Alumiini

Alumiini (lat. aluminium) on hyvin yleinen metalli, jonka keveys ja lujuus tuovat merkittäviä säästöjä muun muassa kuljetusteollisuudessa. Alumiini kestää melko hyvin ilman ja veden vaikutusta eikä siis ole altis korroosiolle, ja siksi sitä käytetään usein teräksen sijasta. Alumiinin korroosiokestävyys perustuu pintaan muodostuvaan suojaavaan oksidikerrokseen. Alumiinin pinta siis hapettuu, mutta pintaan muodostuva tiivis oksidikerros suojaa alempia kerroksia korroosiolta. Usein alumiinia seostetaan muilla metalleilla, esimerkiksi magnesiumilla. Alumiinin hyvää lämmönjohtavuutta hyödynnetään etenkin elektroniikkateollisuudessa. Myös alumiinin sähkönjohtokyky on erittäin hyvä.

Alumiinin tuottamiseen bauksiitista tarvitaan paljon sähköenergiaa, noin 16 000 kWh/tonni. Alumiinijätteestä palautuu uusiokäyttöön kolme neljäsosaa. Alumiinin tuotannossa käytetään Hallin prosessia, jossa alumiinia valmistetaan elektrolysoimalla bauksiitin ja kryoliitin (Na₃AlF₆) seosta.

Alumiini sitoutuu epämetalleihin kovalenttisluonteisilla sidoksilla, mistä johtuu esimerkiksi alumiinioksidin liukoisuus sekä emäksiin että happoihin. Alumiinin tärkeitä yhdisteitä ovat muun muassa alumiinioksidi (Al₂O₃) eli alumina (mm. hionta-aine) ja alumiinisulfaatti, Al₂(SO₄)₂ (paperiteollisuus).

Kiina on alumiinin merkittävimpiä esiintymisalueita.

[muokkaa] Historia

Alumiini materiaalina löydettiin jo 160 vuotta sitten. Alumiinin tuotantoa on ollut vasta 100 vuotta. Vuonna 1807 englantilainen kemisti Sir Humphrey Davy määritti alumiinisuolan sen ominaisuuksien perusteella ja antoi sille nimen alumium, jossa "alum" on tuntematon metalli ja –ium-pääte sen suola. Davy yritti onnistumatta valmistaa alumiinia alumiinioksidin ja potaskan (puutuhkasta valmistettu kaliumhydroksidi) elektrolyysin avulla. Myöhemmät sukupolvet muuttivat nimen muotoon aluminium, joka on paremmin ja miellyttävämmin äännettävä ja jota brittienglannissa edelleenkin käytetään. Yhdysvalloissa on vuodesta 1925 ollut käytössä muoto aluminum.

Vuonna 1825 onnistui tanskalainen fyysikko Hans Christian Ørsted Davyn työn jalanjäljissä tuottamaan ensimmäiset alumiinihiukkaset (grammat) kuumentamalla kaliumhydroksidiamalgaamia ja alumiinioksidia.

Vuonna 1845 saksalainen Friedrich Wöhler määritti useita alumiinin ominaisuuksia, muun muassa sen huomattavan keveyden. Vuonna 1886 ranskalainen Henri Sainte-Claire Deville kehitti tuotantomenetelmän, joka mahdollisti alumiinin teollisen tuotannon pienessä mittakaavassa. Prosessi otettiin käyttöön ympäri Euroopan, ja viimeinkin alumiinia oli mahdollista tuottaa kilokaupalla, mikä oli merkittävä askel teollisen tuotannon kehittymiselle ja vei alumiinin laboratorioista tehtaisiin.

Varsinaisen teollisen tuotantotavan kehittivät samanaikaisesti sekä Charles Martin Hall Yhdysvalloissa että Paul Héroult Ranskassa. Molemmat jalostivat alumiinioksidia kryoliitista ja alumiinia aluminioksidista sulatuselektrolyysin avulla. Prosessia kutsutaan keksijöidensä perusteella Hall-Héroult-menetelmäksi.

Vain kaksi vuotta Hall-Héroult-menetelmän kehittämisen jälkeen vuonna 1888 itävaltalainen Karl Bayer kehitti menetelmän valmistaa alumiinioksidia bauksiitista (bauksiittisavesta). Tämä keksintö poisti viimeisen esteen alumiinin teollisen tuotannon tieltä, ja sen ansiosta alumiinin kilohinta laski 80 prosenttia vuonna 1890. Alumiini oli nyt viimeinkin todellinen teollisesti tuotettava materiaali.

Roomalaislääkäri Dioscorides suositteli alunaa eli kalium-alumiinisulfaattia iho-oireisiin, mutta se on osoittautunut hyödyttömäksi. Alunaa on käytetty myös värien kiinnitteenä sekä paperin valmistukseen.

[muokkaa] Terveys

Ihminen saa ravinnosta noin 7 mg alumiinia vuorokaudessa, mutta siitä imeytyy vain kymmenesosa. Eliöt eivät tutkimusten mukaan tarvitse alumiinia, mutta siitä ei ole todettu olevan suurta haittaa. Tosin alumiini kertyy esimerkiksi luustoon, ja seurauksena voi olla osteomalasia eli luunpehmennystauti, jolloin luun mineralisoituminen vähenee.^[1] Elintarvikkeissa käytetään alumiiniyhdisteitä lisä- ja apuaineina.

[muokkaa] Ominaisuuksia

Alumiinin elektronirakenne, ensimmäisellä kuorella 2 elektronia, toisella 8 ja uloimmalla 3

Atomipaino: 26,98154
Tiheys (293 K): 2,702 g/cm³
Sulamispiste: 660,37 °C
Kiehumispiste: 2467 °C
Ominaisvastus: 2,8·10⁻⁸Ω·m
Itsesyttymislämpötila 590 °C
CAS-numero 7429-90-5

Alfred Gilbertin Anteroksena tunnettu veistos, oikealta nimeltään The Angel of Christian Charity. Veistos pystytettiin Lontoon Piccadilly Circusiin vuonna 1893, ja se oli ensimmäisiä alumiiniin valettuja patsaita.

[muokkaa] Alumiinin käyttö

Puhdasta alumiinia käytetään teollisiin tarkoituksiin sähköjohtimissa. Puhdas alumiini on varsin pehmeää. Sen vuoksi koneiden ja laitteiden valmistusmateriaaleina käytetään seostettua alumiinia, kuten silumiini, näiden seosten parempien lujuusominaisuuksien vuoksi. Lentokoneissa on duralumiinin keksimisestä, 1920-luvulla alkaen, käytetty paljon ohuita alumiinilevyjä ja alumiinista koneistettuja rakenteita, joilla pyritään aikaansaamaan luja ja kevyt rakenne. Siksikin alumiinia, titaania, magnesiumia kutsutaan kevytmetalleiksi. Alumiinin kanssa valmistusmateriaalina kevytrakenteissa ja veneissä kilpailevat myös kuitulujitetut komposiitit. Erilaisten moottoreiden ja vaihteistojen kuoret tai rungot on usein valmistettu alumiinista valamalla. Moottorin jäähdytyksen kannalta etuna on alumiinin hyvä lämmönsiirtokyky. Alumiinia käytetään myös erilaisissa elintarvikepakkauksissa, joista ovat esimerkkeinä virvoitusjuomatölkit. Tässäkin kyse on painon minimoinnista käsin kuljetettavassa tuotteessa. Toimistosisustuksessa alumiinia käytetään mm. kotelolistoina, joiden alla johdetaan sähkö- ym. kaapeleita.

Alumiinin etuja ovat hyvä lujuus suhteessa painoon ja useimmissa oloissa hyvä korroosiokestävyys tiiviin oksidikerroksen ansiosta.