Om det någonsin fanns ett element som kunde ha röstats "minst sannolikt att lyckas, "det skulle vara aluminium. Även om gamla persiska keramiker tillsatte aluminium till sin lera för att stärka sitt keramik, rent aluminium upptäcktes inte förrän 1825. Då, människor hade använt flera metaller och metalllegeringar (eller blandningar av metall som brons) i tusentals år.
Även efter upptäckten, aluminium tycktes vara avsett för dunkelhet. Kemister kunde bara isolera några milligram åt gången, och det var så sällsynt att det satt bredvid guld och silver som en halvädelsten metall. Verkligen, år 1884, den totala amerikanska aluminiumproduktionen var bara 57 kilo (källa:Alcoa).
Strax
Sedan, år 1886, Amerikanen Charles Martin Hall och fransmannen Paul L. T. Heroult, arbetar självständigt, utarbetat en metod för att extrahera aluminium från aluminiumoxid. Processen, en typ av elektrolytisk reduktion , krävde en enorm mängd elektrisk kraft, men den producerade den silverfärgade metallen i stora mängder. År 1891, produktionen av aluminium hade nått långt över 300 ton (272 ton) [källa:Alcoa]. Och den letade sig in i ett stort utbud av produkter, från krukor och kokkärl till glödlampor och kraftledningar till bilar och motorcyklar.
I dag, mer än ett sekel senare, aluminium är själva symbolen för allestädes närvarande. Varje år, USA producerar mer än 5,6 miljoner ton (5,1 miljoner ton) [källa:International Aluminium Institute]. Mycket av det aluminiumet går i öl- och läskburkar - upp till 300 miljoner aluminiumburkar om dagen, 100 miljarder per år [källa:Can Manufacturers Institute]. Inte illa för ett element som gick oupptäckt under så lång tid.
I den här artikeln, vi ska titta närmare på aluminium - dess egenskaper, förekomst och beteende. Vi kommer också att undersöka livscykeln för aluminium, från dess produktion med hjälp av Hall-Heroult-processen till dess reinkarnation efter återvinning. Och, till sist, vi kommer att utforska alla användningsområden för aluminium, inklusive några framtida användningsområden som kan överraska dig.
Låt oss börja med grunderna:aluminium ur en kemists synvinkel.Innehåll
Liksom dussintals andra element i det periodiska systemet, aluminium förekommer naturligt. Som med alla element, aluminium är en ren kemisk substans som inte kan brytas ner till något enklare. Alla element är ordnade i det periodiska systemet efter deras atomnummer - antalet protoner i deras kärna. Aluminiums lyckotal är 13, så en aluminiumatom har 13 protoner. Den har också 13 elektroner.
Elementen placerade ovanför och under aluminium på det periodiska systemet bildar a familj, eller grupp , som delar liknande fastigheter. Aluminium tillhör grupp 13, som också inkluderar bor (B), gallium (Ga), indium (In) och tallium (Tl). Tabellen till höger visar hur dessa element skulle ordnas på det periodiska systemet. Lägg märke till att varje element representeras av en symbol och att symbolen för aluminium är Al . Siffran ovanför varje symbol är elementets atomvikt , mätt i atommassa enheter ( amu ). Atomvikt är den genomsnittliga massan av ett element som bestäms genom att beakta varje naturlig isotops bidrag. Aluminiumets atomvikt är 26,98 amu. Siffran nedanför aluminiums symbol är dess atomnummer.
Grupp 13
Boronfamiljen
10,81
B
5
26,98
Al
13
69,72
Ga
31
114,82
I
49
204,38
Tl
8
Kemister klassificerar elementen i grupp 13 som metaller, förutom bor, som inte är en fullvärdig metall. Metaller är i allmänhet blanka element som leder värme och elektricitet väl. Det är de också formbar - kan hamras i olika former- och formbar - kan dras in i trådar. Dessa egenskaper gäller verkligen aluminium. Faktiskt, aluminium används ofta i köksredskap eftersom det leder värme så effektivt. Och bara koppar leder bättre elektricitet, vilket gör aluminium till ett idealiskt material för elektriskt material, inklusive glödlampor, kraftledningar och telefonkablar. Andra viktiga egenskaper hos aluminium listas nedan:
Dessa två sista egenskaper gör aluminium särskilt användbart. Dess korrosionsbeständighet beror på kemiska reaktioner som äger rum mellan metallen och syret. När aluminium reagerar med syre, ett lager av aluminiumoxid bildas på metallens utsida. Detta tunna lager skyddar det underliggande aluminiumet från de korrosiva effekterna av syre, vatten och andra kemikalier. Som ett resultat, aluminium är särskilt värdefullt för användning utomhus. Det ger inte heller gnistor när det träffas, vilket innebär att du kan använda den nära brandfarliga eller explosiva material.
Aluminium finns i naturen i olika föreningar. För att dra nytta av dess egenskaper, den måste separeras från de andra elementen som kombineras med den - en lång, komplex process som börjar med ett stenhårt material som kallas bauxit .
Efter det har genomgått den processen, aluminium är mycket mjukt och lätt i sin rena form. Ibland är det önskvärt att ändra dessa egenskaper - för att göra aluminium starkare och hårdare, till exempel. För att åstadkomma detta, metallurger kommer att kombinera aluminium med andra metalliska element, bildar det som kallas legeringar . Aluminium legeras vanligtvis med koppar, magnesium och mangan. Koppar och magnesium ökar hållfastheten hos aluminium, medan mangan förbättrar aluminiumets korrosionsbeständighet.
Aluminium finns inte i naturen som ett rent element. Det uppvisar relativt hög kemisk reaktivitet, vilket betyder att den tenderar att binda till andra element för att bilda föreningar. Mer än 270 mineraler i jordens stenar och jordar innehåller aluminiumföreningar. Detta gör aluminium till den vanligaste metallen och det tredje mest förekommande elementet i jordskorpan. Endast kisel och syre är vanligare än aluminium. Den näst vanligaste metallen efter aluminium är järn, följt av magnesium, titan och mangan.
Den primära källan till aluminium är en malm som kallas bauxit . Ett malm är något naturligt förekommande fast material från vilket en metall eller värdefullt mineral kan erhållas. I detta fall, det fasta materialet är en blandning av hydratiserad aluminiumoxid och hydratiserad järnoxid. Hydrerad avser vattenmolekyler som är kemiskt bundna till de två föreningarna. Den kemiska formeln för aluminiumoxid är Al 2 O 3 . Formeln för järnoxid är Fe 2 O 3 .
Fyndigheter av bauxit uppstår som platta lager som ligger nära jordens yta och kan täcka många mil. Geologer lokaliserar dessa fyndigheter genom prospektering - ta kärnprov eller borra i jord som misstänks innehålla malmen. Genom att analysera kärnorna, forskare kan bestämma kvantiteten och kvaliteten på bauxiten.
Efter att malmen upptäckts, dagbrott ger vanligtvis den bauxit som så småningom kommer att bli aluminium. De första bulldozrarna rensar mark ovanför en insättning. Sedan lossnar arbetarna jorden med sprängämnen, som tar malmen upp till ytan. Jätteskovlar skopar sedan upp den bauxitrika jorden och dumpar den i lastbilar, som för malmen till en bearbetningsanläggning. Frankrike var den första platsen för storskalig bauxitbrytning. I USA, Arkansas var en stor leverantör av bauxit tidigare, under och efter andra världskriget. Men idag, materialet bryts huvudsakligen i Australien, Afrika, Sydamerika och Karibien.
Det första steget i den kommersiella tillverkningen av aluminium är separationen av aluminiumoxid från järnoxiden i bauxit. Detta uppnås med en teknik som utvecklats av Karl Joseph Bayer, en österrikisk kemist, år 1888. I Bayer -processen , bauxit blandas med kaustisk soda, eller natriumhydroxid, och upphettas under tryck. Natriumhydroxiden löser upp aluminiumoxiden, bildning av natriumaluminat. Järnoxiden förblir fast och separeras genom filtrering. Till sist, aluminiumhydroxid som införs i det flytande natriumaluminatet får aluminiumoxid till fällning , eller komma ur lösningen som ett fast ämne. Dessa kristaller tvättas och värms för att bli av med vattnet. Resultatet är ren aluminiumoxid, ett fint vitt pulver också känt som aluminiumoxid .
Aluminiumoxid är ett praktiskt material i sig. Dess hårdhet gör den användbar som slipmedel och som en komponent i skärverktyg. Det kan också användas för att rena vatten och för att göra keramik och andra byggmaterial. Men dess främsta användning är att fungera som en utgångspunkt för att utvinna rent aluminium. I nästa avsnitt, vi får se titta på stegen som krävs för att omvandla aluminiumoxid till aluminium.
Att omvandla aluminiumoxid - aluminiumoxid - till aluminium representerade en stor milstolpe i den industriella revolutionen. Tills moderna smälttekniker utvecklades, endast små mängder aluminium kunde erhållas. De flesta tidiga processerna förlitade sig på att flytta aluminium med mer reaktiva metaller, men metallen förblev dyr och relativt svårfångad. Allt förändrades 1886 - året då två blivande kemister och industrimän utvecklade en smältprocess baserad på elektrolys.
Elektrolys betyder bokstavligen "bryta ner med el, "och den kan användas för att sönderdela en kemikalie till komponentkemikalier. Den traditionella inställningen för elektrolys kräver att två metallelektroder sänks ned i ett flytande eller smält prov av ett material som innehåller positiva och negativa joner. När elektroderna är anslutna till ett batteri, en elektrod blir en positiv terminal, eller anod . Den andra elektroden blir en negativ terminal, eller katod . Eftersom elektroderna är elektriskt laddade, de lockar eller stöter bort laddade partiklar lösta i lösningen. Den positiva anoden drar till sig negativt laddade joner, medan den negativa katoden lockar till sig positivt laddade joner.
Sir Humphry Davy, den brittiska kemisten krediteras med att ge aluminium sitt namn, försökte utan framgång producera aluminium genom elektrolys i början av 1800 -talet. Den franske skolläraren och amatörkemisten Henri Saint-Claire Deville kom också tomhänt. Sedan, i februari 1886, efter flera års experiment, Amerikanen Charles Martin Hall stötte på precis rätt formel:att leda en likström genom en lösning av aluminiumoxid löst i smält kryolit , eller natriumaluminiumfluorid (Na 3 AlF 6 ). Fram till 1987, kryolit utvanns från fyndigheter som finns på Grönlands västkust. I dag, kemister syntetiserar föreningen från mineralet fluorit, vilket är mycket vanligare.
Stegen i aluminiumsmältning beskrivs nedan:
2Al 2 O 3 + 3C -> 4Al + 3CO 2
Aluminiumsmältningsprocessen som Hall utvecklat resulterade i stora mängder rent aluminium. Plötsligt, metallen var inte längre sällsynt. Idén att producera aluminium via elektrolytisk minskning av kryolit var inte sällsynt, antingen. En fransman vid namn Paul L.T. Heroult kom på samma idé bara några månader senare. Hall, dock, fick patent på processen 1889, ett år efter att han grundade Pittsburgh Reduction Company, som senare skulle bli Aluminium Company of America, eller Alcoa. År 1891, aluminiumproduktionen nådde långt över 300 ton (272 ton) [källa:Alcoa].
På nästa sida, vi får se vad som händer med aluminiumet efter det att det kommer ut från de elektrolytiska cellerna.
Kärlen som används i Hall-Heroult-processen är kända som krukor . En stor kruka kan producera mer än 2 ton aluminium varje dag. Men företag kan och multiplicerar denna produktion genom att ansluta flera krukor till varandra potlines . En smältverk kan innehålla en eller flera potliner, var och en med 200 till 300 krukor. Inuti dessa krukor, aluminiumproduktionen fortsätter dag och natt för att se till att metallen förblir i sin flytande form.
En gång om dagen, arbetare sifon aluminium från potlines. Mycket av metallen är avsatt för att bli att tillverka göt . För att göra en tillverkande göt, smält aluminium fortsätter till stora ugnar där det kan blandas med andra metaller för att bilda legeringar. Därifrån, metallen genomgår en rengöringsprocess som kallas flödande . Fluxing använder gaser som kväve eller argon för att separera föroreningar och föra dem till ytan så att de kan skummas bort. Det renade aluminiumet hälls sedan i formar och kyls snabbt genom att spruta kallt vatten över metallen.
En del av aluminiumet som sippas från potlinerna är inte legerat eller rengjort. Istället, det hälls direkt i formar, där det svalnar långsamt och hårdnar för att bildas gjuteri (eller omsmältning ) göt . Primära aluminiumverk säljer omsmältningsgöt till gjuterier. Gjuterierna återställer aluminiumet till sitt flytande tillstånd och fortsätter själva med legering och flussning. De gör sedan aluminiumet till olika delar - för apparater, bilar och andra applikationer - med hjälp av följande tillverkningstekniker.
Aluminium är en attraktiv metall och kräver ofta ingen finish. Men det går att polera, målad och galvaniserad. Till exempel, öl- och läsktillverkare använder en tryckprocess för att fästa sina etiketter på aluminiumburkar (se sidofältet). Typiska tryckformuleringar är ofta lackbeläggningar som både fäster bra på aluminiumet och ger estetisk attraktivitet. Självklart, sådana finish är ett problem när det gäller återvinning eftersom de måste tas bort. I nästa avsnitt, vi ska utforska hur aluminium återvinns i detalj.
På grund av dess mångsidighet, aluminium lämpar sig för många tillämpningar. Faktiskt, det är den näst mest använda metallen efter stål, med en årlig primärproduktion på 24,8 miljoner ton (22,5 miljoner ton) 2007 [källa:International Aluminium Institute]. Mycket av den produktionen går till de 187 miljarder aluminiumburkar som produceras över hela världen [källa:Novelis]. Bilindustrin är aluminiums snabbast växande marknad. Tillverkning av bildelar av aluminium - allt från fälgar till cylinderhuvuden, kolvar och radiatorer - gör en bil lättare, minska bränsleförbrukningen och föroreningsnivåerna. Enligt vissa uppskattningar, en bil med 150 kg aluminium bör se bränsleförbrukningen minska med 0,43 gallon per 100 miles [källa:Autoparts Report].
Här är några andra viktiga användningsområden för aluminium.
Aluminium med siffrorna
*Källa:Alcoa
Otroligt, det mesta av aluminium som någonsin tillverkats används fortfarande idag. Det beror på att den kan återvinnas om och om igen utan att förlora sin kvalitet. Det mesta aluminium som återvinns kommer från en av tre källor:begagnade dryckesburkar, delar från gamla bilar och skrot som samlats in under tillverkning av aluminiumprodukter [källa:World Book]. Återvinning av aluminium är en av de stora framgångarna för den moderna hållbarhetsrörelsen (om du är en stor återvinnare, var noga med att läsa Vilken sak ska jag återvinna?). Det första nationella återvinningsprogrammet började 1968, och idag, cirka 66 miljarder burkar återvinns varje år bara i USA [källa:Alcoa].
Återvinning av aluminium är en sluten process , vilket innebär att den nya produkten som tillverkats efter återvinningsprocessen är densamma som den tidigare. Det finns sex steg för återvinning av slutna kretsar:
Mycket av innovationen inom aluminiumindustrin är relaterat till att effektivisera produktion och återvinning. Men, som vi kommer att se i nästa avsnitt, efterfrågan på aluminium kommer bara att växa när nya och spännande applikationer dyker upp.
Primär produktion av aluminium kräver enorm energi. Det producerar också växthusgaser som påverkar den globala uppvärmningen. Enligt International Aluminium Institute tillverkning av nya lager av aluminium släpper ut 1 procent av de globala mänskliga utsläppen av växthusgaser. En högsta branschprioritet är att minska dessa utsläpp genom minskningsåtgärder, ökad återvinning och användning av aluminium i fordon, flygplan, vattenskotrar och tåg. Faktiskt, Att använda lätta aluminiumkomponenter i fordon är en av de viktigaste framstegen inom bildesign och tillverkning. Varje kilo (2,2 pund) tyngre material som ersätts av aluminium resulterar i att 22 kilo koldioxid elimineras under fordonets livstid [källa:International Aluminium Institute].
En annan lovande applikation är användningen av aluminium i bränslecellsdrivna bilar. Forskare vid Purdue University upptäckte nyligen att aluminium kan användas för att producera vätebränsle effektivt. Processen börjar med aluminiumpellets, som blandas i flytande gallium för att producera flytande aluminium-gallium. När vatten tillsätts, aluminiumet reagerar med syret för att bilda en gel. Vätgas, som kan samlas in och användas för att driva en bränslecell, produceras också.
Sådana innovationer kommer att öka efterfrågan på aluminium. Och även om metallen är relativt ung, det är en av de viktigaste i den mänskliga civilisationens historia. När morgondagens arkeologer och antropologer reflekterar över det 19:e samhället, 1900- och 21 -talet, de skulle med stor sannolikhet kunna märka det aluminiumåldern, placera den bredvid stenen, Brons- och järnåldern som en av de mest betydande perioderna i mänsklig kulturell utveckling.
Relaterade artiklar om HowStuffWorks
Fler fantastiska länkar
Källor
