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Para las aleaciones de aluminio, consulte aleación de aluminio .

Aluminio,  13 Al
Aluminio-4.jpg
Aluminio
Pronunciación
nombre alternativoaluminio (EE. UU., Canadá)
Aparienciagris plateado metalizado
Peso atómico estándar A r, estándar (Al) 26,981 5384 (3) [1]
Aluminio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatineRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrencioRutherfordioDubniumSeaborgioBohriumHassiumMeitnerioDarmstadtiumRoentgenioCopérnicoNihoniumFlerovioMoscoviumLivermoriumTennessineOganesson
B
↑
Al
↓
Ga
magnesio ← aluminio → silicio
Número atómico ( Z )13
Grupogrupo 13 (grupo boro)
Períodoperíodo 3
Cuadra  bloque p
Configuración electronica[ Ne ] 3 s 2 3p 1
Electrones por capa2, 8, 3
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusion933,47  K (660,32 ° C, 1220,58 ° F)
Punto de ebullición2743 K (2470 ° C, 4478 ° F)
Densidad (cerca de  rt )2,70 g / cm 3
cuando es líquido (a  mp )2,375 g / cm 3
Calor de fusión10,71  kJ / mol
Calor de vaporización284 kJ / mol
Capacidad calorífica molar24,20 J / (mol · K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 k100 k
en  T  (K)148216321817205423642790
Propiedades atómicas
Estados de oxidación−2, −1, +1, [2] +2, [3] +3 (un  óxido anfótero )
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,61
Energías de ionización
  • 1 °: 577,5 kJ / mol
  • 2do: 1816,7 kJ / mol
  • Tercero: 2744,8 kJ / mol
  • ( más )
Radio atómicoempírico: 143  pm
Radio covalente121 ± 4 pm
Radio de Van der Waals184 pm
Líneas espectrales de aluminio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinacara cúbica centrada (fcc)
Velocidad de sonido varilla fina(enrollado) 5000 m / s (a  rt )
Expansión térmica23,1 µm / (m⋅K) (a 25 ° C)
Conductividad térmica237 W / (m⋅K)
Resistividad electrica26,5 nΩ⋅m (a 20 ° C)
Orden magnéticoparamagnético [4]
Susceptibilidad magnética molar+16,5 × 10 −6  cm 3 / mol
El módulo de Young70 GPa
Módulo de corte26 GPa
Módulo de volumen76 GPa
Relación de Poisson0,35
Dureza de Mohs2,75
Dureza Vickers160–350 MPa
Dureza Brinell160–550 MPa
Número CAS7429-90-5
Historia
Nombrarde alúmina , nombre obsoleto para alúmina
PredicciónAntoine Lavoisier (1782)
DescubrimientoHans Christian Ørsted (1824)
Nombrado porHumphry Davy (1812 [a] )
Isótopos principales de aluminio
IsótopoAbundanciaVida media ( t 1/2 )Modo de decaimientoProducto
26 Alrastro7,17 × 10 5  yβ +26 mg
ε26 mg
γ-
27 Al100%estable
Categoría Categoría: Aluminio
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El aluminio ( aluminio en inglés americano y canadiense ) es un elemento químico con el símbolo  Al y número atómico  13. El aluminio tiene una densidad más baja que la de otros metales comunes , aproximadamente un tercio de la del acero . Tiene una gran afinidad por el oxígeno y forma una capa protectora de óxido en la superficie cuando se expone al aire. El aluminio se parece visualmente a la plata, tanto por su color como por su gran capacidad para reflejar la luz. Es suave, no magnético y dúctil.. Tiene un isótopo estable, 27 Al; este isótopo es muy común, por lo que el aluminio es el duodécimo elemento más común en el Universo. La radiactividad del 26 Al se utiliza en la radiodatación .

Químicamente, el aluminio es un metal débil en el grupo del boro ; como es común para el grupo, el aluminio forma compuestos principalmente en el estado de oxidación +3 . El catión de aluminio Al 3+ es pequeño y está muy cargado; como tal, es polarizante y los enlaces de las formas de aluminio tienden a la covalencia . La fuerte afinidad por el oxígeno conduce a la asociación común del aluminio con el oxígeno en la naturaleza en forma de óxidos; Por esta razón, el aluminio se encuentra en la Tierra principalmente en las rocas de la corteza , donde es el tercer elemento más abundante después del oxígeno y el silicio , más que en el manto.y prácticamente nunca como el metal libre.

El descubrimiento del aluminio fue anunciado en 1825 por el físico danés Hans Christian Ørsted . La primera producción industrial de aluminio fue iniciada por el químico francés Henri Étienne Sainte-Claire Deville en 1856. El aluminio se volvió mucho más disponible para el público con el proceso Hall-Héroult desarrollado independientemente por el ingeniero francés Paul Héroult y el ingeniero estadounidense Charles Martin Hall en 1886. y la producción en masa de aluminio llevó a su uso extensivo en la industria y en la vida cotidiana. En guerras mundiales I y II , el aluminio era un importante recurso estratégico para la aviación. En 1954, el aluminio se convirtió en el metal no ferroso más producido , superando al cobre . En el siglo XXI, la mayor parte del aluminio se consumía en el transporte, la ingeniería, la construcción y el embalaje en Estados Unidos, Europa occidental y Japón.

A pesar de su prevalencia en el medio ambiente, no se conoce ningún organismo vivo que utilice las sales de aluminio de forma metabólica , pero las plantas y los animales lo toleran bien. Debido a la abundancia de estas sales, el potencial de un papel biológico para ellas es de interés continuo, y los estudios continúan.

Características físicas

Isótopos

Artículo principal: Isótopos de aluminio

De isótopos de aluminio, solo 27
Alabama
es estable. Esta situación es común para elementos con un número atómico impar. [b] Es el único isótopo de aluminio primordial , es decir, el único que ha existido en la Tierra en su forma actual desde la formación del planeta. Casi todo el aluminio de la Tierra está presente como este isótopo, lo que lo convierte en un elemento mononuclídico y significa que su peso atómico estándar es prácticamente el mismo que el del isótopo. Esto hace que el aluminio sea muy útil en resonancia magnética nuclear (RMN), ya que su único isótopo estable tiene una alta sensibilidad a la RMN. [6] El peso atómico estándar del aluminio es bajo en comparación con muchos otros metales, [c]lo que tiene consecuencias para las propiedades del elemento (ver más abajo ).

Todos los demás isótopos de aluminio son radiactivos . El más estable de estos es el 26 Al : si bien estaba presente junto con el 27 Al estable en el medio interestelar a partir del cual se formó el Sistema Solar, habiendo sido producido también por nucleosíntesis estelar , su vida media es de solo 717,000 años y por lo tanto es detectable. cantidad no ha sobrevivido desde la formación del planeta. [7] Sin embargo, diminutas trazas de 26 Al se producen a partir del argón en la atmósfera por espalación causada por protones de rayos cósmicos . La relación de 26 Al a10 Be se ha utilizado para la radiodatación de procesos geológicos en escalas de tiempo de10 5 a 10 6 años, en particular transporte, deposición,almacenamiento de sedimentos , tiempos de enterramiento y erosión. [8] La mayoría de los científicos de meteoritos creen que la energía liberada por la desintegración del 26 Al fue responsable del derretimiento y diferenciación de algunos asteroides después de su formación hace 4.550 millones de años. [9]

Los isótopos restantes de aluminio, con números de masa que oscilan entre 22 y 43, tienen vidas medias muy inferiores a una hora. Se conocen tres estados metaestables , todos con vidas medias inferiores a un minuto. [5]

Capa electrónica

Un átomo de aluminio tiene 13 electrones, dispuestos en una configuración electrónica de [ Ne ] 3s 2  3p 1 , [10] con tres electrones más allá de una configuración estable de gas noble. En consecuencia, las tres primeras energías de ionización combinadas del aluminio son mucho más bajas que la cuarta energía de ionización sola. [11] Esta configuración electrónica se comparte con los otros miembros bien caracterizados de su grupo, el boro , el galio , el indio y el talio ; también se espera para nihonium. El aluminio puede entregar con relativa facilidad sus tres electrones más externos en muchas reacciones químicas (ver más abajo ). La electronegatividad del aluminio es 1,61 (escala de Pauling). [12]

STEM de alta resolución - Micrografía HAADF de átomos de Al visto a lo largo del eje de la zona [001].

Un átomo de aluminio libre tiene un radio de 143  pm . [13] Con los tres electrones más externos eliminados, el radio se reduce a 39 pm para un átomo con 4 coordenadas o 53,5 pm para un átomo con 6 coordenadas. [13] A temperatura y presión estándar , los átomos de aluminio (cuando no se ven afectados por los átomos de otros elementos) forman un sistema cristalino cúbico centrado en las caras unido por enlaces metálicos proporcionados por los electrones más externos de los átomos; por tanto, el aluminio (en estas condiciones) es un metal. [14] Este sistema cristalino es compartido por muchos otros metales, como el plomo y el cobre.; el tamaño de una celda unitaria de aluminio es comparable al de esos otros metales. [14] El sistema, sin embargo, no es compartido por los demás miembros de su grupo; el boro tiene energías de ionización demasiado altas para permitir la metalización, el talio tiene una estructura hexagonal compacta y el galio y el indio tienen estructuras inusuales que no están compactas como las del aluminio y el talio. Los pocos electrones disponibles para la unión metálica en el metal de aluminio son probablemente una causa de que sea blando, con un punto de fusión bajo y una resistividad eléctrica baja . [15]

A granel

El aluminio metálico tiene una apariencia que va desde el blanco plateado hasta el gris opaco, dependiendo de la rugosidad de la superficie . [d] Una nueva película de aluminio sirve como un buen reflector (aproximadamente 92%) de la luz visible y un excelente reflector (hasta un 98%) de la radiación infrarroja media y lejana . [18] Los espejos de aluminio son los más reflectantes de todos los espejos de metal para la luz casi ultravioleta e infrarroja lejana , [18] y uno de los más reflectantes en el espectro visible, casi a la par con la plata, [18] y, por lo tanto, los dos se ven similar. El aluminio también refleja bienla radiación solar , aunque la exposición prolongada a la luz solar en el aire aumenta el desgaste de la superficie del metal; esto puede evitarse si se anodiza el aluminio , lo que añade una capa protectora de óxido a la superficie. [19]

La densidad del aluminio es de 2,70 g / cm 3 , aproximadamente 1/3 de la del acero, mucho más baja que la de otros metales que se encuentran comúnmente, lo que hace que las piezas de aluminio sean fácilmente identificables por su ligereza. [20] La baja densidad del aluminio en comparación con la mayoría de los otros metales se debe al hecho de que sus núcleos son mucho más ligeros, mientras que la diferencia en el tamaño de la celda unitaria no compensa esta diferencia. Los únicos metales más ligeros son los metales de los grupos 1 y 2 , que, aparte del berilio y el magnesio, son demasiado reactivos para su uso estructural (y el berilio es muy tóxico). [21] El aluminio no es tan fuerte ni rígido como el acero, pero la baja densidad lo compensa en el sector aeroespacial.industria y para muchas otras aplicaciones donde el peso ligero y la resistencia relativamente alta son cruciales. [22]

El aluminio puro es bastante blando y carece de resistencia. En la mayoría de las aplicaciones se utilizan en su lugar diversas aleaciones de aluminio debido a su mayor resistencia y dureza. [23] El límite elástico del aluminio puro es de 7 a 11 MPa , mientras que las aleaciones de aluminio tienen límites elásticos que oscilan entre 200 MPa y 600 MPa. [24] El aluminio es dúctil , con un porcentaje de alargamiento de 50-70%, [25] y maleable permitiendo que sea fácilmente dibujado y extruye . [26] También es fácil de mecanizar y fundir . [26]

El aluminio es un excelente conductor térmico y eléctrico , tiene alrededor del 60% de la conductividad del cobre , tanto térmica como eléctrica, mientras que tiene solo el 30% de la densidad del cobre. [27] El aluminio es capaz de superconductividad , con una temperatura crítica superconductora de 1,2 kelvin y un campo magnético crítico de aproximadamente 100 gauss (10 militeslas ). [28] Es paramagnético y, por lo tanto, esencialmente no se ve afectado por campos magnéticos estáticos. [29]Sin embargo, la alta conductividad eléctrica significa que se ve fuertemente afectada por campos magnéticos alternos a través de la inducción de corrientes parásitas . [30]

Química

Artículo principal: compuestos de aluminio

El aluminio combina las características de los metales anteriores y posteriores a la transición. Dado que tiene pocos electrones disponibles para la unión metálica, como sus congéneres más pesados ​​del grupo 13 , tiene las propiedades físicas características de un metal posterior a la transición, con distancias interatómicas más largas de lo esperado. [15] Además, como el Al 3+ es un catión pequeño y muy cargado, se polariza fuertemente y la unión en los compuestos de aluminio tiende a la covalencia ; [31] este comportamiento es similar al del berilio (Be 2+ ), y los dos muestran un ejemplo de una relación diagonal . [32]

El núcleo subyacente debajo de la capa de valencia del aluminio es el del gas noble anterior , mientras que los de sus congéneres más pesados , galio , indio , talio y nihonio también incluyen una subcapa d llena y, en algunos casos, una subcapa f llena. Por lo tanto, los electrones internos del aluminio protegen los electrones de valencia casi por completo, a diferencia de los de los congéneres más pesados ​​del aluminio. Como tal, el aluminio es el metal más electropositivo de su grupo y, de hecho, su hidróxido es más básico que el del galio. [31] [e] El aluminio también tiene similitudes menores con el boro metaloide en el mismo grupo: los compuestos de AlX 3 son isoelectrónicos de valenciaa compuestos BX 3 (tienen la misma estructura electrónica de valencia), y ambos se comportan como ácidos de Lewis y forman fácilmente aductos . [33] Además, uno de los motivos principales de la química del boro son las estructuras icosaédricas regulares , y el aluminio forma una parte importante de muchas aleaciones de cuasicristales icosaédricos , incluida la clase Al-Zn-Mg. [34]

El aluminio tiene una alta afinidad química por el oxígeno, lo que lo hace adecuado para su uso como agente reductor en la reacción de la termita . Un polvo fino de aluminio metálico reacciona explosivamente al contacto con el oxígeno líquido ; Sin embargo, en condiciones normales, el aluminio forma una fina capa de óxido (~ 5 nm a temperatura ambiente) [35] que protege al metal de una mayor corrosión por oxígeno, agua o ácido diluido, un proceso denominado pasivación . [31] [36] Debido a su resistencia general a la corrosión, el aluminio es uno de los pocos metales que retiene la reflectancia plateada en forma finamente pulverizada, lo que lo convierte en un componente importante del color plateado.pinturas. [37] El aluminio no es atacado por ácidos oxidantes debido a su pasivación. Esto permite que el aluminio se utilice para almacenar reactivos como ácido nítrico , ácido sulfúrico concentrado y algunos ácidos orgánicos. [38]

En ácido clorhídrico concentrado caliente , el aluminio reacciona con agua con desprendimiento de hidrógeno, y en hidróxido de sodio acuoso o hidróxido de potasio a temperatura ambiente para formar aluminatos; la pasivación protectora en estas condiciones es insignificante. [39] Aqua regia también disuelve el aluminio. [38] El aluminio se corroe por los cloruros disueltos , como el cloruro de sodio común , por lo que las tuberías de las casas nunca están hechas de aluminio. [39] La capa de óxido del aluminio también se destruye por contacto con el mercurio debido a la fusión.o con sales de algunos metales electropositivos. [31] Como tal, las aleaciones de aluminio más fuertes son menos resistentes a la corrosión debido a las reacciones galvánicas con el cobre aleado , [24] y la resistencia a la corrosión del aluminio se reduce en gran medida por las sales acuosas, particularmente en presencia de metales diferentes. [15]

El aluminio reacciona con la mayoría de los no metales al calentarse, formando compuestos como el nitruro de aluminio (AlN), el sulfuro de aluminio (Al 2 S 3 ) y los haluros de aluminio (AlX 3 ). También forma una amplia gama de compuestos intermetálicos que involucran metales de todos los grupos de la tabla periódica. [31]

Compuestos inorgánicos

La gran mayoría de los compuestos, incluidos todos los minerales que contienen aluminio y todos los compuestos de aluminio comercialmente importantes, contienen aluminio en el estado de oxidación 3+. El número de coordinación de tales compuestos varía, pero generalmente Al 3+ tiene seis o cuatro coordenadas. Casi todos los compuestos de aluminio (III) son incoloros. [31]

Hidrólisis de aluminio en función del pH. Se omiten las moléculas de agua coordinadas. (Datos de Baes y Mesmer) [40]

En solución acuosa, Al 3+ existe como el catión hexaaqua [Al (H 2 O) 6 ] 3+ , que tiene un aproximado pK una de 10 -5 . [6] Estas soluciones son ácidas ya que este catión puede actuar como donante de protones e hidrolizarse progresivamente hasta que se forma un precipitado de hidróxido de aluminio , Al (OH) 3 . Esto es útil para la clarificación del agua, ya que el precipitado se nuclea sobre las partículas suspendidas en el agua y, por lo tanto, las elimina. Aumentar aún más el pH hace que el hidróxido se disuelva de nuevo como aluminato., Se forma [Al (H 2 O) 2 (OH) 4 ] - .

El hidróxido de aluminio forma tanto sales como aluminatos y se disuelve en ácidos y álcalis, así como al fusionarse con óxidos ácidos y básicos. [31] Este comportamiento del Al (OH) 3 se denomina anfoterismo y es característico de los cationes débilmente básicos que forman hidróxidos insolubles y cuyas especies hidratadas también pueden donar sus protones. Un efecto de esto es que las sales de aluminio con ácidos débiles se hidrolizan en agua al hidróxido acuoso y el correspondiente hidruro no metálico: por ejemplo, el sulfuro de aluminio produce sulfuro de hidrógeno . Sin embargo, algunas sales como el carbonato de aluminioexisten en solución acuosa pero son inestables como tales; y sólo tiene lugar una hidrólisis incompleta para las sales con ácidos fuertes, como los haluros, el nitrato y el sulfato . Por razones similares, las sales de aluminio anhidras no se pueden producir calentando sus "hidratos": el cloruro de aluminio hidratado no es de hecho AlCl 3 · 6H 2 O sino [Al (H 2 O) 6 ] Cl 3 , y los enlaces Al – O son tan fuerte que el calentamiento no es suficiente para romperlos y formar enlaces Al-Cl en su lugar: [31]

2 [Al (H 2 O) 6 ] Cl 3 calor→ Al 2 O 3 + 6 HCl + 9 H 2 O

Los cuatro trihaluros son bien conocidos. A diferencia de las estructuras de los tres trihaluros más pesados, el fluoruro de aluminio (AlF 3 ) presenta aluminio de seis coordenadas, lo que explica su involatilidad e insolubilidad, así como su alto calor de formación . Cada átomo de aluminio está rodeado por seis átomos de flúor en una disposición octaédrica distorsionada , y cada átomo de flúor se comparte entre las esquinas de dos octaedros. Tales unidades {AlF 6 } también existen en fluoruros complejos tales como criolita , Na 3 AlF 6 . [f] AlF 3 se funde a 1290 ° C (2354 ° F) y se obtiene por reacción deóxido de aluminio con gas fluoruro de hidrógeno a 700 ° C (1300 ° F). [41]

Con haluros más pesados, los números de coordinación son menores. Los otros trihaluros son diméricos o poliméricos con centros de aluminio tetraédricos de cuatro coordenadas. [g] El tricloruro de aluminio (AlCl 3 ) tiene una estructura polimérica en capas por debajo de su punto de fusión de 192,4 ° C (378 ° F) pero se transforma al fundirse en dímeros de Al 2 Cl 6 . A temperaturas más altas, estos se disocian cada vez más en monómeros trigonales planos de AlCl 3 similares a la estructura del BCl 3 . Tribromuro de aluminio y triyoduro de aluminio forma Al 2 X 6dímeros en las tres fases y, por lo tanto, no muestran cambios de propiedades tan significativos tras el cambio de fase. [41] Estos materiales se preparan tratando aluminio metálico con el halógeno. Los trihaluros de aluminio forman muchos compuestos o complejos de adición ; su naturaleza ácida de Lewis los hace útiles como catalizadores de las reacciones de Friedel-Crafts . El tricloruro de aluminio tiene importantes usos industriales relacionados con esta reacción, como en la fabricación de antraquinonas y estireno ; También se utiliza a menudo como precursor de muchos otros compuestos de aluminio y como reactivo para convertir fluoruros no metálicos en los correspondientes cloruros (unreacción de transhalogenación ). [41]

El aluminio forma un óxido estable con la fórmula química Al 2 O 3 , comúnmente llamado alúmina . [42] Se puede encontrar en la naturaleza en el mineral corindón , α-alúmina; [43] también hay una fase de γ-alúmina. [6] Su forma cristalina, el corindón , es muy duro ( dureza de Mohs 9), tiene un alto punto de fusión de 2045 ° C (3713 ° F), tiene muy baja volatilidad, es químicamente inerte y un buen aislante eléctrico, es Se utiliza a menudo en abrasivos (como pasta de dientes), como material refractario y en cerámica., además de ser el material de partida para la producción electrolítica de aluminio metálico. El zafiro y el rubí son corindón impuro contaminado con trazas de otros metales. [6] Los dos principales óxidos-hidróxidos, AlO (OH), son la boehmita y la diáspora . Hay tres trihidróxidos principales: bayerita , gibbsita y nordstrandita , que difieren en su estructura cristalina ( polimorfos ). También se conocen muchas otras estructuras intermedias y relacionadas. [6]La mayoría se produce a partir de minerales mediante una variedad de procesos húmedos que utilizan ácido y base. El calentamiento de los hidróxidos conduce a la formación de corindón. Estos materiales son de vital importancia para la producción de aluminio y son en sí mismos extremadamente útiles. Algunas fases mixtas de óxidos también son muy útiles, como la espinela (MgAl 2 O 4 ), la Na-β-alúmina (NaAl 11 O 17 ) y el aluminato tricálcico (Ca 3 Al 2 O 6 , una importante fase mineral en el cemento Portland ). . [6]

Los únicos calcogenuros estables en condiciones normales son el sulfuro de aluminio (Al 2 S 3 ), el seleniuro (Al 2 Se 3 ) y el telururo (Al 2 Te 3 ). Los tres se preparan por reacción directa de sus elementos a aproximadamente 1000 ° C (1800 ° F) y rápidamente se hidrolizan completamente en agua para producir hidróxido de aluminio y el respectivo calcogenuro de hidrógeno . Como el aluminio es un átomo pequeño en relación con estos calcógenos, estos tienen aluminio tetraédrico de cuatro coordenadas con varios polimorfos que tienen estructuras relacionadas con la wurtzita., con dos tercios de los posibles emplazamientos metálicos ocupados de forma ordenada (α) o aleatoria (β); el sulfuro también tiene una forma γ relacionada con γ-alúmina, y una forma hexagonal inusual de alta temperatura donde la mitad de los átomos de aluminio tienen cuatro coordinaciones tetraédricas y la otra mitad tienen cinco coordinaciones bipiramidales trigonales. [44]

Se conocen cuatro pnictidos : nitruro de aluminio (AlN), fosfuro de aluminio (AlP), arseniuro de aluminio (AlAs) y antimonuro de aluminio (AlSb). Todos son semiconductores III-V isoelectrónicos con respecto al silicio y al germanio , todos los cuales, excepto AlN, tienen la estructura de mezcla de zinc . Los cuatro se pueden hacer por reacción directa a alta temperatura (y posiblemente a alta presión) de sus elementos componentes. [44]

Se conocen bien las aleaciones de aluminio con la mayoría de los otros metales (con la excepción de la mayoría de los metales alcalinos y los metales del grupo 13) y se conocen más de 150 intermetálicos con otros metales. La preparación implica calentar los metales fijos juntos en cierta proporción, seguido de un enfriamiento y recocido graduales . La unión en ellos es predominantemente metálica y la estructura cristalina depende principalmente de la eficiencia del empaque. [45]

Hay pocos compuestos con estados de oxidación más bajos. Existen algunos compuestos de aluminio (I) : AlF, AlCl, AlBr y AlI existen en la fase gaseosa cuando el trihaluro respectivo se calienta con aluminio y a temperaturas criogénicas. [41] Un derivado estable del monoyoduro de aluminio es el aducto cíclico formado con trietilamina , Al 4 I 4 (NEt 3 ) 4 . También existen Al 2 O y Al 2 S pero son muy inestables. [46] Se invocan u observan compuestos muy simples de aluminio (II) en las reacciones del metal Al con oxidantes. Por ejemplo, monóxido de aluminio., AlO, se ha detectado en la fase gaseosa después de la explosión [47] y en los espectros de absorción estelar. [48] Se investigan más a fondo los compuestos de fórmula R 4 Al 2 que contienen un enlace Al-Al y donde R es un ligando orgánico grande . [49]

Compuestos de organoaluminio e hidruros afines

Artículo principal: compuesto de organoaluminio
Estructura del trimetilaluminio , un compuesto que presenta carbono de cinco coordenadas.

Existe una variedad de compuestos de fórmula empírica AlR 3 y AlR 1,5 Cl 1,5 . [50] Los trialquilos y triarilos de aluminio son líquidos reactivos, volátiles e incoloros o sólidos de bajo punto de fusión. Se incendian espontáneamente en el aire y reaccionan con el agua, por lo que requieren precauciones al manipularlos. A menudo forman dímeros, a diferencia de sus análogos de boro, pero esta tendencia disminuye para los alquilos de cadena ramificada (por ejemplo, Pr i , Bu i , Me 3 CCH 2 ); por ejemplo, el triisobutilaluminio existe como una mezcla de equilibrio del monómero y el dímero. [51] [52]Estos dímeros, como el trimetilaluminio (Al 2 Me 6 ), suelen presentar centros de Al tetraédricos formados por dimerización con algún grupo alquilo que forma puentes entre ambos átomos de aluminio. Son ácidos duros y reaccionan fácilmente con los ligandos, formando aductos. En la industria, se utilizan principalmente en reacciones de inserción de alquenos, como descubrió Karl Ziegler , sobre todo en "reacciones de crecimiento" que forman alquenos y alcoholes primarios no ramificados de cadena larga, y en la polimerización a baja presión de eteno y propeno . También hay algunos compuestos de organoaluminio heterocíclicos y de racimo que involucran enlaces Al-N. [51]

El hidruro de aluminio industrialmente más importante es el hidruro de litio y aluminio (LiAlH 4 ), que se utiliza como agente reductor en la química orgánica . Puede producirse a partir de hidruro de litio y tricloruro de aluminio . [53] El hidruro más simple, hidruro de aluminio o alano, no es tan importante. Es un polímero de fórmula (AlH 3 ) n , en contraste con el correspondiente hidruro de boro que es un dímero de fórmula (BH 3 ) 2 . [53]

Ocurrencia natural

Ver también: Lista de países por producción de bauxita

Espacio

La abundancia por partícula de aluminio en el Sistema Solar es de 3,15 ppm (partes por millón). [54] [h] Es el duodécimo más abundante de todos los elementos y el tercero más abundante entre los elementos que tienen números atómicos impares, después del hidrógeno y el nitrógeno. [54] El único isótopo estable de aluminio, el 27 Al, es el decimoctavo núcleo más abundante del Universo. Se crea casi en su totalidad después de la fusión de carbono en estrellas masivas que luego se convertirán en supernovas de Tipo II : esta fusión crea 26 Mg, que, al capturar protones y neutrones libres, se convierte en aluminio. Algunas cantidades más pequeñas de 27 Al se crean encáscaras de hidrógeno que queman de estrellas evolucionadas, donde 26 Mg pueden capturar protones libres. [55] Básicamente, todo el aluminio que existe actualmente es de 27 Al. El 26 Al estaba presente en el Sistema Solar primitivo con una abundancia del 0,005% en relación con el 27 Al, pero su vida media de 728 000 años es demasiado corta para que sobreviviera cualquier núcleo original; 26 Al está, por tanto, extinto . [55] A diferencia del 27 Al, la quema de hidrógeno es la fuente principal del 26 Al, y el nucleido emerge después de que un núcleo de 25 Mg atrapa un protón libre. Sin embargo, las trazas de 26Todos los que existen son el emisor de rayos gamma más común en el gas interestelar ; [55] Si el 26 Al original todavía estuviera presente, los mapas de rayos gamma de la Vía Láctea serían más brillantes. [55]

tierra

Bauxita , un importante mineral de aluminio. El color marrón rojizo se debe a la presencia de minerales de óxido de hierro .

En general, la Tierra tiene aproximadamente un 1,59% de aluminio en masa (el séptimo en abundancia en masa). [56] El aluminio se encuentra en mayor proporción en la corteza terrestre que en el Universo en general, porque el aluminio forma fácilmente el óxido y se une a las rocas y permanece en la corteza terrestre , mientras que los metales menos reactivos se hunden hasta el núcleo. [55] En la corteza terrestre, el aluminio es el elemento metálico más abundante (8,23% en masa [25] ) y el tercero más abundante de todos los elementos (después del oxígeno y el silicio). [57] Una gran cantidad de silicatos en la corteza terrestre contienen aluminio. [58] En contraste, el manto de la Tierra tiene solo un 2,38% de aluminio en masa. [59]El aluminio también se encuentra en el agua de mar a una concentración de 2 μg / kg. [25]

Debido a su fuerte afinidad por el oxígeno, el aluminio casi nunca se encuentra en estado elemental; en cambio, se encuentra en óxidos o silicatos. Los feldespatos , el grupo de minerales más común en la corteza terrestre, son aluminosilicatos. El aluminio también se encuentra en los minerales berilo , criolita , granate , espinela y turquesa . [60] Las impurezas en el Al 2 O 3 , como el cromo y el hierro , producen las piedras preciosas rubí y zafiro , respectivamente. [61] Aluminio nativoel metal es extremadamente raro y solo se puede encontrar como una fase menor en ambientes de baja fugacidad de oxígeno , como el interior de ciertos volcanes. [62] de aluminio nativo ha sido reportado en frío filtra en el noreste de talud continental del Mar del Sur de China . Es posible que estos depósitos sean el resultado de la reducción bacteriana del tetrahidroxoaluminato de Al (OH) 4 - . [63]

Aunque el aluminio es un elemento común y extendido, no todos los minerales de aluminio son fuentes económicamente viables del metal. Casi todo el aluminio metálico se produce a partir del mineral bauxita (AlO x (OH) 3–2 x ). La bauxita se produce como un producto de la intemperie del lecho rocoso con bajo contenido de hierro y sílice en condiciones climáticas tropicales. [64] En 2017, la mayor parte de la bauxita se extrajo en Australia, China, Guinea e India. [sesenta y cinco]

Historia

Artículo principal: Historia del aluminio
Friedrich Wöhler , el químico que describió por primera vez a fondo el aluminio elemental metálico

La historia del aluminio ha sido moldeada por el uso de alumbre . El primer registro escrito de alumbre, realizado por el historiador griego Herodoto , se remonta al siglo V a. C. [66] Se sabe que los antiguos usaban alumbre como mordiente para teñir y para la defensa de la ciudad. [66] Después de las Cruzadas , el alumbre, un bien indispensable en la industria textil europea, [67] fue objeto de comercio internacional; [68] se importó a Europa desde el Mediterráneo oriental hasta mediados del siglo XV. [69]

Se desconoce la naturaleza del alumbre. Alrededor de 1530, el médico suizo Paracelso sugirió que el alumbre era una sal de una tierra de alumbre. [70] En 1595, el médico y químico alemán Andreas Libavius ​​lo confirmó experimentalmente. [71] En 1722, el químico alemán Friedrich Hoffmann anunció su creencia de que la base del alumbre era una tierra distinta. [72] En 1754, el químico alemán Andreas Sigismund Marggraf sintetizó alúmina hirviendo arcilla en ácido sulfúrico y posteriormente añadiendo potasa . [72]

Los intentos de producir aluminio metálico se remontan a 1760. [73] Sin embargo, el primer intento exitoso fue completado en 1824 por el físico y químico danés Hans Christian Ørsted . Hizo reaccionar cloruro de aluminio anhidro con amalgama de potasio , produciendo un trozo de metal que se parecía al estaño. [74] [75] [76] Presentó sus resultados y demostró una muestra del nuevo metal en 1825. [77] [78] En 1827, el químico alemán Friedrich Wöhler repitió los experimentos de Ørsted pero no identificó ningún aluminio. [79] (La razón de esta incoherencia no se descubrió hasta 1921). [80]Realizó un experimento similar en el mismo año mezclando cloruro de aluminio anhidro con potasio y produjo un polvo de aluminio. [76] En 1845, pudo producir pequeñas piezas de metal y describió algunas propiedades físicas de este metal. [80] Durante muchos años a partir de entonces, Wöhler fue reconocido como el descubridor del aluminio. [81]

La estatua de Anteros en Piccadilly Circus , Londres, fue realizada en 1893 y es una de las primeras estatuas fundidas en aluminio.

Como el método de Wöhler no podía producir grandes cantidades de aluminio, el metal seguía siendo escaso; su costo excedió el del oro. [79] La primera producción industrial de aluminio fue establecida en 1856 por el químico francés Henri Etienne Sainte-Claire Deville y sus compañeros. [82] Deville había descubierto que el tricloruro de aluminio podía reducirse con sodio, que era más conveniente y menos costoso que el potasio, que había utilizado Wöhler. [83] Incluso entonces, el aluminio todavía no era de gran pureza y el aluminio producido difería en propiedades según la muestra. [84]

El primer método de producción industrial a gran escala fue desarrollado independientemente en 1886 por el ingeniero francés Paul Héroult y el ingeniero estadounidense Charles Martin Hall ; ahora se conoce como el proceso Hall-Héroult . [85] El proceso Hall-Héroult convierte la alúmina en metal. El químico austríaco Carl Joseph Bayer descubrió una forma de purificar la bauxita para producir alúmina, ahora conocida como proceso Bayer , en 1889. [86] La producción moderna del metal aluminio se basa en los procesos Bayer y Hall-Héroult. [87]

Los precios del aluminio bajaron y el aluminio se volvió ampliamente utilizado en joyería, artículos de uso diario, monturas de anteojos, instrumentos ópticos, vajillas y papel de aluminio en la década de 1890 y principios del siglo XX. La capacidad del aluminio para formar aleaciones duras pero ligeras con otros metales proporcionó al metal muchos usos en ese momento. [88] Durante la Primera Guerra Mundial , los principales gobiernos exigieron grandes envíos de aluminio para estructuras de avión ligeras y resistentes; [89] Durante la Segunda Guerra Mundial , la demanda de aviación por parte de los principales gobiernos fue aún mayor. [90] [91] [92]

A mediados del siglo XX, el aluminio se había convertido en parte de la vida cotidiana y en un componente esencial de los artículos para el hogar. [93] En 1954, la producción de aluminio superó a la de cobre , [i] históricamente segundo en producción solo después del hierro, [96] lo que lo convierte en el metal no ferroso más producido . A mediados del siglo XX, el aluminio surgió como material de ingeniería civil, con aplicaciones de construcción tanto en construcción básica como en trabajos de acabado interior, [97] y se utiliza cada vez más en ingeniería militar, tanto para aviones como para motores de vehículos blindados terrestres. [98] Primer satélite artificial de la Tierra, lanzado en 1957, constaba de dos semiesferas de aluminio separadas unidas y todos los vehículos espaciales posteriores han utilizado aluminio hasta cierto punto. [87] La lata de aluminio se inventó en 1956 y se empleó como almacenamiento de bebidas en 1958. [99]

Producción mundial de aluminio desde 1900

A lo largo del siglo XX, la producción de aluminio aumentó rápidamente: mientras que la producción mundial de aluminio en 1900 era de 6.800 toneladas métricas, la producción anual superó por primera vez las 100.000 toneladas métricas en 1916; 1.000.000 de toneladas en 1941; 10.000.000 de toneladas en 1971. [94] En la década de 1970, el aumento de la demanda de aluminio lo convirtió en un producto de intercambio; entró en la Bolsa de Metales de Londres , la bolsa de metales industriales más antigua del mundo, en 1978. [87] La producción siguió creciendo: la producción anual de aluminio superó las 50.000.000 de toneladas métricas en 2013. [94]

El precio real del aluminio disminuyó de 14.000 dólares por tonelada métrica en 1900 a 2.340 dólares en 1948 (en dólares de los Estados Unidos de 1998). [94] Los costos de extracción y procesamiento se redujeron debido al progreso tecnológico y la escala de las economías. Sin embargo, la necesidad de explotar depósitos de menor calidad y de menor calidad y el uso de costos de insumos en rápido aumento (sobre todo, energía) aumentaron el costo neto del aluminio; [100] el precio real comenzó a crecer en la década de 1970 con el aumento del costo de la energía. [101] La producción se trasladó de los países industrializados a países donde la producción era más barata. [102]Los costos de producción a fines del siglo XX cambiaron debido a los avances tecnológicos, los precios más bajos de la energía, los tipos de cambio del dólar estadounidense y los precios de la alúmina. [103] La participación combinada de los países BRIC en la producción primaria y el consumo primario creció sustancialmente en la primera década del siglo XXI. [104] China está acumulando una parte especialmente grande de la producción mundial gracias a la abundancia de recursos, energía barata y estímulos gubernamentales; [105] también aumentó su participación en el consumo del 2% en 1972 al 40% en 2010. [106] En Estados Unidos, Europa occidental y Japón, la mayor parte del aluminio se consumía en transporte, ingeniería, construcción y embalaje. [107]

Etimología

Los nombres aluminio y aluminio se derivan de la palabra alúmina , un término obsoleto para alúmina , [j] un óxido de aluminio natural . [109] El aluminio se tomó prestado del francés, que a su vez lo derivó de alumen , el nombre latino clásico del alumbre , el mineral del que se extrajo . [110] Las palabras latinas Alumen deriva del proto-indoeuropeo de la raíz * alu- significado "amargo" o "cerveza". [111]

Anuncio americano de 1897 con la ortografía de aluminio.

Moneda

Al químico británico Humphry Davy , que realizó una serie de experimentos destinados a aislar el metal, se le atribuye la identidad del nombre del elemento. El primer nombre propuesto para el metal que se aislaría del alumbre fue aluminio , que Davy sugirió en un artículo de 1808 sobre su investigación electroquímica, publicado en Philosophical Transactions of the Royal Society . [112] Parece que el nombre se acuñó a partir de la palabra inglesa alum y del sufijo latino -ium; sin embargo, era costumbre en ese momento que los elementos tuvieran nombres originados en la lengua latina y, como tal, este nombre no fue adoptado universalmente. Este nombre fue criticado por los químicos contemporáneos de Francia, Alemania y Suecia, quienes insistieron en que el metal debería recibir el nombre del óxido, alúmina, del cual se aislaría. [113] La palabra Inglés nombre de alumbre no significa hacer referencia directamente a la lengua latina, mientras que la alumina / alúmina hace referencia a la palabra latina fácilmente Alumen (en declinación , Alumen cambios a alumin- ).

Un ejemplo fue un escrito en francés del químico sueco Jöns Jacob Berzelius titulado Essai sur la Nomenclature chimique , publicado en julio de 1811; en este ensayo, entre otras cosas, Berzelius usó el nombre de aluminio para el elemento que se sintetizaría a partir del alumbre. [114] [k] (Otro artículo en el mismo número de la revista también se refiere al metal cuyo óxido forma la base del zafiro como del aluminio ). [116] Un resumen de enero de 1811 de una de las conferencias de Davy en la Royal Society mencionó el nombre Aluminio como posibilidad. [117]Al año siguiente, Davy publicó un libro de texto de química en el que utilizó la ortografía de aluminio . [118] Ambas grafías han coexistido desde entonces; sin embargo, su uso se ha dividido por región: el aluminio es la ortografía principal en los Estados Unidos y Canadá, mientras que el aluminio lo es en el resto del mundo de habla inglesa. [119]

Ortografía

En 1812, el científico británico Thomas Young [120] escribió una reseña anónima del libro de Davy, en la que propuso el nombre de aluminio en lugar de aluminio , que en su opinión tenía un "sonido menos clásico". [121] Este nombre se hizo popular: mientras que la ortografía -um se usó ocasionalmente en Gran Bretaña, el lenguaje científico estadounidense usó -ium desde el principio. [122] La mayoría de los científicos usaron -io en todo el mundo en el siglo XIX, [119] y estaba arraigado en muchos otros idiomas europeos, como francés , alemán u holandés . [l]En 1828, el lexicógrafo estadounidense Noah Webster utilizó exclusivamente la ortografía de aluminio en su Diccionario Americano del Idioma Inglés . [123] En la década de 1830, la ortografía -um comenzó a ganar uso en los Estados Unidos; en la década de 1860, se había convertido en la ortografía más común fuera de la ciencia. [122] En 1892, Hall usó la ortografía -um en su folleto publicitario para su nuevo método electrolítico de producir el metal, a pesar de su uso constante de la ortografía -ium en todas las patentes que presentó entre 1886 y 1903. Se desconoce si esta ortografía fue introducida por error o intencionalmente; sin embargo, Hall prefirióaluminio desde su introducción porque se parecía al platino , el nombre de un metal de prestigio. [124] Para 1890, ambas grafías habían sido comunes en los Estados Unidos en general, siendo la grafía -ium un poco más común; en 1895, la situación se había invertido; en 1900, el aluminio se había vuelto dos veces más común que el aluminio ; durante la década siguiente, la ortografía -um dominó el uso estadounidense. En 1925, la American Chemical Society adoptó esta ortografía. [119]

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó el aluminio como el nombre internacional estándar para el elemento en 1990. [125] En 1993, reconocieron al aluminio como una variante aceptable; [125] la edición más reciente de 2005 de la nomenclatura de química inorgánica de la IUPAC también reconoce esta ortografía. [126] Las publicaciones oficiales de la IUPAC utilizan la ortografía -ium como primaria, pero enumeran ambas cuando corresponde. [metro]

Producción y refinamiento

Ver también: Lista de países por producción primaria de aluminio
Principales productores mundiales de aluminio primario, 2019 [128]
PaísSalida
(miles de
toneladas)
porcelana36.000
India3.700
Rusia3.600
Canadá2,900
Emiratos Árabes Unidos2700
Australia1.600
Bahréin1.400
Noruega1300
Estados Unidos1.100
Arabia Saudita900
Islandia850
Total mundial64.000

La producción de aluminio consume mucha energía, por lo que los productores tienden a ubicar las fundiciones en lugares donde la energía eléctrica es abundante y barata. [129] En 2019, las fundiciones de aluminio más grandes del mundo están ubicadas en China, India, Rusia, Canadá y los Emiratos Árabes Unidos, [128] mientras que China es, con mucho, el principal productor de aluminio con una participación mundial de 50 cinco por ciento.

Según el informe Existencias de metales en la sociedad del Panel Internacional de Recursos , las existencias mundiales per cápita de aluminio en uso en la sociedad (es decir, en automóviles, edificios, productos electrónicos, etc.) es de 80 kg (180 lb). Gran parte de esto ocurre en países más desarrollados (350-500 kg (770-1,100 lb) per cápita) en lugar de países menos desarrollados (35 kg (77 lb) per cápita). [130]

Proceso de Bayer

Artículo principal: proceso de Bayer

La bauxita se convierte en alúmina mediante el proceso Bayer. La bauxita se mezcla para obtener una composición uniforme y luego se muele. La suspensión resultante se mezcla con una solución caliente de hidróxido de sodio ; la mezcla se trata luego en un recipiente digestor a una presión muy superior a la atmosférica, disolviendo el hidróxido de aluminio en bauxita mientras se convierten las impurezas en compuestos relativamente insolubles: [131]

Al (OH) 3 + Na + + OH - → Na + + [Al (OH) 4 ] -

Después de esta reacción, la suspensión se encuentra a una temperatura por encima de su punto de ebullición atmosférico. Se enfría eliminando el vapor a medida que se reduce la presión. El residuo de bauxita se separa de la solución y se desecha. La solución, libre de sólidos, se siembra con pequeños cristales de hidróxido de aluminio; esto provoca la descomposición de los iones [Al (OH) 4 ] - en hidróxido de aluminio. Después de que haya precipitado aproximadamente la mitad del aluminio, la mezcla se envía a los clasificadores. Se recogen pequeños cristales de hidróxido de aluminio para que sirvan como agentes de siembra; las partículas gruesas se convierten en alúmina por calentamiento; el exceso de solución se elimina por evaporación, (si es necesario) se purifica y se recicla. [131]

Proceso Hall – Héroult

Artículos principales: proceso Hall-Héroult y fundición de aluminio

La conversión de alúmina en aluminio metálico se logra mediante el proceso Hall-Héroult . En este proceso de uso intensivo de energía, se electroliza una solución de alúmina en una mezcla fundida (950 y 980 ° C (1740 y 1800 ° F)) de criolita (Na 3 AlF 6 ) con fluoruro de calcio para producir aluminio metálico. El metal de aluminio líquido se hunde hasta el fondo de la solución y se extrae y, por lo general, se vierte en grandes bloques llamados palanquillas de aluminio para su posterior procesamiento. [38]

Palanquillas de extrusión de aluminio

Los ánodos de la celda de electrólisis están hechos de carbono, el material más resistente a la corrosión por fluoruro, y se hornean en el proceso o se hornean previamente. Los primeros, también llamados ánodos de Söderberg, son menos eficientes energéticamente y los vapores que se liberan durante el horneado son costosos de recolectar, por lo que están siendo reemplazados por ánodos precocidos a pesar de que ahorran energía, energía y mano de obra para precocer los cátodos. El carbono para los ánodos debe ser preferiblemente puro para que ni el aluminio ni el electrolito se contaminen con cenizas. A pesar de la resistividad del carbono contra la corrosión, todavía se consume a una tasa de 0,4 a 0,5 kg por cada kilogramo de aluminio producido. Los cátodos están hechos de antracita ; No se requiere una alta pureza para ellos porque las impurezas se filtranmuy lentamente. El cátodo se consume a razón de 0.02 a 0.04 kg por cada kilogramo de aluminio producido. Por lo general, una célula se termina después de 2 a 6 años después de una falla del cátodo. [38]

El proceso Hall-Heroult produce aluminio con una pureza superior al 99%. Se puede realizar una purificación adicional mediante el proceso Hoopes . Este proceso implica la electrólisis de aluminio fundido con un electrolito de fluoruro de sodio, bario y aluminio. El aluminio resultante tiene una pureza del 99,99%. [38] [132]

La energía eléctrica representa alrededor del 20 al 40% del costo de producción de aluminio, dependiendo de la ubicación de la fundición. La producción de aluminio consume aproximadamente el 5% de la electricidad generada en los Estados Unidos. [125] Debido a esto, se han investigado alternativas al proceso Hall-Héroult, pero ninguna ha resultado ser económicamente viable. [38]

Contenedores comunes para desechos reciclables junto con un contenedor para desechos no reciclables. El contenedor con tapa amarilla está etiquetado como "aluminio". Rodas, Grecia.

Reciclaje

Artículo principal: Reciclaje de aluminio

La recuperación del metal mediante el reciclaje se ha convertido en una tarea importante de la industria del aluminio. El reciclaje fue una actividad de bajo perfil hasta finales de la década de 1960, cuando el creciente uso de latas de aluminio para bebidas lo llevó a la conciencia pública. [133] El reciclaje implica derretir la chatarra, un proceso que requiere solo el 5% de la energía utilizada para producir aluminio a partir del mineral, aunque una parte significativa (hasta el 15% del material de entrada) se pierde como escoria (óxido similar a la ceniza). . [134] Un fusor de pila de aluminio produce significativamente menos escoria, con valores informados por debajo del 1%. [135]

La escoria blanca de la producción de aluminio primario y de las operaciones de reciclaje secundario todavía contiene cantidades útiles de aluminio que se pueden extraer industrialmente . El proceso produce palanquillas de aluminio, junto con un material de desecho de alta complejidad. Este desperdicio es difícil de gestionar. Reacciona con el agua, liberando una mezcla de gases (que incluyen, entre otros, hidrógeno , acetileno y amoníaco ), que se enciende espontáneamente al contacto con el aire; [136] El contacto con el aire húmedo da como resultado la liberación de grandes cantidades de gas amoniaco. A pesar de estas dificultades, los residuos se utilizan como relleno en asfalto y hormigón . [137]

Aplicaciones

Austin A40 Sports con cuerpo de aluminio (c. 1951)

Metal

Ver también: aleación de aluminio

La producción mundial de aluminio en 2016 fue de 58.8 millones de toneladas métricas. Superó al de cualquier otro metal excepto el hierro (1.231 millones de toneladas métricas). [138] [139]

El aluminio casi siempre está aleado, lo que mejora notablemente sus propiedades mecánicas, especialmente cuando se templa . Por ejemplo, las láminas de aluminio y las latas de bebidas comunes son aleaciones de 92% a 99% de aluminio. [140] Los principales agentes de aleación son cobre , zinc , magnesio , manganeso y silicio (por ejemplo, duraluminio ) con niveles de otros metales en un pequeño porcentaje en peso. [141]

Lata de aluminio

Los principales usos del aluminio metálico son: [142]

  • Transporte ( automóviles , aviones, camiones , vagones de ferrocarril , embarcaciones, bicicletas , naves espaciales, etc.). Se utiliza aluminio debido a su baja densidad;
  • Embalaje ( latas , papel de aluminio, marco, etc.). El aluminio se usa porque no es tóxico (ver más abajo ), no adsorbe y no se astilla ;
  • Edificación y construcción ( ventanas , puertas , revestimiento , alambre de construcción, revestimiento, techado, etc.). Dado que el acero es más barato, el aluminio se utiliza cuando la ligereza, la resistencia a la corrosión o las características de ingeniería son importantes;
  • Usos relacionados con la electricidad (aleaciones de conductores, motores y generadores, transformadores, condensadores, etc.). El aluminio se utiliza porque es relativamente barato, altamente conductor, tiene una resistencia mecánica adecuada y baja densidad, y resiste la corrosión;
  • Una amplia gama de artículos para el hogar , desde utensilios de cocina hasta muebles . La baja densidad, la buena apariencia, la facilidad de fabricación y la durabilidad son los factores clave del uso del aluminio;
  • Maquinaria y equipo (equipo de procesamiento, tuberías, herramientas). El aluminio se utiliza debido a su resistencia a la corrosión, no piroforicidad y resistencia mecánica.

Compuestos

La gran mayoría (alrededor del 90%) del óxido de aluminio se convierte en aluminio metálico. [131] Al ser un material muy duro ( dureza Mohs 9), [143] la alúmina se utiliza ampliamente como abrasivo; [144] siendo extraordinariamente inerte químicamente, es útil en entornos altamente reactivos como las lámparas de sodio de alta presión . [145] El óxido de aluminio se usa comúnmente como catalizador para procesos industriales; [131] Por ejemplo, el proceso Claus para convertir sulfuro de hidrógeno en azufre en refinerías y para alquilar aminas . [146][147] Muchos catalizadores industrialesestán soportados por alúmina, lo que significa que el costosomaterial catalizador se dispersa sobre una superficie de la alúmina inerte. [148] Otro uso principal es como agente secante o absorbente. [131] [149]

Deposición láser de alúmina sobre un sustrato.

Varios sulfatos de aluminio tienen aplicación industrial y comercial. El sulfato de aluminio (en su forma hidratada) se produce en una escala anual de varios millones de toneladas métricas. [150] Aproximadamente dos tercios se consumen en el tratamiento del agua . [150] La siguiente gran aplicación es la fabricación de papel. [150] También se utiliza como mordiente en el teñido, en el decapado de semillas, desodorización de aceites minerales, en el curtido de cueros y en la producción de otros compuestos de aluminio. [150] Dos tipos de alumbre, alumbre de amonio y alumbre de potasio, se usaban anteriormente como mordientes y en el curtido de cuero, pero su uso ha disminuido significativamente debido a la disponibilidad de sulfato de aluminio de alta pureza. [150] El cloruro de aluminio anhidro se utiliza como catalizador en las industrias química y petroquímica, la industria del teñido y en la síntesis de diversos compuestos orgánicos e inorgánicos. [150] Los hidroxicloruros de aluminio se utilizan en la purificación de agua, en la industria del papel y como antitranspirantes . [150] El aluminato de sodio se utiliza en el tratamiento del agua y como acelerador de la solidificación del cemento. [150]

Muchos compuestos de aluminio tienen aplicaciones específicas, por ejemplo:

  • El acetato de aluminio en solución se utiliza como astringente . [151]
  • El fosfato de aluminio se utiliza en la fabricación de productos de vidrio, cerámica, pulpa y papel, cosméticos , pinturas, barnices y cemento dental . [152]
  • El hidróxido de aluminio se utiliza como antiácido y mordiente; se utiliza también en la depuración de agua , la fabricación de vidrio y cerámica, y en la impermeabilización de tejidos . [153] [154]
  • El hidruro de litio y aluminio es un poderoso agente reductor utilizado en química orgánica . [155] [156]
  • Los organoaluminios se utilizan como ácidos de Lewis y cocatalizadores. [157]
  • El metilaluminoxano es un cocatalizador para la polimerización de olefinas Ziegler-Natta para producir polímeros vinílicos como el polietileno . [158]
  • Los iones de aluminio acuosos (como el sulfato de aluminio acuoso) se utilizan para tratar los parásitos de los peces como Gyrodactylus salaris . [159]
  • En muchas vacunas , ciertas sales de aluminio sirven como adyuvante inmunológico (refuerzo de la respuesta inmunitaria) para permitir que la proteína de la vacuna alcance la potencia suficiente como estimulante inmunológico. [160]

Biología

Esquema de la absorción de aluminio por la piel humana. [161]

A pesar de su presencia generalizada en la corteza terrestre, el aluminio no tiene ninguna función conocida en biología. [38] A pH 6-9 (relevante para la mayoría de las aguas naturales), el aluminio se precipita del agua como hidróxido y, por lo tanto, no está disponible; la mayoría de los elementos que se comportan de esta manera no tienen ningún papel biológico o son tóxicos. [162] Las sales de aluminio son notablemente no tóxicas, el sulfato de aluminio tiene una DL 50 de 6207 mg / kg (oral, ratón), que corresponde a 435 gramos para una persona de 70 kg (150 lb). [38]

Toxicidad

En la mayoría de las personas, el aluminio no es tan tóxico como los metales pesados . El aluminio está clasificado como no cancerígeno por el Departamento de Salud y Servicios Humanos de los Estados Unidos . [163] [n] Hay poca evidencia de que la exposición normal al aluminio presente un riesgo para los adultos sanos, [166] y no hay evidencia de toxicidad si se consume en cantidades no mayores de 40 mg / día por kg de masa corporal . [163] La mayor parte del aluminio consumido dejará el cuerpo en las heces; la mayor parte de la pequeña parte que ingresa al torrente sanguíneo se excreta a través de la orina. [167]

Efectos

Aluminio, aunque en raras ocasiones, puede causar la vitamina D resistente a la osteomalacia , la eritropoyetina resistente a la anemia microcítica , y alteraciones del sistema nervioso central. Las personas con insuficiencia renal corren un riesgo especial. [163] La ingestión crónica de silicatos de aluminio hidratados (para el control de la acidez gástrica excesiva) puede provocar la unión del aluminio al contenido intestinal y una mayor eliminación de otros metales, como el hierro o el zinc ; dosis suficientemente altas (> 50 g / día) pueden causar anemia. [163]

Hay cinco formas principales de aluminio absorbidas por el cuerpo humano: el catión trivalente solvatado libre (Al 3+ (aq) ); complejos solubles neutros, de bajo peso molecular (LMW-Al 0 (aq) ); complejos solubles neutros, de alto peso molecular (HMW-Al 0 (aq) ); complejos solubles cargados de bajo peso molecular (LMW-Al (L) n +/− (aq) ); nano y micropartículas (Al (L) n (s) ). Se transportan a través de las membranas celulares o del epitelio / endotelio celular a través de cinco rutas principales: (1) paracelular ; (2) transcelular ; (3) transporte activo; (4) canales; (5) endocitosis adsorbente o mediada por receptores . [161]

Durante el incidente de contaminación del agua de Camelford de 1988 , la gente de Camelford tuvo el agua potable contaminada con sulfato de aluminio durante varias semanas. Un informe final sobre el incidente en 2013 concluyó que era poco probable que esto hubiera causado problemas de salud a largo plazo. [168]

Se sospecha que el aluminio es una posible causa de la enfermedad de Alzheimer , [169] pero la investigación al respecto durante más de 40 años no ha encontrado, a partir de 2018 , una buena evidencia de un efecto causal. [170] [171]

El aluminio aumenta la expresión de genes relacionados con los estrógenos en células de cáncer de mama humano cultivadas en el laboratorio. [172] En dosis muy altas, el aluminio se relaciona con una función alterada de la barrera hematoencefálica. [173] Un pequeño porcentaje de personas [174] tienen alergias de contacto al aluminio y experimentan erupciones rojas con picazón, dolor de cabeza, dolor muscular, dolor en las articulaciones, mala memoria, insomnio, depresión, asma, síndrome del intestino irritable u otros síntomas al entrar en contacto con los productos que contiene aluminio. [175]

La exposición a aluminio en polvo o humos de soldadura de aluminio puede causar fibrosis pulmonar . [176] El polvo fino de aluminio puede encenderse o explotar, lo que representa otro peligro en el lugar de trabajo. [177] [178]

Rutas de exposición

Los alimentos son la principal fuente de aluminio. El agua potable contiene más aluminio que los alimentos sólidos; [163] sin embargo, el aluminio de los alimentos puede absorberse más que el aluminio del agua. [179] Las principales fuentes de exposición oral humana al aluminio incluyen alimentos (debido a su uso en aditivos alimentarios, envases de alimentos y bebidas y utensilios de cocina), agua potable (debido a su uso en el tratamiento de aguas municipales) y medicamentos que contienen aluminio. (particularmente formulaciones antiácido / antiulceroso y aspirina tamponada). [180] La exposición alimentaria en los europeos promedia entre 0,2 y 1,5 mg / kg / semana, pero puede llegar a 2,3 mg / kg / semana. [163] Los niveles más altos de exposición al aluminio se limitan principalmente a los mineros, los trabajadores de la producción de aluminio y la diálisis.pacientes. [181]

El consumo de antiácidos , antitranspirantes, vacunas y cosméticos proporciona posibles vías de exposición. [182] El consumo de alimentos ácidos o líquidos con aluminio mejora la absorción de aluminio, [183] y se ha demostrado que el maltol aumenta la acumulación de aluminio en los tejidos nerviosos y óseos. [184]

Tratamiento

En caso de sospecha de una ingesta repentina de una gran cantidad de aluminio, el único tratamiento es el mesilato de deferoxamina, que puede administrarse para ayudar a eliminar el aluminio del cuerpo por quelación . [185] [186] Sin embargo, esto debe aplicarse con precaución ya que reduce no solo los niveles de aluminio en el cuerpo, sino también los de otros metales como el cobre o el hierro. [185]

Efectos ambientales

" Residuos de bauxita instalación de almacenamiento" en Stade , Alemania. La industria del aluminio genera anualmente alrededor de 70 millones de toneladas de estos residuos.

Se producen altos niveles de aluminio cerca de los sitios mineros; pequeñas cantidades de aluminio se liberan al medio ambiente en las centrales eléctricas o incineradoras de carbón . [187] El aluminio en el aire es arrastrado por la lluvia o normalmente se deposita, pero pequeñas partículas de aluminio permanecen en el aire durante mucho tiempo. [187]

La precipitación ácida es el principal factor natural para movilizar el aluminio de fuentes naturales [163] y la principal razón de los efectos ambientales del aluminio; [188] sin embargo, el principal factor de presencia de aluminio en la sal y el agua dulce son los procesos industriales que también liberan aluminio al aire. [163]

En el agua, el aluminio actúa como un agente tóxico en los animales que respiran por las branquias , como los peces, cuando el agua es ácida, en la que el aluminio puede precipitarse en las branquias, [189] lo que provoca la pérdida de plasma y de iones hemolinfa que conduce a un fallo osmorregulador . [188] Los complejos orgánicos de aluminio pueden absorberse fácilmente e interferir con el metabolismo en mamíferos y aves, aunque esto rara vez ocurre en la práctica. [188]

El aluminio es el principal factor que reduce el crecimiento de las plantas en suelos ácidos. Aunque generalmente es inofensivo para el crecimiento de plantas en suelos con pH neutro, en suelos ácidos la concentración de cationes tóxicos Al 3+ aumenta y perturba el crecimiento y la función de las raíces. [190] [191] [192] [193] El trigo ha desarrollado una tolerancia al aluminio, liberando compuestos orgánicos que se unen a los dañinos cationes de aluminio . Se cree que el sorgo tiene el mismo mecanismo de tolerancia. [194]

La producción de aluminio presenta sus propios desafíos al medio ambiente en cada paso del proceso de producción. El mayor desafío son las emisiones de gases de efecto invernadero . [181] Estos gases resultan del consumo eléctrico de las fundiciones y los subproductos del procesamiento. El más potente de estos gases son los perfluorocarbonos del proceso de fundición. [181] El dióxido de azufre liberado es uno de los principales precursores de la lluvia ácida . [181]

Un informe científico español de 2001 afirmaba que el hongo Geotrichum candidum consume el aluminio de los discos compactos . [195] [196] Todos los demás informes se refieren a ese informe y no hay ninguna investigación original que lo respalde. Mejor documentado, la bacteria Pseudomonas aeruginosa y el hongo Cladosporium resinae se detectan comúnmente en tanques de combustible de aviones que usan combustibles a base de queroseno (no avgas ), y los cultivos de laboratorio pueden degradar el aluminio. [197] Sin embargo, estas formas de vida no atacan ni consumen directamente el aluminio; más bien, el metal es corroído por productos de desecho de microbios. [198]

Ver también

  • Gránulos de aluminio
  • Unión de aluminio
  • Batería de aluminio-aire
  • Tinción del borde del panel
  • Reloj cuántico

Notas

  1. ↑ El uso escrito de Davy en 1812 de la palabra aluminio fue anterior al uso de aluminio de otros autores. Sin embargo, a menudo se menciona a Davy como la persona que nombró el elemento; fue el primero en acuñar un nombre para el aluminio: usó aluminio en 1808. Otros autores no aceptaron ese nombre y eligieron aluminio en su lugar. Consulte a continuación para obtener más detalles.
  2. ^ Ningún elemento con número atómico impar tiene más de dos isótopos estables; los elementos pares tienen múltiples isótopos estables, siendo el estaño (elemento 50) el que tiene el mayor número de isótopos estables de todos los elementos, diez. La única excepción es el berilio, que tiene un número par pero solo tiene un isótopo estable. [5] Consulte Núcleos atómicos pares e impares para obtener más detalles.
  3. ↑ La mayoría de los otros metales tienen pesos atómicos estándar mayores: por ejemplo, el del hierro es 55,8; cobre 63,5; plomo 207.2. [1]
  4. ^ Los dos lados del papel de aluminio difieren en su brillo: uno es brillante y el otro es opaco. La diferencia se debe al pequeño daño mecánico en la superficie del lado mate que surge del proceso tecnológico de fabricación del papel de aluminio. [16] Ambos lados reflejan cantidades similares de luz visible, pero el lado brillante refleja una proporción mucho mayor de luz visible de forma especular, mientras que el lado opaco difunde la luzcasi exclusivamente. [17]
  5. ^ De hecho, el comportamiento electropositivo del aluminio, la alta afinidad por el oxígeno y el potencial de electrodo estándar altamente negativoestán mejor alineados con los del escandio , el itrio , el lantano y el actinio , que como el aluminio tienen tres electrones de valencia fuera del núcleo de un gas noble; esta serie muestra tendencias continuas, mientras que las del grupo 13 se rompen por la primera subcapa d agregada en galio y la contracción del bloque d resultantey la primera subcapa f agregada en talio y la contracción de lantánidos resultante. [31]
  6. ^ Estos no deben considerarse comoaniones complejos[AlF 6 ] 3− ya que los enlaces Al-F no son significativamente diferentes en tipo de los otros enlaces M – F. [41]
  7. ^ Tales diferencias en la coordinación entre los fluoruros y los haluros más pesados ​​no son inusuales, y ocurren en Sn IV y Bi III , por ejemplo; se producen diferencias aún mayores entre CO 2 y SiO 2 . [41]
  8. ^ Las abundancias en la fuente se enumeran en relación con el silicio en lugar de en notación por partícula. La suma de todos los elementos por 10 6 partes de silicio es 2,6682 × 10 10 partes; el aluminio comprende 8.410 × 10 4 partes.
  9. ^ Compare las estadísticas anuales deproducciónde aluminio [94] y cobre [95] del USGS.
  10. ^ La ortografía alúmina proviene del francés, mientras que la ortografía alúmina proviene del latín. [108]
  11. ↑ Davy descubrió varios otros elementos, incluidos los que llamó sodio y potasio , después de las palabras en inglés soda y potash . Berzelius se refirió a ellos como natrium y kalium . La sugerencia de Berzelius se amplió en 1814 [115] con su sistema propuesto de símbolos químicos de una o dos letras, que se utilizan hasta el día de hoy; el sodio y el potasio tienen los símbolos Na y K , respectivamente, después de sus nombres latinos.
  12. ^ Algunos idiomas europeos, como el español o el italiano , usan un sufijo diferente del latín -um / -ium para formar el nombre de un metal, algunos, como el polaco o el checo , tienen una base diferente para el nombre del elemento, y algunos , como el ruso o el griego , no use la escritura latina por completo.
  13. ^ Por ejemplo, consulte la edición de noviembre-diciembre de 2013 de Chemistry International : en una tabla de (algunos) elementos, el elemento aparece como "aluminio (aluminio)". [127]
  14. ^ Si bien el aluminio en sí no es cancerígeno, la producción de aluminio de Söderberg es, como señala la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer , [164] probablemente debido a la exposición a hidrocarburos aromáticos policíclicos. [165]

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enlaces externos

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  • CDC - Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos - Aluminio
  • Producción mundial de aluminio primario, por país
  • Historia de precios del aluminio, según el FMI
  • Historia del aluminio - del sitio web del Instituto Internacional del Aluminio
  • Emedicine - Aluminio
  • El cortometraje Aluminio (1941) está disponible para su descarga gratuita en Internet Archive