hliník
Hliník (lat. aluminium) je chemický prvek v periodické tabulce prvků, který má značku Al a protonové číslo 13. Patří mezi kovy o nízké hustotě. Hliník je třetí nejrozšířenější prvek v zemské kůře (8,13 %). Větší zastoupení má už jen kyslík 46,60% a křemík 22,72%. S ostatními prvky vytváří několik sloučeniny, které se významnou měrou podílejí na stavbě zemské kůry. Nejpočetnější skupinou jsou křemičitany a hlinitokřemičitany (kaolinit), které jsou i jeho nejvydatnější zdroje. Nejvydatnější těžební surovina je bauxit Al2O3. nH2O, kromě toho se vyskytuje ve formě oxidu hlinitého i jako nerost korund.
Historie
Hliník objevil v roce 1827 německý chemik a lékař Friedrich Wöhler. Hliník byl v té době vzácný kov. Využíval se k dekoračním účelům. Na uniformách vojáků armády Napoleona III. se leskly knoflíky z hliníku. Jeho cena klesla, když ve Švýcarsku postavili první továrnu na výrobu hliníku. Pro svou lehkost začal nahrazovat železo a jiné kovy. Největší využití má tam, kde je nutná vysoká pevnost při nízké hmotnosti - letecký průmysl, obkladové panely, tlakově odlévané součástky hlavně pro automobilový průmysl.
Příprava základních surovin
Základní vstup pro výrobu hliníku je čistý oxid hlinitý Al2O3, který se získává čištěním bauxitu, který bývá znečištěn různými oxidy, nejčastěji oxidy titanu, železa a křemíku. Proces čištění bauxitu se provádí pomocí hydroxidu sodného pod tlakem. K takto očištěnému Al2O3 se přidá kryolit Na3[AlF6] a fluorit CaF2, aby se snížila teplota tavení. K oddělení oxidu hlinitého od hydroxidu železitého se využívá také amfoterní charakter hydroxidu hlinitého Al(OH)3. Hydroxid železitý nemá amfoterní charakter a proto se nerozpouští v alkalickém hydroxidu. Z toho vyplývá, že pokud přidáme alk. hydroxid, například. hydroxid draselný KOH, dojde pouze k rozpuštění Al(OH)3. Výsledný filtrát bude obsahovat kationty hliníku Al3+, které dokážeme jednoduše přeměnit opět na hydroxid hlinitý. Z něho sušením získáme oxid hlinitý.
Výroba
K tavení dochází v elektrické peci elektrolytickým procesem. Při elektrolýze se používá stejnosměrný proud.Elektrody jsou vyrobeny ze směsi uhlí, koksu a dehtu.Katodou jsou desky, kterými jsou obloženy stěny kamen, anodou je svazek 6 až 12 uhlíkových elektrod (grafitových tyčí). Koupel tvoří 20% roztok Al2O3, který je vystaven elektrolýze. Nastává chemická reakce: elektrolýza taveniny.
Bauxit
Al2O3 → 2Al3+ + 3O2−
Anoda
O2− - 2e− → O20
O2 + C → CO2
Katoda
Al3+ + 3e− → Al0
Na uhlíkových elektrodách se z koupele extrahuje kyslík, který okamžitě reaguje s uhlíkem, za vzniku oxidu uhličitého CO2. Na katodových plotýnkách, kterými je obložená kamna se izoluje čistý hliník ve formě taveniny. Ta se později odlévá do hliněných forem. Výroba hliníku je energeticky velmi náročná.
Amfoterní charakter Al, Al2O3 a Al(OH)3
Amfoterní charakter znamená, že reaguje jak s kyselinou, tak se zásadou.
- reakce s hydroxidovým aniontem OH-
Al3+ → Al(OH)3 (S) → [Al(OH)4]-
Al(OH)3 (S) - vzniká bílý zákal
- reakce s kationtem H3O+
[Al(OH)4]- → Al(OH)3 (S) → AI3+
Výroba na Slovensku
V areálu hlinikárně v Žiaru nad Hronom ve firmě Slovalco, (většinový vlastník Hydro) se vyrábí hliník a jeho slitiny pro další zpracování.[1]Například firma Hydro Extrusion Slovakia vyrábí a prodává hliníkové plechy, lisované profily, stavební systémy.[2]Další firmy působící v Záři jsou výrobci a dodavatelé v automobilovém, spotřebním a stavebním průmyslu: Německo, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar.
Na Slovensku technologie pro průmyslovou sériovou výrobu různých dílů z hliníkové kovové pěny vyvinuli vědci pod vedením Františka Simančíka z Ústavu materiálů a mechaniky strojů SAV. Tyto technologie jsou chráněny světovými patenty.[3]
Vlastnosti a využití
Hliník je odolný vůči korozi a zanícený shoří na oxid hlinitý Al2O3. Ve všech prostředích kromě kyselého je neškodný, v kyselém se rozpouští (kyselé zelí, čaj). Kvůli toxickým a karcinogenním účinkům (nahrazuje kovy v metalproteinech) je zakázáno používat hliníkové nádobí.
Využívá se hlavně při aluminotermii - je to způsob získávání kovů z jejich oxidů, přičemž se využívá redukční schopnosti hliníku.
Např. Fe2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Fe
Další využití hliníku - výroba alobalů, při výrobě polyethylenu a slitin.
Výroba slitin má využití v hutním průmyslu při výrobě dopravních prostředků a různých lehkých konstrukcí.
Nejznámější hliníkovou slitinou je dural (z angl. durable aluminium), který je slitina hliníku s mědí a hořčíkem (Al-Cu4-Mg). Hlavní uplatnění duralu bylo v leteckém průmyslu. Své místo si v minulosti našel při výrobě bytových předmětů, jako jsou příbory a nádobí - nahradil ho dražší antikoro. Často se používá v elektrotechnice pro jeho dobrou elektrickou vodivost a nižší cenu, než měď, kde se z hliníkových slitin vyrábějí vodiče. Používá se v lanech na rozvody vysokého napětí (elektrorozvodná síť). V bytových rozvodech se přestal používat na konci 80. let. Důvodem je, že hliník při tlaku „odteče“ - šroubované elektrické spoje s hliníkovými vodiči je třeba dotahovat, jinak časem dochází ke ztrátě elektrického kontaktu. Využívá se také jeho velmi dobrá tepelná vodivost k výrobě různých chladičů a výměníků tepla. Ve stavebnictví se používá na obkladové panely. Hliník je málo odolný vůči povětrnostním vlivům, proto se musí povrchově upravit –eloxováním (elektrochemicky se na jeho povrchu vytvoří vrstva oxidu, která je odolná a dá se barvit a leštit).
Kromě toho se využívají drahokamové odrůdy korundu Al2O3-rubín a safír. Al2O3 také slouží k výrobě smirkového papíru.
V léčitelství se využívá např. octan hlinitý Al(CH3COO)3 - sůl kyseliny octové; jako obklad proti zánětům.
Významný je také keramický průmysl - výroba porcelánu a hrubé keramiky. Základní složkou je kaolin (obsahuje minerál kaolinit). Porcelán vzniká vypálením směsi kaolinu a rozdrceného živce s křemenem (známý je karlovarský porcelán). Z hrubé keramiky se vyrábí např. ohnivzdorný materiál, střešní krytina, kameninové nádobí, květináče, potrubí, atp.
Soli Al3+ se nacházejí v pitné vodě, v lécích (acylpyrin, superpyrin - snižují dráždivost žaludku), v prášku do pečiva, na mražené ovoce a zeleninu (kvůli vzhledu), ztužovač šlehačky, sušené mléko, instantní káva atp.
V průmyslu má význam výroba kovové pěny.pěnového hliníku, který má výhodný poměr tuhosti k hmotnosti (např. plotna z hliníkové pěny ve srovnání s hliníkovým plechem stejné hmotnosti má výrazně vyšší ohybovou tuhost). Pěna je lepší pro tlumení vibrací a hluku, který je způsoben kmitaním dílu než při jeho odlití z plného hliníku.