Aluminioaelementu kimiko bat da, Alikurra eta 13 zenbaki atomikoa dituena. Zilar-txuri kolorekoa, ez zurruna, ez-magnetikoa eta metal harikoa den boro taldeko elementua da. Aluminioaren masa guztia lurrazalaren %8 da, hirugarren elementu ugariena da oxigenoa eta silizioaren ondoren, eta metal ugariena lurrazalean, baina ez da ugaria mantu beheko aldean. Mea nagusia bauxita (Al(OH)3) da; 270 mineralek bere baitan dute elementu hau.[1]
Nahiz eta ingurumenean nagusia izan, ez dago izaki bizidunik aluminio gatz izaera metaboliko eran, hala ere, landareek eta animaliek jasan dezakete.
Korrosioarekiko erresistentzia, konduktibitate elektrikoa, fusio puntu baxua eta arintasunarengatik ezaguna da. Aplikazio ugari dituenez gero, industrian asko erabiltzen da eta mundu mailako ekonomian eragina du.
Historia
Hasiera batean, medikuntzan eta tindagaian erabiltzen zen alunbre moduan. Ez zen elementua bera identifikatu XIX. mendera arte, garai horretan bere erauzketa zaila izanik eta kantitate oso txikitan lortuz; ondorioz denbora luze batean metal pretziatu eta garesti bezala kontsideratu, eta urrea eta zilarrarekin konparatzen zen. Urteak pasa ahala, eta horrekin batera, erauzketa teknikak hobera joan ahala, metal komun bat izatera pasa egin da eta bere prezioa izugarri murriztu egin da. Gaur egun, industria mailan metalik garrantzitsuenetarikoa da, bai bere kantitate eta baita erabilpenengatik ere, soilik burdina/altzairuak gainditua.
Metalaren propietate fisikoak
Aluminioaren gainazala
Aluminioak daukan propietaterik nabarmenak bere dentsitate baxua (2,7 g/mL solido eran eta likido eran 2,375 g/mL), eta pasibazioaren bidez korrosioarekiko erresistentzia izatea dira.
Bestetik, aluminioa oso eroale termiko (235 W m-1 K-1) eta elektriko (35-38 m/(Ω mm²)) ona da; baita supereroalea izateko gai da, 1,2 K-ko tenperatura kritikoa izanik. Eremu magnetiko kritikoa gutxi gorabehera 100 gauss-ekoa du, material ohikoa izanik qubits izeneko supereroalea sortzeko.
Urtze-puntua (933.47 K = 660, 32 °C) eta irakite-puntua (2792 K = 2519 °C) trantsizio-metalenak baino baxuagoak ditu. Aluminio metala, disdiratsua dena, zilarraren antza dauka irradiazio ultramore guztiak absorbatzen dituelako, espektro ikusgai guztia isladatuz. Aluminioa material biguna eta malgua da, Mohs eskalan 2,5-3-koa izanik, horregatik metal egokia da kable elektrikoak eta lamina meheak eratzeko.
Aluminioaren kimika
Elementuaren oxidazio-egoera gehienak katioi eran aurki ditzakegu, non oxidazio-egoera egonkorrena Al (III) den, zortzikotea beteta duelako; baina beste oxidazio-egoerak izan ditzake, hala nola: Al I, AlF, AlCl eta AlBr gasak eran, trihaluroak aluminioarekin berotzen direlarik. Baina Al I ez-egonkorra da giro tenperaturan, triioduroa eratuz, eta (II) oxidazio-egoeran ere aurkitzen da, Al metala oxidatzaileekin errakzionatzean, adibidez AlO gas egoeran aurkitzen da leherketa baten ondoren.
Aluminio isotopo guztietatik egonkorrena 27Al da, isotopo bakarra delako Lurran dagoela, bere sorreratik.
Konposatu eta mineral gehienak aluminio +3 oxidazio egoeran aurkitzen dira. Koordinazio-zenbakia konposatuaren arabera aldatzen da baina normalean, Al (III)-ak 6 edo 4 koordinazio-zenbakia dauka, konposatu gehienak koloregabekoak direlarik.
Aluminio metalak korrosioarekiko erresistentzia dauka, aluminio oxido geruza bat eratzen delako eta horrek airearekin kontaktuan ipintzea deuseztatzen du, oxidazio gehiago egoteari uko eginez, pasibazio efektua deritzon prozesuari esker.[2] Aluminio oxido egonkorrena, Al2O3 da, mineraletan aurkituz, non mineral mota honi korindoia deritzo.[3] Aluminio oxidoari alumina ere deitzen zaio. Ez-purutasun metalikoak izan ditzake; adibidez, zafiroak Cr (III) eta Ti (III) oxido ez puruak ditu, eta errubian Cr eta Fe ez-purutasunak izaten ditu.
Aluminioa elementu anfotero bat da, soilik inguru basiko eta azidoetan disolbatzen delako. Adibidez, inguru oso azidoetan aluminioak protoiarekin erreakzionatzen du hidrogeno gasa emateko, eta ingurumen basikoetan aldiz, pasibazioz sortutako babes baldintzak sortzen ditu. Aluminioak kloruroen aurrean disolbatzeko joera du, adibidez NaCl. Horregatik, etxeko tutuak ez daude aluminioz eginda.[4]
Aluminioa uretan oxidatzen da, 280 °C-zko tenperatura baino baxuagoetan, hidrogenoa, aluminio hidroxidoa eta beroa emateko:
2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2
Erreakzio hau hidrogenoa eratzeko erabiltzen da, baina arazoak izan ditzake erreakzioa inhibitzen duen pasibatutako oxido geruza baztertzeko eta aluminioa bersortzeko behar den energia gordetzeko.
Gainera, aluminioa tenperatura altuetan aurkitzean, erreakzio aluminotermikoa deritzon erreakzioak gertatzen dira, aluminioak erreduzitzaile gisa jokatuz aluminioen aleakzioak eratzeko:
Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3
Aluminioa haluroekin lotzea ohikoa da AlX3 eta Al2X6 molekulak eratzeko, haluroak, Cl, Br eta I izanik. Floruroaren kasuan aldiz, lotura ionikoen bidez lotzen da eta AlF6 eran eratzen da, non, Al (III)-ak 6 koodinazio zenbakia du, inguruan oktaedroak agertzen direlarik.
Oxidoen eta hidroxidoen azidifikazioan hidratoak agertzen dira. Gainera, uretan, halogenuroek nahaste bat sortzen dute, Al+3 zentroan 6 koordenatua ageriz eta, ur eta halogenuro ligandoak eratzen direlarik. Adibidez, fluoruroa eta aluminioa (III) uretan egotean, hurrengo konplexuak eratu daitezke: [AlF(H2O)5]2+, AlF3(H2O)3 eta [AlF6]3− , eta klorhidrikoa gehitzean, [Al13O4(OH)24(H2O)12]7+ eratuko da.
Egitura atomikoa
Aluminioaren egitura atomikoaAluminio lingotea
Aluminioaren zenbaki atomikoa 13 da. Nukleoa osatzen duten 13 protoiek 13 elektroiz inguratuta daude, honela antolatuta:
1s22s22p63s23p1
Balentzia 3 da, eta lehenengo hiru elektroien ionizazio-energiak hauek dira, hurrenez hurren: 577,5 kJ/mol, 1816,7 kJ/mol eta 2744,8 kJ/mol. Naturan, elementu horren bi isotopo daude, 27Al eta 26Al. Horietako lehenengoa, egonkorra da, eta, bigarrena, erradioaktiboa da, eta bere batez besteko bizitza 7,2×105 urtekoa da. Horretaz gain, 23 eta 30 masa-atomiko pisua duten beste zazpi isotopo daude.
Argonetik eta izpi kosmikoen erradiazio energetiko handiko bonbardaketaren ondorioz, 26Al sortzen da, atmosferako elementu horren nukleoetan eragiten dutenak. 14C bezala, 26Al ugaritasunaren neurketa datazio tekniketan erabiltzen da, adibidez, milioi urteko eskala duten prozesu orogenetikoetan edo meteoritoen talkaren momentua zehazteko. Azken horien kasuan, aluminio erradioaktiboaren ekoizpena eten egiten da lurrera erortzen direnean, atmosferak une horretatik aurrera izpi kosmikoak iragazten dituelako.
Aluminioak, atomoaren koordinazio-zenbakiaren arabera, hiru erradio ioniko ditu bere +3 oxidazio-egoeran. Hau esanda, 4 zenbaki batentzat, erradioa 53,0 pm da, 5 zenbakiarentzat 62,0 pm eta 6 zenbakiarentzat 67,5 pm[5].
Erabilpenak
Aluminioen aleazioak, ez burdinikoak diren gehien erabiltzen den aleazioak dira.[6] Aluminioa normalean aleatuta dago eta horrek bere propietate mekanikoak hobetzeko laguntzen dio, adibidez, aluminiozko latak, hauen aleazioa %92-99-koa delarik.[7] Aleazioak egiteko, gehien erabiltzen diren elementuak kuprea, zinka, magnesio, manganeso eta silizioa dira.
Aluminioak metal eran dituen propietate fisikoak hauek dira: dentsitate baxua, korrosioen babespena, eroale elektriko ona...
Bere propietate optikoegatik ispiluak egiteko erabiltzen da. Erabilerarik hedatuena aluminio papera egiteko da. Lata eta Tetra Brikak egiteko ere erabiltzen da. Bere propietate elektrikoak direla eta, ia kobrea bezain eroale elektriko ona denez, honen ordez erabili daiteke, batez ere pisua garrantzitsua denean, hegazkinetan eta energia elektrikoa garraiatzeko aireko lineatan adibidez. Beste metal batzuekin aleatuta, arkitekturan eta industriako pieza ekoizpenean erabiltzen da. Bitxigintzan korindoi egoeran erabiltzen da, kolore gorri edo urdinak hartuz. Laser izpietan ere badute erabilpenik.
Aluminiozko lata
Beste erabilpen batzuk
Aluminio metalak hainbat erabilpen izan ditzake bere propietate fisiko eta kimikoen arabera:[8]
Garraioan ( automobilak, traktorea, bizikletan…) dentsitate gutxi daukalako.
Bilgarrietan (latak, aluminiozko paperan). Ez-toxikoa delako, absorbitzen ez duelakoeta ezpalen kontra babesten duelako.
Eraikuntzan (leihoa, ateak…)
Elektrizitate garraioa: (kondentsadore,motor eta sorgailuak, transformagailuak…)
Etxerako materialak egiteko, sukaldatzeko materialak, baita altzariak egiteko ere.
Makinarietan eta ekipotan (prozesamendu tresneria, tutueria eta lanabesak)
Aluminio metala erabiltzeaz gain, honen konposatuak erabiltzen dira:
Aluminio-aleazio motor kulata
Aluminio sulfato: paperaren fabrikazioan nagusiki, baita tintagailurako, larru ontzean eta beste aluminio konposatuak egiteko ere.
Alumbre potasiko eta alumbre amonikoa: larru ontzean eta tindatu finkatzaileetan.
Aluminio kloruro anhidridoa: katalizatzaile eran industria kimiko eta petrokimikoan.
Aluminio azetatoa: soluzio eran idorgarri moduan.[9]
Aluminio fosfatoa: beira, papera, zeramika, pulpa, kosmetiko, pintura, berniz eta hortzetarako zementuen fabrikaziorako erabiltzen da.[10]
Aluminio hidroxidoa: antiazido moduan, uraren purifikazioan, beira eta zeramika fabrikazioan eta oihal iragazgaitzetan.[11][12]
Aluminio litio hidruroa: erreduzitzaile ona kimika organikoan.
Organoaluminoak: azido eta Lewis kokatalizatzaile bezala erabiltzen dira.[13]
Metilaluminioaxano: olefina polimerizazioan Ziegler-Natta kokatalizatzaile gisa erabiltzen da, binilo polimeroak sortuz: polietano adibidez.[14]
Aluminio ioiak ur-disoluzioetan: sulfatoak adibidez arrainen parasitoak tratatzeko erabiltzen dira, hala nola, Gyrodactylus salaris.[15]
Txerto askotan aluminio gatzak erabiltzen dira immunitate erantzunetan laguntzeko, horrela txertoaren proteinak potentzia nahikoa izango du immunizazio estimulatzaile izateko.[16]
Ekoizpena
AEBko dolarrarenzentimoa eta aluminio zatia. Zentimoa, urtetan, kobrez egindako txanpona izan da. 1974an aluminioz egin zen materialen balioagatik. Gero, aluminiozko txanpona atzera bota zuten.Bauxita (Hérault)Aluminiozko xafla-bobina
Aluminioa lurrazaleko elementurik ugarienetako bat da (% 8), eta metal garestienetako bat lortzeko. Urteko ekoizpena 33,1 milioi tona ingurukoa dela kalkulatzen da, eta Txina eta Errusia dira ekoizle nagusiak 8,7 eta 3,7 milioirekin, hurrenez hurren. Munduko ekoizpenaren zati oso garrantzitsu bat birziklapenaren produktua da. 2005ean, ekoizpen osoaren % 20 inguru hartzen zuen[17]. Jarraian, ekoizpen-zifra batzuk:
Aluminioa ateratzen den lehengaia bauxita da, FrantziakoLes Baux herritik hartu zuen izena, bertan ustiatu baitzen lehen aldiz. Gaur egun, meategi nagusiak Karibean, Australian, Brasilen eta Afrikan daude, bertan ateratzen den bauxita errazago apurtzen baita. Bauxita aluminioan aberatsa den minerala da, masaren % 20 eta % 30 artean, buztinetan eta ikatzetan dauden aluminiozko silikatoen % 10 edo % 20aren aldean. Kaolinita, kuartzoa, burdin oxidoak eta titania dituen hainbat konposatuen aglomeratua da, non aluminioa hainbat hidroxido formatan dagoen, hala nola gibbsita Al (OH)3, boehmita AlOOH eta diaspora AlOOH.
Aluminioa bi fasetan lortzen da: bauxitatik alumina erauztea (Bayer prozesua) eta azken horretatik aluminioa atereaz elektrolisiaren bidez. Lau tona bauxitak bi tona alumina sortzen dute, eta, azkenean, aluminio tona bat. Bayer prozesua bauxita birrintzen eta sodio hidroxidoaren disoluzio bero batekin garbitzen hasten da, presio eta tenperatura altuan. Sosak aluminiozko konposatuak disolbatzen ditu, oinarrizko medio bizi batean aurkitzen direnean hidratatzen direnak:
Aluminiozkoak ez diren materialak dekantazioaren bidez bereizten dira. Ondoren, aluminiozko disoluzio kaustikoa hozten da hidroxidoa birkristalizatzeko eta sosatik bereizteko, gero erabiltzeko berreskuratzen dena. Azkenik, aluminio hidroxidoa 1000 °C-tik gertuko tenperaturan kiskaltzen da alumina sortzeko.
Horrela lortzen den aluminio-oxidoak oso urtze-puntu altua du (2000 °C), eta horrek ezinezko egiten du elektrolisi-prozesu baten mende jartzea. Oztopo hori gainditzeko, kriolita bainu batean disolbatzen da 900 °C-ko urtze-puntua duen nahaste eutektikoa lortuz. Ondoren, karbonozko elektrodoak (anodoa zein katodoa) deposituan murgilduz egiten da elektrolisia, horizontalean jarrita. Aluminio tona bakoitzak 17 eta 20 MWh arteko energia behar du lortzeko, eta 460 kg karbono kontsumitzen ditu prozesuan, produktuaren azken prezioaren % 25 eta % 30 artekoa suposatuz eta aluminioaren lorpena metal garestienetako bat bihurtuz. Izan ere, prozesu elektrolitikoa baino garestiagoak diren beste prozesu alternatiboak bilatzen ari dira[18]. Lortutako aluminioak % 99,5 eta % 99,9 arteko purutasuna du, puruak ez direnak burdina eta silizioa izanik nagusiki[19]. Kupeletatik, Labera joaten da, eta, bertan, araztu egiten da, fluxu bat gehituz edo beste metal batzuekin aleatuta, propietate zehatzak dituzten materialak lortzeko. Ondoren, moldeetan isurtzen da, edo lingoteetan edo xaflatan egiten da.
Aluminio purua trakzioarekiko erresistentzia gutxiko material biguna da. Propietate mekaniko horiek hobetzeko, beste elementu batzuekin aleatzen da, batez ere magnesio, manganeso, kobre, zink eta silizioarekin; batzuetan, titanioa eta kromoa ere gehitzen dira. Lehenengo aluminio-aleazioa, duraluminio ezaguna, Alfred Wilm metalurgiko alemaniarrak kasualitatez aurkitu zuen, eta bere aleazio nagusia kobrea zen. Gaur egun, aluminio-aleazioak seriean sailkatzen dira, 1.000etik 8.000era, hurrengo taularen arabera.
2.000, 6.000 eta 7.000 serieek bero-tratamendua dute beren propietateak hobetzeko. Tratamendu-maila T letraz eta ondoren hainbat zenbakiz adierazten da; lehenengoak tratamenduaren izaera definitzen du. Hortaz, T3 hotzean landua eta termikoki tratatutako soluzio bat da.
1.000 seriea: ez dira berez aleazioak, baizik eta burdina edo aluminiozko ezpurutasunen presentzia duen aluminioa, edo baita kobre kopuru txikia ere, hotz-ijezketarako erabiltzen dena.
2.000 seriea: serie horretako aleazio nagusia kobrea da, hala nola duraluminioa edo avionala. T6 tratamenduarekin, 442 & MPa-ko trakzio-erresistentzia eskuratzen dute, eta, horri esker, egokiak dira hegazkin-egituretan erabiltzeko.
3.000 seriea: aleazio-agente nagusia manganesoa da, aluminioa sendotzen duena eta 110 MPa-ko trakzio-erresistentzia ematen diona. Mekanizazio ona duten osagaiak fabrikatzeko erabiltzen da, hau da, mekanizazioaren aurrean portaera ona dutenak.
5.000 seriea: aleazio-agente nagusia magnesioa da, zeinak suberatu ondoren 193 MPa-ko indarra lortzen duen.
6.000 seriea: silizioa eta magnesioa erabiltzen dira. T6 tratamenduarekin, 290 MPa-ko erresistentziara iristen da, eta profil eta egituretarako egokia da.
7.000 seriea: aleazio-agente nagusia zinka da. T6 tratamendu baten menpe, 504 MPa-ko erresistentzia lortzen du, eta hegazkinak fabrikatzeko egokia da.
Estrusioa
Aluminio estruitutako profilak
Estrusioa prozesu teknologiko bat da, zeinaren bidez masa bat moldatu edo moldatzean eta berariaz antolatutako irekidura batetik ateraz diseinu konplikatuko profilak lortzen diren.
Lehengaien fluxu jarraitua erabiliz lortzen da, eskuarki, produktu metalurgikoak edo plastikoak. Lortu nahi den profilaren arabera, lehengaiak fusio, garraio, presio eta deformazioaren menpe ezartzen dira molde baten bidez.
Bere propietateengatik, profil mota askotariko eta konplikatuak egiteko, aluminioa da gehien erabiltzen den metaletako bat, batez ere arotzeria metalikoko eraikuntzan erabiltzen direnak. Birziklapenaren bidez lortutako aluminio primarioa zein sekundarioa estruitu daiteke.
Estrusioa egiteko lehengaia totxo ere deituriko lingote zilindrikoetan hornitzen da. Estrusio-prozesua aluminiozko zilindroari (totxoari) presioa egitean datza molde edo matrize batetik pasatuz nahi den forma lortzeko. Totxoa berotzen da (gutxi gora behera 500 °C-ra, aluminioa egoera plastikora iristen den tenperatura) trokeletik igarotzea errazteko, eta prentsan sartzen da. Ondoren, totxoaren oinarria errekuntzako sugar osatugabe batera menderatzen da karbono-geruza mehe bat sortzeko. Geruza horrek prentsa-enboloari itsatsita gelditzea eragozten du. Prentsa itxi egiten da, eta enbolo batek totxoa behar den presioan bultzatzen du, profilaren neurrien arabera, trokelaren ahotik ateratzera behartuz. Aluminioak jasaten duen presio handiak bere tenperatura igotzen du malgutasuna irabaziz.
Estrusio-instalazio baten osagai nagusiak hauek dira: edukiontzia, non estrusio-totxoa presiopean jartzen den; zilindro nagusia, zeinak materiala edukiontzian zehar sakatzen duen pistoia duen; trokela, eta trokelaren euskarria.
Profilen ezaugarri mekanikoen zati handi bat estrusio- eta tenplaketa-prozesuaren menpe dago, baita akaberen kalitatearen ere, anodizatuenak bereziki. Tenplaketa, aluminiozko aleazio batean, efektu mekaniko edo termikoaren bidez sortzen da egitura bereizgarriak eta propietate mekanikoak sortuz.
Estrusioaren akabera
Estrusioz ekoitzitako profilak trokelen bidez prentsatik irteten diren heinean, banku baten gainean irristatzen dira, eta, bertan, airez edo urez hozten dira tamainaren eta formaren arabera, baita parte hartzen duen aleazioaren ezaugarrien eta behar diren propietateen arabera ere. Aluminiozko profil zuzenak lortzeko eta materialaren edozein estresa kentzeko, luzatu egiten dira. Ondoren, luzera egokietan mozten dira, eta artifizialki zahartzen dira indar egokia lortzeko. Zahartze prozesua labeetan egiten da 200 °C inguruan, eta labean gelditzen dira 4 eta 8 ordu artean. Prozesu guztia automatikoki egiten da[21].
Profilen tenplaketa
Aluminioaren erresistentzia areagotzen duten prozesu termikoak: bi tenplaketa-prozesu daude disoluzio-tratamendu termikoa eta zahartzea. T5 tenplaketa lortzen da zahartzapen-labeetara doazen profilak zahartuz, denbora jakin batean tenperatura jakin bat mantentzen baitute, normalean, 185 °C 240 minutuz 6.060 familiako aleazioetarako; modu horretan, silizioarenmagnesioarekin hauspeatzea lortzen da magnesio siziluro forman (Mg2Si) aluminio-dendriten barruan, eta, horrela, materialaren tenplaketa lortzen da. 6.060 aleazioetarako estrusio- eta irteera-tenperatura, 510 °C-tik gorakoa, gehi profilen hoztea, 250 °C-tan, lau minutu baino gutxiagotan gertatzea ezinbestekoa da materialak bere propietateak lortzeko[22], material hau Tenpera 4 edo T4 edo tenplerik gabeko izenekin ezagutzen da.
Bibliografia
Mark Winter. (1993). WebElements. [ The University of Sheffield and WebElements Ltd ] Web gunea: https://www.webelements.com/aluminium/
Frank, W.B. (2009). "Aluminum". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a01_459.pub2. ISBN 978-3-527-30673-2.
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. Retrieved 10 November 2017.
Richards, Joseph William (1896). Aluminium: Its history, occurrence, properties, metallurgy and applications, including its alloys (3 ed.). Henry Carey Baird & Co.
(Gaztelaniaz)Smith, William F. (1998). Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Madrid: Mc Graw Hill ISBN84-481-1429-9..
Erreferentziak
↑Shakhashiri, B.Z. (17 March 2008). "Chemical of the Week: Aluminum" (PDF). SciFun.org. University of Wisconsin. Archived from the original (PDF) on 9 May 2012. Retrieved 4 March 2012.
.svg)
