A L U M I N I U

1. A L U M I N I U 1

2. Structura atomului de aluminiu 2

3. Cuvîntul aluminiu derivă de la latinescul „alumen” (alaun). Herodot menţionează întrebuinţarea alaunului ca mordant în vopsitorie, dar sareaaceasta a fost obţinută pură probabil de către alchimiştii medievali. Aluminiul este cel mai răspândit metal în natură, reprezintă 7,5% din masa Scoarţei Terestre, este în deajuns de indicat, că acest element intră în compoziţia argilelor. Ocupă locul trei după răspîndire între toate elementele: după oxigen şi siliciu. Se cunosc peste 250 de minereuri, ce conţin aluminiu. În marea majoritatea de minereuri aluminiul este strîns legat de oxigen şi siliciu în alumosilicaţi, din care este alcătuită scoarţa terestră, şi care prin degradare sub influienţa agenţilor atmosferici se transformă în argile, baza cărora o constituie caolinitul Al2O3·2SiO2·2H2O. Impurităţile de fier colorează argila în culoare brună, dar se întâlneşte şi lutul alb – caolina, folosită pentru fabricarea obiectelor din porţelan şi faianţă. 3

4. Smaraldul este un alumosilicat de beriliu (3BeO·Al2O3·6SiO2) din grupa pietrelor preţioase. 4

5. Acvamarinul (l.latină aqua marina = „apă de mare“) este o varietate a berilului, mineral din grupa alumosilicaţilor. Acvamarin neprelucrat Acvamarin de 12 carate (şlefuit) 5

6. Topazul – mineral din grupa silicaţilor de aluminiu (Al2[SiO4](F, OH)2) cu impurităţi de Fe2+, Fe3+, Ti, Cr, V Topaz incolor, Minas Gerais, Brazilia 6

7. O deosebită importanţă o au oxizii şi hidroxizii de aluminiu: Corindonul– un minereu foarte dur (după duritate cedează doar diamantului), care constă din oxid de aluminiu cristalin, deseori colorat de impurităţi în diferite culori: corundul roşu (datorită impurităţilor de Cr) se numeşte rubin,cel albastru (Ti, Fe) – safir. Diferite impurităţi pot condiţiona şi alte nuanţe ale corindonului (verde,galben,portocaliu,violet etc). 7

8. Corindon – un minereu foarte dur, ce constă din oxid de aluminiu cristalin, deseori colorat de impurităţi în diferite culori. 8

9. Rubinul 9

10. Safir 10

11. BauxitaAlO(OH) sau Al2O3·nH2O; • Hidragita– Al(OH)3; • Aluminiul apare şi în aşa numiţii aluminaţi: • crisoberilul BeAl2O4, • spinelul MgAl2O4, • precum şi criolită Na3[AlF6]. 11

12. Descoperirea aluminiului, fixată documentar, a avut loc în anul 1825, când acest metal a fost obţinut pentru prima dată de către Oersted prin reducerea clorurii de aluminiu anhidre cu amalgamă de potasiu. Doi ani mai târziu Woehler a perfecţionat această metodă, folosind potasiu metalic (care mai târziu a fost înlocuit cu sodiu): AlCl3 + 3Na  3NaCl + Al Se observă, că în această reacţie, datorită masei atomice mici şi a valenţei mari a alumuniului, 23 g de sodiu dau nimai 9 g de aluminiu. În 1854Bunsen şi independent de el Sainte-Claire Deville au obţinut aluminiu prin electroliza clorurii mixte de sodiu şi aluminiu topite. 12

13. Un an important în istoria aluminiului este anul 1886, când independent unul de altul studentul american Hall şi inginerul francez Herault descoperă şi brevetează procedeul de electroliză a aluminei dizolvate în criolită topită. Ideea nu era nouă. Încă în anul 1854 Bunsen a expus părerea despre posibilitatea obţinerii aluminiului prin electroliza sărurilor lui. Însă eforturile în această privinţă au fost neroditoare, deoarece sărurile anhidre de aluminiu erau greu de preparat, iar oxidul are o temperatură de topire ridicată (2050C). Meritul metodei propuse de Hall şi Herault constă în aceea, că amestecul de oxid de aluminiu şi criolită are un punct de topire relativ mic (980C). 13

14. Procedeul industrial actual constă în electroliza unei soluţii de oxid de aluminiu în criolită topită, cu electrozi de cărbune. În calitate de materie primă serveşte bauxita, care conţine oxid de aluminiu. Bauxita este purificata, iar Al2O3 este apoi adaugat electrolitului de topitura de criolit, în care se dizolva şi apoi se disociaza. Baia se menţine la circa 1000C prin căldura dezvoltată de trecerea curentului electric. La catod, în fundul băii de electroliză se adună aluminiul topit. În partea superioară a electrolitului este cufundat anodul. Oxigenul produs la anod atacă electrodul de carbon, acesta se oxidează, dând CO, care arde imediat dând CO2. Astfel electrodul trebuind schimbat frecvent. 14

15. Procedeul industrial actual CATOD: Al3+ + 3e- ---> Al(l) ANOD: 2 O2- ---> O2(g) + 4e- 4 Al3+ + 6 O2- ---> 4 Al(l) + 3 O2(g) electroliză 15

16. Pentru fabricarea aluminiului se porneşte de la bauxită, care nu este destul de pură pentru a servi direct la electroliză. Principalele impurităţi sunt oxizii de siliciu, fier, titan. Procedeul cel mai întrebuinţat pentru indepărtarea acestora este procedeul Bayer 1880. În acest procedeu, bauxita, în prealabil calcinată şi măcinată, este tratată cu hidroxid de sodiu, în autoclave, la 4 – 6 at şi 170 – 180C. Oxidul de aluminiu din bauxită trece în soluţie sub formă de aluminat de sodiu Na[Al(OH)4]. Amestecul se filtrează, separându-se soluţia de aluminat de sodiu de hidroxizii de fier şi de combinaţiile siliciului cu aluminatul de sodiu. 16

17. Procesul Bayer de producere a oxidului de aluminiu din bauxită: T=1200C • În soluţia cu aluminat de sodiu se introduce: • un curent de oxid de carbon(IV), care precipită hidroxidul de aluminiu: • 2Na[Al(OH)4] + CO2 = 2Al(OH)3 + Na2CO3 + H2O • sau cantităţi mici de Al(OH)3, care amorsează descompunerea aluminatului având rol de germen de cristalizare pentru separarea hidroxidului de aluminiu: • Na[Al(OH)4] = Al(OH)3 + NaOH • Hidroxidul de aluminiu obţinut se calcinează în cuptoare rotative la 1200C când trece în oxid de aluminiu: 2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O • Noroaiele roşii rămase de la separarea hidroxidului de Al conţin în afară de oxizi de fier şi siliciu, oxid de titan şi oxid de vanadiu, a căror extragere este o problemă luată în cercetare. 17

18. Producerea aluminei este o ramură avansată a industriei, care conduce la trecerea la producţia fără deşeuri. La îmbogăţirea apatitelor se formează deşeuri, care conţin nefelină - (Na2O, K2O)·Al2O3·2SiO2sau (Na, K)2[Al2Si2O8]. Aceste deşeuri se utilizează la obţinerea aliminei, sodei şi potasei. Rezidiuul insolubil de silicat de calciu este folosit ca materie primă pentru fabricarea cimentului. La baza prelucrării nefelinei se află următoarele procese: 1. Calcinarea şi aglomerarea nefelinei cu calcar: (Na2O, K2O)·Al2O3·2SiO2 + 2CaCO3 = 2CaSiO3 + NaAlO2 + KAlO2 + 2CO2 2. Tratatrea cu apă: NaAlO2 + KAlO2 + 4H2O = Na[Al(OH)4] + K[Al(OH)4] CaSiO3 este insolubil. 3. Tratarea soluţiei cu oxid de carbon (IV): Na[Al(OH)4] + K[Al(OH)4] + 2CO2 = NaHCO3 + KHCO3 + 2Al(OH)3 4. Obţinerea oxidului de aluminiu: 2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O Din soluţia mamă prin cristalizare se obţine separat carbonat de sodiu şi de potasiu. 18

19. 19

20. Proprietăţile chimice ale aluminiului În seria tensiunilor, aluminiul este situat între Mg si Zn: Li Cs K Ba Ca Na Mg Al Zn Pb Cr Fe Cd Ni Sn Pb H Cu Hg Pt Au În toate combinaţtiile este trivalent. În aer aluminiul se acopera cu o pelicula extrem de fină, practic monoatomică, dar foarte densă de oxid, care apără metalul de oxidare mai avansată. Din aceasta cauză suprafaţa lui nu este lucioasa, ci are un aspect mat. La calcinarea aluminiului fin marunţit, el arde energic în aer. În acelasi mod se produce şi reactia aluminiului cu sulful. Combinarea cu clorul şi bromul are loc chiar la temperatura ordinară, iar reacţia cu iodul se produce la cald. La temperaturi foarte înalte aluminiul se combină direct cu azotul şi carbonul. El nu reactioneaza însa cu hidrogenul. 4Al + 3O2 = 2Al2O3 2Al + 3S = Al2S3 2Al + 3Hal2 = 2AlHal3 2Al + N2 = 2AlN 4Al + 3С = Al4С3 Sulfura şi carbura de aluminiu hidrolizează complet în apă. Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4 20

21. Dacă este îndepărtată pelicula protectoare de oxid, aluminiul reacţionează energic cu apa: 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2 Uşor se dizolvă în acizii clorhidric şi sulfuric diluat: 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2 2Al + 3H2SO4(dil) = Al2(SO4)3 + 3H2 Aluminiul este stabil faţă de CH3COOH şi H3PO4. La încălzire se dizolvă în acizii oxidanţi – sulfuric concentrat şi azotic diluat şi concentrat: 2Al + 6H2SO4(conc) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O Al + 4HNO3(dil) = Al(NO3)3 + NO + 2H2O Al + 6HNO3(conc) = Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O Acizii sulfuric şi azotic concentraţi la rece fac ca stratul protector de oxid să devină mai gros şi rezistent – aşa numita pasivare. Aluminiul prelucrat în aşa mod nu reacţionează chiar şi cu HCl. 21

22. Fiind un metal amfoter se dizolvă în soluţii de hidroxizi alcalini, cu degajare intensă de hidrogen şi formarea de aluminaţi: 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2 22

23. Combinarea aluminiului cu oxigenul este însotita de degajarea unei mari cantităţi de caldură, mult mai mari decât în cazul multor altor metale. Din această cauza, la încalzirea unui amestec format dintr-un oxid oarecare şi pulbere de aluminiu se produce o reacţie violentă, care duce la separarea metalului liber din oxidul respectiv. Metoda de reducere cu ajutorul aluminiului (aluminotermia), descoperita de N.N. Beketov în anul 1859, se foloseste pe scară mare pentru obţinerea unei serii de elemente în stare libera (Cr, Mn, V, etc.). Aluminotermia se foloseste des şi la sudarea diferitelor piese metalice, în special a îmbinărilor şinelor de tramvaie. Amestecul utilizat ("termitul") este format de obicei din pulberi fine de aluminiu şi oxid de fier (Fe3O4). El se aprinde cu ajutorul unui amestec de Al şi BaO2. Reactia fundamentală are loc dupa ecuatia: 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe + 795 kcal când se produce o temperatura de aproximativ 3500° C. Afara de sudură, termitul se foloseste la retopirea aşchiilor de oţel (deşeu al industriei metalurgice prelucrătoare). 23

24. Întrebuinţarea aluminiului Combustibil solid Industria aeronautică Metalurgie, sudarea cu termit Electrotehnică Acoperirea suprafeţei metalelor Aliaje, adaosuri la aliaje Piese în construcţii, ambalaj, oglinzi 24

25. În industria constructorare de maşini şi în aviaconstrucţii sunt folosite aliajele aluminiului, care sunt uşoare, dar au calităţi mecanice înalte: Duraluminiu94% Al, 3-5% Cu, 1% Mg, Mn, Fe, Si Siluminul 85-90% Al, 10-14% Si, 0-1% Na Aluminiul se întrebuinţează şi ca adaos în diferite aliaje, pentru a le face mai rezistente la temperaturi înalte: Electronul 90% Mg, 10% Al Cantităţi mari de aluminiu se utilizează ca adaos (0,02-0,5%) în fierul topit, pentru reducerea oxizilor, care împiedică o bună turnare. 25

26. 26

27. Oxidul de aluminiu este o masa alba, foarte greu fuzibilă şi insolubilă în apă. • Manifestă proprietăţi amfotere: • interacţionând atât cu acizii • Al2O3 + 6H+ = 2Al3+ + 3H2O • cât şi cu bazele alcaline: • Al2O3 + 2OH- + 3H2O = 2[Al(OH)4]- 27

28. 28

29. Datorită insolubilităţii Al2O3 în apă, hidroxidul corespunzator acestui oxid Al(OH)3 nu poate fi obţinut decât pe cale indirectă (pornind de la saruri): Al3+ + 3OH- = Al(OH)3 El este un precipitat gelatinos voluminos, de culoare albă, practic insolubil în apă, dar uşor solubil în acizi şi în baze tari: Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O Al(OH)3 + OH- = [Al(OH)4]- Hidroxidul de aluminiu are prin urmare un caracter amfoter. Dar atât proprietăţile bazice, cât şi în special proprietăţile acide, sunt destul de slabe. Aluminaţii metalelor alcaline sunt uşor solubili în apă, dar din cauza hidrolizei energice soluţiile lor sunt stabile numai în prezenţa unui exces suficient de alcalii. Aluminaţii care deriva de la baze mai slabe sunt hidrolizaţi practic complet în soluţie şi de aceea nu se pot obţine decât pe cale uscata (prin topirea Al2O3 cu oxizii metalelor respective). La trecerea unui curent de CO2 prin soluţia unui aluminat se precipită hidroxid de aluminiu: 2[Al(OH)4]- + CO2 = 2Al(OH)3 + CO32- + H2O 29

30. Prin încălzire hidroxidul de aluminiu pierde treptat apa, formând hidraţi mai săraci în apă: OH O t t Al2O3 Al OH Al - H2O - H2O OH OH 30

31. Sărurile care conţin ionul de aluminiu sunt puternic hidrolizate în soluţii apoase şi au mediu acid: Al3+ + HOH  Al(OH)2+ + H+ Sărurile acizilor slabi în soluţii apoase hidrolizează complet. Astfel, de exemplu prin tratarea unei soluţii de sare de aluminiu cu carbonat de sodiu, se formează hidroxid de aluminiu şi se degajă CO2: 2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O  2Al(OH)3 + 3CO2 + 6NaCl Carbonatul de aluminiu Al2(CO3)3 nu există în soluţii apoase deoarece hidrolizează complet: Al3+ + 3HOH  Al(OH)3 + 3H+ CO32- + 2HOH  H2CO3 + 2OH- CO2 H2O 31

32. Sărurile de aluminiu Sulfatul de aluminiu se separă de obicei din soluţii sub forma cristalohidratului Al2(SO4)3·18H2O. Acest sulfat formeaza cu o serie de sulfati ai metalelor monovalente săruri duble de tipul MIAl(SO4)2·12H2O. Drept cationi monovalenti (M) pot intra în compozitia lor K+, Na+, NH4+ şi alţii.Fiind perfect stabile în stare solidă, aceste săruri (aşa-numiţii alauni) sunt practic complet disociate în soluţie în ionii respectivi. Şi pentru unele metale trivalente (Cr, Fe, V, etc.) se cunosc sulfaţi de tipul alaunilor. Cel mai important alaun este KAl(SO4)2·12H2O – piatra acră, întrebuinţată în cantităţi mari la tăbăcirea pieilor, în vopsitorie ca mordant pentru ţesăturile din bumbac. În acest caz, acţiunea lui este bazată pe faptul, că hidroxidul de aluminiu format în urma hidrolizei se depune pe fibrele ţesăturii în stare fin dispersată, şi, absorbând colorantul, îl reţine puternic în fibră. 32

33. Combinaţiile aluminiului cu clorul, bromul şi iodul sunt incolore şi uşor fuzibile. Ele sunt substanţe foarte reactive şi se dizolva uşor atât în apă, cât şi în solvenţi organici. Reacţia halogenurilor anhidre cu apa este însoţită de degajarea unei cantităţi mari de caldură. Toate aceste combinaţii sunt puternic hidrolizate în soluţie. Fiind destul de volatile chiar în condiţii obişnuite fumega în aer (datorita hidrolizei). Halogenurile de aluminiu formează cu halogenurile unor metale monovalente combinaţii complexe în special de tipul M3[AlF6] si M[AlCl4]. Tendinţa de a da reacţii de adiţie este foarte pronunţată la halogenurile cercetate, în special la AlCl3. Acestei proprietăţi i se datorează utilizarea ei cea mai importantă în tehnică - drept catalizator la prelucrarea petrolului şi în diferite sinteze organice. 33

34. Sulfura şi carbura de aluminiu, care hidrolizează complet în apă, sunt folosite pentru obţinerea metanului şi a hidrogenului sulfurat: Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4 Ultramarinul este un pigment albastru bine cunoscut, care se întrebuinţează în stare de pulbere pentru înălbăstrirea ţesăturilor. Din punct de vedere al compoziţiei chimice el este un produs de combinare a Na2S3 cu alumosilicatul Na2Al2Si2O3. Se obţine prin încălzirea unui amestec de argilă, sulf şi sodă cu o cantitate mică de zahăr. 34