Hliník

Hliník () je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku Al a protónové číslo 13. Patrí medzi kovy s nízkou hustotou. Hliník je tretí najrozšírenejší prvok v zemskej kôre (8,13 %). Väčšie zastúpenie má už len kyslík 46,60 % a kremík 22,72 %. S ostatnými prvkami vytvára viaceré zlúčeniny, ktoré sa významnou mierou podieľajú na stavbe zemskej kôry. Najpočetnejšou skupinou sú kremičitany a hlinitokremičitany (kaolinit), ktoré sú aj jeho najvýdatnejšie zdroje. Najvýdatnejšia ťažobná surovina je bauxit Al2O3 . nH2O, okrem toho sa vyskytuje vo forme oxidu hlinitého aj ako nerast korund Al2O3.

História 
Hliník objavil v roku 1825 Dánsky fyzik Hans Christian Ørsted a v roku 1827 nemecký chemik a lekár Friedrich Wöhler. Hliník bol v tom čase vzácny kov. Využíval sa na dekoračné účely. Na uniformách vojakov armády Napoleona III. sa leskli gombíky z hliníka. Jeho cena klesla, keď vo Švajčiarsku postavili prvú továreň na výrobu hliníka. Pre svoju ľahkosť začal nahrádzať železo a iné kovy. Najväčšie využitie má tam, kde je potrebná pevnosť pri nízkej hmotnosti - letecký priemysel, obkladové panely, tlakovo odlievané súčiastky hlavne pre automobilový priemysel a pod.

Príprava základných surovín 
Základný vstup na výrobu hliníka je čistý oxid hlinitý Al2O3, ktorý sa získava čistením bauxitu, ktorý býva znečistený rôznymi oxidmi, najčastejšie oxidmi titánu, železa a kremíka. Bauxit sa do značnej miery líši v závislosti na jeho zložení a prímesiach. Nie všetky bauxity sú ekonomicky vhodné pre výrobu hliníka. Prakticky hliníkári uvažuje len so zeminou s obsahom oxidu hlinitého nad 30 % a najvýhodnejšie pre ďalšie spracovanie sú rudy s obsahom minerálov gibbsitu a boehmitu, ktoré obsahujú viac ako 65 až 85 percent oxidu hlinitého. Známe ložiská bauxitu môžu zásobovať svet s hliníkom pri súčasnej úrovni produkcie celé stovky rokov.

Rafinácia 
Na získanie oxidu hlinitého existuje množstvo zásaditých, kyslých a tepelných spôsobov čistenia (rafinácie) bauxitu. Kyslý a elektroteplotný proces je vo všeobecnosti buď príliš drahý, alebo sa ním nevyrába oxid hlinitý dostatočnej čistoty na komerčné využitie. Proces pozostávajúci z úpravy rudy s vápnom a sódou sa používa v Číne a Rusku. Proces čistenia bauxitu sa vykonáva pomocou hydroxidu sodného pod tlakom. K takto očistenému Al2O3 sa pridá kryolit Na3[AlF6] a fluorit CaF2, aby sa znížila teplota tavenia. Na oddelenie oxidu hlinitého od hydroxidu železitého sa využíva aj amfotérny charakter hydroxidu hlinitého Al(OH)3. Hydroxid železitý nemá amfotérny charakter a preto sa nerozpúšťa v alkalickom hydroxide. Z toho vyplýva, že ak pridáme alk. hydroxid, napr. hydroxid draselný KOH, dôjde len k rozpusteniu Al(OH)3. Výsledný filtrát bude obsahovať katióny hliníka Al3+, ktoré dokážeme jednoducho premeniť opäť na hydroxid hlinitý. Z neho sušením získame oxid hlinitý.

Bayerov proces 
Bayerov proces, ktorý objavil v roku 1888 rakúsky chemik Karl Joseph Bayer, je najrozšírenejším spôsobom výroby oxidu hlinitého. Bayerov proces pozostáva zo štyroch krokov: vylúhovanie, čerenie, vyzrážanie a kalcinácia. Oxid hlinitý vyrábaný týmto Bayerovým procesom je pomerne čistý, obsahujúci len niekoľko stotín percenta železa a kremíka.  

Chemický vzorec Bayerovým procesu: 

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

Výroba hliníka z oxidu elektorlýzou 
Elektrolytický spôsob výroby hliníka objavili Charles M. Hall zo Spojených štátov a Paul-Louis-Toussaint Héroult z Francúzska v roku 1886. Nimi objavené chemické procesy zostávajú základom aj pre dnešný priemysel výroby hliníka. Už o dva roky neskôr, v roku 1888 bola spustená prvá hlinikáreň v Neuhausene používajúca elektrolýzu. Vyčistený oxid hlinitý sa rozpúšťa v roztavenom kryolite a pomocou jednosmerného prúdu (elektrolýza). Pod vplyvom tohto prúdu sa kyslík z oxidu hlinitého usadzuje na uhlíkatej anóde a uvoľňuje sa ako oxid uhličitý, zatiaľ čo voľný roztavený hliník - ktorý je ťažší ako elektrolyt - sa usadzuje na uhlíkatej výmurovke na dne pece.

Napriek tomu, že existuje niekoľko spôsobov výroby hliníka, komerčne sa používa len jeden. Tento pozostáva z ohrevu oxidu spolu s uhlíkom, aby sa vyrábal oxid uhoľnatý a hliník. Veľkou prednosťou karbotermického tavenia je možnosť obídenia rafinácie oxidu hlinitého. Hoci sa nezmenil princíp, dnes sa Hall-Héroultov taviaci proces do veľkej miery líši v rozsahu a detailoch od pôvodného procesu spočívajúcom v zlepšení zariadení a materiálov s účelom zníženia nákladov. V modernej hlinikárni sa oxid hlinitý rozpúšťa v redukčných peciach - hlbokých, obdĺžnikových oceľových vaniach vymurovaných uhlíkom - ktoré sa plnia roztaveným elektrolytom pozostávajúcim hlavne zo zlúčeniny sodíka, hliníka, a fluóru nazývanej kryolit.

V tavnej peci prechádza jednosmerný prúd z uhlíkatých anód elektrolytom k uhlíkatej katódovej výmurovke na dne pece. Na povrchu roztaveného elektrolytického kúpeľa sa vytvára kôra. Na vrch tejto kôry sa pridáva oxid hlinitý, kde sa predohrieva teplom z pece (okolo 950° C) a ním absorbovanou odvádzanou vlhkosťou. Kôra sa pravidelne preráža a oxid hlinitý sa dávkuje priamo do roztaveného elektrolytu automatickými dávkovačmi. Elektrolýzou vzniká na dne pece roztavený hliník a na uhlíkatej anóde sa vytvára oxid uhličitý.

Kúpeľ (elektrolit) tvorí približne 20% roztok Al2O3, ktorý je vystavený elektrolýze. Elektrolyt je roztavený kúpeľ kryolitu (Na3AlF6) a rozpustený oxid hlinitý (roztok Al2O3). Kryolit je dobrým rozpúšťadlom pre oxid hlinitý s nízkou teplotou topenia, uspokojivou viskozitou a nízkym tlakom pár. Jeho hustota je tiež nižšia ako hustota tekutého hliníka (2 vs 2,3 g / cm3), čo umožňuje prirodzené oddelenie produktu od soli v spodnej časti bunky. Pomer kryolitu a Al2O3 s teplotou topenia 1010 ° C, a tvorí eutektikum s 11% oxidu hlinitého pri 960 °C. Pomer sa upravuje tak aby sa dosiahla optimálna teplota topenia v rozmedzí 940 – 980 ° C.

Katóda: Uhlíkové katódy bývajú vyrobené z antracitu, grafitu a ropného koksu, ktoré sa pred použitím pri výrobe katód kalcinujú pri teplote približne 1200 °C, drvia a preosievajú. Kamenivo sa mieša s uhoľno-dechtovou smolou, formuje sa a vypaľuje. Čistota uhlíka nie je taká dôležitá ako pri anóde, pretože kontaminácia hliníka katódou nie je významná. Uhlíková katóda musí mať zodpovedajúcu pevnosť, dobrú elektrickú vodivosť a vysokú odolnosť proti opotrebovaniu a prenikaniu sodíka. 

Anóda: Uhlíkové anódy majú špecifický význam pri tavení hliníka a v závislosti od typu anódy sa tavenie hliníka delí na dve rôzne technológie; „Söderberg“ a „predpečené“ anódy. Anódy sa tiež vyrábajú z ropného koksu, zmiešaného s uhoľno-dechtovou smolou, po ktorom nasleduje tvarovanie a pečenie pri zvýšených teplotách. Kvalita anódy ovplyvňuje technologické, ekonomické a environmentálne aspekty výroby hliníka. Energetická účinnosť súvisí s povahou anódových materiálov a tiež s pórovitosťou vypálených anód. Približne 10% energie článku je spotrebovaných na prekonanie elektrického odporu predpečenej anódy (50–60 μΩm).

Søderbergove elektródy (spečené in-situ), ktoré sa v Nórsku použili prvýkrát v roku 1923, sa skladajú z oceľového plášťa a uhlíkatej hmoty, ktorá sa vypaľuje priamo únikom tepla vznikajúcom v elektrolytickom článku. Materiály Soderbergových elektród je na báze uhlíka, ako je koks a antracit, ktorý sa drví a tepelne spracováva. V Závode Slovenského národného povstania (ZSNP) bola Söderbergova technológia používaná v rokoch 1958 až 1998. Neskorší majiteľ ZSNP firma Hydro ukončil používanie Soderbergových elektród v roku 2009.

Počas elektrolýzy nastáva chemická reakcia: elektrolýza taveniny.

 Al2O3 → 2Al3+ + 3O2−
   
 Anóda
 O2− - 2e− → O20
 O2 + C → CO2
 Katóda
 Al3+ + 3e− → Al0

Na uhlíkových elektródach sa z kúpeľa extrahuje kyslík, ktorý okamžite reaguje s uhlíkom, za vzniku oxidu uhličitého CO2. Na katódových platničkách, ktorými je obložená pec sa izoluje čistý hliník vo forme taveniny. Tá sa neskôr odlieva do hlinených foriem. Výroba hliníka je energeticky veľmi náročná.

Amfotérny charakter Al, Al2O3 a Al(OH)3 

Amfotérny charakter znamená, že reaguje aj s kyselinou, aj so zásadou.

- reakcia s hydroxidovým aniónom OH- 
                                        
Al3+ → Al(OH)3 (S) → [Al(OH)4]-

Al(OH)3 (S) - vzniká biely zákal

- reakcia s katiónom H3O+

[Al(OH)4]- → Al(OH)3 (S) → AI3+

Výroba na Slovensku 
V areáli hlinikárni v Žiari nad Hronom vo firme Slovalco (väčšinový vlastník Hydro) sa vyrábal hliník a aj jeho zliatiny pre ďalšie spracovanie. Výroba bola a aj je sústredená v okolí Žiaru.

 V roku 1967 vznikla tzv. (hutnícka) Druhovýroba, ktorej cieľom bolo rozšírenie produktového portfólia o finálne výrobky a polotovary. Vyrábali sa najmä profily, okná a podhľady. Postupne pribudli, dvere a ďalšie stavebné hliníkové výrobky (napr. žáluzie).
 V roku 1973 sa začala v Žiari výroba túb, ktorú dnes prevádzkuje s 250 zamestnancami firma TubaPack.

Ďalšie firmy pôsobiace v súčasnosti v Žiari sú napríklad firma Hydro Extrusion Slovakia, ktorá vyrába a predáva hliníkové plechy, lisované profily, stavebné systémy. Výrobcovia a dodávatelia v automobilovom, spotrebnom a stavebnom priemysle: Nemak, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar. Automobilky nakupujú hliník už spracovaný do výrobkov a na ich výrobu sa v prevažnej miere využíva sekundárny kov, tvrdí generálny sekretár Ján Pribula zo Zväzu automobilového priemyslu. Pre automobilový priemysel firma Nemak vyrába hliníkové odliatky a spoločnosť Fagor dodáva komponenty motorov a prevodoviek pre automobily a úžitkové a priemyselné vozidlá.

Na Slovensku technológie pre priemyselnú sériovú výrobu rôznych dielov z hliníkovej kovovej peny vyvinuli vedci pod vedením Františka Simančíka z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV. Tieto technológie sú chránené svetovými patentmi.

Slovalco od októbra 2022 odstaví na vopred nespresnený čas primárnu výrobu hliníka elektrolýzou oxidu hlinitého a pokračovať bude iba v menšej recyklácii hliníkových odpadov od jeho spracovateľov.

Vlastnosti a využitie 
Hliník je odolný voči korózii a zapálený zhorí na oxid hlinitý Al2O3. 

Hliník sa využíva pri aluminotermii - je to spôsob získavania kovov z ich oxidov, pričom sa využíva redukčná schopnosť hliníka.

Napríklad: Fe2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Fe

Ďalšie využitie hliníka: výroba alobalov, pri výrobe polyetylénu a zliatin.

Zliatiny 
Výroba zliatin má využitie v hutníckom priemysle pri výrobe dopravných prostriedkov a rôznych ľahkých konštrukcií.

Najznámejšou hliníkovou zliatinou je dural (z angl. durable aluminium), ktorý je zliatina hliníka s meďou a horčíkom (Al-Cu4-Mg). Hlavné uplatnenie duralu bolo v leteckom priemysle. 

Svoje miesto si v minulosti našiel pri výrobe bytových predmetov, ako sú príbory a riady - nahradil ho drahší antikoro. 

Často sa používa v elektrotechnike pre jeho dobrú elektrickú vodivosť a nižšiu cenu, ako meď, kde sa z hliníkových zliatin vyrábajú vodiče. Používa sa v lanách na rozvody vysokého napätia (elektrorozvodná sieť). V bytových rozvodoch sa prestal používať na konci 80-tych rokov. Dôvodom je, že hliník pri tlaku „odtečie“ - skrutkované elektrické spoje s hliníkovými vodičmi je potrebné doťahovať, inak časom dochádza ku strate elektrického kontaktu. 

Využíva sa tiež jeho veľmi dobrá tepelná vodivosť na výrobu rôznych chladičov a výmenníkov tepla. V stavebníctve sa používa na obkladové panely. Hliník je málo odolný voči poveternostným vplyvom, preto sa musí povrchovo upraviť - eloxovaním (elektrochemicky sa na jeho povrchu vytvorí vrstva oxidu, ktorá je odolná a dá sa farbiť a leštiť).

Okrem toho sa využívajú drahokamové odrody korundu Al2O3 - rubín a zafír. Al2O3 tiež slúži na výrobu šmirgľového papiera. 

V liečiteľstve sa využíva napr. octan hlinitý Al(CH3COO)3 - soľ kyseliny octovej; ako obklad proti zápalom. 

Významný je aj pre keramický priemysel pri výrobe porcelánu a hrubej keramiky. Základnou zložkou je kaolín (obsahuje minerál kaolinit). Porcelán vzniká vypálením zmesi kaolínu a rozdrveného živca s kremeňom (známy je karlovarský porcelán). Z hrubej keramiky sa vyrába napr. ohňovzdorný materiál, strešná krytina, kameninový riad, kvetináče, potrubia, atď. 

Soli Al3+ sa nachádzajú v pitnej vode, v liekoch (acylpyrín, superpyrín - znižujú dráždivosť žalúdka), v prášku do pečiva, na mrazené ovocie a zeleninu (kvôli vzhľadu), stužovač šľahačky, sušené mlieko, instantná káva atď.

V priemysle má význam výroba kovovej peny, tzv. penového hliníka, ktorý má výhodný pomer tuhosti k hmotnosti (napr. platňa z hliníkovej peny v porovnaní s hliníkovým plechom rovnakej hmotnosti ma výrazne vyššiu ohybovú tuhosť). Pena je lepšia na tlmenie vibrácií a hluku, ktorý je spôsobený kmitaním dielu ako pri jeho odliatí z plného hliníku.

Obmedzenia využitia hliníka v domácnosti 
Vo všetkých prostrediach okrem kyslého je neškodný, v kyslom sa rozpúšťa (kyslá kapusta, čaj a pod.). Kvôli pravdepodobným toxickým a karcinogénnym účinkom (nahrádza kovy v metalproteínoch) je zakázané používať hliníkový riad. Vyššie hodnoty hliníka v tele boli zistené najmä u malých detí – od 4 do 9 rokov. Zbytočne veľa hliníka malo (pred rokom 2009) každé desiate dieťa. V kategórii dospelí ohrozený je len jeden zo sto. Podľa českého Štátneho zdravotného ústavu sú zdrojom hliníka u detí predovšetkým čaj, kakao, čokoláda. „V danej chvíli nie je  jednoduchá odpoveď na otázku, ako sa chrániť. Z histórie ale dobre vieme, že jedným z krokov je aj obmedzenie hliníkových materiálov v styku najmä s kyslými potravinami.“ 

Hliník je pomerne aktívny kov, ktorý za určitých podmienok reaguje s mnohými látkami a dokonca aj s vodou. Takéto podmienky sa vytvárajú vo vnútri umývačky riadu. Na povrchu hliníka sa zvyčajne vytvorí oxidový film, ktorý sa dobre rozpúšťa v alkalických látkach, ktoré sú prítomné v mnohých detergentoch pre umývačky riadu. Čistením hliníka (a striebra) v umývačke, v horúcej vode sa oxidový film odstráni z povrchu v čo vedie k deštrukcii samotného hliníka a vzniku tmavého povlaku na jeho povrchu. V umývačke neumývajte hliníkové predmety. Zliatiny hliníka, ktoré môžu byť súčasťou kuchynského riadu ako sú napríklad panvice alebo mlynčeky a pod. sa môžu dávať do umývačky ak tak v návode umožňuje výrobca.

Referencie

Pozri aj 
 Hliníková zliatina
 Dural
 Penový hliník - Kovová pena
Hlinikáreň v Žiari nad Hronom

Iné projekty 

 
Kovy
0173
Redukčné činidlá