Hliník

Vydáno: 01. 04. 2013; Poslední aktualizace: 13. 03. 2024; Autor: Zdeněk Moravec

Hliník, Al, je nejrozšířenější kov v zemské kůře, jeho obsah činí 8,3 %. Nacházíme ho v mnoha minerálech, např. kaolinitu [Al2(OH)4Si2O5], kryolitu Na3AlF6, spinelu MgAl2O4 a granátu [Ca3Al2(SiO4)3]. Průmyslově je nejdůležitějším minerálem bauxit, AlOOH, který byl objeven roku 1821. Využívá se jako zdroj hliníku při jeho elektrolytické výrobě.

Atomové číslo13Počet stabilních izotopů1
Atomová hmotnost26,9815Elektronová konfigurace[Ne] 3s2 3p1
Teplota tání [°C]660,32Teplota varu [°C]2519
Elektronegativita1,61Hustota [g.cm-3]2,7

Izotopy hliníku

Známe celkem 22 jeho izotopů a čtyři jaderné izomery. V přírodě se vyskytuje jako téměř monoizotopický prvek 27Al se stopovým množstvím radioaktivního izotopu 26Al (t1/2 = 7,2×105 roku). Ostatní radioizotopy hliníku mají poločasy rozpadu kratší než 7 minut.

26Al

V přírodě vzniká působením kosmického záření na atmosféru.[8]

Tento izotop se rozpadá za vzniku 26Mg a vyzáření pozitronu (beta plus přeměna).

$$^{26}_{13}\textrm{Al }\rightarrow\ ^{26}_{12}\textrm{Be + }^0_1\textrm{e}^+$$

Výroba

Hliník je nejpoužívanějším neželezným kovem, v roce 2005 byla jeho celosvětová produkce 32 miliónů tun. Průmyslová výroba hliníku je zachycena v tomto videu.

Hlavním zdrojem hliníku je minerál bauxit, ten je vyčištěn a převeden na aluminu (Al2O3) pomocí tzv. Bayerova procesu. Nejprve je oxid hlinitý z rudy extrahován převedením na hlinitan reakcí s NaOH v autoklávu:

Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 Na[Al(OH)4]

Nerozpustné nečistoty jsou odstraněny a hlinitan je ochlazen a hydrolyzován na hydroxid hlinitý:

Na[Al(OH)4] → Al(OH)3 + NaOH

Následnou kalcinací na teplotu 1200 °C získáme aluminu:

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

Ta je pomocí Hall–Héroultova procesu redukována na kovový hliník. Redukce probíhá elektrochemicky, pro snížení teploty tání (alumina taje při teplotě 2053 °C) se přidává kryolit (Na3AlF6) jako tavidlo a příměsí CaF2 nebo NaF. Elektrolýza probíhá při teplotě 960 °C, katodou je tavenina hliníku, anodou pak uhlík. Celkovou reakci můžeme zapsat jako:

2 Al2O3 + 3 C → 4 Al + 3 CO2

Společně s oxidem uhličitým dochází i ke vzniku oxidu uhelnatého.

Zdroj: Parcly Taxel/Commons

Tavenina hliníku je odebírána a dále zpracovávána podle požadavků zákazníka. Jak je vidět, je výroba hliníku energeticky velmi náročná, proto je vždy situována v blízkosti elektráren.

Využití

Využívá se nejčastěji ve formě slitin. Jeho slitina s niklem se využívá pro přípravu Raneyova niklu.

Pro zvýšení mechanické a chemické odolnosti se povrch hliníku často upravuje tzv. eloxováním neboli anodizací. Tímto procesem se elektrolyticky vytvoří vrstva oxidu hlinitého na povrchu čistého kovu.

Důležitým minerálem hliníku, využívaným ve šperkařství, hodinářství i optice je rubín. Jedná se o modifikaci oxidu hlinitého, čistý je průhledný, zbarvení způsobují příměsi. Jeho název je odvozen od latinského ruber, což je výraz pro červenou barvu, způsobovanou příměsí chromu. Krystaluje v klencové soustavě, těží se hlavně v Barmě, Tanzánii a Pakistánu. Další naleziště jsou Afganistánu, Austrálii, Brazílii, Indii a USA.

Chemické vlastnosti

Oxidy

Oxid hlinitý (Al2O3) se vyskytuje v několika krystalových formách, hlavní jsou α-Al2O3 (korund), který krystaluje v těsném hexagonálním uspořádání. A druhou je γ-Al2O3 krystalizující v kubickém uspořádání jako defektní spinelová struktura.

Korund je velmi tvrdý (9 v Mohsově stupnici), chemicky i tepelně odolný, což předurčuje jeho využití jako brusný i žáruvzdorný materiál.

Struktrura korundu. Zdroj: Materialscientist/Commons

Halogenidy hlinité

Známe všechny čtyři halogenidy hlinité, jedná se o pevné látky .

SloučeninaAlF3AlCl3AlBr3AlI3
Teplota tání [°C]1290192,497,8189,4

Fluorid hlinitý se připravuje reakcí oxidu hlinitého s plynným fluorovodíkem při teplotě okolo 700 °C, průmyslová výroba je založena na reakci oxidu hlinitého s kyselinou hexafluorokřemičitou (H2SiF6).

H2SiF6 + Al2O3 → 2 AlF3 + SiO2 + H2O

Využití nachází při průmyslové (elektrolytické) výrobě hliníku.

Chlorid hlinitý je nejdůležitějším halogenidem hlinitým, v čistém stavu je to bílá, krystalická látka, při manipulaci na vzduchu se jeho barva mění na žlutou. Je to silně hygroskopická sloučenina, vytváří oktaedrický kationt [Al(H2O)6]3+, ten už nelze zahříváním převést na bezvodý AlCl3, protože se rozkládá.

[Al(H2O)6]Cl3 → Al(OH)3 + 3 HCl + 3 H2O

Připravuje se reakcí hliníku s chlorem nebo chlorovodíkem za zvýšené teploty.

Poměrně zajímavá je struktura chloridu hlinitého, teorie VSEPR předpovídá planární strukturu (trojúhelník), tu pozorujeme pouze za vysoké teploty. Při teplotě tání a kousek nad ní (150–200 °C) vytváří chlorid hlinitý dimerní molekuly Al2Cl6, oba hliníky mají koordinační číslo 4.

Struktura dimerního chloridu hlinitého
Struktura dimerního chloridu hlinitého

V pevném stavu vytváří vrstevnatou strukturu, hliníky mají koordinační číslo 6.

Bromid hlinitý je dimerní v pevném stavu, tavenině i v roztoku s nekoordinujícími rozpouštědly. Stejně jako dimerní forma chloridu sestává bromid ze dvou teraedrů AlBr4, které sdílejí hranu, molekula patři do grupy symetrie D2h. Monomerní forma byla pozorována pouze v plynné fázi. Připravuje se reakcí kovového hliníku s bromovodíkem nebo bromem. Využívá se jako katalyzátor Friedel-Craftsových syntéz.

Jodid hlinitý je také silně hygroskopická látka, v pevném stavu vytváří dimerní molekuly Al2I6, podobně jako bromid a chlorid. Bezvodý se vyrábí reakcí vodíku s jódem nebo jodovodíkem. Reakce s jódem je exotermní a dochází během k ní k sublimaci nezreagovaného jódu za vzniku intenzivního fialového dýmu. Hexahydrát můžeme vyrobit reakcí hydroxidu hlinitého s kyselinou jodovodíkovou.

V roce 2017 byla publikována příprava první sloučeniny s dvojnou vazbou Al=Al.

Chloridy-alkoxidy hlinité jsou blíže popsány zde.

NMR

Hliník je monoizotopický prvek, 27Al je kvadrupolární jádro s vysokou citlivostí. Pokud je jeho okolí symetrické, poskytuje úzké linie, ale se snižováním symetrie dochází k jejich rozšiřování. Jako standard se používá roztok dusičnanu hlinitého v D2O. Ve spektru je často vidět i signál pocházející ze sondy, široký hrb okolo 80 ppm.

 27Al
Spin5/2
Zastoupení v přírodě [%]100
Rozsah chemických posunů200 – (-200) ppm
Citlivost vzhledem k 1H0,20689
Citlivost vzhledem k 13C1220
Rezonanční frekvence v poli 1 T11,1031
27Al NMR spektrum roztoku Al(NO3)3 v D2O
27Al NMR spektrum roztoku Al(NO3)3 v D2O, hrb okolo 80 ppm je zpúsobem hliníkem, z kterého je sestrojena měřící sonda

Interakční konstanty

Rozsahy interakčních konstant 27Al s jinýmy jádry

Spinový systém1J2J3J
27Al–1H39–2416–96
27Al–2H9
27Al–11B9
27Al–13C7–1911–15
27Al–14N22–45
27Al–15N44
27Al–19F18–20
27Al–29Si1–4
27Al–31P92–30011–53
27Al–35Cl650
27Al–81Br750

Odkazy

  1. Alkoxidy hlinité
  2. Chloridy-alkoxidy hlinité
  3. Hliník na české wikipedii
  4. Hliník na anglické wikipedii
  5. 27Al NMR
  6. Controlled step-wise isomerization of the Keggin-type Al13 and determination of the γ-Al13 structure – příprava Kegginových struktur Al13 částečnou hydrolýzou AlCl3 pomocí Ca(OH)2
  7. Recent advances in application of 27Al NMR spectroscopy to materials science
  8. Cosmogenic 26Al in the atmosphere and the prospect of a 26Al/10Be chronometer to date old ice

Navigace

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr