Químicamente, o aluminio é un metal de postransición do grupo do boro; como é habitual no grupo, o aluminio forma compostos principalmente no estado de oxidación +3. O catión Al3+ é pequeno e está moi cargado; como tal, é polarizante, e as ligazóns que forma o aluminio tenden cara á covalencia. A forte afinidade cara ao osíxeno fai que o aluminio se asocie comunmente co osíxeno na natureza en forma de óxidos; Por esta razón, o aluminio atópase principalmente nas rochas da codia terrestre, máis que no manto, onde é o terceiro elemento máis abundante, despois do osíxeno e o silicio e practicamente nunca como metal libre. Obtense industrialmente mediante a extracción de bauxita, unha rocha sedimentaria rica en minerais de aluminio.
O descubrimento do aluminio foi anunciado en 1825 polo físico danés Hans Christian Ørsted. A primeira produción industrial de aluminio foi iniciada polo químico francés Henri Étienne Sainte-Claire Deville en 1856. O aluminio fíxose moito máis accesible ao público co proceso Hall-Héroult desenvolto de forma independente polo enxeñeiro francés Paul Héroult e o enxeñeiro estadounidense Charles Martin Hall en 1886, e a produción masiva de aluminio conduciu ao seu amplo uso na industria e na vida cotiá. Na I e II guerra mundial, o aluminio foi un recurso estratéxico crucial para a aviación. En 1954, o aluminio converteuse no metal non ferroso máis producido no mundo, superando ao cobre. No século XXI, a maior parte do aluminio consumíase en transporte, enxeñería, construción e envasado nos Estados Unidos, Europa Occidental e o Xapón.
A pesar da súa prevalencia no medio ambiente, non se coñece ningún organismo vivo que utilice sales de aluminio para o seu metabolismo, pero o aluminio é ben tolerado por plantas e animais. Dada a abundancia destes sales, a súa posible función biolóxica suscita interese e séguense realizando estudos respecto diso.
A súa lixeireza, condutividade eléctrica, resistencia á corrosión e baixo punto fusión convérteno nun material idóneo para multitude de aplicacións, especialmente en aeronáutica. Así a todo, a elevada cantidade de enerxía necesaria para a súa obtención dificulta a súa maior utilización; dificultade que pode compensarse polo seu baixo custo de reciclado, a súa dilatada vida útil e a estabilidade do seu prezo.
Características principais
Cacho de aluminio.
O aluminio é un metal lixeiro, brando pero resistente, de aspecto gris prateada. A súa densidade é aproximadamente un terzo da do aceiro ou do cobre. É moi maleable e dúctil e é apto para o mecanizado e a aliaxe. Debido á súa elevada calor de oxidación fórmase rapidamente ao aire unha fina capa superficial de óxido de aluminio (Al₂O₃)impermeable e adherente que detén o proceso de oxidación proporcionándolle resistencia á corrosión e durabilidade. Esta capa protectora pode ser ampliada por electrólise en presenza de oxalatos.
O aluminio ten características anfóteras. Isto significa que se disolve tanto en ácidos (formando sales de aluminio) como en bases fortes (formando aluminatos co anión [Al(OH)₄]- liberando hidróxeno.
O principal e case único estado de oxidación do aluminio é III como é de esperar polos seus tres electróns na capa de valencia (Véxase metal pesado).
Características físicas
Isótopos
Dos isótopos do aluminio, só o Al27 é estable. Esta situación é común para os elementos con número atómico impar.[n. 1] É o único isótopo primordial do aluminio, é dicir, o único que existiu na Terra na súa forma actual desde a formación do planeta. Case todo o aluminio da Terra está presente como este isótopo, o que o converte nun elemento mononucleídico e significa que o seu peso atómico estándar é practicamente o mesmo que o do isótopo. Isto fai que o aluminio sexa moi útil en resonancia magnética nuclear (RMN), xa que o seu único isótopo estable ten unha alta sensibilidade á RMN.[3] O peso atómico estándar do aluminio é baixo en comparación con moitos outros metais.[n. 2]
Todos os demais isótopos do aluminio son radioactivos. O máis estable deles é o 26Al: que aínda que estaba presente xunto co 27Al estable no medio interestelar a partir do cal se formou o sistema solar, ao ser producido tamén por nucleosíntese estelar, a súa vida media é de só 717.000 anos e, polo tanto, non sobreviviu unha cantidade detectable desde a formación do planeta.[5] Con todo, prodúcense diminutas trazas de 26Al a partir do argon na atmosfera por espalación causada por protóns de raios cósmicos. A relación entre 26Al e 10Be utilizouse para a radiodatación de procesos xeolóxicos de máis de 105 a 106 anos, en particular o transporte, a deposición, o almacenamento de sedimentos, os tempos de enterramento e a erosión.[6] A maioría dos científicos especializados en meteoritos cren que a enerxía liberada pola desintegración do 26Al foi responsable da fusión e diferenciación dalgúns asteroides tras a súa formación fai 4.550 millóns de anos.[7]
Os demais isótopos do aluminio, con número másico entre 22 e 43, teñen vidas medias moi inferiores a unha hora. Coñécense tres estados metaestables, todos con vidas medias inferiores a un minuto.[2]
Capa electrónica
Un átomo de aluminio ten 13 electróns, dispostos nunha configuración electrónica de [ Ne ]3s2 3p1,[8] con tres electróns máis aló dunha configuración estable de gas nobre. En consecuencia, as tres primeiras enerxías de ionización combinadas do aluminio son moi inferiores á cuarta enerxía de ionización por si soa.
[9] Esta configuración electrónica é compartida cos outros membros ben caracterizados do seu grupo, boro, galio, indio e talio; tamén é esperable para o nihonio. O aluminio pode ceder os seus tres electróns máis externos en moitas reaccións químicas (véxase abaixo). A electronegatividade do aluminio é 1,61 (escala de Pauling).[10]
Un átomo de aluminio libre ten un radio de 143 pm.[11] Cos tres electróns máis externos eliminados, o radio redúcese a 39 pm para un átomo de 4 coordenadas ou a 53,5 pm para un átomo de 6 coordenadas.[11] En temperatura e presión estándar, os átomos de aluminio (cando non están afectados por átomos doutros elementos) forman un sistema cristalino cúbico centrado nas caras unidos por ligazóns metálicoas proporcionadas polos electróns máis externos dos átomos; polo tanto, o aluminio (nestas condicións) é un metal.[12] Este sistema cristalino é compartido por moitos outros metais, como o chumbo e o cobre; o tamaño dunha cela unitaria de aluminio é comparable ao deses outros metais.[12] Con todo, este sistema non é compartido polos demais membros do seu grupo; o boro ten enerxías de ionización demasiado altas para permitir a metalización, o talio ten unha estrutura compacta hexagonal, e o galio e o indio teñen estruturas pouco comúns que non son de paquete pechado como as do aluminio e o talio. Os poucos electróns dispoñibles para a ligazón metálica no aluminio metálico son unha causa probable de que sexa brando, cun baixo punto de fusión e unha baixa resistividade eléctrica.[13]
Propiedades
O aluminio metálico ten un aspecto que vai do branco prateado ao gris apagado, dependendo da rugosidade da superficie.[a] Os espellos de aluminio son os máis reflectores de todos os espellos metálicos para a luz ultravioleta próxima e a infravermella afastada, e un dos máis reflectantes do espectro visible, case á par da prata, polo que os dous se parecen. . O aluminio tamén é bo para reflectir a radiación solar, aínda que a exposición prolongada á luz solar no aire engade desgaste á superficie do metal; isto pódese evitar se o aluminio é anodizado, o que engade unha capa protectora de óxido na superficie.
A densidade do aluminio é de 2,70 g/cm3, aproximadamente 1/3 da do aceiro, moi inferior á doutros metais habituais, o que fai que as pezas de aluminio sexan facilmente identificables pola súa lixeireza.[16] A baixa densidade do aluminio en comparación coa maioría dos demais metais débese a que os seus núcleos son moito máis lixeiros, mentres que a diferenza no tamaño da cela unitaria non compensa esta diferenza. Os únicos metais máis lixeiros son os metais de grupos 1 e 2, que á parte do berilio e o magnesio son demasiado reactivos para o seu uso estrutural (e o berilio é moi tóxico)..[17] O aluminio non é tan forte ou ríxido como o aceiro, pero a súa baixa densidade compénsao na industria aeroespacial e en moitas outras aplicacións nas que o peso lixeiro e unha resistencia relativamente alta son cruciais.[18]
O aluminio é un excelente condutor térmico e eléctrico, cun 60% da condutividade do cobre, tanto térmica como eléctrica, e só un 30% da densidade do cobre.[23] O aluminio é capaz de ser superconductivo, cunha temperatura crítica superconductora de 1,2 kelvin e un campo magnético crítico duns 100 gauss (10 militeslas).[24] É paramagnético e, polo tanto, esencialmente inafectado por campos magnéticos estáticos.[25] A alta condutividade eléctrica, con todo, significa que se ve fortemente afectado por campos magnéticos alternos a través da indución de correntes parásitas.[26]
Química
O aluminio combina características dos metais anteriores e posteriores á transición. Ao ter poucos electróns dispoñibles para a ligazón metálica, como os seús conxéneres máis pesados do grupo 13, posúe as propiedades físicas características dun metal de postransición, con distancias interatómicas máis longas do esperado.[13] Además, como Al3+ é un catión pequeno e moi cargado, é fortemente polarizante e a ligazón nos compostos de aluminio tende cara á covalencia;[27] este comportamento é similar ao do berilio (Be2+), e ambos mostran un exemplo de relación diagonal.[28]
O núcleo subxacente baixo a casca de valencia do aluminio é o do gas nobre anterior, mentres que as dos seus conxéneres máis pesados galio, indio, talio e nihonio tamén inclúen unha subcáscara "d" rechea e, nalgúns casos, unha subcáscara "f" rechea. Polo tanto, os electróns internos do aluminio protexen aos electróns de valencia case por completo, a diferenza dos conxéneres máis pesados do aluminio. Como tal, o aluminio é o metal máis electropositivo do seu grupo, e o seu hidróxido é, de feito, máis básico que o do galio.[27][n. 3] O aluminio tamén presenta pequenas similitudes co metaloide boro do mesmo grupo: Os compostos AlX3 son isoelectrónicos de valencia aos compostos BX3 (teñen a mesma estrutura electrónica de valencia), e ambos se comportan como ácidos de Lewiss e forman facilmente adutos.[29] Ademais, un dos principais motivos da química do boro son as estruturas icosaédricas irregulares, e o aluminio forma unha parte importante de moitas aliaxes cuasicristais icosaédricas, incluída a clase Al-Zn-Mg.[30]
O aluminio ten unha gran afinidade química co osíxeno, o que o fai adecuado para o seu uso como axente redutor na reacción de termita. Un po fino de metal de aluminio reacciona explosivamente en contacto con oxíxeno líquido; con todo, en condicións normais, o aluminio forma unha fina capa de óxido (5 nm a temperatura ambiente).[31] que protexe o metal da corrosión por osíxeno, auga ou ácido diluído, un proceso denominado pasivación.[27][32] Debido á súa resistencia xeral á corrosión, o aluminio é un dos poucos metais que conserva a reflectancia prateada en forma de po fino, o que o converte nun compoñente importante das pinturas de cor prata.[33] O aluminio non é atacado polos ácidos oxidantes debido ao seu pasivación. Isto permite utilizar o aluminio para almacenar reactivos como o ácido nítrico, o ácido sulfúrico concentrado e algúns ácidos orgánicos.[34]
En ácido clorhídrico concentrado quente, o aluminio reacciona coa auga con evolución de hidróxeno, e en hidróxido de sodio ou hidróxido de potasio acuosos a temperatura ambiente para formar aluminatos-a pasivación protectora nestas condicións é insignificante.[35] A auga rexia tamén disolve o aluminio.[34] O aluminio se corroe cos cloruros disoltos, como o cloruro sódico común, razón pola cal as tubaxes domésticas nunca se fabrican con aluminio..[35] A capa de óxido do aluminio tamén se destrúe por contacto con mercurio debido a amalgamación ou con sales dalgúns metais electropositivos.[36] Por iso, as aliaxes de aluminio máis resistentes son menos resistentes á corrosión debido ás reaccións de galvánicas con cobre aleado,[20] e a resistencia á corrosión do aluminio vese moi reducida polas sales acuosas, sobre todo en presenza de metais distintos.[13]
O aluminio reacciona coa maioría dos non metais ao quentarse, formando compostos como o nitruro de aluminio (AlN), o sulfuro de aluminio (Al2S3) e os haluros de aluminio (AlX3). Tamén forma unha ampla gama de compostos intermetálicos nos que interveñen metais de todos os grupos da táboa periódica.[36]
Aplicacións
Xa sexa considerando a cantidade ou o valor do metal empregado, o seu uso excede ao do calquera outro exceptuando o aceiro, e é un material importante en multitude de actividades económicas.
O aluminio puro é brando e fráxil, pero as súas aliaxes con pequenas cantidades de cobre, manganeso, silicio, magnesio e outros elementos presentan unha gran variedade de características adecuadas ás máis diversas aplicacións. Estas aliaxes constitúen o compoñente principal de multitude de compoñentes dos avións e foguetes, nos cales o peso é un factor crítico.
Cando se evapora aluminio no baleiro, forma un revestimento que reflicte tanto a luz visible como a infravermella; ademais a capa de óxido que se forma impide a deterioración do recubrimento, por esta razón empregouse para revestir os espellos de telescopios, en substitución da prata.
Dada a súa gran reactividade química, finamente pulverizado úsase como combustible sólido de foguetes e para aumentar a potencia de explosivos, como ánodo de sacrificio e en procesos de aluminotermia (termita) para a obtención de metais.
Outros usos do aluminio son:
Transporte, como material estrutural en avións, automóbiles, tanques, superestruturas de buques, blindaxes etc.
Construción; fiestras, portas, perfís estruturais, cubertas etc.
Bens de uso; utensilios de cociña, ferramentas etc.
Transmisión eléctrica. Aínda que a súa condutividade eléctrica é tan só o 60% da do cobre a súa maior lixeireza permite unha maior separación das torres de alta tensión, diminuíndo os custos da infraestrutura.
Recipientes crioxénicos (ata -200 °C, xa que non presenta temperatura de trancisión (dúctil a fráxil) como o aceiro, así a tenacidade do material é mellor a baixas temperaturas, calderería.
Os sales de aluminio dos ácidos graxos (p. ex. o estearato de aluminio) forman parte da formulación do napalm.
Os hidruros complexos de aluminio son redutores valurosos en síntese orgánica.
Os haluros de aluminio teñen características de ácido Lewis e son utilizados como tales como catalizadores ou reactivos auxiliares.
Tanto en Grecia como en Roma empregábase o alume (do latínalūmen, -ĭnis, alume), un sal dobre de aluminio e potasio, en tintorería e como adstrinxente en medicina, uso aínda en vigor.
En 1761, Guyton de Morveau suxeríu chamar "alumine" á base do alume. En 1808Humphry Davy identificou a existencia dunha base de metal no alume, que nun principio chamou "alumium", pero máis tarde decidiu cambialo por aluminium por coherencia coa maioría dos nomes de elementos, que usan o sufixo -ium. Deste derivaron os nomes actuais noutros idiomas; no entanto, nos EEUU co tempo se popularizou o uso da primeira forma, hoxe tamén admitida pola IUPAC aínda que prefire a outra.
Antes de que fose desenvolvido o proceso Hall-Héroult a finais da década de 1880, o aluminio era moi difícil de extraer dos seus diversos minerais. Isto facía ao aluminio puro máis valioso que o ouro. Barras de aluminio foron exhibidas na Exposición Universal de 1855.
Abundancia e obtención
Aínda que o aluminio é un material moi abundante na codia terrestre (8,1%) raramente se atopa libre. As súas aplicacións industriais son relativamente recentes, producíndose a escala industrial dende finais do século XIX. Cando foi descuberto atopouse que era extremadamente difícil a súa separación das rochas das que formaba parte, polo que durante un tempo foi considerado un metal precioso, máis caro có ouro; así a todo, coas melloras dos procesos os prezos baixaron continuamente ata colapsarse en 1889 tras descubrirse un método sinxelo de extracción do metal. Actualmente, un dos factores que estimula o seu uso é a estabilidade do seu prezo.
As primeiras sínteses do metal baseáronse na redución do cloruro de aluminio con potasio elemental. En 1859Henri Sainte-Claire Deville publicou dúas melloras ao proceso de obtención ao substituír o potasio por sodio e o cloruro simple por dobre; posteriormente, a invención do proceso Hall-Héroult en 1886 abaratou o proceso de extracción do aluminio a partir do mineral, o que permitiu, xunto co proceso Bayer do mesmo ano, que se estendese o seu uso ata facerse común en multitude de aplicacións.
A recuperación do metal a partir da chatarra (reciclado) era unha práctica coñecida dende principios do século XX. É, así a todo, a partir da década de 1960 cando se xeneraliza, máis por razóns medioambientais que estritamente económicas.
O proceso ordinario de obtención do metal consta de dúas etapas, a obtención de alumina polo proceso Bayer a partir da bauxita, e posterior electrólise do óxido para obter o aluminio.
A elevada reactividade do aluminio impide extraelo da alumina mediante redución, sendo necesaria a electrólise do óxido, o que esixe á súa vez que este se atope en estado líquido. No entanto, a alumina ten un punto de fusión de 2000 °C, excesivamente alta para acometer o proceso de forma económica polo que era disolta en criolita fundida, o que diminuía a temperatura ata os 1000 °C. Actualmente, a criolita substitúese cada vez máis pola ciolita un fluoruro artificial de aluminio, sodio e calcio.
O aluminio ten nove isótopos cuxas masas atómicas varían entre 23 e 30 uma. Tan só o Al-27, estable, e Al-26, radioactivo cunha vida media de 0,72×106 anos, atópanse na natureza. O Al-26 prodúcese na atmosfera ao ser bombardeado o argon con raios cósmicos e protóns. Os isótopos de aluminio teñen aplicación práctica na datación de sedimentos mariños, xeos glaciares, meteoritos etc. A relación Al-26/Be-10 empregouse na análise de procesos de transporte, deposición, sedimentación e erosión a escalas de tempo de millóns de anos.
O Al-26 cosmoxénico aplicouse primeiro nos estudos da Lúa e os meteoritos. Estes últimos atópanse sometidos a un intenso bombardeo de raios cósmicos durante a súa viaxe espacial, producíndose unha cantidade significativa da Al-26. Tralo seu impacto contra a Terra, a atmosfera, que filtra os raios cósmicos, detén a produción da Al-26 permitindo determinar a data en que o meteorito caeu.
O aluminio é un dos poucos elementos abundantes na natureza que parecen non ter ningunha función biolóxica beneficiosa. Algunhas persoas manifestan alerxia ao aluminio, sufrindo dermatite por contacto, e ata desordes dixestivas ao inxerir alimentos cociñados en recipientes de aluminio; para o resto de persoas, non se considera tan tóxico coma os metais pesados, aínda que existen evidencias de certa toxicidade se se consome en grandes cantidades. O uso de recipientes de aluminio non se atopou que carrexe problemas de saúde, estando estes relacionados co consumo de antiácidos ou antitranspirantes que conteñen aluminio. Suxeriuse que o aluminio pode estar relacionado co Alzhéimer, aínda que a teoría foi refugada.
A toxicidade do aluminio inxerido cos alimentos é obxecto de estudo [37] e parece estar máis relacionado coa biodispoñibilidade que coa propia concentración do elemento no alimento. Son as características dos alimentos os que determinan a forma na que se descompón no intestino e as substancias químicas que se liberan. Comprobouse igualmente que, no caso do aluminio, existe un nivel de saturación a partir do cal aínda que se aumente a concentración do elemento non aumenta a cantidade absorbida.
Reciclaxe
O aluminio non cambia as súas características químicas durante o reciclado. O proceso pódese repetir indefinidamente e os obxectos de aluminio pódense fabricar enteiramente con material reciclado.
Moitos refugallos de aluminio como as latas pódense prensar doadamente, reducindo o seu volume e facilitando o seu almacenamento e transporte, as latas usadas de aluminio teñen o valor máis alto de tódolos residuos de envases e embalaxes, o cal é un incentivo para a súa recuperación.
Algúns beneficios do reciclaxe de aluminio son:
Ao utilizar aluminio recuperado no proceso de fabricación de novos produtos existe un aforro de enerxía do 95% respecto de se utilizase materia curmá virxe (bauxita).
O proceso de reciclado é normalmente doado, xa que os obxectos de aluminio refugados están compostos normalmente só de aluminio polo que non se require unha separación previa doutros materiais.
Un residuo de aluminio é doado de manexar: é lixeiro, non se rompe, non arde e non se oxida, polo mesmo é tamén doado de transportar.
O aluminio é un material cotizado e rendible cun mercado importante a nivel mundial, polo que todo o aluminio recolleito ten garantido o seu reciclado.
A reciclaxe de aluminio produce beneficios xa que proporciona unha fonte de ingresos e ocupación para a man de obra non cualificada.
Accións emprendidas
Moitas persoas nos países en desenvolvemento se dedican á recolección de aluminio de refugallo, principalmente latas, polo que contribúen á reciclaxe deste metal. Outras persoas fano por conciencia ambiental; en moitas partes do mundo organizacións comunais, supermercados, escolas e tendas de tódolos tamaños contan cun programa de reciclaxe de aluminio.
Notas
↑Ningún elemento con número atómico impar ten máis de dous isótopos estables; os elementos con número par teñen múltiples isótopos estables, sendo o estaño (elemento 50) o que ten o maior número de isótopos estables de todos os elementos, dez. A única excepción é o berilio, que é par pero só ten un isótopo estable.[2]
↑A maioría dos demais metais teñen pesos atómicos estándar maiores: por exemplo, o do ferro é 55845; o do cobre 63546; o do chumbo 207.2.[4] que ten consecuencias para as propiedades do elemento (consulte abaixo)
↑De feito, o comportamento electropositivo do aluminio, a súa alta afinidade polo osíxeno e o seu potencial de eléctrodo estándar altamente negativo están mellor aliñados cos do escandio, itrio, lantano e actinio, que do mesmo xeito que o aluminio teñen tres electróns de valencia fóra dun núcleo de gas nobre; esta serie mostra tendencias continuas mentres que as do grupo 13 rompe pola primeira subcáscara d engadida no galio e a consecuente contracción do bloque d e a primeira subcáscara f engadida no talio e a consecuente contracción do lantánido..[27]
↑As dúas caras do papel de aluminio difiren no seu brillo: unha é brillante e a outra mate. Esta diferenza débese aos pequenos danos mecánicos que se producen na superficie da cara mate durante o proceso tecnolóxico de fabricación do papel de aluminio.[14] Ambas as caras reflicten cantidades similares de luz visible, pero a cara brillante reflicte unha proporción moito maior de luz visible especularmente, mentres que a cara opaca reflicte case exclusivamente luz difusa. Ambas as caras do papel de aluminio son boas reflectoras (aproximadamente o 86%) da luz visible e excelentes reflectoras (ata o 97%) da radiación infravermella media e afastada.[15]
↑Thomas Prohaska EMAIL logo , Johanna Irrgeher , Jacqueline Benefield , John K. Böhlke , Lesley A. Chesson , Tyler B. Coplen , Tiping Ding , Philip J. H. Dunn ORCID logo , Manfred Gröning , Norman E. Holden , Harro A. J. Meijer , Heiko Moossen , Antonio Possolo , Yoshio Takahashi , Jochen Vogl , Thomas Walczyk , Jun Wang , Michael E. Wieser , Shigekazu Yoneda , Xiang-Kun Zhu e Juris Meija (4 de maio de 2022). De Gruyter, ed. "Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report)". Consultado o 1 de maio do 2023.
↑"Aluminium". The Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights. Arquivado dende o orixinal o 23 de setembro de 2020. Consultado o 1 de maio do 2023.
↑Hatch, John E. (1984). Aluminum : properties and physical metallurgy. Metals Park, Ohio: American Society for Metals, Aluminum Association. p. 242. ISBN978-1-61503-169-6. OCLC759213422.
↑Food Standards Agency: Assessing the bio-availability of Aluminium and Manganese in food products by using in vitro gastro-intestinal models. Earth, Environmental and Life Sciences, 2011 [1][Ligazón morta]
