Aluminiul

1. Introducere

1.1. Istoric

În anul 1760, un anumit oxid metalic care prezenta stabilitate și nu putea fi redus a fost extras din alaun și numit alumină de către chimistul francez L.G.Morveau. În 1807 Sir Humphry Davy a concluzionat că reducerea compușilor chimici stabili ar trebui să se facă electrolitic cu ajutorul unei noi celule voltaice, reușind obținerea sodiului, potasiului, bariului, stronțiului și al calciului în formă metalică. Pentru această demonstrație remarcabilă a puterii electrochimice, Davy a obținut un premiu de 50.000 de franci din partea lui Napoleon. Deși eșuase în încercările sale de a obține acest element, denumindu-l aluminiu, era evident că restul metalelor obținute de el prezentau un caracter reducător mai puternic decât al carbonului și al hidrogenului.În 1808 reușește să obțină pentru prima dată bor elementar prin reducerea oxidului boric cu potasiu obținut prin electroliză. Pierre Berthier descoperă în anul 1821 lângă Baux-de-Provence o mină în care exista un mineral ce conținea mai mult de 50% de oxid de aluminiu. Mineralul va fi numit bauxită.Cercetarea aluminiului metalic a fost continuată de către chimistul danez Hans Christian Oersted, care descrie în 1825 Societății Filosofiei Naturale o metodă de reducere a clorurii de aluminiu la o formă metalică cu ajutorul unui amalgam mercuric alpotasiului. Mercurul din amalgam era treptat îndepărtat prin distilare, produsul rezultat fiind o pulbere gri, care a fost descrisă ca aluminiu, deși era posibil să fi conținut o cantitate mare de oxid.În 1827, Wohler îmbunătățise metoda de reducere propusă de Oersted prin utilizarea unui proces gazos în care triclorura de aluminiu volatilizată reacționa cu potasiul metalic. Potasiul era un metal rar și foarte reactiv, iar triclorura de aluminiu, datorită higroscopicității sale era un material cu care se lucra greu. Experimentele inițiale ale lui Wohler produceau cantități mici de pudră de aluminiu, însă nu constau baza producerii aluminiului în masă.Pentru prima oara aluminiul ca metal a fost obtinut in 1825 de Oersted, prin distilarea amalganului de aluminiu. In 1854 H. St. Claire Deville extrage aluminiul prin tratarea clorurii duble de aluminiu si de sodiu cu sodiu metalic si tot in 1854 este obtinut de Bunsen aluminiu prin electroliza topiturii de clorura dubla de aluminiu si sodiu. In tara noastra se gasesc zacaminte de bauxita in regiunea Bihorului, insa ele nu au fost folosite pentru producerea aluminiului in tara, sub motivul ca nu avem materie prima suficienta. In Romania, extragerea aluminei s-a inceput in 1942 si in timp de circa 3 ani s-au produs 40-60 tone aluminiu intr-o instalatie experimentala, care s-a oprit din cauza rentabilitatii.

După fier, acesta a devenit metalul cu cea mai largă întrebuințare. Aluminiul a fost remarcat pentru faptul că este un metal ușor. Aceasta calitate îl face să fie utilizat în cantități mari în industria navală și aeronautică. Capacitatea mare de reflexie este folosită în construirea oglinzilor metalice.

1.2. Proprietati

Aluminiul este un metal usor, care se topeste la 657 grade C si fierbe la 2327 grade C. Conductibilitatea electrica a aluminiului pur este de 65.45% din aceea a cuprului. Rezistenta la rupere 6-12 kgf/mm^2, HB=16-32 kgf/mm^2 si rezistenta la compresiuned e 42 kgf/mm^2.Se poate prelucra prin deformare la cald sau la rece si lamina in foi subtiri pana la 0,0006 mm grosime sau trefila in sarme subtiri. In stare topita absoarbe hidrogenul pe care il pune in libertate la solidificare formand pori microscopici. Aluminiul foarte pur nu este bun pentru turnare deoarece are tendinta de aliere cu alte metale. Se oxideaza foarte usor acoperindu-se la suprafata cu un strat superficial de oxid- Al2O3 care il apara de oxidare mai avansata.Datorita structurii atomului sau, aluminiul poate forma compusi monovalenti AlX sau compusi bivalenti AlX2. Se cunosc astfel subhalogeni, suboxizi, subsulfuri si subselenuri de aluminiu.Aluminiul se afla in scoarta pamantului de doua ori mai mult decat fierul. El se gaseste sub forma de compusi oxigenati: silicati (argile, mice, feldspati), oxizi, hidroxizi si sub forma de fluoruri, sulfati sau fosfati. Cele mai importante minerale de aluminiu sunt: bauxitele- oxizi hidratati cu o molecula de apa; coalinitul, alunitul, nefelinul, criolitul, distenul.In prezent bauxitele constituie sursa principala pentru extragerea aluminiului. In bauxita, se mai afla, in diverse proportii, oxid de fier, oxid de siliciu si dintre metalele rare vanadiu si galiu. Bauxita se gaseste in muntii Bihorului, Grecia, Turcia si in Ungaria.Proprietăţile fizice:• metal solid alb – argintiu, cu o densitate scăzută de 2,7-103 kg/m3 şi se topeşte la 660 C;• este bun conductor de căldură şi electricitate;• este un metal moale, maleabil şi ductil;• se dizolvă în topitura altor metale, formând aliaje uşoare;• duraluminiul, cel mai cunoscut aliaj, format prin alierea aluminiului cu cupru, siliciu, magneziu şi mangan, are o densitate mai mică şi o duritate mai mare decât aluminiul.

Proprietăţile chimice:•se combină cu nemetale, acizi şi săruri şi formează săruri;- reacţia cu nemetale:2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

aluminiu – clor – clorura de aluminiu4Al + 3O2 = 2Al2O3aluminiu – oxigen – oxid de aluminiu- reacţia cu acizii:2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑aluminiu – acid clorhidric – clorura de aluminiu – hidrogen- reacţia cu săruri:2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fealuminiu – oxid de fier – oxid de aluminiu – fier• prin reacţiile aluminiului cu apa, cu oxizii metalici sau cu oxizii nemetalici se obţine oxidul de aluminiu.

2. Metalurgia aluminiului

Deoarece oxidul de aluminiu se reduce foarte greu, extragerea m,etalului direct din oxid este o problema dificila, care a necesitat multe cercetari. S-au elaborat mai multe metode, dintre care, in ziua de azi, cele mai importante sunt:

- Metoda electrolitica;- Metoda electrotermica;- Metoda cu compusi monovalenti (subhalogenuri).-

2.1. Metoda electrolitica este cea mai raspandita si consta in extragerea aluminei din diferite materii prime, in special din bauxite, dupa care are loc electroliza acesteia intr-o baie de criolit (AlF3* 3NaF) topita.

2.2. Metoda electrotermica consta in reducerea cu carbune in cuptor electric a mineereurilor de aluminiu silicioase. Siliciul format se aliaza cu aluminiul redus, ferindu-l fr reoxidare si carburare.

Din aliajul Al-Si se extrage aluminiul prin solubilizare selectiva in zinc, magneziu sau mercur. Din aliajul de Zn-Al; Mg-Al; Hg-Al se separa aluminiul prin distilarea metalelor folosite drept solventi.

2.3. Metoda de compusi monovalenti. Metoda poate fis ocotita ca o varianta a metodei electrotermice, deoarece prima faza consta in reducerea electrotermica urmata de volatilizarea aluminiului la temperaturi mai mari de grade C. In prezenta clorurii de aluminiu, la 1000-1100 grade C, se obtine compusul monovalent AlCl, care la

temperaturi mai mici 700-750 grade C se descompune eliberand aluminiul, care este captat, regenerandu-se triclorura.

Cel mai raspandit procedeu este cel electrolitic, desi are o serie de dezavantaje, dintre care mai importante sunt: mica productivitate a agregatelor, schema tehnologica complicata, consum mare de energie 15-16 kWh/kg Al.

Dat fiind faptul ca alumina are character amofter, exista mai multe metode de extragere a aluminei, dintre care trei sunt mai importante, si anume :metode alcaline, acide, electrotermice.

Metodele alcaline constau in trecerea aluminei in aluminat de sodium solubil in apa si ulterior descompunerea acestuia prin hidroliza in hidrat de aluminiu, insolubil si regenerand hidratul sau carbonatul de sodiu folosit initial pentru solubilizarea aluminei.

Procedeele mai utilizate sunt:

-procedeul Bayer

-procedeul sintetizarii

-procedeul combinat

-procedeul Kuznetov Julovski.

Metodele acide, putin utilizate pentru extragerea aluminiului metalic, folosesc ca reagenti acizi H2SO4, HCl, HNO3, se obtin sarurile respective care prin calcinare pun in libertate AL2O3.

Metodele electrotermice se bazeaza pe topirea bauxitelor in cuptor electric cu zgurificarea aluminei sau pe trecerea aluminei in sulfura sau azotura care in prezentaapei hidrolizeaza trecand in hidrat de aluminiu.

2. Procedeul Bayer (umed) de extragere alcalina a aluminei

Acest procedeu, se bazeaza pe faptul ca prin tratarea bauxitelor cu soda caustic oxidul de aluminiu se dizolva trecand in NaAlO2 , iar solutiile de aluminat de sodium in prezenta de cristale de Al(OH)3 se descompune (hidrolizeaza).

Schema procedeului consta in urmatoarele faze mai importante: atacarea bauxite in autoclave cu solutii de NaOH; separarea solutiilor rezultate de reziduu si hidroliza lor pentru obtinerea hidratului de aluminiu; calcinarea hidratului de Al2O3. Intre diferite faze mai au loc spalari, decantarim, filtrari, etc. , operatii prin care se cauta obtinerea de solutii mai pure si a unui randament de extragere mai ridicat (fig.139).g.139

In practica procesului se urmareste decurgerea fazelor astfel incat ele sa corespunda conditiilor impuse in diagrama de echilibru Na2O-Al2O3-H2O (fig.139).

Astfel, la inceput, in perioada dizolvarii aluminei , se cauta ca compozitia solutiilor la temperature de lucru sa se afle sub curbele de echilibru (izoterme), iar, la sfarsit, la hidroliza solutiilor de aluminat de sodiu, compozitia lor sa se afle deasupra curbelor de echilibru.

Astfel, la inceput, in perioada dizolvarii aluminei , se cauta ca compozitia solutiilor la temperature de lucru sa se afle sub curbele de echilibru (izoterme), iar, la sfarsit, la hidroliza solutiilor de aluminat de sodiu, compozitia lor sa se afle deasupra curbelor de echilibru.