Glin

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

Ten artykuł dotyczy pierwiastka. Zobacz też: inne znaczenia tego słowa.

Glin

magnez ← glin → krzem
B ↑ Al ↓ Ga 13 Al
Wygląd
srebrzystobiały
Widmo emisyjne glinu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	glin, Al, 13 (łac. aluminium)
Grupa, okres, blok	13, 3, p
Stopień utlenienia	I[1], II[2], III
Właściwości metaliczne	metal
Właściwości tlenków	amfoteryczne
Masa atomowa	26,982 ± 0,001[a][3]
Stan skupienia	stały
Gęstość	2700 kg/m³[4]
Temperatura topnienia	660,32 °C[4]
Temperatura wrzenia	2519 °C[4]
Numer CAS	7429-90-5
PubChem	5359268
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny 125 (obl. 118) pm 118 pm Konfiguracja elektronowa [Ne]3s23p1 Zapełnienie powłok 2, 8, 3 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,61 1,47 Potencjały jonizacyjne I 577,5 kJ/mol II 1816,7 kJ/mol III 2744,8 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 293,4 kJ/mol Ciepło topnienia 10,79 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 2,42×10−6 Pa Konduktywność 37,7×106 S/m Ciepło właściwe 900 J/(kg·K) Przewodność cieplna 237 W/(m·K) Układ krystalograficzny regularny ściennie centrowany Twardość • w skali Mohsa 2,75 (Mohs) Prędkość dźwięku 5100 m/s (933 K) Moduł Younga 70 GPa Objętość molowa 10,00−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 26Al {syn.} 7,17×105 lat w.e. 4,004 26Mg 27Al 100% stabilny izotop z 14 neutronami 28Al {syn.} 2,25 min β− 4,642 28Si 29Al {syn.} 6,5 min β− 3,680 29Si
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2011-10-02] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie Rozporządzenia CLP, zał. VI[5] proszek stabilizowany Niebezpieczeństwo Zwroty H H228, H261 Zwroty P brak wiarygodnych danych Na podstawie Rozporządzenia CLP, zał. VI[5] proszek niestabilizowany Niebezpieczeństwo Zwroty H H250, H261 Zwroty P brak wiarygodnych danych NFPA 704 Na podstawie podanego źródła[6] 0 0 0   Numer RTECS BD0330000
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^[7]. Od jego symbolu (oraz symbolu krzemu) wywodzi się dawna nazwa najbardziej zewnętrznej warstwy globu – sial.

Historia

Sole i tlenki glinu znane były już w starożytności. Uwodniony, mieszany siarczan tego pierwiastka, ałun, był używany w celach medycznych i w garbarstwie. Minerał ten znany był z glinianych tabliczek(inne języki) z pismem linearnym B (używanym przez kulturę mykeńską), a także tekstów egipskich, babilońskich i asyryjskich^[8].

Próby produkcji glinu sięgają 1760 roku^[9]. W 1761 roku Louis-Bernard Guyton de Morveau zaproponował nazwę alumine dla zasady ałunu^[10]. Pierwsza udana próba została przeprowadzona dopiero w 1824 roku przez duńskiego fizyka i chemika Hansa Christiana Ørsteda. W reakcji bezwodnego chlorku glinu z amalgamatem potasu uzyskał on bryłę metalu wyglądającą podobnie do cyny^[11]. W 1825 roku przedstawił swoje wyniki i zaprezentował próbkę nowego metalu^[12]. W 1827 roku niemiecki chemik Friedrich Wöhler powtórzył eksperymenty Ørsteda, ale nie stwierdził obecności glinu^[13]. W tym samym roku przeprowadził podobny eksperyment, mieszając bezwodny chlorek glinu z potasem (proces Wöhlera) i uzyskał sproszkowany glin^[14]. W 1845 roku udało mu się otrzymać małe kawałki metalu i opisać niektóre z jego właściwości fizycznych^[15]. Przez wiele lat Wöhler był uznawany za odkrywcę glinu^[16].

Amerykanin Charles Martin Hall(inne języki) 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^[17].

Właściwości chemiczne

Glin w stanie czystym szybko utlenia się na powietrzu, ulegając pasywacji^[18][19]. Pierwotnie pokrywa się warstwą Al
2O
3 o grubości kilku nm. Pod wpływem wilgoci zewnętrzna warstwa tej powłoki ulega częściowej hydrolizie i składa się z Al
2O
3 i Al(OH)
3. Natomiast wewnętrzną warstwę tworzy Al
2O
3, częściowo uwodniony do Al(O)OH. Stanowi ona ścisłą powłokę chroniącą metal przed dalszą korozją w zwykłych warunkach^[19][20]. Jest ona odporna na działanie roztworów wodnych o pH 4–9^[18].

Łatwo roztwarza się w rozcieńczonych roztworach mocnych kwasów (np. HCl) i zasad (np. NaOH lub KOH) wypierając wodór, np.^[19]:

2Al + 6HCl → 2AlCl
3 + 3H
2↑

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

Jego reaktywność wobec kwasu siarkowego opisywana jest różnie:

• wg François Cardarelliego reaguje z rozcieńczonym H
  2SO
  4 z wydzieleniem wodoru^[19]:

2Al + 3H
2SO
4 → Al
2(SO
4)
3 + 3H
2↑

a ze stężonym H
2SO
4 reaguje łatwo z wydzieleniem dwutlenku siarki^[19]:

2Al + 6H
2SO
4 → Al
2(SO
4)
3 + 6H
2O + 3SO
2↑

• wg Richarda J. Lewisa, Sr., reaguje jedynie z gorącym stężonym H
  2SO
  4, natomiast na działanie kwasu rozcieńczonego lub zimnego stężonego jest odporny^[20].

W stężonym kwasie azotowym ulega silnej pasywacji, dzięki czemu jest odporny na jego działanie^[19][20] i jest wykorzystywany w przemyśle do wytwarzania zbiorników do jego transportu^[19]. Z kolei z chlorowanymi węglowodorami reaguje gwałtownie^[19]. Także H
2O w wysokiej temperaturze (180 °C) utlenia glin szybko^[20].

Związki chemiczne

W związkach występuje na III stopniu utlenienia^[21], bardzo rzadko również na I^[22] i II^[23]. Glin tworzy związki z niemal wszystkimi niemetalami, jak np. AlN, Al
2S
3 czy AlCl
3^[24]. W reakcji z chlorku glinu rozpuszczonego w eterze z wodorkiem litu powstaje spolimeryzowany wodorek glinu(inne języki)^[25]:

AlCl
3 + LiH → AlH
3 + 3LiCl

lub przy nadmiarze LiH tetrahydroglinian litu^[25]:

AlCl
3 + 4LiH → Li[AlH
4] + 3LiCl

Ten jest powszechnie wykorzystywany jako reduktor zarówno w chemii organicznej jak i nieorganicznej. Wspomniany wcześniej chlorek glinu wykorzystywany jest m.in. jako katalizator w reakcji Friedla-Craftsa^[26].

Wodorotlenek glinu (Al(OH)
3) występuje w dwóch odmianach krystalicznych: gibbsyt i otrzymywany sztucznie bajeryt(inne języki). Istnieje także hydroksotlenek glinu(inne języki) AlO(OH), występujący w postaci minerałów diasporu i bemitu. Wodorotlenek glinu jest amfoteryczny. Ogrzewanie Al(OH)
3 do temperatury ok. 1500 K skutkuje powstaniem tlenku glinu Al
2O
3, występującego w naturze jako minerał korund. Al
2O
3 w wyniku ogrzewania z tlenkami metali na II stopniu utlenienia tworzy związki zwane spinelami^[27]:

MgO + Al
2O
3 → MgAl
2O
4

Duże znaczenie przemysłowe mają aluminoksany(inne języki), 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^{[potrzebny przypis]}.

Rubin z Indii – czerwona odmiana korundu

Właściwości fizyczne

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^[28].

Zastosowanie

Stopy aluminium

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^[25]. 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^[29].

Czysty glin

Osadzanie par glinu pod próżnią na powierzchnię szkła wykorzystywane jest do produkcji luster^[30].

Pył glinowy

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^[31].

W syntezie chemicznej pył aluminium stosowany jest w reakcjach uwodorniania^[32] i jako zamiennik cynku w reakcji Reformatskiego^[33].

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

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.

Znaczenie biologiczne

Znaczenie dla fauny

Wodorotlenek glinu Al(OH)
3^[34] i ortofosforan glinu AlPO
4^[35] 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^[36].

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.^{[potrzebny przypis]}

Znaczenie dla flory i gleb

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^[37].

Wytwarzanie

W skorupie ziemskiej występuje w znacznych ilościach, 8,2% wagowo^[38]. Wytwarzane jest z boksytu w następujących po sobie procesach:

1. proces Bayera
2. proces elektrolizy Halla-Héroulta

Uwagi

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.