hliník
Hliník (lat. aluminium) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku Al a protónové číslo 13. Patrí medzi kovy s nízkou hustotou. Hliník je tretí najrozšírenejší prvok v zemskej kôre (8,13 %). Väčšie zastúpenie má už len kyslík 46,60 % a kremík 22,72 %. S ostatnými prvkami vytvára viaceré zlúčeniny, ktoré sa významnou mierou podieľajú na stavbe zemskej kôry. Najpočetnejšou skupinou sú kremičitany a hlinitokremičitany (kaolinit), ktoré sú aj jeho najvýdatnejšie zdroje. Najvýdatnejšia ťažobná surovina je bauxit Al2O3 . nH2O, okrem toho sa vyskytuje vo forme oxidu hlinitého aj ako nerast korund.
História
Hliník objavil v roku 1827 nemecký chemik a lekár Friedrich Wöhler. Hliník bol v tom čase vzácny kov. Využíval sa na dekoračné účely. Na uniformách vojakov armády Napoleona III. sa leskli gombíky z hliníka. Jeho cena klesla, keď vo Švajčiarsku postavili prvú továreň na výrobu hliníka. Pre svoju ľahkosť začal nahrádzať železo a iné kovy. Najväčšie využitie má tam, kde je potrebná vysoká pevnosť pri nízkej hmotnosti - letecký priemysel, obkladové panely, tlakovo odlievané súčiastky hlavne pre automobilový priemysel...
Príprava základných surovín
Základný vstup na výrobu hliníka je čistý oxid hlinitý Al2O3, ktorý sa získava čistením bauxitu, ktorý býva znečistený rôznymi oxidmi, najčastejšie oxidmi titánu, železa a kremíka. Proces čistenia bauxitu sa vykonáva pomocou hydroxidu sodného pod tlakom. K takto očistenému Al2O3 sa pridá kryolit Na3[AlF6] a fluorit CaF2, aby sa znížila teplota tavenia. Na oddelenie oxidu hlinitého od hydroxidu železitého sa využíva aj amfotérny charakter hydroxidu hlinitého Al(OH)3. Hydroxid železitý nemá amfotérny charakter a preto sa nerozpúšťa v alkalickom hydroxide. Z toho vyplýva, že ak pridáme alk. hydroxid, napr. hydroxid draselný KOH, dôjde len k rozpusteniu Al(OH)3. Výsledný filtrát bude obsahovať katióny hliníka Al3+, ktoré dokážeme jednoducho premeniť opäť na hydroxid hlinitý. Z neho sušením získame oxid hlinitý.
Výroba
K taveniu dochádza v elektrickej peci elektrolytickým procesom. Pri elektrolýze sa používa jednosmerný prúd. Elektródy sú vyrobené zo zmesi uhlia, koksu a dechtu. Katódou sú platne, ktorými sú obložené steny pece, anódou je zväzok 6 až 12 uhlíkových elektród (grafitových tyčí). Kúpeľ tvorí 20% roztok Al2O3, ktorý je vystavený elektrolýze. Nastáva chemická reakcia: elektrolýza taveniny.
- Al2O3 → 2Al3+ + 3O2−
Na uhlíkových elektródach sa z kúpeľa extrahuje kyslík, ktorý okamžite reaguje s uhlíkom, za vzniku oxidu uhličitého CO2. Na katódových platničkách, ktorými je obložená pec sa izoluje čistý hliník vo forme taveniny. Tá sa neskôr odlieva do hlinených foriem. Výroba hliníka je energeticky veľmi náročná.
Amfotérny charakter Al, Al2O3 a Al(OH)3
Amfotérny charakter znamená, že reaguje aj s kyselinou, aj so zásadou.
- reakcia s hydroxidovým aniónom OH-
Al3+ → Al(OH)3 (S) → [Al(OH)4]-
Al(OH)3 (S) - vzniká biely zákal
- reakcia s katiónom H3O+
[Al(OH)4]- → Al(OH)3 (S) → AI3+
Výroba na Slovensku
V areáli hlinikárni v Žiari nad Hronom vo firme Slovalco, (väčšinový vlastník Hydro) sa vyrába hliník a jeho zliatiny pre ďalšie spracovanie.[1] Napríklad firma Hydro Extrusion Slovakia vyrába a predáva hliníkové plechy, lisované profily, stavebné systémy.[2] Ďalšie firmy pôsobiace v Žiari sú výrobcovia a dodávatelia v automobilovom, spotrebnom a stavebnom priemysle: Nemak, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar.
Na Slovensku technológie pre priemyselnú sériovú výrobu rôznych dielov z hliníkovej kovovej peny vyvinuli vedci pod vedením Františka Simančíka z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV. Tieto technológie sú chránené svetovými patentmi.[3]
Vlastnosti a využitie
Hliník je odolný voči korózii a zapálený zhorí na oxid hlinitý Al2O3. Vo všetkých prostrediach okrem kyslého je neškodný, v kyslom sa rozpúšťa (kyslá kapusta, čaj). Kvôli toxickým a karcinogénnym účinkom (nahrádza kovy v metalproteínoch) je zakázané používať hliníkový riad.
Využíva sa hlavne pri aluminotermii - je to spôsob získavania kovov z ich oxidov, pričom sa využíva redukčná schopnosť hliníka.
napr. Fe2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Fe
Ďalšie využitie hliníka - výroba alobalov, pri výrobe polyetylénu a zliatin.
Výroba zliatin má využitie v hutníckom priemysle pri výrobe dopravných prostriedkov a rôznych ľahkých konštrukcií.
Najznámejšou hliníkovou zliatinou je dural (z angl. durable aluminium), ktorý je zliatina hliníka s meďou a horčíkom (Al-Cu4-Mg). Hlavné uplatnenie duralu bolo v leteckom priemysle. Svoje miesto si v minulosti našiel pri výrobe bytových predmetov, ako sú príbory a riady - nahradil ho drahší antikoro. Často sa používa v elektrotechnike pre jeho dobrú elektrickú vodivosť a nižšiu cenu, ako meď, kde sa z hliníkových zliatin vyrábajú vodiče. Používa sa v lanách na rozvody vysokého napätia (elektrorozvodná sieť). V bytových rozvodoch sa prestal používať na konci 80-tych rokov. Dôvodom je, že hliník pri tlaku „odtečie“ - skrutkované elektrické spoje s hliníkovými vodičmi je potrebné doťahovať, inak časom dochádza ku strate elektrického kontaktu. Využíva sa tiež jeho veľmi dobrá tepelná vodivosť na výrobu rôznych chladičov a výmenníkov tepla. V stavebníctve sa používa na obkladové panely. Hliník je málo odolný voči poveternostným vplyvom, preto sa musí povrchovo upraviť - eloxovaním (elektrochemicky sa na jeho povrchu vytvorí vrstva oxidu, ktorá je odolná a dá sa farbiť a leštiť).
Okrem toho sa využívajú drahokamové odrody korundu Al2O3 - rubín a zafír. Al2O3 tiež slúži na výrobu šmirgľového papiera.
V liečiteľstve sa využíva napr. octan hlinitý Al(CH3COO)3 - soľ kyseliny octovej; ako obklad proti zápalom.
Významný je aj keramický priemysel - výroba porcelánu a hrubej keramiky. Základnou zložkou je kaolín (obsahuje minerál kaolinit). Porcelán vzniká vypálením zmesi kaolínu a rozdrveného živca s kremeňom (známy je karlovarský porcelán). Z hrubej keramiky sa vyrába napr. ohňovzdorný materiál, strešná krytina, kameninový riad, kvetináče, potrubia, atď.
Soli Al3+ sa nachádzajú v pitnej vode, v liekoch (acylpyrín, superpyrín - znižujú dráždivosť žalúdka), v prášku do pečiva, na mrazené ovocie a zeleninu (kvôli vzhľadu), stužovač šľahačky, sušené mlieko, instantná káva atď.
V priemysle má význam výroba kovovej peny, tzv. penového hliníka, ktorý má výhodný pomer tuhosti k hmotnosti (napr. platňa z hliníkovej peny v porovnaní s hliníkovým plechom rovnakej hmotnosti ma výrazne vyššiu ohybovú tuhosť). Pena je lepšia na tlmenie vibrácií a hluku, ktorý je spôsobený kmitaním dielu ako pri jeho odliatí z plného hliníku.