Glin

13. pierwiastek chemiczny

Glin (w technice: aluminium; Al, łac. aluminium) – pierwiastek chemiczny, metal z bloku p układu okresowego.

Glin
magnez ← glin → krzem
Wygląd
srebrzystobiały
Glin
Widmo emisyjne glinu
Widmo emisyjne glinu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.

glin, Al, 13
(łac. aluminium)

Grupa, okres, blok

13, 3, p

Stopień utlenienia

I[4], II[5], III

Właściwości metaliczne

metal

Właściwości tlenków

amfoteryczne

Masa atomowa

26,982 ± 0,001[a][6]

Stan skupienia

stały

Gęstość

2700 kg/m³[1]

Temperatura topnienia

660,32 °C[1]

Temperatura wrzenia

2519 °C[1]

Numer CAS

7429-90-5

PubChem

5359268

Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Jedynym izotopem stabilnym jest 27Al.

Glin jest trzecim najpowszechniej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Od jego symbolu (oraz symbolu krzemu) wywodzi się dawna nazwa najbardziej zewnętrznej warstwy globu – sial.

Historia

edytuj

Sole i tlenki glinu znane były od zarania dziejów. Uwodniony, mieszany siarczan tego pierwiastka, ałun, był używany jako środek antyseptyczny przez starożytnych Greków. Istnienie tego pierwiastka i nazwę zasugerował Louis-Bernard Guyton de Morveau w 1761 r. W 1807 podobną sugestię wyraził Humphry Davy, który zaproponował nazwę aluminium. Istnieją kontrowersje na temat tego, kto pierwszy wyodrębnił ten pierwiastek w stanie czystym. Według jednych źródeł był to Friedrich Wöhler w 1827 r. wg innych Hans Christian Ørsted w 1825 r. Amerykanin Charles Martin Hall i Francuz Paul-Louis Toussaint Héroult w 1886 opracowali produkcję glinu na skalę przemysłową. Niezależnie od siebie opracowali metodę otrzymywania aluminium w procesie elektrolizy stopionej mieszaniny kriolitu i boksytu, obecnie znanym jako proces Halla-Heroulta[7].

Właściwości chemiczne

edytuj

Glin w stanie czystym szybko utlenia się na powietrzu, ulegając pasywacji[8][9]. Pierwotnie pokrywa się warstwą Al
2
O
3
o grubości kilku nm. Pod wpływem wilgoci zewnętrzna warstwa tej powłoki ulega częściowej hydrolizie i składa się z Al
2
O
3
i Al(OH)
3
. Natomiast wewnętrzną warstwę tworzy Al
2
O
3
, częściowo uwodniony do Al(O)OH. Stanowi ona ścisłą powłokę chroniącą metal przed dalszą korozją w zwykłych warunkach[9][10]. Jest ona odporna na działanie roztworów wodnych o pH 4–9[8].

Łatwo roztwarza się w rozcieńczonych roztworach mocnych kwasów (np. HCl) i zasad (np. NaOH lub KOH) wypierając wodór, np. [9]:

2Al + 6HCl → 2AlCl
3
+ 3H
2
2Al + 2NaOH + 6H
2
O → 2Na[Al(OH)
4
]
+ 3H
2

Jego reaktywność wobec kwasu siarkowego opisywana jest różnie:

  • wg François Cardarelliego reaguje z rozcieńczonym H
    2
    SO
    4
    z wydzieleniem wodoru[9]:
2Al + 3H
2
SO
4
Al
2
(SO
4
)
3
+ 3H
2
a ze stężonym H
2
SO
4
reaguje łatwo z wydzieleniem dwutlenku siarki[9]:
2Al + 6H
2
SO
4
→ Al
2
(SO
4
)
3
+ 6H
2
O + 3SO
2
  • wg Richarda J. Lewisa, Sr., reaguje jedynie z gorącym stężonym H
    2
    SO
    4
    , natomiast na działanie kwasu rozcieńczonego lub zimnego stężonego jest odporny[10].

W stężonym kwasie azotowym ulega silnej pasywacji, dzięki czemu jest odporny na jego działanie[9][10] i jest wykorzystywany w przemyśle do wytwarzania zbiorników do jego transportu[9]. Z kolei z chlorowanymi węglowodorami reaguje gwałtownie[9]. Także H
2
O
w wysokiej temperaturze (180 °C) utlenia glin szybko[10].

W związkach występuje na III stopniu utlenienia, bardzo rzadko również na I i II.

Właściwości fizyczne

edytuj

Jest srebrzystobiałym metalem o niskiej gęstości, bardzo dobrej kowalności i dużej plastyczności. Jest łatwy w odlewaniu i obróbce, podczas której nie tworzy iskier. Wykazuje dobre przewodnictwo elektryczne, jest paramagnetyczny. W postaci czystej jego właściwości mechaniczne są słabe, które jednak można znacząco poprawić poprzez niewielkie ilości dodatków stopowych. Cienkie powłoki naparowanego glinu są trwałymi, bardzo dobrymi zwierciadłami dla światła widzialnego i promieniowania cieplnego[11] (czysty glin odbija do 99% światła widzialnego i do 95% podczerwieni[potrzebny przypis]).

Zastosowanie

edytuj

Stopy aluminium

edytuj
Osobny artykuł: Stopy aluminium.

Ze względu na swoje właściwości, takie jak mała gęstość i odporność na korozję, stopy glinu z miedzią i magnezem zwane duraluminium znalazły wiele zastosowań i są używane do wyrobu szerokiej grupy produktów – od części karoserii i silników samochodów, przez poszycia i elementy konstrukcyjne samolotów, po części statków kosmicznych. Tak zwane aluminium utwardzane dyspersyjnie jest wykorzystywane w produkcji koszulek elementów paliwowych i konstrukcyjnych rdzeni niektórych badawczych reaktorów jądrowych. Stopów aluminium z manganem i magnezem używa się do produkcji puszek do napojów (stopy 3004 lub 3104 na ścianki oraz 5182 na wieczka).

Aluminium słabo pochłania neutrony termiczne (ok. 20 fm²), przez co wykorzystywane jest w technice reaktorowej na koszulki elementów paliwowych[12].

Czysty glin

edytuj

Próżniowe napylenie glinu na powierzchnię szkła lub przezroczystych tworzyw sztucznych wykorzystywane jest do produkcji luster.

Pył glinowy

edytuj

Pył glinu używany jest w hutnictwie do otrzymywania metali z ich tlenków w procesie aluminotermii. Stosowana w tym procesie mieszanina glinu oraz tlenków metali jest znana pod nazwą termit. Termitu używa się do spawania rur i szyn kolejowych, a także do produkcji broni zapalającej. Jest także stosowany w materiałach wybuchowych np. amonal.

Jest też składnikiem farb metalicznych odpowiedzialnym za charakterystyczny połysk.

W syntezie chemicznej pył aluminium stosowany jest w reakcjach uwodorniania[13] i jako zamiennik cynku w reakcji Reformatskiego[14].

Stosowany jest również w przemyśle spożywczym, jako barwnik metaliczny. Używany jest przy srebrnych dekoracjach ciast i tortów. Parlament Europejski uznał, że dodawanie aluminium powinno być zakazane, ponieważ istnieją przesłanki, że ma związek z chorobą Alzheimera, choć do tej pory nie udało się tego jednoznacznie udowodnić.

Folia aluminiowa

edytuj

Folie aluminiowe o różnej grubości stosowane są do pakowania (m.in. żywności) oraz do różnorodnych celów w technikach laboratoryjnych. Folia aluminiowa jest także wykorzystywana jako tzw. lustro lub ekran cieplny (odbijający promieniowanie podczerwone) do zapobiegania utraty ciepła. W tym celu stosuje się albo samą folię aluminiową (np. o grubości 0,05 mm), albo połączoną trwale z materiałem termoizolacyjnym.

Związki

edytuj
 
Rubin z Indii – czerwona odmiana korundu

Najważniejsze związki glinu to tlenek glinu i amfoteryczny wodorotlenek glinu. Glin tworzy też wodorek, a tetrahydroglinian litu LiAlH4 jest powszechnie stosowanym w chemii organicznej silnym środkiem redukującym. Duże znaczenie przemysłowe mają też aluminoksany, a zwłaszcza MAO (metylowy aluminoksan), z którego produkuje się sita molekularne, oraz powszechnie wykorzystuje jako stałe podłoże dla wielu katalizatorów. Glina i kaolin, powszechnie wykorzystywane przy produkcji ceramiki, to złożone mieszaniny glino-krzemianów.

Znaczenie dla fauny

edytuj

Wodorowęglan glinu Al(HCO3)3, ortofosforan glinu AlPO4 oraz krzemian glinu Al2(SiO3)3 są stosowane jako leki przy nadkwasocie.

Udowodniono toksyczne działanie glinu na pacjentów z chroniczną niewydolnością nerek, jak również jego toksyczne działanie na układ krwiotwórczy. Podejrzewa się jego udział w etiopatogenezie choroby Alzheimera[15].

W pewnych określonych warunkach dopuszczony jest do użytkowania w gastronomii, jednak w przypadku termicznej obróbki żywności, przy bezpośrednim kontakcie z wodą, glin wykazuje wysoką rozpuszczalność i w nadmiernych ilościach przenika do pożywienia. Z tego powodu w Polsce już w latach 80. systematycznie wycofywano z użytku naczynia aluminiowe i obecnie jego znaczenie jest marginalne. Nadmiar glinu nadmiernie obciąża wątrobę, a przyjmowanie dużych dawek tego pierwiastka, zwłaszcza w okresie dzieciństwa, skutkuje upośledzeniem funkcji i mniejszą wydajnością tego organu w późniejszych latach. Ponadto należy wspomnieć, że glin łatwo asymiluje się ze związkami wapnia łatwo przyswajalnego do związków trudno przyswajalnych. Dlatego też należy ograniczać jego spożycie w okresie wzrostu i rozwoju układu kostnego. Nie jest również wskazane, aby w nadmiarze spożywały go osoby w trakcie leczenia złamań i cierpiące na odwapnienie kości.

Znaczenie dla flory i gleb

edytuj

Glin, podobnie jak krzem, nie jest pierwiastkiem niezbędnym dla życia roślin. Mało tego, w dużych ilościach może być toksyczny zarówno dla roślin, jak i dla zwierząt zjadających roślinę zawierającą glin. Obecność glinu w glebie związana jest z obecnością jonów H+. Aby pozbyć się glinu z gleby, najczęściej stosuje się równolegle neutralizacje pH oraz sadzenie roślin, które pobierają glin z gruntu w większych ilościach[16].

Wytwarzanie

edytuj

W skorupie ziemskiej występuje w znacznych ilościach, 8,2% wagowo[17]. Wytwarzane jest z boksytu w następujących po sobie procesach:

  1. proces Bayera
  2. proces elektrolizy Halla-Héroulta
  1. Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi 26,9815384 ± 0,0000003. Zob. Prohaska i in. 2021 ↓, s. 584.

Przypisy

edytuj
  1. a b c David R. Lide (red.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, wyd. 90, Boca Raton: CRC Press, 2009, s. 4-44, ISBN 978-1-4200-9084-0 (ang.).
  2. a b aluminium powder, [w:] Classification and Labelling Inventory, Europejska Agencja Chemikaliów [dostęp 2015-04-10] (ang.).
  3. Aluminum (nr 518573) (ang.) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck) na obszar Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2011-10-02]. (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
  4. Carsten Dohmeier, Dagmar Loos, Hansgeorg Schnöckel, Aluminum(I) and Gallium(I) Compounds: Syntheses, Structures, and Reactions, „Angewandte Chemie International Edition in English”, 35 (2), 1996, s. 129–149, DOI10.1002/anie.199601291 [dostęp 2023-03-29] (ang.).
  5. D.C. Tyte, Red (B2Π–A2σ) Band System of Aluminium Monoxide, „Nature”, 202 (4930), 1964, s. 383–384, DOI10.1038/202383a0 [dostęp 2023-03-29] (ang.).
  6. Thomas Prohaska i inni, Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 94 (5), 2021, s. 573–600, DOI10.1515/pac-2019-0603 (ang.).
  7. Ignacy Eichstaedt: Księga pierwiastków. Warszawa: Wiedza Powszechna, 1973, s. 145–151. OCLC 839118859.
  8. a b Volkan Cicek, Bayan Al-Numan: Corrosion Chemistry. Scrivener Publishing/John Wiley & Sons, 2011, s. 24–25. ISBN 978-0-470-94307-6.
  9. a b c d e f g h François Cardarelli: Materials Handbook. A Concise Desktop Reference. Wyd. 2. Springer, 2008, s. 163–164. DOI: 10.1007/978-1-84628-669-8. ISBN 978-1-84628-668-1.
  10. a b c d aluminum. W: Richard J. Lewis (Sr): Hawley’s Condensed Chemical Dictionary. Wyd. 15. John Wiley & Sons, Inc., 2007, s. 44–45. ISBN 978-0-471-76865-4.
  11. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Wyd. 88. Boca Raton: CRC Press, 2008, s. 4-3.
  12. Ryszard Szepke: 1000 słów o atomie i technice jądrowej. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1982. ISBN 83-11-06723-6.
  13. T. Mallát, Zs. Bodnár, J. Petró, Reduction by dissolving bimetals, „Tetrahedron”, 47 (3), 1991, s. 441–446, DOI10.1016/S0040-4020(01)90501-0 [dostęp 2021-08-05] (ang.).
  14. Zhen Shen i inni, A novel one-pot reformatsky type reaction via bismuth salt in aqueous media, „Tetrahedron Letters”, 38 (15), 1997, s. 2733–2736, DOI10.1016/S0040-4039(97)00456-5 [dostęp 2021-08-05] (ang.).
  15. Krystyna Starska. Glin - występowanie i właściwości toksyczne. „Roczniki Państwowego Zakładu Higieny”. 41 (3-4), s. 108, 1990. 
  16. Luis M. Thompson, Frederick R. Troeh: Gleba i jej żyzność. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, 1978, s. 191–192.
  17. Aluminium. The essentials [online], WebElements Periodic Table [dostęp 2021-08-05] (ang.).