»   »  Hliník

Hliník

český názevHliník
latinský názevAluminium
anglický názevAluminium
chemická značkaAl
protonové číslo13
relativní atomová hmotnost26,981539
perioda3
skupinaIII.A
zařazeníkovy
rok objevu1825
objevitelC. Oersted
teplota tání [°C]660,37
teplota varu [°C]2519
hustota [g cm-3]2,702
hustota při teplotě tání [g cm-3]2,375
elektronegativita1,5
oxidační stavyI, II, III
elektronová konfigurace[Ne]3s2 3p1
atomový poloměr [pm]118
kovalentní poloměr [pm]118
specifické teplo [J g-1K-1]0,9
slučovací teplo [kJ mol-1]10,79
skupenské teplo tání [kJ mol-1]293
tepelná vodivost [W m-1 K-1]237
elektrická vodivost [S m-1]37,7.106
měrný el. odpor [10-6 Ω.m]0,0267
1. ionizační potenciál [eV]5,9858
2. ionizační potenciál [eV]18,828
3. ionizační potenciál [eV]28,447
tvrdost podle Mohse2,75
tvrdost podle Vickerse [MPa]167
tvrdost podle Brinella [MPa]245
modul pružnosti ve smyku [GPa]26
modul pružnosti v tahu [GPa]70
bod supravodivosti [K]1,175
skupenství za norm. podmíneks

Chemické vlastnosti a reakce

Chemický prvek hliník je na čerstvém řezu stříbřitě bílý, lesklý a velice lehký kov. Krystalizuje v kubické krystalografické soustavě. Na vzduchu se povrch hliníku poměrně rychle pokrývá vrstvou oxidu Al2O3. Hliník je prvek s amfoterním charakterem. S kyselinami tvoří hlinité soli Al3+, se silnými zásadami reaguje hliník za vzniku tetrahydroxohlinitanů [Al(OH)4]-:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
2AL + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Reakce hliníku s kyselinou dusičnou probíhají bez vývoje vodíku, se zředěnou kyselinou vzniká oxid dusný, reakcí hliníku s velmi zředěnou kyselinou dusičnou vzniká dusičnan amonný:

8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O
8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O

S halogeny se slučuje přímo, reakce jsou silně exotermní, s kapalným bromem reaguje práškový hliník prudce za vývoje plamene. Se selenem a tellurem reaguje explozivně za vzniku selenidu Al2Se3 a telluridu Al2Te3. S dusíkem se slučuje na nitrid AlN až za teplot 800-1200°C, s amoniakem reaguje za tvorby nitridu až při teplotě nad 600°C, naopak přímá reakce hliníku se sírou probíhá za vzniku snadno hydrolyzujícího sulfidu hlinitého Al2S3 již od teploty 150°C.

Již za mírně zvýšené teploty okolo 70-100°C reaguje s peroxidy a hyperoxidy alkalických kovů za vzniku alkalických hlinitanů:

3Na2O2 + 2Al → 2NaAlO2 + 2Na2O
NaO2 + Al → NaAlO2

Ve sloučeninách se hliník nejčastěji vyskytuje v ox. stavu III, sloučeniny jednomocného a dvoumocného hliníku jsou méně obvyklé. Nejdůležitější sloučeninou jednomocného hliníku je nestabilní chlorid hlinný AlCl, který je meziproduktem při chemické rafinaci hliníku. Ze sloučenin dvoumocného hliníku je znám oxid hlinatý AlO, dvoumocný hliník se také vyskytuje v řadě organických sloučenin.

Vodné roztoky hlinitých solí jsou bezbarvé, nerozpustné hlinité sloučeniny jsou bílé látky. Jednou z mála známých barevných sloučenin hliníku je světle žlutý karbid Al4C3.

Díky své značné afinitě ke kyslíku, vytěsňuje hliník některé kovy z jejich oxidů. Kvalitativní důkaz hlinitých iontů se provádí 1% lihovým roztokem alizarinu (Turecká červeň), který v amoniakálním prostředí poskytuje fialové nebo červené sraženiny. Kvalitativní stanovení hliníku je možné provádět komplexometrickou titraci, indikátorem bývá 0,4 % roztok Chromazurolu ve vodě. Bod ekvivalence je v kyselém prostředí (pH=4) indikován barevným přechodem z fialové na oranžovou.

Tabulka rozpustnosti hlinitých solí.

Výskyt hliníku v přírodě

V přírodě se hliník v ryzí formě obvykle nevyskytuje, sloučeniny hliníku jsou rozptýleny v zemské kůře. Obsah hliníku zde činí 7,47 % hmot. Hliník je nejrozšířnější kov a je třetí nejrozšířenější prvek zemské kůry.

Přírodní hliník je směsí stabilního izotopu 27Al a malého množství radioaktivního izotopu 26Al (poločas rozpadu 7,17.105 let), který vzniká v horních vrstvách atmosféry bombardováním atomů argonu částicemi kosmického záření - kosmogonický hliník. Uměle bylo připraveno celkem 13 radioaktivních izotopů hliníku s nukleonovými čísly 22 až 35.

Mezi nejdůležitější minerály hliníku patří orthorombický boehmit Al2O3·H2O a monoklinický gibbsit Al2O3·3H2O (hlavní složky bauxitu), kryolit Na3AlF6 a korund Al2O3. Z hlediska geneze ložisek se rozlišují dva typy bauxitu, méně kvalitní primární zvětralinový autochtonní bauxit, vázaný na matečnou horninu a kvalitnější sekundární sedimentární alochtonní bauxit, který tvoří sedimentární vrstvy z materiálu připlaveného ze značné dálky. Vyšší kvalita sekundárního bauxitu je způsobena vymytím nežádoucích příměsí SiO2 a Fe2O3 během transportu a následné sedimentace.

Nejvyšší obsah hlíníku (52,93 % Al) ze všech minerálů má korund, celkem bylo mineralogicky popsáno téměř 1200 nerostů s obsahem hliníku.

I když to poloha hliníku v elektrochemické řadě napětí teoreticky vylučuje, byl v roce 1978 učiněn ojedinělý nález ryzího hliníku v okolí sopky Tolbačik na Kamčatce v Rusku. V roce 1983 byl obdobný nález učiněn v pegmatitech pohoří Rila v Bulharsku. Další nález ryzího hliníku pochází z vulkanických usazenin z okolí Baku v Azerbajdžánu.

Světová těžba bauxitu dosáhla v roce 2012 hodnoty 263 Mt, nejvíce bauxitu vytěžila Austrálie (73 Mt), Čína (48 Mt), Brazílie (34 Mt) a Indonesie (30 Mt). Z evropských zemí nejvíce bauxitu produkuje Řecko - 2 Mt. Ověřené těžitelné zásoby bauxitu jsou 28 Gt, největší zásoby má Guinea (7,4 Gt), Austrálie (6 Gt), Brazílie (2,6 Gt), Vietnam (2,1 Gt) a Jamajka (2 Gt). Celkové světové zásoby bauxitu se odhadují na 55-75 Gt.

Výroba hliníku

Výroba hliníku se od roku 1886 provádí elektrolytickým rozkladem oxidu hlinitého rozpuštěného v roztaveném kryolitu - Hallův-Héroultův postup.

Čistý oxid hlinitý pro elektrolýzu se připravuje různými metodami, které se volí podle křemíkového modulu bauxitu. Křemíkový modul bauxitu je poměr hmotnosti oxidu hlinitého k hmotnosti oxidu křemičitého. Kvalitní bauxity dosahují hodnoty křemíkového modulu vyšší než 10. Bauxit s hodnotou křemíkového modulu nižší než 3 není pro výrobu oxidu hlinitého vhodný.

Pro bauxity s hodnotou 3-10 se používá alkalická spékací metoda, která spočívá ve vypalování bauxitu, vápence a sody v rotační peci. Vypálené slínky se vylouží vodou, vzniklý hlinitan sodný Na[Al(OH)4] se rozkládá oxidem uhličitým na hydrát hlinitý, ten se po odfiltrování kalcinuje za vzniku oxidu hlinitého.

Pro bauxity s křemíkovým modulem vyšším než 10 se používá mokrý, Bayerův způsob přípravy oxidu hlinitého, který spočívá v rozkladu mletého, žíhaného bauxitu hydroxidem sodným za zvýšeného tlaku a teploty v autoklávech různé konstrukce. Vzniklý roztok hlinitanu sodného se filtrací zbaví nečistot (Fe(OH)2, hydratovaný SiO2), podrobí hydrolýze a rozkladu pomocí oxidu uhličitého, následně se kalcinuje na oxid hlinitý. Vedlejším produktem Bayerova způsobu je soda, která se kaustifikuje vápnem za vzniku hydroxidu sodného, ten se vrací zpět na začátek procesu.

Méně používaný je kyselý způsob přípravy oxidu hlinitého, při kterém se na rudu působí roztokem minerálních kyselin. Hliník přechází do roztoku jako hlinitá sůl příslušné kyseliny. Soli se podrobí hydrolýze, vzniklý hydroxid hlinitý se kalcinuje za vzniku oxidu hlinitého.

Buchnerův způsob přípravy oxidu hlinitého spočívá v loužení rudy kyselinou dusičnou v autoklávu. Vzniklý dusičnan hlinitý se čistí frakční krystalizací, následnou kalcinací vzniká oxid hlinitý a kyselina dusičná, která se vraci do procesu. Goldschmidtův způsob využívá loužení rudy kyselinou siřičitou. Haglundův způsob spočívá v tavení rudy, pyritu a uhlí v elektrické peci, hliník přechází do strusky ve formě oxidu a sulfidu, struska plave na slitině železa a křemíku. Následuje rozklad strusky kyselinou chlorovodíkovou, sulfid hlinitý se rozkládá za vývoje sirovodíku, zbytkem je čistý oxid hlinitý.

Důležitým vedlejším produktem všech způsobů přípravy oxidu hlinitého je gallitan sodný NaGaO2, ze kterého se získává gallium.

V období studené války, byl hliník jako důležitý konstrukční materiál pro vojenské využití, vyráběn v bývalém SSSR v množství okolo 3 Mt ročně také z méně tradičních surovin nefelínu (Na,K)AlSiO4 a alunitu KAl3(SO4)2(OH).

Alternativní výrobní postupy

Kromě elektrolytického způsobu je také možná karbotermická výroba hliníku z oxidu hlinitého. Karbotermická redukce se provádí koksem v šachtové nebo elektrické obloukové peci za teplot přes 2000°C. Dvoustupňový průběh redukce popisují rovnice:

2Al2O3 + 9C → Al4C3 + 6CO
Al4C3 + Al2O3 → 6Al + 3CO

Další možností je tzv. Tóthův proces, který je založen na redukci chloridu hlinitého manganem. Vstupní surovinou není bauxit, ale kaolín a jíly se zvýšeným obsahem hliníku. Suroviny se po kalcinaci podrobí chloraci, vzniklý chlorid se redukuje manganem při teplotě 260°C.

Rafinace

Surový elektrolytický hliník dosahuje čistoty 99,5%, pro zvláštní účely se dále elektrolyticky nebo chemicky rafinuje až na čistotu 99,999%. Při elektrolytické rafinaci se jako elektrolyt používá tavenina chloridu barnatého a fluoridu hlinitého, surový hliník se slévá s mědí pro dosažení vyšší hustoty, rafinovaný hliník plave na povrchu elektrolytu.

Při chemické rafinaci se na roztavený surový hliník při teplotě 1200°C působí parami chloridu hlinitého za vzniku chloridu hlinného AlCl. Vzniklý subchlorid se po ochlazení na 700°C rozkládá zpět na chlorid hlinitý a čistý tekutý hliník, chlorid hlinitý se recykluje. Tento postup se nazývá subchloridová metoda rafinace hliníku. Další chemickou metodou rafinace hliníku je zavádění chloru do taveniny, většina přítomných příměsí přechází na chloridy, které se usazují na povrchu taveniny.

Mezi další metody rafiance hliníku patří např. vakuový způsob, k odstranění vodíku se používá probublávání argonem a dalšími inertními plyny. Na velmi vysokou čistotu se hliník rafinuje speciálními postupy mezi které patří např. zonální rafinace, frakční krystalizace nebo elektrolýza z roztoku organických rozpouštědel - Na[Al(C2H5)3F]·Al(C2H5)3.

Využití hliníku a jeho slitin

Hliník se používá čistý nebo ve formě slitin jako konstrukční materiál, pro výrobu elektrických vodičů a k výrobě některých kovů aluminotermickým způsobem (titan, chrom, mangan). Celosvětová výroba hliníku se dnes pohybuje okolo 45 Mt. V roce 2012 nejvíce hliníku vyrobila Čína (19 Mt), Rusko (4,2 Mt), Kanada (2,7 Mt), Austrálie (1,9 Mt) a USA (2 Mt). V Evropě je největším producentem hliníku Norsko s roční výrobou 1 Mt a Island (800 kt).

Nejdůležitější slitiny hliníku jsou magnalium (10-35 % Mg), duraluminium (Cu, Mg, Mn, Si), silumin (13 -25 % Si), hydronalium (Mg) nebo pental (Mg, Si). Mezi nejpevnější slitiny hliníku patří slitiny se zinkem, hořčíkem, titanem, chromem a mědí. Přídavek lithia a kobaltu zlepšuje pevnostní a plastické vlastnosti hliníkových slitin, nikl vylepšuje pevnost za vysokých teplot, zirkonium a molybden zjemňují strukturu, skandium zlepšuje svařitelnost, stříbro zvyšuje chemickou odolnost, olovo a bismut zlepšují mechanickou obrobitelnost, antimon zvyšuje odolnost vůči korozi v mořské vodě, bor zlepšuje elektrickou vodivost. Hlavním legujícím prvkem hliníkových slitin je křemík, který zvyšuje pevnost a slévárenské vlastnosti a v kombinaci s hořčíkem umožňuje vytvrzování.

Praktické využití hliníku i jeho slitin je velmi rozmanité. Největší množství, více než 40% celosvětové produkce hliníku se spotřebovává na výrobu plechovek na nápoje, 24% hliníku spotřebuje automobilový průmysl, 12% hliníku najde uplatnění v elektrotechnice, 8% se využívá ve stavebnictví. Pouhá 3% vyrobeného hliníku se vyžívají v leteckém průmyslu, to je stejné množství, jaké se spotřebuje k výrobě hliníkového nádobí. Jako potravinářské barvivo E 173 se hliník využívá k barvení dortů a cukrovinek.

Ze sloučenin hliníku má největší praktický význam oxid hlinitý Al2O3 - alumina, zejména při výrobě průmyslových katalyzátorů a stavebních hmot. Při výrobě cementu je sledovanou veličinou poměr obsahu Al2O3 k obsahu Fe2O3, který se nazývá aluminátový modul cementu - Am. Aluminátový modul dosahuje hodnot 1 - 3,5 a podstatným způsobem ovlivňuje vlastnosti cementu, zejména množství hydratačního tepla, vznikajícího během procesu tvrdnutí betonu.

Organohlinitý hydrid (C4H9)2AlH je hydrogenační a redukční činidlo v řadě organických syntéz, důležitou organokovovou sloučeninou hliníku je triethylaluminium (C2H5)3Al používané jako katalyzátor polymerace alkenů (Zieglerův-Nattův katalyzátor), triethylalkoholát hlinitý (C2H5O)3Al je katalyzátorem při přípravě esterů karboxylových kyselin z aldehydů (Tiščenkova reakce). Hydroxid hlinitý se používá jako stabilizátor glazur, zejména pro výpal v pecích na dřevo, síran hlinitý se jako potravinářské plnivo E 520 používá ke zpevňování konzervované zeleniny a masa a jako koagulační a flotační činidlo při čištění odpadních vod.

Zdroje

hořčík ← hliník → křemík