sian kredon, ke la bazo de aluno estis distinga tero. En 1754, la germana kemiisto Andreas Sigismund Marggraf sintezigis alunojn pere de la boligado de argilo en sulfata acido kaj poste aldonante potason.

Metala aluminio estis identigita unuafoje fare de Humphry Davy, en la aluno KAl(SO4)2*12H2O, sed li ne sukcesis izoli ĝin. Tamen li proponis por ĝi la nomon alumium (de la latina alumen, signife al amara salo. Poste la nomo iĝis aluminium. Klopodoj por produkti aluminian metalon datas reen el 1760.

La unua kemiisto, kiu sukcesis izoli aluminion (en nepura formo), estis Ørsted, kiu en 1807 aplikis la reagon inter kalia amalgamo kaj AlCl3. Friedrich Wöhler plibonigis la metodon de Ørsted kaj en 1827 sukcesis izoli masivan aluminion.

Henri Sainte-Claire Deville enkondukis la metodon de rekta reduktado de la metalo per elektrolizo, elirante de fandita NaAlCl4. Tiun procezon sendepende studis ankaŭ Bunsen.

Industria produktado de aluminio komenciĝis nur en 1854, kiam Henri Sainte-Claire Deville instalis produktejon en Parizo. Ĝis tiam aluminio estis malofta, altvalorega metalo.

Em 1886 la invento de la procezo Hall-Héroult, elektrolizo de aluminio solvita en kriolito (NaAlF4) igis la ekstraktadon de aluminio el mineraloj malmultekosta. La procezo estas vaste uzata en la tuta mondo.

Ecoj 

Aluminio estas malpeza, tamen rezistema metalo, kun griza-arĝenta aspekto pro la maldika oksida tavolo, kiu formiĝas rapide, kiam aluminio estas elmetita al aero, kaj malhelpas plian korodadon, ĉar ĝi ne estas solvebla. Aluminio havas densecon de ĉirkaŭ triono de tiu de ŝtalo aŭ kupro; ĝi estas duktila kaj fleksebla, facile prilaborebla kaj rezistas al korodo. Ĝi ne estas magneta kaj batata ne produktas fajrerojn.

Aluminio estas elemento tre ofta sur Tero, kun pezoparto de 8,3 %; nur oksigeno (45,5 %) kaj silicio (25,7 %) estas pli oftaj. En la naturo ĝi ĉiam estas kombinita kun aliaj elementoj kaj estas parto de multaj mineraloj. Industrie ĝi estas produktata el baŭksito, ruĝ-bruna aŭ flava rokaĵo, troveble precipe en Usono, Rusio, Gujanoj, Hungario kaj eks-jugoslaviaj landoj.

Multaj metalaj elementoj estas solveblaj en aluminio; kupro, silicio, magnezio, zinko kaj mangano estas plej uzataj por formi alojojn kun aluminio. Krome estas aldonataj malgrandaj kvantoj da aliaj elementoj, nomataj korektiloj, por plibonigi certajn ecojn de la alojoj. Tiaj korektiloj estas nikelo, titano, zirkonio, kromo, bismuto, plumbo, kadmio, skandio; ankaŭ stano kaj fero. Ĉi-lasta elemento preskaŭ ĉiam estas en aluminio kiel malpuraĵo. Ĉiu korektilo posedas apartan efikon, ekzemple:
 Silicio: pliboniĝas la fandiĝemon kaj reduktas la dilatiĝan koeficienton.
 Magnezio: pligrandigas la rezistemon al korodo en alkala medio aŭ en marakvo.
 Mangano: pligrandigas la mekanikan kaj kontraŭ-korodan rezistemon.
 Kupro: pligrandigas la mekanikan rezistemon, precipe je altaj temperaturoj.
 Zinko: donas pli altan mekanikam rezistemon, precipe kune kun magnezio.

Izotopoj 

Aluminio havas naŭ izotopojn kun vivotempo de pli ol sekundo. Ili havas atomajn masojn de 23 al 30. Nur la stabila izotopo 27Al kaj la radiaktiva izotopo 26Al (duoniĝa vivodaŭro 0,72 · 106 jaroj) troviĝas nature. 26Al ekestas el argono en la tera atmosfero per kolizia splitado fare de protonoj el la kosma radiado. Izotopoj de aluminio havas praktikan aplikon en la datado de maraj sedimentoj, de manganaj tuberoj, de glacio en glaĉeroj, de kvarco en rokoj kaj en meteoritoj. La kvanta rilato inter 26Al kaj berilio-10 estis uzata por studi la rolon de transportado, demeto, sedimentiĝo kaj erozio en tempa skalo de 105 al 106 jaroj.

26Al estis unuafoje uzata en studado de la Luno kaj meteoritoj. Meteoritaj rompaĵoj, kiuj disiĝas de la centra korpo, estas dum sia kosma vojaĝo elmetitaj al konsiderinda kosma radiado, kiu kaŭzas konsiderindan produktadon de 26Al. Post falo sur Teron la ŝildo de la atmosfero kontraŭ plia produktado de 26Al, kaj ĝia malkombiniĝo povas esti uzata por trovi la daŭron de ilia ĉeesto sur Tero. Esploro de meteoritoj montris ankaŭ, ke 26Al estis relative ofta je la tempo de la formiĝo de nia planedara sistemo. Eblas, ke la energio ellasita pro la malkomponiĝo de 26Al estu la kaŭzo de la reformado de iuj asteroidoj post ilia formiĝo antaŭ 4,6 miliardoj da jaroj.

Produktado 

Ĉar aluminio estas tre reagema metalo, ne eblas ricevi ĝin per reduktado per karbono, kiel oni faras pri fero. La Hall-Héroult-procezo transformas aluminian oksidon al kriolito (per salo kaj hidrigenfluorido) kaj uzas elektron por eltiri la metalon el elektrolito el fandita kriolito kaj aliaj ingrediencoj, kiuj reduktas la necesan fando-temperaturon.

Aluminio estas ricevata precipe el baŭksito, miksa oksido-hidroksido de aluminio, de tre varia konsisto dependa de la trovejo. Ĝi povas enhavi krom aluminiaj oksido (Al2O3) kaj hidroksido (AlO(OH)) ankaŭ silician oksidon (SiO2). Certa kvanto da fera oksido (Fe2O3) estas la kaŭzo, de aluminio preskaŭ ĉiam enhavas iom da fero. Per la Bayer-procezo oni purigas la baŭksiton kaj transformas la hidroksidon al oksido; tiun la Hall-Héroult-procezo reduktas al aluminio.

Ĉirkaŭ 95 % de la monda konsumo de baŭksito servas por produkti aluminion.

Kvankam aluminio estas la tria plej abunda elemento sur Tero, ĝi ne estas trovata en pura formo, kaj ĝia produktado komsumas grandan kvanton da energio. Laŭ la prezoj komence de la 21-a jarcento ĉirkaŭ 40 % de la produktadaj kostoj estas por energio. Tial grandaj produktejoj de aluminio estas en landoj kun malmultekosta energio, ekzemple Venezuelo (nafto) kaj Islando (tervarmo). Kanado produktas aluminion per akvocentrala energio, kvankam la ercon ĝi devas grandparte importi. En 2012, la plej granda fandanto de aluminio en la mondo estas en Ĉinio, Rusio, Barejno, Unuiĝintaj Arabaj Emirlandoj, kaj Sudafriko.

En 2016, Ĉinio estis la pinta produktanto de aluminio per tutmonda proporcio de 55 %; la posta plej grandaj produktantaj landoj estis Rusio, Kanado, Barato, kaj Unuiĝintaj Arabaj Emirlandoj.

Laŭ la Informo pri Metalstokado en la socio de la Internacia Rimedpanelo, la tutmonda porpersona stokado de aluminio uzata en socio (t.e. en aŭtoj, konstruaĵoj, elektroniko ktp.) estas 80 kg. Multo da tio estas en pli-disvolviĝintaj landoj (350–500 kg porpersone) pli ol en malpli-disvolviĝintaj landoj (35 kg porpersone).

Procezo Bayer 

La Procezo Bayer estas la ĉefa industria metodo por rafini baŭksiton por obteni aluminon.

Baŭksito estas la plej grava aluminia erco sed entenas nur 30-54% de aluminon (Al2O3). La aliaj elementoj estas silicio (SiO2), feraj oksidoj kaj titana dioksido (TiO2). Oni devas purigi la baŭksiton por poste povi obteni aluminion per procezo Hall-Héroult.

Dum la procezo Bayer oni unue lavas kaj pulvorigas la baŭksiton. Poste oni metas ĝin en kuvon kune kun natrian hidroksidon je premo de 6 atmosferoj kaj temperaturo de 200 °C. Tiel oni obtenas natrian aluminiaton (Na2O·Al2O3) kaj miksaĵon el feraj, titaniaj kaj siliciaj oksidoj, nomata ruĝa koto. Tiam oni dekantas la ruĝan koton. Poste la natria aluminiato malkombiniĝas per mekanika agitado, obtenante aluminian trihidraton:

Na2O·Al2O3 + H2O → 2Al(OH)3 + 2Na(OH)

Poste oni filtras la aluminian trihidraton en filtrokuvoj. Fine oni kalcinas ĝin je 1200 °C por obteni aluminon. La plejparto de la alumino obtenita estas poste uzata laŭ la procezo Hall-Héroult por obteni aluminion.

Mineraloj 

La baŭksito estas aluminia erco, kiu konsistas precipe el la Al-mineraloj hidrargilito Al(OH)3, bemito kaj diasporo AlOOH, krome la Fe-oksidoj hematito kaj getito, la argil-mineralo kaolinito kaj malgrandaj porcioj da anataso TiO2. Tiuj donas la kolorojn ĉu ruĝan ĉu flava ĉu bruna. Baŭksito enhavas krom sufiĉe da aluminio ankaŭ aliajn mineralojn en malgrandaj kvantoj, ekzemple vanadio, kromo, galiumo, nikelo, torio, berilio.

Bentonito estas absorba aluminia filosilikata argilo konsistanta ĉefe el montmorilonito. Ĝi estis nomita de Wilbur C. Knight en 1898 laŭ la kretacea sabloformejo Benton Shale ĉe Rock River, Vajomingo, Usono.

La alunito estas mineralo de la klaso de la sulfatoj, malkovrita science en 1824. Sinonimoj de alunito estas jenaj: aluminilito, kalialunito kaj loŭigito. Kemie temas pri hidrogena sulfato el aluminio kaj kalio, kiu ofte kunportas malpuraĵojn da fero kaj natrio, kiuj havigas al ĝi kolornuancojn. Mineraloj al kiuj ĝi aperas ofte asocia estas jenaj: kvarco, pirito, kaolinito, gipso kaj diasporo. Tiu mineralo estis uzita por datigo de sedimentoj per la metodo de la kalio-argono en metalaj kuŝŝejoj, el la datigo de la alunito kiu aperas plenigante la internon de truoj; krome por la preparado de aluno; krome por la akiro de metala aluminio kaj kaliajn sterkojn.

Aluminito estas hidroza aluminia sulfida mineralo kun formulo: Al2SO4(OH)4·7H2O. Ĝi estas terblanka ĝis grizblanka monoklina mineralo kiu preskaŭ nenima montras kristalan formon. Ĝi formas botrioidaj ĝis mamilaj argilecaj amasoj. Ĝi havas tre mildan durecon de 1–2 kaj specifan graviton de 1.66–1.82.

Bemito, boehmite aŭ böhmite, estas aluminia oksid-hidroksida (γ-AlO(OH)) mineralo, komponanto de la erco de aluminio nome baŭksito. Ĝi estas dimorfa (du formoj) kun la mineralo diasporo.

Krome
 Epidoto

Danĝeroj

Brulemo 
Pura aluminio estas tre reagema kaj enhavas multe da energio, kio igas ĝin danĝera, precipe kiam la alirebla surfaco estas granda. Tial aluminia pulvoro estas facile flamigebla en aero kaj brulas generante aluminian oksidon kaj energion (varmon):

4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 + varmo

Same ĝi reagas kun akvo (aŭ fortaj alkaloj aŭ acidoj):

2 Al + 6 H2O → H2 + 2 Al(OH)3 + varmo

Tokseco 
La medicino ne atribuas al aluminio fortan toksecon, ĉar la homa korpo nur malrapide alprenas ĝin tra la digesta aparato kaj kapablas eligi ĝin per la renoj. Tamen longdaŭra elmetiĝo al aluminio povas ekzemple suferigi la pulmon. Kelkaj homoj estas alergiaj al aluminio.

Aluminio estas, kiel ĉiuj pezaj metaloj, toksa por la centra nerva sistemo, se la korpo ne sukcesas rapide eligi ĝin, ekzemple ĉe reduktita funkcio de la renoj. Iuj esploroj indikas korelacion inter daŭra engluto de aluminio kaj nervaj malsanoj kiaj Alzheimer-malsano, parkinsona malsano aŭ multobla sklerozo. Tiuj studoj tamen ne estas agnoskataj de la universitata medicino.

Estas tri precipaj kaŭzoj de enpreno de aluminio en la organismon:
 la senkonsidera uzado de medikamentoj surbazaj de aluminia hidriksido (ekzemple medikamentoj kontraŭ-diareaj aŭ kontraŭ-pirozaj);
 la uzado de aluminiaj ujoj por manĝaĵoj kaj trinkaĵoj, ankaŭ de aluminia folio, precipe kiam la manĝajoj estas acidaj kaj povas solvi aluminion;
 certaj vakcinaĵoj, kiuj uzas aluminion en konserviloj.

Vivmedio 
En la Bayer-procezo ekestas toksa ruĝa ŝlimo (ĉ. 1,5 kg por 1 kg da aluminio). Ĝin necesas konservi en specialaj deponejoj.

Aplikoj

Metalo 

Aluminio estas la plej amplekse uzata nefera metalo. La tutmonda produktado de aluminio en 2016 estis 58.8 milionoj da metraj tunoj. Ĝi superis la produktadon de ajna alia metalo escepte fero (1,231 milionoj da metraj tunoj).

Aluminio estas preskaŭ ĉiam alojita, kio klare plibonigas ties mekanikajn proprecojn, speciale se oni faras tenacigon. Por ekzemplo, la oftaj aluminifolioj kaj la trinkoskatoloj estas alojoj de 92% ĝis 99% da aluminio. La ĉefaj alojigaj agentoj estas kupro, zinko, magnezio, mangano, kaj silicio (ekz., duraluminio) kun la niveloj de aliaj metaloj en malalta procento laŭ pezo.

La ĉefaj uzoj de aluminia metalo estas la jenaj:
 Transportado (aŭtomobiloj, aviadiloj, kamionoj, vagonoj, maraj ŝipoj, bicikloj, kosmoŝipoj ktp.). Aluminio estas uzata ĉefe pro sia malalta denseco;
 Pakado (skatoloj, folioj, kadroj ktp.). Aluminio estas uzata kiel ne-toksa, ne-alsorba, kaj nesplitebla; aluminifolio, (konata ankaŭ kiel arĝentofolio), estas maldikaj folioj de aluminio de dikeco sub 0,2 mm, kaj foje tiom maldikaj kiom ĝis sub 0,006 mm. Tiele la metala folio estas ege fleksebla kaj povas esti faldita aŭ povas kovri aĵojn ege facile.
 Konstruado (fenestroj, pordoj, ŝirmado, konstrukabloj, protektiloj, tegmentoj ktp.). Ĉar ŝtalo estas pli malmultekosta, aluminio estas uzata kiam gravas heleco, kontraŭkoroda rezistado aŭ inĝenieraj trajtoj;
 Elektro-rilataj uzoj (kondukilaj alojoj, motoroj kaj generatoroj, transformiloj, enhaviloj ktp.). Aluminio estas uzata ĉar ĝi estas relative malmultekosta, tre konduktiva, havas taŭgan mekanikan forton kaj malaltan densecon, kaj rezistas korodon;
 Ampleksa gamo de iloj por la hejmo, el kuiriloj ĝis mebloj. Malalta denseco, bonkvalita aspekto, facileco por fabrikado, kaj daŭreco estas la ŝlosilaj faktoroj de aluminia uzado;
 Maŝinaro kaj ekipaĵaro (proceza ekipaĵaro, tuboj, iloj). Aluminio estas uzata pro sia kontraŭkoroda rezistado, ne-piroforiceco, kaj mekanika forto.

Komponaĵoj 
La granda majoritato (ĉirkaŭ 90%) da aluminia oksido estas konvertita en metala aluminio. La aluminia oksido estas bazmaterialo por la aluminia produktado, oni produktas en granda kvanto per lesivado de la baŭksito.

Recikligo 

Rekupero de metalo pere de recikligo iĝis grava tasko de la aluminia industrio. Recikligo estis malalt-profila agado ĝis fino de la 1960-aj jaroj, kiam la kreskanta uzado de aluminiaj trinkaĵskatoloj metis ĝin en la publika konscio. Recikligo postulas fandi la rubon, procezon kiu postulas nur 5% el la energio uzata por produkti aluminion el erco, kvankam grava parto (ĝis 15% el la uzata materialo) perdiĝas kiel fandomalpuraĵoj (cindreca oksido). Aluminia amasfandisto produktas ege malmulte fandomalpuraĵojn, kun valoroj de ĝis sub 1%.

La blankaj fandomalpuraĵoj el unuaranga aluminiproduktado kaj el duaranga recikligo ankoraŭ enhavas utilajn kvantojn da aluminio kiu povas esti elprenita industrie. Tiu procezo produktas aluminiajn rulojn, kune kun tre alte komplika rubomaterialo. Tiu rubo estas malfacile manipulebla. Ĝi reagas al akvo, lasane mikson de gasoj (kiel, inter aliaj, hidrogeno, acetileno, kaj amoniako), kiu spontane bruliĝas se kontaktas kun aero; kontakto kun malseka aero rezultas en la liberigo de abundaj kvantoj da amoniaka gaso. Spite tiujn malfacilaĵojn, tia rubo estas uzata kiel plenigaĵo en asfalto kaj cemento.

Referencoj

Literaturo
 Drozdov, Andrey (2007). Aluminium: The Thirteenth Element. RUSAL Library. ISBN 978-5-91523-002-5.
 Dean, John A. (1999). Lange's handbook of chemistry (15 ed.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-016384-3. OCLC 40213725.
 Lide, David R., ed. (2004). Handbook of Chemistry and Physics (84 ed.). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0566-5.
 Nappi, Carmine (2013). The global aluminium industry 40 years from 1972 (PDF) (Report). International Aluminium Institute. Alirita la 13an de julio 2019.
 Richards, Joseph William (1896). Aluminium: Its history, occurrence, properties, metallurgy and applications, including its alloys (3a eld.). Henry Carey Baird & Co. Alirita la 13an de julio 2019.
 Hans Joliet (Eld.): Aluminium – Die ersten hundert Jahre. VDI Verlag, 1988, ISBN 3-18-400802-9.
 Friedrich Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Auflage. Springer, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0.

Vidu ankaŭ 
 Alumino
 Aluminono
 Duraluminio
 Kemio
 Perioda tabelo
 Listo de kemiaj elementoj laŭ nomo
 Listo de kemiaj elementoj laŭ simbolo
 Listo de kemiaj elementoj laŭ atomnumero
 Izotopoj de aluminio
 Kombinaĵoj de aluminio

 
 

Kemiaj elementoj
Metaloj