Aluminium

Aluminium er et grunnstoff med atomnummer 13 og kjemisk symbol Al.

Aluminium
Basisdata
Navn		Aluminium
Symbol		Al
Atomnummer		13
Utseende		sølvhvit
Plass i periodesystemet
Gruppe		13
Periode		3
Blokk		p
Kjemisk serie		metall
Atomegenskaper
Atomvekt		26,981538 u
Empirisk atomradius		125 pm
Kalkulert atomradius		118 pm
Kovalent atomradius		118 pm
Elektronkonfigurasjon		[Ne] 3s2 3p1
Elektroner per energinivå		2, 8, 3
Oksidasjonstilstander		3
Krystallstruktur		kubisk flatesentrert
Fysiske egenskaper
Stofftilstand		fast stoff
Smeltepunkt		660,32 °C
Kokepunkt		2 467 °C
Molart volum		10,00 · 10-6 m³/mol
Tetthet		2 700 kg/m³
Hardhet		2,75 (Mohs skala)
Fordampningsvarme		293,4 kJ/mol
Smeltevarme		10,79 kJ/mol
Damptrykk		2,42 · 10−6 Pa
Lydfart		5 000 m/s
Diverse
Elektronegativitet etter Pauling-skalaen		1,61
Spesifikk varmekapasitet		900 J/(kg · K)
Elektrisk ledningsevne		37,7 · 106 S/m
Termisk konduktivitet		237 W/(m · K)
SI-enheter & STP er brukt, hvis ikke annet er nevnt. MV = Manglende verdi.

Historie

Oldtidens grekere og romere kjente til aluminiumsalter, men først i 1808 ble metallet aluminium identifisert av den engelske kjemikeren Humphry Davy. Friedrich Wöhler er vanligvis kreditert som stoffets oppdager da han i 1827 isolerte aluminium i ren form. Den danske fysikeren og kjemikeren Hans Christian Ørsted fremstilte aluminium 2 år tidligere, men i relativt uren form. Pierre Berthier oppdaget aluminium i bauksitt og greide å utvinne det. I 1846 forbedret franskmannen Henri Etienne Sainte-Claire Deville metoden Wöhler hadde brukt, og beskrev dette i 1859 i boken «De l'aluminium, ses propriétés, sa fabrication».

Før dagens fremstillingsprosess ble utviklet, var aluminium meget vanskelig å utvinne. Dette gjorde at rent aluminium var dyrere enn gull. Aluminiumsbarrer ble utstilt sammen med de franske kronjuvelene ved verdensutstillingen Exposition Universelle, Paris i 1855, og Napoleon III av Frankrike skal etter sigende ha hatt et sett med aluminiumstallerkener reservert for sine mest betydningsfulle gjester.

Etymologi

Humphry Davy foreslo å kalle stoffet for alumium, og senere aluminum etter mineralet alumina (aluminiumoksid). I 1812 skrev en leser et innlegg i det britiske tidsskriftet «Quarterly Review» der han foreslo aluminium som hadde en mer «klassisk klang» enn aluminum. Amerikanerne innførte navnet aluminium siden det passet inn i standardformatet i periodesystemet. I «Websters Dictionary» fra 1828 heter grunnstoffet aluminium, men i 1892 brukte Charles Martin Hall navnet aluminum i en reklame for sin nye elektrolysemetode for fremstilling av aluminium, på tross av at stavemåten med -ium var brukt på patentsøknadene hans. Stavemåten aluminium blir i Nord-Amerika referert til som «britisk stavemåte».

Aluminiumatomets elektronskall

Egenskaper

Aluminium er et metallisk grunnstoff med en sølvfarget glans. I kontakt med luft dannes et tynt oksidasjonssjikt på overflaten som forhindrer videre korrosjon. Aluminium veier omtrent en tredjedel av stål og kobber.

I ren form er aluminium mykt og har lav styrke. For de fleste anvendelser benyttes derfor aluminiumlegeringer som er smibare og lette å bearbeide i maskiner og ved støpning. Aluminium har utmerket korrosjonsmotstand og holdbarhet. Det er ikke magnetisk.

Isotoper

Naturlig forekommende aluminium består utelukkende av den stabile isotopen ²⁷Al. I tillegg er 21 kunstig fremstilte ustabile (og dermed radioaktive) isotoper kjent. Den mest stabile av disse er ²⁶Al med halveringstid 717 000 år. Alle de resterende isotopene har halveringstider kortere enn 5 minutter, og de fleste kortere enn 10 sekunder.^[1]

CAS-nummer: 7429-90-5

Forekomst

Aluminium finnes i en rekke mineraler, blant andre feltspat – som er et av de vanligste mineralene i jordskorpen. Ren aluminium fremstilles fra jordartene bauksitt (bauxitt) og lateritt.

I 2007 var verdensproduksjonen på 38 millioner tonn. De største produsentlandene var Kina (12 millioner tonn), Russland (4,2 millioner tonn), Canada (3,1 millioner tonn) og USA (2,6 millioner tonn). Norge produserte i 2007 1,1 millioner tonn, og havnet på 8.-plass på listen over verdens største aluminiumsprodusenter. Det ble i 2007 gjenvunnet omkring 3,5 millioner tonn aluminium.^[2]

Fremstilling

Aluminiumsbarre

Aluminium er et av de vanligste elementene i jordskorpa, men er likevel svært sjeldent å finne i metallisk form. Årsaken er at aluminium er et svært reaktiv grunnstoff som danner en kraftig kjemisk binding med oksygen. En eventuell direkte reduksjon av aluminiumoksid til aluminium ved hjelp av karbon (karbotermisk), som er en vanlig prosess for flere andre metaller, vil derfor ikke være mulig fordi aluminium har en sterkere oksygen-affinitet enn karbonet.

Det er imidlertid en teoretisk mulighet for å utnytte at det dannes aluminiumkarbid (Al₄C₃) som mellomtrinn i den karbotermiske reaksjonen. Aluminiumkarbidet kan gi aluminium metall ved temperaturer på mellom 1 900 og 2 000 °C

Den industrielle framstillingen av aluminium foregår i dag ved elektrolyse i en flytende saltløsning, også kalt «bad» eller «smelte». Aluminiumoksid i pulverform løses da opp i et «bad» som stort sett består av kryolitt, aluminiumfluorid og kalsiumfluorid ved en temperatur på rundt 950-960 °C.

Kryolitt fins som et naturlig mineral i små mengder på Grønland og var i sin tid nøkkelen til Hall-Heroultprosessens suksess. Mineralet har noen svært unike egenskaper som i praksis gjør det til det eneste brukbare valget som elektrolytt i prosessen. Det er bl.a i stand til å løse opp aluminiumoksid, som er et svært stabilt keramisk materiale, det leder elektrisk strøm og har en tetthet i flytende form som er lavere enn flytende aluminium.

Navnet kryolitt betyr «kald stein» fra gresk cryos = kald og lithos = stein, noe som sannsynligvis skyldes at mineralet kun finnes på Grønland. I dag er det naturlige mineralet uten betydning for prosessen fordi kryolitt i praksis dannes i dagens Al-elektrolyseceller ved at aluminiumfluorid tilsettes «badet» for å nøytralisere effekten av den natriumoksiden som kommer inn som en forurensning i aluminiumoksidet.

Begge elektrodene i en elektrolysecelle består av karbon. «Anoden», som er den positive polen i elektrolysecella er imidlertid et forbruksmateriale, mens «katoden» – som er den negative polen – er et ildfast foringsmateriale av svært høy kvalitet. Katoden utgjør bunnforinga i elektrolysecella og skal helst vare i flere år før den må omfores.

Når aluminiumoksidet løses opp i det flytende kryolittbadet så dannes det ioner, dvs molekyler med elektrisk ladning. Disse kan bevege seg rundt i «badet». Når man setter på et elektrisk felt mellom to elektroder vil de positivt ladede ionene bevege seg eller «migrere» mot den negative elektroden, mens de negativt ladede ionene beveger seg mot den positive elektroden.

De ionene som dannes i badet ved oppløsningen kan være svært komplekse, men det viktigste er prinsippet om at negativt ladede oksygenholdige ioner trekkes mot anoden, der de reagerer med karbon og går ut av cella, mens aluminium dannes av andre ioner på katodeoverflaten, som er fysisk adskilt ifra anoden og er fritt for oksygen. På denne måten «splittes reaksjonen i to» og man omgår problemet med aluminiums enorme oksygenaffinitet.

Hovedreaksjonene kan formuleres slik :

På katoden : AlF₃ + 3Na⁺ + 3e = Al + 3NaF

På anoden : ½Al₂O₃ + ¾C + 3NaF = AlF₃ + ¾CO₂ + 3Na⁺ + 3e

Totalreaksjon : ½Al₂O₃ + ¾C = Al + ¾CO₂

Norsk aluminiumfremstilling

Norge er blant verdens største aluminiumprodusenter på grunn av rikelig tilgang på elektrisk energi. Norsk Hydro, Alcoa og Alcan har til sammen sju smelteverk fra Lista i sør til Mosjøen i nord. Det faktum at norsk aluminium framstilles ved hjelp av miljøvennlig vannkraft gjør at CO₂-utslippet per tonn Al blir bare 1/10 av utslippet ifra et smelteverk som drives med strøm ifra et kullkraftverk, noe som er vanlig i f.eks Kina.

Helsefare

Aluminiumsstøv kan føre til lungeforandringer i form av økt bindevevsdannelse og emfysem. Akutt kan man få metallfeber og irritasjon i luftveier og i øynene. Ved sveising av aluminium vil også andre legeringselement forgasses og er forbundet med betydelig helsefare hvis ikke friskluftmaske brukes.

Referanser

1. Lawrence Berkeley National Laboratory – Isotoptabell for aluminium Arkivert 23. august 2007 hos Wayback Machine.
2. US Geological Survey – Mineral Commodity Summary 2008 (pdf)

Eksterne lenker

• «Aluminium – en kulturhistorie», Forskningsmagasinet Apollon, UiO, 2010
• Program om aluminiumsalderen sendt på NRK. Lenken åpner visning av programmet.