Alumiini

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
MagnesiumAlumiiniPii
B

Al

Ga  
 
 
Al-TableImage.svg
Yleistä
Nimi Alumiini
Tunnus Al
Järjestysluku 13
Luokka metalli
Lohko p
Ryhmä 13, booriryhmä
Jakso 3
Tiheys2,70 · 103 kg/m3
Kovuus2,75 (Mohsin asteikko)
Värihopeinen
Löytövuosi, löytäjä 1825, Hans Christian Ørsted
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)26,9815384(3)[1]
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)143 pm
Kovalenttisäde124[2] pm
Van der Waalsin säde184[2] pm
Orbitaalirakenne[Ne] 3s2 3p1
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 3
Hapetusluvut+III
Kiderakennepintakeskinen kuutiollinen (face centered cubic, FCC)
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste933,47[3] K (660,32 °C)
Kiehumispiste2 740[4] K (2 467 °C)
Moolitilavuus9,99[3] · 10−3 m3/mol
Höyrystymislämpö293,0[3] kJ/mol
Sulamislämpö10,7[3] kJ/mol
Höyrynpaine2,42[4] Pa 557 K:ssa
Äänen nopeus5 100[3] m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus1,61[3][4] (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti 0,897 kJ/kg K
Sähkönjohtavuus3,8×107 [3] S/m
Lämmönjohtavuus(300 K) 235[3] W/(m·K)
CAS-numero7429-90-5
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa
Alumiiniatomeita kuvattuna elektronimikroskoopilla.

Alumiini on alkuaineiden jaksollisen järjestelmän kolmanteen jaksoon ja 13. ryhmään (eli kolmanteen pääryhmään) kuuluva metalli. Sen kemiallinen merkki on Al (lat. aluminium) ja järjestysluku 13. Sitä on 8,8 % maankuoresta, jossa se on kolmanneksi yleisin alkuaine (hapen ja piin jälkeen) ja samalla yleisin metalli.[5]

Yleisyydestään huolimatta alumiini on tullut tunnetuksi vasta 1800-luvulla, sillä se esiintyy luonnossa ainoastaan oksideina[5] ja vasta elektrolyysin keksiminen teki mahdolliseksi eristää sitä vapaana alkuaineena. Nykyisin se on hyvin yleisesti käytetty 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.[6] 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. Alumiinijätteestä palautuu uusiokäyttöön kolme neljäsosaa. Alumiinin tuotannossa käytetään Hall–Héroult-menetelmää, jossa alumiinia valmistetaan elektrolysoimalla bauksiitin ja kryoliitin (Na3AlF6) seosta.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alumiinia.

Alumiinimineraalit tunnetaan jo ajanlaskun alkuajoilta, jolloin alunaa suositeltiin lääkkeeksi muun muassa verenvuotoon, ihottumaan ja hilseilyyn. Alunaa käytettiin myös paperin valmistamisessa ja väriaineiden kiinnitteenä. Turkkilaiset käyttivät alunaa muodostaakseen punaista väriä. Uuden ajan puolestavälistä aina 1600-luvulla paavilla oli monopoliasema alunan valmistamiseen johtuen Italiasta löytyneestä aluniittiesiintymästä. Alumiini oli myös tuolloin kallista. Kun Englannista löytyi alunaliuske-esiintymä, alunan markkinahinta laski 1600-luvulta lähtien.[6][7]

Andreas Marggraf onnistui 1750-luvulla muodostamaan alumiinioksidia alunasta. Humphry Davy pystyi pelkistämään natriumia ja kaliumia 1700-luvun lopussa, mutta ei onnistunut eristämään alumiinia. Vasta vuonna 1825 Hans Christian Ørsted onnistui valmistamaan alumiinia. Hän kuumensi alumiinikloridia kaliummetallin ja elohopean kanssa, jolloin muodostui metallista alumiinia. Ørsted ei kuitenkaan pystynyt erottamaan alumiinia ja elohopeaa toisistaan. Kaksi vuotta myöhemmin Friedrich Wöhler oli ensimmäinen, joka onnistui saamaan aikaan puhdasta alumiinia, kun hän vaihtoi kaliumin natriumiin. Natriumin kalleudesta johtuen myös alumiinin valmistus oli kallista, mikä teki siitä rikkaiden metallia useiksi vuosikymmeniksi. Se oli kalliimpaa kuin kulta ja sen kalleudesta kertoo, että alumiinia oli esillä Pariisin maailmannäyttelyssä 1855 jalokivien ohessa sekä Napoleon III käytti juhlatilaisuuksissa alumiinisia aterimia. Charles Hall kehitti vuonna 1886 menetelmän, jossa sulaan kryoliittiin johdetaan sähkövirtaa, jolloin muodostuu metallista alumiinia. Samaan aikaan myös Paul-Louis-Toussaint Héroult keksi saman menetelmän. Hall–Héroult-menetelmän ansiosta alumiinin hinta laski nopeasti murto-osaan entisestä arvostaan: vielä vuonna 1852 kilo alumiinia maksoi 1200 dollaria, kun vuonna hinta 1895 hinta oli 1,15 dollaria kilolta.[6][8][7][9]

Alumiinin nimi tulee latinan kielen sanasta alumen (suom. karvas suola). Nimen aineelle antoi Davy, joka nimensi löytämänsä raudan ja alumiinin lejeeringin alumiumiksi ja myöhemmin aluminumiksi.[8][9]

Esiintyminen ja valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Bauksiitti on tärkein alumiinin lähde.

Alumiini on maankuoren kolmanneksi yleisin alkuaine hapen ja piin jälkeen. Noin 8,1 % maankuoresta on alumiinia.[10] Alumiinin tärkein malmi on bauksiitti. 90 % maapallon bauksiittivarannoista sijaitsee trooppisella tai subtrooppisella vyöhykkeellä. Noin 28 % kaikesta bauksiitista tulee Guineasta. Suurimmat bauksiitin tuottajat ovat Kiina, Australia, Brasilia, Guinea ja Intia.[11]

Bauksiitti on pääosin alumiinioksidia (Al2O3), mutta se sisältää myös epäpuhtauksia. Jotta saadaan puhdasta alumiinioksidia, käsitellään bauksiitti Bayer-prosessin avulla. Tässä bauksiitti jauhetaan ja liuotetaan natriumhydroksidiin korkeassa lämpötilassa. Kiinteät epäpuhtaudet poistetaan ja alumiinihydroksidi saostetaan liuoksesta pois. Liuokseen jää natriumaluminaattia, joka voidaan saostaa alumiinihydroksidiksi. Kun alumiinihydroksidi kuumennetaan yli 1 000 °C lämpötilassa, se muuttuu alumiinioksidiksi. Puhdasta alumiinia voidaan valmistaa Hall–Héroult-menetelmän avulla, jossa alumiinioksidi pelkistetään kryoliittiliuoksessa korkeassa lämpötilassa.[11]

Alumiinin valmistus vaatii hyvin paljon energiaa ja valmistamisessa syntyy hiilidioksidia. IEA:n mukaan alumiiniteollisuuden energiatehokkuutta voidaan parantaa erityisesti kierrättämisellä ja käyttämällä uusiutuvia energialähteitä. IEA:n raportin mukaan alumiinituotannon hiilidioksidipäästöt ovat kuitenkin laskeneet 2000-luvulla, joskin lasku pysähtyi 2010-luvun puolessavälissä.[12] Kansainvälisen alumiini-insitituutin mukaan vuonna 2018 alumiinin pelkistyssulatukseen käytettiin noin 870 terawattituntia energiaa. Tästä noin 61 % tuotettiin hiilellä: erityisesti Kiinassa, muualla Aasiassa, Afrikassa ja Oseaniassa käytetään paljon hiilellä tuotettua sähköä. Euroopassa ja Amerikassa käytettiin suhteellisesti enemmän vesivoimaa: Euroopassa tarvitusta energiasta hiilellä tuotettiin 7 %, kun Kiinassa vastaava luku oli 90 %.[13] Yhden alumiinitonnin valmistaminen vaatii noin 14 MWh energiaa.[14]

Vuonna 2017 suurimmat alumiinin tuottajat olivat Kiina (33 miljoonaa tonnia), Venäjä (3,5), Intia (3,4), Kanada (3,2), Yhdistyneet arabiemiirikunnat (2,5), Australia (1,5) ja Norja (1,3 miljoonaa tonnia). Kiinan valmistamismäärä vastaa hieman yli puolta koko maailman alumiinin tuotannosta, joka oli vuonna 2017 60 miljoonaa tonnia.[15] Suurin valmistaja on kiinalainen Chalco, joka valmisti vuonna 2018 17 miljoonaa tonnia alumiinia.[16]

Alumiinin käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alumiinia voidaan käyttää puhtaana metallina, lejeeringeissä ja yhdisteinä. Alumiini on maailman toiseksi käytetyin metalli raudan jälkeen[4]. Puhdasta metallia käytetään pakkausmateriaalina muun muassa juomatölkeissä, foliossa ja spraymaalipurkeissa.[7] Alumiinia voidaan käyttää hyvin ruuan kanssa kosketuksissa olevissa tarvikkeissa, koska se ei maistu miltään. Alumiini on myös hyvä sähkönjohdin, joten sitä käytetään muun muassa voimalinjoissa.[9] Jauhemaista alumiinia voidaan käyttää termiitissä, jota käytetään erityisesti hitsauksessa.[9] Samoin jauhemaista alumiinia voidaan käyttää maaleissa tuomaan hopeista sävyä. Alumiinia voidaan käyttää optisissa pinnotteissa ja peileissä, sillä sen heijastavuus on erittäin korkea. Puhtaan alumiinin pinnalle muodostuu ohut alumiinioksidikerros, joka suojaa puhdasta metallia. Alumiinia käytetään myös jäähdytettävissä laitteissa, sillä alumiinilla on suhteellisen korkea lämmönjohtavuuskyky.[4]

Alumiinin yhdisteitä voidaan käyttää monissa eri sovelluksissa. Alumiiniammoniumsulfaattia käytetään lisäaineena, veden puhdistamisessa ja paperin valmistamisessa. Alumiiniboraattia, alumiinihydrokdisia ja alumiinifosfaattia käytetään lasin ja keramiikan valmistamisessa. Alumiinikloridia käytetään muun muassa maaliteollisuudessa ja antiperspiranttina.[7]

Lejeeringeissä alumiini voidaan sekoittaa moniin eri metalleihin. Alumiinilejeerinkejä käytetään kohteissa, joissa vaaditaan korkeaa kestävyyttä, mutta samalla tuote pysyy mahdollisimman kevyenä. Kuparin kanssa alumiini muodostaa hyvin korroosionkestävän, vahvan ja helposti työstettävän lejeeringin. Niitä käytetään muun muassa kuorma-autojen paneloinnissa ja lentokoneissa. Mangaanilejeerinkejä käytetään keittiövälineissä, säiliöissä ja liikennemerkeissä. Piilejeerinkejä käytetään hitsauksessa. Kun sekoitetaan alumiinia, piitä, magnesiumia ja sinkkiä saadaan lejeerinki, jota käytetään muun muassa silloissa ja eri liikennevälineiden osissa.[7][4]

Isotoopit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alumiinista tunnetaan useita eri isotooppeja, joiden atomipaino vaihtelee välillä 21–43. Näistä kuitenkin vain kahta isotooppia, 27Al (vakaa isotooppi) ja 26Al (radioaktiivinen isotooppi, puoliintumisaika on 7,2·105 vuotta), tavataan luonnossa. Alumiini-26 syntyy syntyy kun argon-atomeita pommitetaan protoneilla: luonnossa tämä tapahtuu kosmisen säteilyn ansiosta. Alumiini-26:tta voidaan käyttää sedimenttien eroosion nopeuden tutkimisessa[17] sekä meteoriittien iän selvittämiseen[18].

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
Osuus1
21Al < 35 ns β+
22Al 91,1 ms EC + β+
23Al 446 ms EC + β+
24Al 2,053 s EC + β+
24mAl 130 ms IT / EC + β+ / EC
25Al 7,183 s EC + β+
26Al 7,17·105 a EC + β+
26mAl 6,3464 s EC + β+
27Al Stabiili 100 %
28Al 2,2414 min β
29Al 6,56 min β
30Al 3,62 s β
31Al 644 ms β
32Al 33,0 ms β
33Al 41,7 ms β
 
Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
Osuus1
34Al 42 ms β
35Al 37,2 ms β
36Al 90 ms β
37Al 10,7 ms β
38Al 7,6 ms β
39Al 7,6 ms β
40Al > 260 ns β
41Al > 260 ns β
42Al > 170 ns β
43Al > 170 ns β

1 = Osuus kaikesta luonnossa esiintyvästä alumiinista.
Ilmoitetaan stabiileille ja erittäin pitkäikäisille isotoopeille.
Lähde:[19][20][21]

 

EC = Elektronisieppaus
α = Alfahajoaminen
β+ = Beeta-plus-hajoaminen
β = Beeta-miinus-hajoaminen
IT = Isomeerinen transitio
m = Välitila tai virittynyt atomi

Alumiinin yhdisteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alumiini sitoutuu epämetalleihin kovalenttisluonteisilla sidoksilla, mistä johtuu, että esimerkiksi alumiinioksidi reagoi sekä vahvojen happojen että vahvojen emästen kanssa. Tärkeitä alumiiniyhdisteitä ovat alumiinioksidi (Al2O3) eli alumina, mineraalinimeltään korundi, jota käytetään hionta-aineena, sekä paperiteollisuudessa käytetty alumiinisulfaatti, Al2(SO4)3. Savi ja kaoliini koostuvat myös pääosin alumiiniyhdisteistä.

Voimakkaiden emästen kanssa reagoidessaan alumiini muodostaa aluminaatteja (AlO2- tai AlO33- ja Al2O42-). Hapoissa alumiini esiintyy kationina Al3+. Alumiini liukenee suola- ja rikkihappoon, mutta ei typpihappoon.

Kreikkalainen lääkäri Dioskorides suositteli alunaa eli kalium-alumiinisulfaattia iho-oireisiin, mutta se on osoittautunut hyödyttömäksi. Sen sijaan verenvuotojen tyrehdyttämiseen sitä käytetään edelleen.[6] Alunaa on käytetty myös värien kiinnitteenä sekä paperin valmistukseen.

Terveysvaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ihminen saa ravinnosta noin seitsemän milligrammaa 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.[22] Elintarvikkeissa käytetään alumiinia ja alumiiniyhdisteitä lisä- ja apuaineina.[23] Alumiini on ympäristömyrkky, joka on haitallinen aivojen toiminnalle. Pitkäaikainen altistus voi johtaa hermosolujen tuhoutumiseen ja hermoston rappeutumissairauksiin. Ympäristön saastumisen ja teollisen hyödyntämisen takia alumiinia löytyy aina ympäristöstä. Alumiini pystyy ylittämään veriaivoesteen ja kerääntyy siksi aivoihin.[24] Parkinsonin tautia ja seniiliä dementiaa sairastavien aivosoluista on löydetty korkeita alumiinipitoisuuksia.[23]

Ympäristövaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alumiini on happamassa vedessä liukoisessa muodossa ja ekologisesti vaikuttavaa. Saostuneena tai kiviainekseen rakentuneena alumiini on haitatonta.[25] Kierrätettynä alumiinia voi käyttää uudelleen käytännössä loputtomasti.[26]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Greenwood N. N. & Earnshaw A.: Chemistry of the Elements. Oxford: Elsevier, 1997. ISBN 978-0-7506-3365-9. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Standard Atomic Weights of 14 Chemical Elements Revised. Chemistry International, 29.10.2018, 40. vsk, nro 4, s. 23–24. IUPAC. doi:10.1515/ci-2018-0409. ISSN 1365-2192. Artikkelin verkkoversio Viitattu 13.12.2018. (englanniksi)
  2. a b Useita tekijöitä: ”6”, CRC Handbook of chemistry & physics. 98 p.. Taylor and Francis Group, LLC, 2015. Teoksen verkkoversio (viitattu 13.3.2016).
  3. a b c d e f g h Technical data for Aluminum periodictable.com. Viitattu 13.3.2016. (englanniksi)
  4. a b c d e f Aluminum 3rd1000.com. Viitattu 13.3.2016. (englanniksi)
  5. a b Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto, Dietmar Werner. Industrial Inorganic Chemistry. s. 247.
  6. a b c d Hamilo, Marko: Alumiinin valmistus vie paljon energiaa Helsingin Sanomat. 8.5.2007. Sanoma Osakeyhtiö. Viitattu 14.7.2010.
  7. a b c d e Aluminum Chemistry Explained. Viitattu 25.2.2020. (englanniksi)
  8. a b Greenwood & Earnshaw s. 216
  9. a b c d Aluminum Element Facts Chemicool. Viitattu 25.2.2020. (englanniksi)
  10. The Most Abundant Elements In The Earth's Crust World Atlas. Viitattu 24.2.2020. (englanniksi)
  11. a b How Aluminium is Produced RUSAL. Viitattu 24.2.2020. (englanniksi)
  12. Aluminium IEA. Viitattu 24.2.2020. (englanniksi)
  13. Primary Aluminium Smelting Power Consumption World Aluminium Institute. Viitattu 24.2.2020. (englanniksi)
  14. Primary Aluminium Smelting Energy Intensity World Aluminum Institute. Viitattu 25.2.2020. (englanniksi)
  15. World Mineral Production (pdf) British Geological Survey. Viitattu 24.2.2020. (englanniksi)
  16. Terence Bell: The Biggest Aluminum Producers of 2018 The Balance. 17. helmikuuta 2020. Viitattu 24.2.2020. (englanniksi)
  17. Periodic Table--Aluminum USGS. Viitattu 28.2.2020. (englanniksi)
  18. Using Aluminum-26 as a Clock for Early Solar System Events PSRD. Viitattu 28.2.2020. (englanniksi)
  19. Isotopes of Aluminium ie.lbl.gov. Arkistoitu 26.6.2015. Viitattu 19.6.2011. (englanniksi)
  20. Isotopes of the Element Aluminum Jefferson Lab. Viitattu 28.2.2020. (englanniksi)
  21. Isotopes of Aluminum periodictable.com. Viitattu 28.2.2020. (englanniksi)
  22. Kananen, Kristiina: D-vitamiinia vai sinakalseettia munuaispotilaalle Oulun yliopisto Sisätautien klinikka. 18.8.2005. Viitattu 11.10.2018.
  23. a b Lähteenmäki & Nuutinen & Parkkinen: Ravintomme lisäaineet. lisäaineiden terveysvaikutukset. Helsinki: Academica kustannus Oy, 2000. ISBN 952-5046-01-x.
  24. Elohopeayhdisteiden ja alumiinin hermostomyrkyllisyyden arviointi soluviljelmissä
  25. Virtanen, Sofia: Professori: ”Talvivaaran suurin ympäristöuhka jäänyt ilman huomiota” (Kaivosuutinen) Tekniikka ja Talous. 20.11.2012. Talentum Oyj. Viitattu 25.11.2012.
  26. Kangas, Terhi: Alumiini – kiertotalouden kuningasraaka-aine Kuusakoski Recycling. 18.5.2017.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta alumiini.