Alumínium

13 magnézium ← alumínium → szilícium B ↑ Al ↓ Ga [Ne] 3s2 3p1 13 Al Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	alumínium, Al, 13
Latin megnevezés	aluminium
Elemi sorozat	földfémek
Csoport, periódus, mező	13, 3, p
Megjelenés	ezüstös
Atomtömeg	26,9815384(3) g/mol
Elektronszerkezet	[Ne] 3s2 3p1
Elektronok héjanként	2, 8, 3
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	2,70 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	2,375 g/cm³
Olvadáspont	933,47 K (660,32 °C, 1220,58 °F)
Forráspont	2792 K (2519 °C, 4566 °F)
Olvadáshő$\Delta _{fus}{H}^{\ominus }$	10,71 kJ/mol
Párolgáshő $\Delta _{vap}{H}^{\ominus }$	294,0 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 24,2 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	köbös lapközéppontos
Oxidációs szám	3 (amfoter oxid)
Elektronegativitás	1,61 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 577,5 kJ/mol
	2.: 1816,7 kJ/mol
	3.: 2744,8 kJ/mol
Atomsugár	125 pm
Atomsugár (számított)	118 pm
Kovalens sugár	118 pm
Egyebek
Mágnesség	paramágneses
Fajlagos ellenállás	(20 °C) 26,50 nΩ·m
Hővezetési tényező	(300 K) 237 W/(m·K)
Hőtágulási együttható	(25 °C) 23,1 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(szobahőm.) 5000 m/s
Young-modulus	70 GPa
Nyírási modulus	26 GPa
Kompressziós modulus	76 GPa
Poisson-tényező	0,35
Mohs-keménység	2,75
Vickers-keménység	167 MPa
Brinell-keménység	245 HB
CAS-szám	7429-90-5
Fontosabb izotópok
Fő cikk: Az alumínium izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 26Al mest. 7,17·105 év β+ 1,17 26Mg ε - 26Mg γ 1,8086 - 27Al 100% Al stabil 14 neutronnal
Hivatkozások

Az alumínium (nyelvújításkori magyar nevén timany) a periódusos rendszer III. főcsoportjába tartozó könnyűfém. Rendszáma 13, vegyjele Al. Ezüstös színű, levegő hatására a felszínén pillanatok alatt oxidréteg alakul ki, amely megvédi a további oxidációtól. Nem színezi a lángot. Az alumíniumot és az ötvözeteit az iparban nagy mennyiségben alkalmazzák a kis sűrűségük és a kedvező mechanikai sajátságaik miatt.

Az alumínium név a latin alumen (timsó) szóból származik, melyet már az ókorban is ismertek.

Története

Elsőként Lavoisier, majd Davy sejtette meg a timsóról, hogy az egy akkor még nem azonosított fém sója lehet, amit Davy nevezett el „alumíniumnak” a timsó angol alum szava után, de érdemben egyiküknek sem sikerült ezt a fémet kinyerniük. Ez először Ørstednek sikerült 1825-ben, majd Wöhler és Deville dolgozott tovább az előállításán. Az 1855. évi párizsi világkiállításon mutatták be a világ első 1 kg tömegű alumíniumtömbjét. Az ezüstösen csillogó fémdarabot „agyagezüstnek” nevezték, mivel agyagszerű ércből sikerült előállítani. Az alumínium ára akkoriban még az aranyéval vetekedett, így eleinte ékszereket készítettek belőle. Végül 1886-ban Charles Martin Hall és Paul Héroult jött rá egymástól függetlenül, hogy kriolitos elektrolízissel nagy mennyiségben előállítható, így az értéke is rohamosan zuhanni kezdett a 20. század elejére.

Jellemzői

Az alumínium puha, vágható, ezüstfehér, porrá törve szürke könnyűfém. A levegő oxigénjével gyorsan reagál, és a felületét védő alumínium-oxid (Al₂O₃) miatt passzív: a tömény savak nem támadják meg. Amfoter jellegű, ebből következik, hogy lúgok (nátrium-hidroxid, kálium-hidroxid) és híg savak (sósav, citromsav, kénsav) is oldják aluminátok, illetve alumínium-sók képződése közben. Ha eltávolítjuk az oxidréteget, reagál vízzel; ekkor alumínium-hidroxid (Al(OH)₃) keletkezik és hidrogéngáz szabadul fel. Az alumíniumtermékeken a védő oxidréteget mesterségesen vastagítják (eloxálás). Az alumíniumedényeket nem jó súrolni, mert a védőréteg nélkül az alumínium reakcióba lép a levegő oxigénjével és víztartalmával.

Fizikai tulajdonságai:

• sűrűsége: 2700 kg/m³,
• olvadáspontja: 660 °C,
• forráspontja: 2519 °C.

Kristályrácsa lapközepes köbös. Nem mágnesezhető. Szakítószilárdsága kicsi. Rosszul önthető. Kiváló hő- és elektromos vezető.

Előfordulása

Az alumínium az oxigén és a szilícium után a földkéreg harmadik leggyakoribb eleme. Nagy kémiai reakcióképessége miatt elemi állapotában nem fordul elő. Fontos összetevője az agyagásványoknak, a bauxitnak, a csillámoknak és számos kőzetalkotó ásványnak, az úgynevezett alumínium-szilikátoknak.

Előállítása

Régebben alumínium-klorid nátriumos redukciójával, a Wöhler-eljárással állították elő:

$\mathrm {AlCl_{3}+3\ Na\rightarrow Al+3\ NaCl} \,\!$

Ma az alumíniumgyártás nyersanyaga a bauxit. A bauxitot először a Bayer-eljárással timfölddé alakítják, tehát az alumínium-oxidot nagy hőmérsékleten, NaOH-oldattal oldják ki. A keletkezett aluminátlúgot ülepítéssel és szűréssel szétválasztják a fel nem oldott nagy vastartalmú maradéktól, a vörösiszaptól. Az oldatból hígítással és hűtéssel választják ki az alumínium-hidroxidot. Ezt szűrik, majd csőkemencében víztelenítik (kalcinálják), aminek eredményeként alumínium-oxid képződik. Ezután a Hall–Héroult-eljárással a timföldhöz kriolitot kevernek, hogy csökkentsék olvadáspontját, majd hevítik, és elektrolízissel alumíniummá redukálják:

$\mathrm {2\ Al_{2}O_{3}\rightarrow 4\ Al+3\ O_{2}} \,\!$

Negatív elektródként grafittal, vagy tiszta szénnel bélelt acél kádakat használnak, és az olvadékba felülről merítik a pozitív pólust, ami szintén szén vagy grafit. Az a pozitív elektródon fejlődő oxigén szén-dioxiddá és (mérgező) szén-monoxiddá oxidálja a szén- vagy grafitelektródot, amit ezért időnként cserélni vagy pótolni kell. Az alumínium a kád alján gyűlik össze.

Vegyületei

Lásd még: Az alumínium vegyületei

Gyakoribb vegyületei:

Képlet	Név
Al2O3	alumínium-oxid, timföld
Al(OH)3	alumínium-hidroxid
Al2Br6	alumínium-bromid
AlCl3	alumínium-klorid
Al2(SO4)3	alumínium-szulfát
Al(NO3)3	alumínium-nitrát
AlPO4	alumínium-foszfát
Na3AlF6	kriolit

Ötvözetei

Fő ötvözői: Cu, Mg, Si járulékos ötvözői: Ni, Mn

• Dúralumínium (vagy dural) ötvözetek (Al-Cu)
• Hidronálium ötvözetek (Al-Mg)
• Szilumin ötvözetek (Al-Si)

Felhasználása

• ötvözetek formájában repülőgépek, gépkocsik gyártására
• csomagolóanyagként (alufólia, üdítős dobozok)
• por alakban
  • redukálószerként fémek előállítására
  • fedőfestékként megfelelő kötőanyaghoz keverve (metál festékek)
• elektromos huzalok gyártása
• szerkezeti elemek gyártása (állványok stb.)
• fémek előállítása (aluminotermia)
• vegyiparban az ellenállóság kihasználása
• timsó
• útjelző táblák

Élettani tulajdonságai

Oldott állapotban a fehérjéket irreverzibilisen kicsapja, ezért sóit, például a timsót (KAl(SO₄)₂·12H₂O) vérzéscsillapítónak használják.

Valószínűleg szerepet játszik az Alzheimer-kór kialakulásában. A szervezetbe került nagyobb mennyiségű alumínium alumíniummérgezést okozhat, amelynek tünetei a következők:

• kiszáradt bőr,
• fejfájás,
• felfúvódás,
• gyomorégés,
• emlékezetvesztés,
• izombénulás,
• zavartság,
• a nyálkahártya kiszáradása,
• megfázásra való hajlam.

Iparilag előállított tiszta alumínium

A timföldből elektrolízissel 99,7% 99,5%-os és 99,0%-os tisztaságú kohóalumíniumot lehet előállítani. Ez jó korrózióállóságú, kis villamos ellenállású, de kis szilárdságú fém. Előnyös tulajdonságai a szennyezők csökkentésével javulnak. Az alumínium finomítását többszöri elektrolízissel végzik. Ezzel a módszerrel 99,99%-os tisztaságú alumínium állítható elő. Ez a művelet igen energiaigényes: 1 kg kohóalumínium előállításához 20 kWh, 1 kg nagytisztaságú alumíniumhoz pedig 39-40 kWh villamos energia szükséges. A tiszta alumínium képlékeny alakíthatósága kitűnő, de nehezen forgácsolható (kenődik).

Nagytisztaságú alumínium

A 99,99%-os alumínium felhasználása lemez, szalag, rúd és huzal formájában történik. Elsősorban a villamosipar, a vegyipar és a műszeripar dolgozza fel. A fém szilárdságát kismennyiségű magnézium ötvözésével javítják, ez nem jár a vezetőképesség, korrózióállás és jó hidegalakíthatóság romlásával.

99,99%-os alumínium és magnézium ötvözetéből készült lemezek szilárdsági tulajdonságai

Anyagminőség		Al 99,99%	Al 99,99%
Jellemzők			+0,73% Mg	+1,6-1,9% Mg	+2,5-3% Mg
Rm N/mm²	lágy	35-60	100	150-180	200-220
	félkemény	70-100	-	-	-
	kemény	110-138	190	200-250	280-300
σF N/mm²	lágy	13-22	35	70-90	110-130
	félkemény	30-60	-	-	-
	kemény	100-128	184	170-210	230-260
δ10 %	lágy	50-40	27,2	26	26
	félkemény	9-5	-	-	-
	kemény	5-4	3,8	4-5	4-5
HB	lágy	12-15	29,2	56	65
	félkemény	18-24	-	-	-
	kemény	25-30	48,4	75	90

Kohóalumínium

A kohóalumíniumot ötvözési célokra 15 kg-os tömbökben, plasztikus feldolgozásra 100–180 kg tömegű hengerlési, illetve préstuskókban hozzák forgalomba.

Kohóalumíniumból készült félgyártmányok szilárdsági tulajdonságai

Anyagminőség		Al 99,7 és Al 99,5				Al 99,3 és Al 99
		lemez	rúd	cső	huzal	lemez	rúd	cső	huzal
Rm N/mm²
	lágy	70	70	70	65-90	80	80	80	65-90
	félkemény	100	90	90	110-160	110	100	100	110-160
	kemény	130	130	140-180	140	140	140	140	140-180
δ10 %	lágy	22	22	22	22	20	22	20	22
	félkemény	6	6	5	4	4,5	5	4	4
	kemény	4	3	2	2	3	3	2	2
HB	lágy	18-25	18-24	-	-	20-30	20-26	-	-
	félkemény	25-35	26-33	-	-	30-38	28-35	-	-
	kemény	35-40	35-38	-	-	38-45	37-42	-	-

Óvintézkedések

Megfelelő tárolás esetén nem reakcióképes, veszélytelen.

Források

• Kémiai kislexikon (Makkay Ferenc, Kriterion Könyvkiadó)
• A Pallas nagy lexikona (Révai Testvérek Budapesten)
• Pattantyús. Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.
• Kémia Általános Iskola 8., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest

További információk

• Az alumínium - muszakiak.hu
• a magyar Wikipédia alumíniumot tartalmazó vegyületeinek listája