Alumínio: história, propriedades, estrutura, obtenção, usos - Ciência - 2023

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o alumínio É um elemento metálico que pertence ao grupo 13 (III A) da tabela periódica e que é representado pelo símbolo Al. É um metal leve com baixa densidade e dureza. Devido às suas propriedades anfotéricas, foi classificado por alguns cientistas como metalóide.

É um metal dúctil e muito maleável, por isso é utilizado na fabricação de fios, finas folhas de alumínio, bem como qualquer tipo de objeto ou figura; por exemplo, as famosas latas com suas ligas, ou a folha de alumínio com que se embrulham alimentos ou sobremesas.

O alumínio (um sulfato de potássio e alumínio hidratado) é usado pelos humanos desde os tempos antigos na medicina, no curtimento de couro e como mordente para tingir tecidos. Assim, seus minerais são conhecidos desde sempre.

Porém, o alumínio como metal foi isolado muito tardiamente, em 1825, por Øersted, o que deu origem a uma atividade científica que permitiu a sua utilização industrial. Naquela época, o alumínio era o metal com maior produção no mundo, depois do ferro.

O alumínio é encontrado principalmente na parte superior da crosta terrestre, constituindo 8% em seu peso. Corresponde ao seu terceiro elemento mais abundante, sendo superado pelo oxigênio e pelo silício em seus minerais de sílica e silicato.

A bauxita é uma associação de minerais, entre os quais estão: alumina (óxido de alumínio) e óxidos metálicos de ferro, titânio e silício. Representa o principal recurso natural para a mineração de alumínio.

História

Alúmen

Na Mesopotâmia, 5.000 anos aC. C., Eles já faziam cerâmica com argilas que continham compostos de alumínio. Enquanto isso, há 4000, os babilônios e egípcios usavam alumínio em alguns compostos químicos.

O primeiro documento escrito relacionado ao alúmen foi feito por Heródoto, um historiador grego, no século 5 aC. C. Alum [KAl (SO₄)₂12h₂O] era usado como mordente no tingimento de tecidos e para proteger do fogo a madeira, com a qual foram projetadas as portas da fortaleza.

Da mesma forma, Plínio "o Velho" no século I se refere ao alúmen, hoje conhecido como alúmen, como uma substância usada na medicina e mordente.

A partir do século 16, o alume foi usado no curtimento de couro e como colagem de papel. Era uma substância gelatinosa que dava consistência ao papel e permitia seu uso na escrita.

Em 1767, o químico suíço Torbern Bergman conseguiu a síntese do alúmen. Para fazer isso, ele aqueceu a lua [KAl₃(SW₄)₂(OH)₆] com ácido sulfúrico e, em seguida, adicionado potássio à solução.

Reconhecimento em alumina

Em 1782, o químico francês Antoine Lavoisier observou que a alumina (Al₂OU₃) era um óxido de algum elemento. Ele tem tanta afinidade com o oxigênio que sua separação era difícil. Portanto, Lavoisier previu até então a existência de alumínio.

Mais tarde, em 1807, o químico inglês Sir Humphry Davy submeteu a alumina à eletrólise. No entanto, o método que ele usou produziu uma liga de alumínio com potássio e sódio, então ele não conseguiu isolar o metal.

Davy disse que a alumina tinha uma base de metal, que ele designou inicialmente de ‘alumium’, com base na palavra latina ‘alumen’, o nome usado para alumen. Mais tarde, Davy mudou o nome para "alumínio", o nome atual em inglês.

Em 1821, o químico alemão Eilhard Mitscherlich conseguiu descobrir a fórmula correta da alumina: Al₂OU₃.

Isolamento

No mesmo ano, o geólogo francês Pierre Berthier descobriu um mineral de alumínio em um depósito rochoso de argila avermelhada na França, na região de Les Baux. Berthier designou o mineral como bauxita. Este mineral é atualmente a principal fonte de alumínio.

Em 1825, o químico dinamarquês Hans Christian Øersted produziu uma barra de metal de um suposto alumínio. Ele o descreveu como "um pedaço de metal que se parece um pouco com o estanho na cor e no brilho". Øersted conseguiu isso reduzindo o cloreto de alumínio, AlCl₃, com um amálgama de potássio.

Pensou-se, porém, que o pesquisador não obteve alumínio puro, mas uma liga de alumínio e potássio.

Em 1827, o químico alemão Friedrich Wöehler conseguiu produzir cerca de 30 gramas de um material de alumínio. Então, após 18 anos de trabalho investigativo, Wöehler em 1845 conseguiu a produção de glóbulos do tamanho da cabeça de um alfinete, com brilho metálico e cor acinzentada.

Wöehler até descreveu algumas propriedades do metal, como cor, gravidade específica, ductilidade e estabilidade.

Produção industrial

Em 1855, o químico francês Henri Sainte-Claire Deville aprimorou o método de Wöehler. Para isso, utilizou a redução de cloreto de alumínio ou cloreto de sódio alumínio com sódio metálico, utilizando criolita (Na₃AlF₆) como fluxo.

Isso permitiu a produção industrial de alumínio em Rouen, França, e entre 1855 e 1890 foi alcançada a produção de 200 toneladas de alumínio.

Em 1886, o engenheiro francês Paul Héroult e o estudante americano Charles Hall criaram de forma independente um método para a produção de alumínio. O método consiste na redução eletrolítica do óxido de alumínio em criolita fundida, utilizando uma corrente contínua.

O método era eficiente, mas tinha o problema da alta demanda de eletricidade, o que tornava a produção mais cara. Héroult resolveu este problema instalando sua indústria em Neuhausen (Suíça), aproveitando assim as Cataratas do Reno como geradoras de eletricidade.

Hall inicialmente se estabeleceu em Pittsburg, EUA, mas depois mudou sua indústria para perto das Cataratas do Niágara.

Finalmente, em 1889, Karl Joseph Bayer criou um método de produção de alumina. Consiste em aquecer a bauxita em um recipiente fechado com uma solução alcalina. Durante o processo de aquecimento, a fração de alumina é recuperada na solução salina.

Propriedades físicas e químicas

Aparência física

Cinza prateado sólido com brilho metálico (imagem superior). É um metal macio, mas endurece com pequenas quantidades de silício e ferro. Além disso, caracteriza-se por ser muito dúctil e maleável, pois podem ser feitas chapas de alumínio com espessura de até 4 mícrons.

Peso atômico

26.981 u

Número atômico (Z)

Ponto de fusão

660,32 ºC

Ponto de ebulição

2.470 ºC

Densidade

Temperatura ambiente: 2,70 g / mL

Ponto de fusão (líquido): 2,375 g / mL

Sua densidade é consideravelmente baixa em comparação com a de outros metais. Por esse motivo, o alumínio é bastante leve.

Calor de fusão

10,71 kJ / mol

Calor da vaporização

284 kJ / mol

Capacidade calórica molar

24,20 J / (mol K)

Eletro-negatividade

1,61 na escala de Pauling

Energia de ionização

-Primeiro: 577,5 kJ / mol

-Segundo: 1.816,7 kJ / mol

-Terceiro: 2.744,8 kJ / mol

Expansão térmica

23,1 µm / (mK) a 25 ºC

Condutividade térmica

237 W / (m K)

O alumínio tem uma condutância térmica três vezes maior que o aço.

Resistividade elétrica

26,5 nΩ m a 20 ºC

Sua condutância elétrica é 2/3 da do cobre.

Ordem magnética

Paramagnético

Dureza

2,75 na escala de Mohs

Reatividade

O alumínio é resistente à corrosão porque quando a fina camada de óxido de Al é exposta ao ar₂OU₃que se forma em sua superfície evita que a oxidação continue dentro do metal.

Em soluções ácidas, ele reage com a água para formar hidrogênio; enquanto em soluções alcalinas, forma o íon aluminato (AlO₂^–).

Os ácidos diluídos não podem dissolvê-lo, mas podem na presença de ácido clorídrico concentrado. Entretanto, o alumínio é resistente ao ácido nítrico concentrado, embora seja atacado por hidróxidos para produzir hidrogênio e o íon aluminato.

O alumínio em pó é incinerado na presença de oxigênio e dióxido de carbono para formar óxido de alumínio e carboneto de alumínio. Ele pode ser corroído pelo cloreto presente em uma solução de cloreto de sódio. Por este motivo, o uso de alumínio em tubos não é recomendado.

O alumínio é oxidado pela água em temperaturas abaixo de 280 ºC.

2 Al (s) + 6 H₂O (g) => 2Al (OH)₃(s) + 3H₂(g) + calor

Estrutura e configuração eletrônica

O alumínio sendo um elemento metálico (com corantes metalóides para alguns), seus átomos de Al interagem entre si graças à ligação metálica. Essa força não direcional é governada por seus elétrons de valência, que estão espalhados por todo o cristal em todas as suas dimensões.

Tais elétrons de valência são os seguintes, de acordo com a configuração eletrônica do alumínio:

[Ne] 3s² 3p¹

Portanto, o alumínio é um metal trivalente, pois possui três elétrons de valência; dois no orbital 3s e um no 3p. Esses orbitais se sobrepõem para formar os orbitais moleculares 3s e 3p, tão próximos que acabam formando bandas de condução.

A banda s está cheia, enquanto a banda p tem muita vaga para mais elétrons. É por isso que o alumínio é um bom condutor de eletricidade.

A ligação metálica do alumínio, o raio de seus átomos e suas características eletrônicas definem um cristal fcc (face centrada cúbica, por sua sigla em inglês). Esse cristal FCC é aparentemente o único alótropo conhecido do alumínio, portanto, certamente suportará as altas pressões que operam nele.

Números de oxidação

A configuração eletrônica do alumínio indica imediatamente que ele é capaz de perder até três elétrons; ou seja, tem uma alta tendência de formar o cátion³⁺. Quando a existência desse cátion é assumida em um composto derivado do alumínio, diz-se que ele tem um número de oxidação de +3; como é sabido, é o mais comum para o alumínio.

No entanto, existem outros números de oxidação possíveis, mas raros para este metal; como: -2 (Al^2-), -1 (Al^–), +1 (Al⁺) e +2 (Al²⁺).

No Al₂OU₃Por exemplo, o alumínio tem um número de oxidação de +3 (Al₂³⁺OU₃^2-); enquanto em AlI e AlO, +1 (Al⁺F^–) e +2 (Al²⁺OU^2-), respectivamente. No entanto, em condições ou situações normais, Al (III) ou +3 é de longe o número de oxidação mais abundante; desde, o Al³⁺ É isoeletrônico ao gás nobre neon.

É por isso que nos livros escolares sempre se assume, e com razão, que o alumínio tem +3 como o único número ou estado de oxidação.

Onde encontrar e obter

O alumínio concentra-se na orla externa da crosta terrestre, sendo seu terceiro elemento, superado apenas pelo oxigênio e pelo silício. O alumínio representa 8% do peso da crosta terrestre.

É encontrado em rochas ígneas, principalmente: aluminossilicatos, feldspatos, feldspatóides e micas. Também em argilas avermelhadas, como é o caso da bauxita.

- Bauxitas

As bauxitas são uma mistura de minerais que contém alumina hidratada e impurezas; como óxidos de ferro e titânio e sílica, com as seguintes porcentagens em peso:

-Ao₂OU₃ 35-60%

-Fé₂OU₃ 10-30%

-Sim₂ 4-10%

-Tio₂ 2-5%

-H₂Ou de constituição 12-30%.

A alumina é encontrada na bauxita na forma hidratada com duas variantes:

-monohidratos (Al₂OU₃H₂O), que apresentam duas formas cristalográficas, boemita e diásporo

-Triidratos (Al₂OU₃3H₂O), representado pela gibbsita.

A bauxita é a principal fonte de alumínio e fornece a maior parte do alumínio obtido na mineração.

- Depósitos de alumínio

De alteração

Principalmente bauxitas formadas por 40-50% de Al₂OU₃, 20% Fe₂OU₃ e 3-10% SiO₂.

Hidrotérmico

Alunite.

Magmático

Rochas aluminosas que possuem minerais como sienitos, nefelinas e anortitas (20% de Al₂OU₃).

Metamórfico

Silicatos de alumínio (andaluzita, silimanita e cianita).

Detríticos

Depósitos de caulim e várias argilas (32% Al₂OU₃).

- Exploração de bauxita

A bauxita é extraída a céu aberto. Depois de coletadas as rochas ou argilas que o contêm, são trituradas e moídas em moinhos de bolas e barras, até a obtenção de partículas de 2 mm de diâmetro. Nestes processos o material tratado permanece umedecido.

Na obtenção da alumina segue-se o processo criado pela Bayer em 1989. A bauxita moída é digerida pela adição de hidróxido de sódio, formando-se o aluminato de sódio que é solubilizado; enquanto os poluentes ferro, titânio e óxidos de silício permanecem em suspensão.

Os contaminantes são decantados e o tri-hidrato de alumina é precipitado do aluminato de sódio por resfriamento e diluição. Posteriormente, a alumina tri-hidratada é seca para dar alumina anidra e água.

- Eletrólise de alumina

Para a obtenção do alumínio, a alumina é submetida à eletrólise, geralmente seguindo o método criado por Hall-Héroult (1886). O processo consiste em reduzir a alumina fundida em criolita.

O oxigênio se liga ao ânodo de carbono e é liberado como dióxido de carbono. Enquanto isso, o alumínio liberado é depositado na parte inferior da célula eletrolítica, onde se acumula.

Ligas

As ligas de alumínio são geralmente identificadas por quatro números.

1xxx

O código 1xxx corresponde ao alumínio com 99% de pureza.

2xxx

O código 2xxx corresponde à liga de alumínio com cobre. Eles são ligas fortes que foram usadas em veículos aeroespaciais, mas racharam com a corrosão. Essas ligas são conhecidas como duralumínio.

3xxx

O código 3xxx abrange ligas nas quais manganês e uma pequena quantidade de magnésio são adicionados ao alumínio. São ligas muito resistentes ao desgaste, sendo utilizada a liga 3003 na elaboração de utensílios de cozinha, e a 3004 em latas de bebidas.

4xxx

O código 4xxx representa as ligas nas quais o silício é adicionado ao alumínio, diminuindo o ponto de fusão do metal. Esta liga é utilizada na fabricação de fios de solda. A Liga 4043 é utilizada na soldagem de automóveis e elementos estruturais.

5xxx

O código 5xxx abrange ligas onde o magnésio é adicionado principalmente ao alumínio.

São ligas fortes resistentes à corrosão da água do mar, usadas para fazer vasos de pressão e várias aplicações marítimas. A liga 5182 é usada para fazer tampas de latas de refrigerante.

6xxx

O código 6xxx abrange ligas nas quais silício e magnésio são adicionados à liga com alumínio. Essas ligas são fundíveis, soldáveis e resistentes à corrosão. A liga mais comum nesta série é usada em arquitetura, quadros de bicicletas e na fabricação do iPhone 6.

7xxx

O código 7xxx designa ligas nas quais o zinco é adicionado ao alumínio. Essas ligas, também chamadas de Ergal, são resistentes à quebra e possuem grande dureza, utilizando as ligas 7050 e 7075 na construção de aeronaves.

Riscos

Exposição direta

O contato com o pó de alumínio pode causar irritação na pele e nos olhos. A exposição prolongada e alta ao alumínio pode causar sintomas semelhantes aos da gripe, dor de cabeça, febre e calafrios; Além disso, podem ocorrer dores no peito e aperto.

A exposição ao pó fino de alumínio pode causar cicatrizes pulmonares (fibrose pulmonar), com sintomas de tosse e falta de ar. OSHA estabeleceu um limite de 5 mg / m³ para exposição ao pó de alumínio em um dia de 8 horas.

O valor de tolerância biológica para a exposição ocupacional ao alumínio foi estabelecido em 50 µg / g de creatinina na urina. Um desempenho decrescente em testes neuropsicológicos ocorre quando a concentração de alumínio na urina excede 100 µg / g de creatinina.

Câncer de mama

O alumínio é usado como cloridrato de alumínio em desodorantes antitranspirantes, tendo sido associado ao desenvolvimento de câncer de mama. No entanto, essa relação não foi claramente estabelecida, entre outras coisas, porque a absorção pela pele do cloridrato de alumínio é de apenas 0,01%.

Efeitos neurotóxicos

O alumínio é neurotóxico e, em pessoas com exposição ocupacional, tem sido associado a doenças neurológicas, incluindo a doença de Alzheimer.

O cérebro dos pacientes com Alzheimer tem uma alta concentração de alumínio; mas não se sabe se é a causa da doença ou uma consequência dela.

A presença de efeitos neurotóxicos foi determinada em pacientes em diálise. Sais de alumínio foram usados como aglutinante de fosfato neste procedimento, resultando em altas concentrações de alumínio no sangue (> 100 µg / L plasma).

Os pacientes afetados apresentavam desorientação, problemas de memória e em estágios avançados, demência. A neurotoxicidade do alumínio é explicada porque é difícil de ser eliminado pelo cérebro e afeta seu funcionamento.

Ingestão de alumínio

O alumínio está presente em muitos alimentos, principalmente chás, especiarias e, em geral, vegetais. A Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos (EFSA) estabeleceu um limite de tolerância para a ingestão de alumínio nos alimentos de 1 mg / kg de peso corporal por dia.

Em 2008, a EFSA estimou que a ingestão diária de alumínio nos alimentos variou entre 3 e 10 mg por dia, pelo que se conclui que não representa risco para a saúde; bem como o uso de utensílios de alumínio para cozinhar alimentos.

Formulários

- como metal

Elétrico

O alumínio é um bom condutor elétrico, por isso é usado em ligas em linhas de transmissão elétrica, motores, geradores, transformadores e capacitores.

Construção

O alumínio é utilizado na fabricação de caixilhos de portas e janelas, divisórias, cercas, revestimentos, isolantes térmicos, tetos, etc.

Meios de transporte

O alumínio é utilizado na fabricação de peças para automóveis, aviões, caminhões, bicicletas, motocicletas, barcos, naves espaciais, vagões ferroviários, etc.

Recipientes

O alumínio é usado para fazer latas de bebidas, barris de cerveja, bandejas, etc.

Casa

O alumínio é usado para fazer utensílios de cozinha: potes, panelas, frigideiras e papéis de embrulho; além de móveis, lâmpadas, etc.

Poder reflexivo

O alumínio reflete com eficiência a energia radiante; da luz ultravioleta à radiação infravermelha. O poder reflexivo do alumínio na luz visível é em torno de 80%, o que permite seu uso como cortina de luz em lâmpadas.

Além disso, o alumínio mantém sua característica reflexiva da prata, mesmo na forma de um pó fino, de modo que pode ser usado na produção de tintas para prata.

- Compostos de alumínio

Alumina

É utilizado na fabricação de alumínio metálico, isolantes e velas. Quando a alumina é aquecida, desenvolve uma estrutura porosa que absorve água, sendo usada para secar gases e servir de sede para a ação de catalisadores em diversas reações químicas.

Sulfato de alumínio

É usado na fabricação de papel e como enchimento de superfície. O sulfato de alumínio serve para formar alúmen de alumínio e potássio [KAl (SO₄)₂12h₂OU]. Este é o alume mais amplamente utilizado e com inúmeras aplicações; como a fabricação de medicamentos, tintas e mordentes para tingimento de tecidos.

Cloreto de alumínio

É o catalisador mais utilizado nas reações de Friedel-Crafts. Estas são reações orgânicas sintéticas usadas na preparação de cetonas aromáticas e antraquinona. O Cloreto de Alumínio Hidratado é usado como um antitranspirante e desodorante tópico.

Hidróxido de alumínio

É utilizado na impermeabilização de tecidos e na produção de aluminatos.

Referências

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