Aluminiu

Proprietăți chimice și fizice ale aluminiului

Metal argentiu-neprețios, instabil, maleabil, foarte bun conductor de electricitate. La temperaturi sub 1,18 K devine supraconductor. În natură se găsește în special sub formă de compuși, dintre care cel mai cunoscut minereu este bauxitul Al2O3 . 2 H2O (dihidrat de oxid de aluminiu).

Formează compuși în gradele de oxidare +I până la +III, cei mai comuni și stabili fiind compușii de aluminiu. În medii acide, formează în soluție apoasă cationul de aluminiu, iar în medii alcaline, anionul aluminate [AlO2]−. Aluminiul în stare pură este foarte reactiv, se acoperă rapid în aer cu un strat subțire de oxid Al2O3, care protejează metalul de oxidare ulterioară.

Aluminiul este foarte bine solubil în acizi diluați. Acidul azotic concentrat sau acidul sulfuric formează, la fel ca și oxigenul din aer, un strat pasivant de oxid pe suprafața acestuia. Hidroxizii metalelor alcaline dizolvă ușor aluminiul formând aluminat (AlO2)−.

Aluminiul și aliajele de aluminiu sunt ușor de sudat prin aproape toate metodele de sudare. O excepție este aliajul dural, care este dificil de sudat.

Aluminiul a fost izolat în formă metalică în anul 1825 de fizicianul danez Hans Christian Ørsted.

Aluminiul și apariția sa în natură

Datorită reactivității mari a aluminiului, în natură întâlnim practic doar compușii săi.

Aluminiul este al treilea element cel mai abundent în scoarța terestră. Conform celor mai recente date disponibile, aluminiul constituie 7,5–8,3 % din scoarța terestră. În apa de mare, concentrația sa este foarte scăzută, doar 0,01 mg Al/l și în univers, există aproximativ o jumătate de milion de atomi de hidrogen pentru fiecare atom de aluminiu.

Roca cea mai comună pe bază de aluminiu este bauxitul, Al2O3 · 2 H2O. De obicei este însoțită de impurități pe bază de oxizi de siliciu, titan, fier și altele.

Un alt mineral semnificativ este criolitul, hexafluoroaluminatul de sodiu Na3AlF6, utilizat în principal ca fondant pentru a reduce temperatura de topire a oxidului de aluminiu în producția electrolitică de aluminiu.

Mineralele pe bază de oxid de aluminiu Al2O3 sunt printre cele mai importante și valoroase. Corindonul se situează pe locul 9 pe scara de duritate Mohs. Oxidul de aluminiu tehnic este cunoscut și sub numele de electrit și este utilizat pe scară largă în fabricarea hârtiei abrazive.

Pietrele prețioase, al căror material de bază este oxidul de aluminiu, se diferențiază prin impuritățile care le conferă culoarea caracteristică. Rubinul roșu este colorat de impuritățile de oxid de crom, iar safirul albastru conține în principal cantități mici de oxizi de titan și fier.

Ambele forme menționate de corindon sunt printre cele mai valoroase pietre prețioase din lume, dar au și utilizări tehnice importante. Vârfurile de safir sunt apreciate pentru duritatea și rezistența lor și sunt utilizate în instrumentele de măsurare științifice de înaltă calitate. Rubinul este cunoscut ca material pentru construcția primului laser din lume.

Producția de aluminiu

Deși aluminiul este unul dintre elementele cele mai răspândite în scoarța terestră, producția sa industrială a fost, până nu demult, un proces destul de dificil. Acest lucru se datorează în principal faptului că aluminiul elementar nu poate fi extras metalurgic simplu din minereul său, precum fierul cu cocs într-un furnal. Doar stăpânirea electrolizei industriale a topiturii de minereuri metalice a permis producția anuală de mai multe sute de tone de aluminiu pur.
În timpul electrolizei, din topitura unui amestec de bauxit pre-purificat și criolit la temperatura de aproximativ 950 °C, la catod se elimină aluminiu elementar, iar la anodul de grafit se formează oxigen, care reacționează imediat cu materialul electrodului, formând oxid de carbon toxic gazos, CO.
Atât în fostul Cehoslovacia, în 1933 a început producția de foi de aluminiu, iar ulterior, în 1954, producția de bunuri de consum din folie de aluminiu la Břidličná. Compania continuă producția în prezent. De asemenea, în 1953, producția de aluminiu a început în Ziar nad Hronom, Slovacia, unde majoritatea bauxitului era importat din Ungaria. Producția de aluminiu prin tehnologia Söderberg a fost încheiată aici în 1998.

Aliajele de aluminiu

Cel mai important este însă utilizarea aluminiului sub formă de aliaje, dintre care cea mai cunoscută este fără îndoială aliajul cu magneziu, cupru și mangan, cunoscut sub numele de dural. Acest material are o rezistență și o duritate mult mai mari decât aluminiul pur, menținând în același timp o densitate foarte mică. De asemenea, sunt extrem de rezistente la coroziune. Toate aceste proprietăți recomandă duralul ca material ideal pentru industria aeronautică și automotive, dar îl întâlnim și în construcția de lifturi, biciclete, scări ușoare și aplicații similare.

Aliajele foarte cunoscute de aluminiu sunt categoriile 6061 și 7005. Dar care este diferența între ele? Aliajul din seria 7005 (compus din 93,35% Al, 0,13% Cr, 1,4% Mg, 0,45% Mn, 0,03% Ti, 4,5% Zn, 0,14% Zr), este adesea înlocuit cu un aliaj desemnat Alloy 6061, compus din 98,1% Al, 0,020% Cr, 1% Mg, 0,28% Mn, 0,6% S. Materialul Al 6061 are proprietăți mecanice ușor mai scăzute, dar este mai ușor de sudat, deoarece spre deosebire de 7005, nu conține zinc, care poate cauza fisuri în timpul sudurii. Comparativ cu cadrele de bicicletă din material 7005, care pot fi întărite de la sine, cadrele din Al 6061 trebuie întotdeauna tratate termic. Dezavantajul aliajului 6061 este faptul că are o rezistență cu douăzeci de procente mai mică decât seria 7005. Cu toate acestea, materialul 6061 are și un avantaj, și anume că, datorită maleabilității mai mari, poate fi format mai ușor și, la aceeași grosime a tubului față de 7005, va fi garantat mai ușor.