Al

Aluminium


Aluminum is een zilverwit metaal. Het is licht, niet giftig, niet magnetisch en gemakkelijk te verwerken en bewerken. In zuivere vorm is het zacht en niet sterk. Maar in legeringen met kleine hoeveelheden koper, magnesium, silicium, mangaan of andere metalen is het geschikt voor allerlei toepassingen. Aluminum is het meest voorkomende metaal op aarde maar komt in zuivere vorm niet voor. Het kost veel energie om het uit erts (bauxiet) te isoleren. Het was lange tijd duurder dan goud, totdat er in de negentiende eeuw technologie werd ontwikkeld voor grootschalige aluminiumproductie. Naar verluidt liet Napoleon III tijdens staatsbanketten het eten serveren op aluminium borden.
Symbool Al Protonen/elektronen 13
Groep 13 Isotopen 27Al
Periode Elektronenconfiguratie [Ne] 3s2 3p1
Blok p Elektronegativiteit 1,5 (Pauling)
Bij kamertemperatuur vast Atoomstraal 143 10-12m
Dichtheid 2700 kg m-3 Relatieve atoommassa 26.9815
Smeltpunt 660 oC
(933 K)
Soortelijke warmte 880 J kg-1K-1
Kookpunt 2519 oC
(2792 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt 237 W m-1K-1

Raam, deur, kozijn

Het lichte en tegelijkertijd sterke aluminium is zeer geschikt als construc­tiemateriaal. Het is ook nog eens behoorlijk resistent tegen atmosferische invloeden. Aan het oppervlak van zuiver aluminium ontstaat een dun laagje aluminiumoxide, dat het materiaal tegen verdere oxidatie beschermt. Met anodiseren is aluminium nog beter te beschermen en bovendien te verfraaien.

 

Je vindt aluminium vaak in ramen, deuren en kozijnen, vooral bij 'high tech' kantoorgebouwen. Ook in grote constructies is aluminium te vinden, zoals bijvoorbeeld bij olieplatforms en bruggen. Ook het schuifdak van de Amsterdam Arena is van aluminium.

Licht en sterk is ook een ideale combinatie voor vervoerstoepassingen:

Auto

Aluminium is in allerlei auto-onderdelen te vinden. Onder de motorkap bijvoorbeeld: in het motorblok, de cilinderkoppen, het carter en de zuigers. Behalve het lage gewicht en de hoge sterkte is hier ook van belang dat aluminium een goede warmtegeleiding heeft en zich goed laat verwerken, met name via (spuit)gieten. Bekend zijn verder de lichtmetalen wielen uit aluminiumlegeringen. Maar ook de carros­serie bevat steeds vaker aluminium. De gemiddelde personenauto bevat zo'n 150 kg van het lichtmetaal en het aandeel groeit nog steeds. De gewichtsbesparing ten opzichte van staal leidt tot een beter acceleratie- en remvermogen, terwijl het brandstofgebruik afneemt.

 

Metro, tram, trein

Rijtuigen voor metro, tram en trein bevatten aluminium, onder andere in profielen, carrosserieonderdelen en zelfs in veeleisende toepassingen zoals bijvoorbeeld wielstellen. Een bijzondere toepassing zijn aluminium sandwichpanelen zoals Hylite, ontwikkeld bij de Hoogovens in IJmuiden (nu Tata Steel Europe). Het is opgebouwd uit twee lagen aluminium met daartussen een laag kunststof (polypropeen). Ze zijn ongeveer half zo zwaar als stalen panelen.

Schepen

De bouw van grote, snelle veerboten is mogelijk dankzij speciale constructietechnieken met aluminium. Maar ook in (wedstrijd)jachten, reddings-, politie- en loodsboten vind je aluminium.

 

Vliegtuig

Voor vliegtuigonderdelen is men voortdurend op zoek naar materiaal met een optimale combinatie van gewicht, sterkte, corrosieweerstand en hittebesten­digheid. Dit heeft geleid tot veelvuldige toepassing van aluminium in allerlei legeringen. Zo vind je het in vliegtuigvleugels in combinatie met magnesium en zink. Deze materialen zijn 20% lichter dan puur aluminium en goed bestand tegen corrosie. Romp, landingsgestel en ­trap bevatten vergelijkbare legeringen.

De laatste jaren is zeer licht en brandwerend plaatmateriaal in opmars, opge­bouwd uit elkaar afwisselende lagen van aluminium en van vezels geïmpregneerd met kunsthars. De enorme dubbeldeks Airbus A380 met een capaciteit tot 853 passagiers bevat het aan de TU Delft ontwikkelde Glare (GLAss REinforced aluminum), een sandwichmateriaal van aluminium en glasvezel.

In militaire toestellen vind je ook legeringen van aluminium met lithium, die een nog betere verhouding tussen sterkte en gewicht hebben.

Drankblikje, tube, folie

Aluminium is een geschikt verpakkings- en beschermingsmateriaal omdat het niet adsorberend is, niet giftig, corro­siebestendig en luchtdicht. Je vindt het in blikjes en tubes en ook als folie (bijvoorbeeld voor gebruik in de keuken of als wikkel voor chocolade). Omdat aluminium zich goed laat walsen kan het folie zeer dun zijn, tot slechts 6 micrometer (duizendste millimeter) dik. Aluminumfolie wordt ook toegepast in isoleerdekens, bijvoorbeeld voor te vroeg geboren baby's, slachtoffers van ongevallen en sporters.

 

Vooral in de Verenigde Staten worden drankblikjes uit aluminium gemaakt (gelegeerd met enkele procenten magnesium). In Nederland worden nog veel stalen blikjes gebruikt, al wint aluminium terrein (ongeveer een tiende van het totaal).

Kabel

Het vermogen van aluminium om elektriciteit te geleiden is heel behoorlijk. Het is ongeveer 61% van dat van koper. Vanwege het geringe gewicht en de hoge corrosiebestendigheid heeft het de voorkeur voor bovengrondse hoogspanningsleidin­gen. Meestal wordt een legering gebruikt met zo'n 98 % aluminium en geringe hoe­veelheden koper, magnesium, chroom en silicium.

CD

Het reflecterende laagje op een CD bestaat uit alumi­nium.

 

Vuurwerk

Zowel siervuurwerk als knal- en flitsvuurwerk bevatten poedervormig aluminium, dat bij ontbranden een helder wit licht geeft. Voor zogenoemde sproei- en water­valeffecten gebruikt men 'aluminium­gries' met een deeltjes­grootte van maximaal 40 micrometer (duizendste millimeter). Ook mengsels van aluminium en magnesium (50/50) zijn ge­schikt.

Waterzuivering

Aluminiumsulfaat (Al2(SO4)3, foto) helpt zwembad- en rioolwater te zuiveren. Het dient als vlokmiddel om zogenaamd colloïdaal vuil te verwijderen. Dat zijn microscopisch kleine deeltjes (bijvoorbeeld resten van algen, bacteriën en huidschilfers), die niet via de filters uit het water zijn te halen.

 

Bij het toevoegen van het aluminiumsulfaat aan het afvalwater treden verschillende reacties op:

            3 Al3+ + 2 PO43-  + 6 H2O --> (AlOH)3(PO4)2 + 3 H3O+

                              Al3+   + 6 H2O -->  Al(OH)3      + 3 H3O+

                              Al3+   + 4 H2O -->  Al(OH)2+    + 2 H3O+

                             2 Al3+ + 4 H2O -->  Al2(OH)24+  + 2 H3O+  

De zo gevormde vaste aluminiumhydroxiden destabiliseren het colloïdale vuile water. Het resultaat zijn grote vlokken, die wél zijn weg te filteren. Doorgaans is één gram aluminiumsulfaat per kubieke meter water voldoende.

Supersterk aluminium

Vloeibaar aluminium dat in een fractie van een seconde afkoelt heeft andere eigenschappen dan gewoon aluminium. Door een bijzondere materiaalstructuur heeft het een sterkte die vergelijkbaar is met titanium. Dit proces was lange tijd alleen op laboratoriumschaal mogelijk, maar is nu ook op industriële schaal toepasbaar. Het supersterke aluminium wordt toegepast voor schaatsen, fietsen, automotoren, golfclubs en materiaal voor bergbeklimmers.

Meer toepassingen:


Als element en in legeringen

Je vindt aluminium in uiteenlopende toepassingen als

  • biervaten
  • computerschijven
  • fietsframes
  • raketbrandstof
  • rolluiken
  • spiegels en reflectoren
  • verf (metallic)

Legeringen van aluminium met andere metalen hebben eigenschappen (sterkte, corrosiebestendigheid, enz.) die vrijwel 'op maat gesneden' zijn voor het gewenste gebruik. De legeringen worden aangeduid met nummers:

groep   gelegeerd met            toepassingen, o.a.

1000    -                                  folie, beplating

2000    koper                          vliegtuigbouw, constructiemateriaal

3000    mangaan                    gevelbeplating

5000    magnesium                 constructiemateriaal

6000    magnesium, silicium   constructiemateriaal (goed lasbaar)

7000    zink                             constructiemateriaal (zware, dragende constructies)

In verbindingen

  • aftershave                                                                                         KAl(SO4)2.12H2O
  • antitranspiratiemiddel in deodorant                                                   Al2(OH)5Cl, AlZr(OH)5Cl, AlCl3     
  • brandwerend middel                                                                          Al(CH3COO)3
  • cosmetica                                                                                          Al(C17H35COO)3, Al(OH)3, Al2(SiO3)3                   
  • drukinkt (toevoeging)                                                                         Al(C17H35COO)3
  • extractiemiddel (opwerking van splijtstofstaven van kernreactoren)  Al(NO3)3
  • fixeren van textielverf                                                                        Al(HCOO)3
  • geneesmiddel
  • - bloedstelpend middel                                                                     KAl(SO4)2.12H2O
  • - gorgeldrank, keeltablet, voetpoeder                                              KAl(SO4)2.12H2O
  • - neutraliseren van maagzuur                                                          Al2O3
  • - zalf tegen jeuk                                                                               Al(OH)(CH3COO)2/Al(OH)2(CH3COO)
  • insecticide                                                                                         Na3AlF6
  • kleuren van textiel                                                                             Al(CH3COO)3, Al(OH)3
  • leerlooien                                                                                          Al(NO3)3
  • melkglasbereiding                                                                             Na3AlF6
  • papierlijm                                                                                           KAl(SO4)2.12H2O
  • rattengif                                                                                             AlP     
  • schuurpoeder                                                                                    Al2O3  
  • slijpsteen                                                                                           bauxiet
  • tandpasta                                                                                          Al(OH)3,  Al2O3  
  • vlamvertrager                                                                                    Al(OH)3
  • waterafstotend maken van textiel                                                      Al(HCOO)3, Al2(SO4)3
  • waterdicht maken van textiel                                                             KAl(SO4)2.12H2O

 

Naam

De oude Egyptenaren, Grieken en Romeinen gebruikten het aluminiumhoudende aluinsteen als bloedstelpend middel. Het heeft een enigszins bittere smaak en het Latijnse woord voor bitter is alumen. Sinds 1807 werd het metaal uit de aluinsteen daarom op voorstel van de Britse chemicus Humphry Davy aluminum genoemd. De IUPAC, het internationale overlegorgaan van chemici en natuurkundigen, veranderde dat in 1925 in aluminium. Dat was meer in overeenstemming met de namen van andere elementen, die doorgaans op -ium eindigen. In de Verenigde Staten wordt echter nog steeds over alumi­num gesproken.

 

Bauxiet, het belangrijkste aluminiumhoudende erts (foto), is vernoemd naar het plaatsje Les Baux in Zuid-Frankrijk. De Franse mineraloog en geoloog Pierre Berthier ontdekte het erts hier in 1821 als eerste.

Ontdekking

Het is lastig één wetenschapper de ontdekking van aluminium toe te kennen. Drie namen doen de ronde. Allereerst stelde Humphry Davy al in 1807 dat aluin een nieuw metallisch element bevatte. De Deense natuur- en scheikundige Hans Christian Oersted (foto) zou in 1825 als eerste aluminium hebben geïsoleerd, via de reductie van watervrij aluminiumchloride met kaliumamal­gaam. Maar ook de Duitse chemicus Friedrich Wöhler wordt genoemd. Hij stelde in 1927 dat Oersted iets anders had gemaakt, mogelijk kalium. Wöhler slaagde er (ook) in aluminium in handen te krijgen, via een vergelijkbare reactie.

 

Voorkomen

Aluminium komt op aarde heel veel voor. Met een aandeel van 8,23% staat het op plaats drie in de lijst van meest in de aardkorst voorkomende elementen. Achter zuurstof en silicium.

 

De belangrijkste mineralen zijn:

  • albiet (foto)                             NaAlSi3O8
  • aluminiet                                 Al2(SO4)(OH)4.7H2O
  • aluniet of aluinsteen                K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH)3
  • alunogeen                               Al2(SO4)3.17H2O
  • bauxiet                                    AlOx(OH)3-2x, 0
  • beryl                                        ­Be3Al2Si6O18
  • chioliet                                    Na5Al3F14
  • corundum                               Al2O3
  • diaspoor                                 AlO(OH)
  • gibbsiet                                   Al(OH)3
  • kaoliniet of porseleinaarde     Al2Si2O5(OH)4
  • kryoliet of ijssteen                   Na3AlF6
  • mica                                        {Na,K,Ca,Mg}{Al,Mg,Fe,Li}2-3{Si,Al}4O10{OH,­F}2
  • orthoklaas                               KAlSi3O8
  • petaliet                                    LiAlSi4O10
  • spinel                                      MgAl2O4
  • topaas                                     Al2SiO4(F,OH)2
  • turkoois                                   CuAl6(PO4)4(OH)8.4H2O
  • zeoliet                                     geen vaste formule; verhouding (Al+Si):O = 1 : 2

Winning

De belangrijkste wingebieden voor bauxiet, de grondstof van alumini­um, liggen in Gui­nee, Australië, Brazilië, Rusland, Jamaica, Mali, Guyana, Kame­roen, Griekenland, Ghana, Indonesië, Suriname, Tadzjikistan, India, de Verenigde Staten van Amerika, Dominicaanse Repu­bliek, Sierra Leone, Slovenië, Montenegro, Bosnië-Herzegovina, Hongarije, Frank­rijk en vele Afri­kaanse landen. 

 

Vroeger

Een reactie die - tamelijk onzuiver - aluminium oplevert is de reductie van watervrij aluminiumchloride met kaliumamal­gaam. De Deense natuur- en scheikundige Hans Christian Oersted maakte daar in 1825 als eerste melding van. In 1854 was de Franse scheikundige Henri ??tienne Sainte-Claire Deville de eerste die aluminium in rede­lijk zuivere vorm isoleerde door elektrolyse van natriumaluminiumchloride (Na­AlCl4).

Het zuivere metaal was in die tijd zo zeldzaam dat het samen met de kroonjuwelen werd geëxposeerd. Keizer Napoleon III gebruikte bij officiële staatsbe­zoe­ken aluminium borden en bestek.

Nadat in 1871 de dynamo was uitgevonden (door de Belgisch Franse technicus Zénobe Théophile Gramme) werd het mogelijk om grootschalige elektrolyse-experimenten uit te voeren. In 1886 ontwikkelden zowel de Fransman Paul Louis Toussaint Héroult als de Amerikaan Charles Martin Hall een proces voor de elektrolyse van aluminiumoxide opgelost in gesmolten kryoliet (Na3AlF6). Ze wisten op deze wijze zuiver aluminium in relatief grotere hoeveel­heden te verkrijgen.

 

Tegenwoordig

Vandaag de dag begint de productie van aluminium met het oplossen van bauxiet (Al2O3) in geconcentreerde natronloog. Bij hoge temperatuur en druk (250 °C, 35.10Pa) lost het aluminium­oxide op:
Al2O3  +  3 H2O   + 6 OH-   -->    2 Al(OH)63-  

Bij afkoeling van de vloeistof slaat aluminiumhydroxide Al(OH)3 neer:
Al(OH)63-   -->   Al(OH)3  +  3 OH-

Bij hoge tempera­tuur (ca. 975 °C) leidt dat tot zuiver aluminiumoxide. Om hier via elektrolyse het aluminium uit vrij te kunnen maken, wordt het eerst opgelost in bijvoorbeeld gesmolten kryoliet (Na3AlF6). De elek­trolysereacties zijn als volgt:

- pool:              Al3+  +  3 e-      -->   Al               

+pool:              2 O2-                -->   O2  +  4 e-

Dit gebeurt in een elektrolysevat van koolstof in een metalen omhulsel. Het koolstof fungeert als kathode, en de anode is een elektrode van koolstof (grafiet). Het bij de elektrolyse gevorm­de vloeibare aluminium wordt in 'broodjes' gegoten. Deze worden verder verwerkt tot plaat, buis, profiel en dergelijke.

De bereiding van aluminium vereist zeer veel energie: voor één ton aluminium is ongeveer 13.500 kWh elektriciteit nodig. De productie floreert daarom in landen waar zeer goedkope energie voorhanden is, zoals in het Midden-Oosten en het Golfgebied. India is hierbij een belangrijke leverancier van het benodigde bauxiet.

De herverwerking van aluminium kost slechts 5 - 10 % van de energie die nodig is voor nieuw aluminium en neemt daarom een steeds belangrijker plaats in. 

Deel dit op: