Alumiini

Historia

Useat alumiinipitoiset mineraalit ovat olleet tunnettuja esihistoriallisista ajoista saakka, mutta alumiini metallina tuli tunnetuksi vasta 1800-luvulta. Teollisesti sitä on tuotettu vasta sata vuotta. Vuonna 1807 englantilainen kemisti Sir Humphrey Davy päätteli eräiden mineraalien sisältävän tuntematonta metallia, jolle hän antoi nimen aluminum. Nimi johtui vanhastaan tunnetusta alunasta, joka myös osoittautui alumiinin yhdisteeksi. Davy yritti onnistumatta valmistaa alumiinia alumiinioksidin ja potaskan (puutuhkasta valmistettu kaliumhydroksidi) elektrolyysin avulla. Myöhemmät sukupolvet muuttivat nimen muotoon aluminium, joka on paremmin ja miellyttävämmin äännettävä ja jota brittienglannissa edelleenkin käytetään. Yhdysvalloissa on vuodesta 1925 ollut käytössä muoto aluminum.
Vuonna 1825 onnistui tanskalainen fyysikko Hans Christian Ørsted Davyn työn jalanjäljissä tuottamaan ensimmäiset alumiinihiukkaset (grammat) kuumentamalla alumiinikloridia kaliumin avulla. Vuonna 1845 saksalainen Friedrich Wöhler määritti useita alumiinin ominaisuuksia, muun muassa sen huomattavan keveyden. Alumiini oli tällöin arvokkaampaa kuin kulta.
Vuonna 1846 ranskalainen Henri Sainte-Claire Deville kehitti tuotantomenetelmän, joka mahdollisti alumiinin teollisen tuotannon pienessä mittakaavassa, mutta esitteli tuotantomenetelmän parannukset teoksessaan vasta 1859. Prosessi otettiin käyttöön ympäri Euroopan, ja viimeinkin alumiinia oli mahdollista tuottaa kilokaupalla, mikä oli merkittävä askel teollisen tuotannon kehittymiselle ja vei alumiinin laboratorioista tehtaisiin. Vuonna 1884 alumiini oli kuitenkin vielä yhtä arvokasta kuin hopea. Tällöin alumiinia käytettiin Washington-monumentin kärkikartiossa.
Varsinaisen teollisen tuotantotavan kehittivät samanaikaisesti sekä Charles Martin Hall Yhdysvalloissa että Paul Héroult Ranskassa vuonna 1886. Molemmat jalostivat alumiinioksidia kryoliitista ja alumiinia alumiinioksidista sulatuselektrolyysin avulla. Prosessia kutsutaan keksijöidensä perusteella Hall–Héroult-menetelmäksi.
Vain kaksi vuotta Hall-Héroult-menetelmän kehittämisen jälkeen vuonna 1888 itävaltalainen Karl Bayer kehitti menetelmän valmistaa alumiinioksidia bauksiitista (bauksiittisavesta). Tämä keksintö poisti viimeisen esteen alumiinin teollisen tuotannon tieltä, ja sen ansiosta alumiinin kilohinta laski 80 prosenttia vuonna 1890. Alumiini oli nyt viimeinkin todellinen teollisesti tuotettava materiaali.

Alumiinin käyttö

Puhdasta alumiinia käytetään teollisiin tarkoituksiin sähköjohtimissa. Puhdas alumiini on varsin pehmeää. Sen vuoksi koneiden ja laitteiden valmistusmateriaaleina käytetään seostettua alumiinia, kuten silumiini, näiden seosten parempien lujuusominaisuuksien vuoksi. Lentokoneissa on duralumiinin keksimisestä, 1920-luvulta alkaen, käytetty paljon ohuita alumiinilevyjä ja alumiinista koneistettuja rakenteita, joilla pyritään aikaansaamaan luja ja kevyt rakenne. Siksikin alumiinia, titaania ja magnesiumia kutsutaan kevytmetalleiksi. Alumiinin kanssa valmistusmateriaalina kevytrakenteissa ja veneissä kilpailevat myös kuitulujitetut komposiitit. Erilaisten moottoreiden ja vaihteistojen kuoret tai rungot on usein valmistettu alumiinista valamalla. Moottorin jäähdytyksen kannalta etuna on alumiinin hyvä lämmönsiirtokyky. Alumiinia käytetään myös erilaisissa elintarvikepakkauksissa, joista ovat esimerkkeinä virvoitusjuomatölkit. Tässäkin kyse on painon minimoinnista käsin kuljetettavassa tuotteessa. Toimistosisustuksessa alumiinia käytetään muun muassa kotelolistoina, joiden alla johdetaan sähkö- ynnä muita kaapeleita.
Alumiinin etuja ovat hyvä lujuus suhteessa painoon ja useimmissa oloissa hyvä korroosiokestävyys tiiviin oksidikerroksen ansiosta.

Alumiinin isotoopit

Alumiinista tunnetaan useita eri isotooppeja, joiden atomipaino vaihtelee välillä 21–42. Näistä kuitenkin vain kahta isotooppia, ²⁷Al (vakaa isotooppi) ja ²⁶Al (radioaktiivinen isotooppi, puoliintumisaika on 7,2·10⁵ vuotta), tavataan luonnossa. Radioaktiivista alumiinia syntyy kun argon-atomeita pommitetaan protoneilla. Radioaktiivisen alumiinin on havaittu olevan käyttökelpoinen väline muun muassa meren pohjan sedimenttien, jäätiköiden ja meteoriittien iän määrityksessä. ²⁶Al hajoaa positroniemission kautta ²⁶Mg:ksi

Alumiinin yhdisteet

Alumiini sitoutuu epämetalleihin kovalenttisluonteisilla sidoksilla, mistä johtuu, että esimerkiksi alumiinioksidi reagoi sekä vahvojen happojen että vahvojen emästen kanssa. Tärkeitä alumiiniyhdisteitä ovat alumiinioksidi (Al₂O₃) eli alumina, mineraalinimeltään korundi, jota käytetään hionta-aineena, sekä paperiteollisuudessa käytetty alumiinisulfaatti, Al₂(SO₄)₃. Savi ja kaoliini koostuvat myös pääosin alumiiniyhdisteistä.
Voimakkaiden emästen kanssa reagoidessaan alumiini muodostaa aluminaatteja (AlO₂⁻ tai AlO₃³⁻ ja Al₂O₄²⁻). Hapoissa alumiini esiintyy kationina Al³⁺. Alumiini liukenee suola- ja rikkihappoon, mutta ei typpihappoon.
Kreikkalainen lääkäri Dioskorides suositteli alunaa eli kalium-alumiinisulfaattia iho-oireisiin, mutta se on osoittautunut hyödyttömäksi. Sen sijaan verenvuotojen tyrehdyttämiseen sitä käytetään edelleen. Alunaa on käytetty myös värien kiinnitteenä sekä paperin valmistukseen.

Terveysvaikutukset

Ihminen saa ravinnosta noin seitsemän milligrammaa alumiinia vuorokaudessa, mutta siitä imeytyy vain kymmenesosa. Eliöt eivät tutkimusten mukaan tarvitse alumiinia, mutta siitä ei ole todettu olevan suurta haittaa. Tosin alumiini kertyy esimerkiksi luustoon, ja seurauksena voi olla osteomalasia eli luunpehmennystauti, jolloin luun mineralisoituminen vähenee. Elintarvikkeissa käytetään alumiinia ja alumiiniyhdisteitä lisä- ja apuaineina. Alumiini on ympäristömyrkky, joka on haitallinen aivojen toiminnalle. Pitkäaikainen altistus voi johtaa hermosolujen tuhoutumiseen ja hermoston rappeutumissairauksiin. Ympäristön saastumisen ja teollisen hyödyntämisen takia alumiinia löytyy aina ympäristöstä. Alumiini pystyy ylittämään veriaivoesteen ja kerääntyy siksi aivoihin. Parkinsonin tautia ja seniiliä dementiaa sairastavien aivosoluista on löydetty korkeita alumiinipitoisuuksia.

Ympäristövaikutukset

Alumiini on happamassa vedessä liukoisessa muodossa ja ekologisesti vaikuttavaa. Saostuneena tai kiviainekseen rakentuneena alumiini on haitatonta. Kierrätettynä alumiinia voi käyttää uudelleen käytännössä loputtomasti.