Aluminiul este un element chimic cu simbolul Al si numarul atomic 13. Aluminiul are o densitate mai mica decat a celorlalte metale comune, la aproximativ o treime din cea a otelului. Are o mare afinitate fata de oxigen si formeaza un strat protector de oxid la suprafata, atunci cand este expus la aer.
Aluminiul seamana vizual cu argintul, atat prin culoare, cat si prin marea sa capacitate de a reflecta lumina. Este moale, nemagnetic si ductil. Are un izotop stabil, 27Al; acest izotop este foarte comun, ceea ce face din aluminiu al doisprezecelea cel mai comun element din Univers. Radioactivitatea izotopului 26Al este utilizata in radiodatare.
Din punct de vedere chimic, aluminiul este un metal slab din grupul borului; asa cum este obisnuit pentru grup, aluminiul formeaza compusi in principal in starea de oxidare +3. Cationul de aluminiu Al3+ este mic si foarte incarcat; ca atare, este polarizant, iar formele de legaturi de aluminiu tind spre covalenta.
Afinitatea puternica fata de oxigen duce la asocierea comuna a aluminiului cu oxigenul din natura, sub forma de oxizi; din acest motiv, aluminiul se gaseste pe Pamant in principal in rocile din scoarta, unde este al treilea element cel mai abundent dupa oxigen si siliciu.
Descoperirea aluminiului a fost anuntata in 1825 de fizicianul danez Hans Christian Ørsted. Prima productie industriala de aluminiu a fost initiata de chimistul francez Henri Étienne Sainte-Claire Deville in 1856. Aluminiul a devenit mult mai disponibil publicului odata cu procesul Hall–Héroult dezvoltat independent de inginerul francez Paul Héroult si inginerul american Charles Martin Hall in 1886, iar productia de masa a aluminiului a dus la utilizarea pe scara larga a acestuia in industrie si viata de zi cu zi.
In primul si al doilea razboi mondial, aluminiul a fost o resursa strategica cruciala pentru aviatie. In 1954, aluminiul a devenit cel mai produs metal neferos, depasind cuprul. In secolul 21, cea mai mare parte a aluminiului a fost consumata in transport, inginerie, constructii si ambalare in Statele Unite, Europa de Vest si Japonia.
In ciuda prevalentei sale in mediul inconjurator, nici un organism viu nu este cunoscut sa foloseasca sarurile de aluminiu metabolic, dar aluminiul este bine tolerat de plante si animale. Din cauza abundentei acestor saruri, potentialul unui rol biologic pentru ele este de interes continuu, iar studiile continua in acest sens.
Caracteristici fizice
Izotopi
Dintre izotopii de aluminiu, doar 27Al este stabil. Aceasta situatie este comuna pentru elementele cu numar atomic impar. Este singurul izotop primordial de aluminiu, adica singurul care a existat pe Pamant in forma sa actuala, de la formarea planetei. Aproape tot aluminiul de pe Pamant este prezent ca acest izotop, ceea ce il face un element mono-nuclidic si inseamna ca greutatea sa atomica standard este practic aceeasi cu cea a izotopului.
Acest lucru face aluminiul foarte util in rezonanta magnetica nucleara (RMN), deoarece izotopul sau stabil unic are o sensibilitate RMN mare. Greutatea atomica standard a aluminiului este scazuta in comparatie cu a multor alte metale.
Toti ceilalti izotopi ai aluminiului sunt radioactivi. Cel mai stabil dintre acestia este 26Al: desi a fost prezent impreuna cu 27Al stabil in mediul interstelar din care s-a format Sistemul Solar, fiind produs si prin nucleosinteza stelara, timpul sau de injumatatire este de numai 717.000 de ani si, prin urmare, o cantitate detectabila nu a supravietuit de la formarea planetei.
Cu toate acestea, urme minuscule de 26Al sunt produse din argon in atmosfera, prin spalatie cauzata de protonii razelor cosmice. Raportul dintre 26Al si 10Be a fost utilizat pentru radiodatarea proceselor geologice pe scari de timp de 105 pana la 106 ani, in special transportul, depunerea, depozitarea sedimentelor, timpii de ingropare si eroziune.
Majoritatea oamenilor de stiinta cred ca energia eliberata de descompunerea 26Al a fost responsabila pentru topirea si diferentierea unor asteroizi dupa formarea lor, cu 4,55 miliarde de ani in urma.
Izotopii ramasi ai aluminiului, cu numere de masa cuprinse intre 22 si 43, toti au timpi de injumatatire cu mult sub o ora. Sunt cunoscute trei stari metastabile, toate cu timpi de injumatatire sub un minut.
Chimie
Aluminiul combina caracteristicile metalelor pre si post-tranzitie. Deoarece are putini electroni disponibili pentru legarea metalica, precum congenerii sai mai grei din grupa 13, are proprietatile fizice caracteristice ale unui metal post-tranzitie, cu distante interatomice mai mari decat cele asteptate. In plus, deoarece Al3+ este un cation mic si foarte incarcat, se polarizeaza puternic, iar legarea in compusii de aluminiu tinde spre covalenta; acest comportament este similar cu cel al beriliului (Be2+), iar cei doi prezinta un exemplu de relatie diagonala.
Miezul de sub invelisul de valenta al aluminiului este cel al gazului nobil precedent. Prin urmare, electronii interiori ai aluminiului protejeaza electronii de valenta aproape complet, spre deosebire de cei ai congenerilor mai grei ai aluminiului. Ca atare, aluminiul este cel mai electropozitiv metal din grupul sau, iar hidroxidul sau este, de fapt, mai bazic decat cel al galiului.
Aluminiul prezinta, de asemenea, asemanari minore cu borul metaloid din acelasi grup: compusii AlX3 au valenta. In plus, una dintre caracteristicile principale ale chimiei borului este structura icosaedrica obisnuita, iar aluminiul formeaza o parte importanta a multor aliaje cvasicristale icosaedrice, inclusiv clasa Al-Zn-Mg.
Aluminiul are o afinitate chimica ridicata pentru oxigen, ceea ce il face potrivit pentru utilizare ca agent reducator in reactia termica. O pulbere fina de aluminiu metalic reactioneaza exploziv la contactul cu oxigenul lichid; in conditii normale, totusi, aluminiul formeaza un strat subtire de oxid (~5 nm la temperatura camerei) care protejeaza metalul de coroziune ulterioara cu oxigen, apa sau acid diluat, proces numit pasivare.
Datorita rezistentei sale generale la coroziune, aluminiul este unul dintre putinele metale care pastreaza reflectanta argintie sub forma de pulbere fina, facandu-l o componenta importanta a vopselelor de culoare argintie. Aluminiul nu este atacat de acizii oxidanti din cauza pasivarii sale. Acest lucru permite aluminiului sa fie folosit pentru a stoca reactivi precum acidul azotic, acidul sulfuric concentrat si unii acizi organici.
In acidul clorhidric concentrat fierbinte, aluminiul reactioneaza cu apa cu degajare de hidrogen, iar in hidroxid de sodiu sau hidroxid de potasiu apos la temperatura camerei, formeaza aluminati — pasivarea protectoare in aceste conditii este neglijabila. Aluminiul este corodat de clorurile dizolvate, cum ar fi clorura de sodiu comuna, motiv pentru care instalatiile sanitare de uz casnic nu sunt niciodata fabricate din aluminiu.
Stratul de oxid de pe aluminiu este de asemenea distrus prin contactul cu mercurul din cauza amalgamarii sau cu sarurile unor metale electropozitive. Ca atare, cele mai puternice aliaje de aluminiu sunt mai putin rezistente la coroziune datorita reactiilor galvanice cu cuprul aliat, iar rezistenta la coroziune a aluminiului este mult redusa de sarurile apoase, in special in prezenta unor metale diferite.
Aluminiul reactioneaza cu majoritatea nemetalelor la incalzire, formand compusi precum nitrura de aluminiu (AlN), sulfura de aluminiu (Al2S3) si halogenurile de aluminiu (AlX3). De asemenea, formeaza o gama larga de compusi intermetalici care implica metale din fiecare grup de pe tabelul periodic.
Aplicatii
Metal
Productia globala de aluminiu in 2016 a fost de 58,8 milioane de tone metrice. A depasit-o pe cea a oricarui alt metal, cu exceptia fierului (1.231 milioane de tone metrice).
Aluminiul este aproape intotdeauna aliat, ceea ce ii imbunatateste considerabil proprietatile mecanice, mai ales cand este temperat. De exemplu, foliile obisnuite de aluminiu si cutiile de bautura sunt aliaje de 92% pana la 99% aluminiu. Principalii agenti de aliere sunt cuprul, zincul, magneziul, manganul si siliciul (de exemplu, duraluminiu), cu nivelurile altor metale in cateva procente din greutate.
Aluminiul, atat forjat, cat si turnat, a fost aliat cu: mangan, siliciu, magneziu, cupru si zinc, printre altele. De exemplu, familia de aliaje Kynal a fost dezvoltata de producatorul britanic de produse chimice Imperial Chemical Industries.
Principalele utilizari ale aluminiului metalic sunt in:
- Transport (automobile, avioane, camioane, vagoane de cale ferata, nave maritime, biciclete, nave spatiale etc.). Aluminiul este utilizat din cauza densitatii sale scazute;
- Ambalaj (cutii, folie, rama etc.). Aluminiul este utilizat deoarece este netoxic, neadsorbtiv si rezistent la aschii;
- Constructii (ferestre, usi, siding, sarma de constructie, invelisuri, acoperisuri etc.). Deoarece otelul este mai ieftin, aluminiul este utilizat atunci cand usurinta, rezistenta la coroziune sau caracteristicile de inginerie sunt importante;
- Utilizari legate de electricitate (aliaje de conductoare, motoare si generatoare, transformatoare, condensatoare etc.). Aluminiul este folosit deoarece este relativ ieftin, foarte conductiv, are o rezistenta mecanica adecvata, o densitate scazuta si rezista la coroziune;
- Este folosit intr-o gama larga de articole de uz casnic, de la ustensile de gatit pana la mobilier. Densitatea scazuta, aspectul bun, usurinta de fabricare si durabilitatea sunt factorii cheie ai utilizarii aluminiului;
- Masini si echipamente (echipamente de prelucrare, tevi, unelte). Aluminiul este utilizat din cauza rezistentei sale la coroziune, non-piroforicitatii si rezistentei mecanice.
- Carcase pentru computere portabile. In prezent, este rar folosit fara aliaje, dar aluminiul poate fi reciclat, iar aluminiul curat are o valoare reziduala de piata: de exemplu, materialul folosit pentru cutii de bauturi (UBC) a fost folosit pentru a acoperi componentele electronice ale laptopului MacBook Air, smartphone-ului Pixel 5 sau Summit.
Efecte asupra mediului
Aluminiul din aer este spalat de ploaie sau in mod normal se stabileste pe sol, dar mici particule de aluminiu raman in aer pentru o lunga perioada de timp.
Precipitatiile acide sunt principalul factor natural de mobilizare a aluminiului din surse naturale si principalul motiv pentru efectele asupra mediului ale aluminiului; cu toate acestea, principalul factor de prezenta a aluminiului in apa sarata si dulce sunt procesele industriale care de asemenea elibereaza aluminiu in aer.
In apa, aluminiul actioneaza ca un agent toxic asupra animalelor care respira prin branhii, cum ar fi pestii, atunci cand apa este acida, in care aluminiul poate precipita pe branhii, ceea ce determina pierderea ionilor de plasma si hemolimfa ducand la insuficienta osmoreglatoare. Complexele organice de aluminiu pot fi absorbite cu usurinta si pot interfera cu metabolismul la mamifere si pasari, chiar daca acest lucru se intampla rar in practica.
Aluminiul este principal printre factorii care reduc cresterea plantelor pe solurile acide. Desi este in general inofensiv pentru cresterea plantelor in soluri cu pH neutru, in solurile acide concentratia de cationi toxici Al3+ creste si perturba cresterea si functionarea radacinilor. Graul a dezvoltat o toleranta la aluminiu, eliberand compusi organici care se leaga de cationii nocivi de aluminiu. Se crede ca sorgul are acelasi mecanism de toleranta.
Productia de aluminiu are propriile provocari pentru mediu in fiecare etapa a procesului de productie. Provocarea majora o reprezinta emisiile de gaze cu efect de sera. Aceste gaze rezulta din consumul electric al topitoriilor si al produselor secundare ale prelucrarii. Cele mai puternice dintre aceste gaze sunt perfluorocarburile din procesul de topire. Dioxidul de sulf eliberat este unul dintre principalii precursori ai ploii acide.
Un raport stiintific spaniol din 2001 a sustinut ca ciuperca Geotrichum candidum, consuma aluminiul din discurile compacte. Toate celelalte rapoarte ulterioare se refera la acel raport si nu exista nicio cercetare originala care sa sustina acest studiu. Mai bine documentate, bacteria Pseudomonas aeruginosa si ciuperca Cladosporium resinae sunt detectate in mod obisnuit in rezervoarele de combustibil ale avioanelor care folosesc combustibili pe baza de kerosen (nu avgas), iar in culturile de laborator, pot degrada aluminiul.
Cu toate acestea, aceste forme de viata nu ataca sau consuma direct aluminiul; mai degraba, metalul este corodat de deseurile microbiene.
