알루미늄 : 역사, 속성, 구조, 획득, 용도 - 화학 - 2025

알루미늄 이 낮은 밀도 및 경도 경금속 인 심볼 A.로 표시되는 (III A) 주기율표 제 13 족에 속하는 금속 원소이다. 양쪽 성 특성으로 인해 일부 과학자들은 메탈 로이드로 분류했습니다.

연성이 있고 매우 가단성이있는 금속이므로 와이어, 얇은 알루미늄 시트 및 모든 유형의 물체 또는 인물을 제조하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 합금으로 된 유명한 캔이나 음식이나 디저트를 포장하는 알루미늄 호일이 있습니다.

구겨진 알루미늄 호일은이 금속으로 만든 가장 단순하고 일상적인 물건 중 하나입니다. 출처 : Pexels.

명반 (수화 된 황산 칼륨 알루미늄)은 고대부터 의학, 가죽 태닝 및 직물 염색 용 매염제로 인간에 의해 사용되었습니다. 따라서 미네랄은 영원히 알려져 왔습니다.

그러나 금속으로서의 알루미늄은 1825 년 Øersted에 의해 매우 늦게 분리되어 산업용으로 사용할 수있는 과학적 활동으로 이어졌습니다. 그 당시 알루미늄은 철에 이어 세계에서 가장 많은 생산량을 기록한 금속이었습니다.

알루미늄은 주로 지각의 윗부분에서 발견되며 무게의 8 %를 차지합니다. 실리카와 규산염 광물에서 산소와 실리콘을 능가하는 세 번째로 풍부한 원소에 해당합니다.

보크 사이트는 알루미나 (알루미늄 산화물)와 철, 티타늄 및 실리콘의 금속 산화물과 같은 미네랄의 결합입니다. 알루미늄 채굴의 주요 천연 자원입니다.

역사

명반

메소포타미아에서 기원전 5000 년. C., 그들은 이미 알루미늄 화합물을 포함하는 점토를 사용하여 도자기를 만들었습니다. 한편, 4000 년 전 바빌로니아 인과 이집트인은 일부 화합물에 알루미늄을 사용했습니다.

명반과 관련된 최초의 문서는 기원전 5 세기 그리스 역사가 헤로도투스가 작성했습니다. 명반은 직물 염색에 매염제로 사용되었으며 요새 문이 디자인 된 목재를 화재로부터 보호하기 위해 사용되었습니다.

마찬가지로 1 세기의 Pliny "the Elder"는 오늘날 명반으로 알려진 명반을 의학 및 매염제에 사용되는 물질로 지칭합니다.

16 세기부터 명반은 가죽 태닝과 종이 사이징에 사용되었습니다. 이것은 종이에 일관성을 부여하고 서면으로 사용할 수있는 젤라틴 물질이었습니다.

1767 년 스위스의 화학자 Torbern Bergman은 명반의 합성을 달성했습니다. 이를 위해 그는 달빛 석을 황산으로 가열 한 다음 용액에 칼륨을 첨가했습니다.

알루미나에서 인식

1782 년 프랑스의 화학자 Antoine Lavoisier는 알루미나 (Al ₂ O ₃ )가 일부 원소의 산화물 이라고 지적했습니다 . 이것은 산소에 대한 친화력이있어서 분리가 어려웠습니다. 따라서 Lavoisier는 알루미늄의 존재를 예측했습니다.

나중에 1807 년 영국의 화학자 Humphry Davy 경은 알루미나를 전기 분해했습니다. 그러나 그가 사용한 방법은 알루미늄과 칼륨 및 나트륨의 합금을 생산했기 때문에 금속을 분리 할 수 ​​없었습니다.

Davy는 알루미나에 금속성베이스가 있으며, 처음에는 명반에 사용 된 이름 인 라틴어 'alumen'을 기반으로 'alumium'으로 지정했습니다. Davy는 나중에 이름을 현재 영어 이름 인 "aluminum"으로 변경했습니다.

1821 년 독일의 화학자 Eilhard Mitscherlich는 알루미나의 올바른 공식 인 Al ₂ O ₃ 를 발견했습니다 .

격리

같은 해 프랑스의 지질 학자 Pierre Berthier는 프랑스의 Les Baux 지역에있는 붉은 점토 암석 퇴적물에서 알루미늄 광물을 발견했습니다. Berthier는 광물을 보크 사이트로 지정했습니다. 이 광물은 현재 알루미늄의 주요 공급원입니다.

1825 년 덴마크의 화학자 Hans Christian Øersted는 알루미늄으로 추정되는 금속 막대를 생산했습니다. 그는 그것을 "색상과 광택이 주석처럼 보이는 금속 조각"이라고 묘사했습니다. Øersted는 칼륨 아말감으로 염화 알루미늄 AlCl ₃ 을 감소시킴으로써이를 달성 할 수있었습니다 .

그러나 연구원은 순수한 알루미늄이 아니라 알루미늄과 칼륨의 합금을 얻은 것으로 생각되었습니다.

1827 년 독일의 화학자 인 Friedrich Wöehler는 약 30g의 알루미늄 재료를 생산했습니다. 그런 다음 18 년간의 조사 작업 끝에 1845 년에 Wöehler는 금속 광택과 칙칙한 색상의 핀 머리 크기의 소구를 생산했습니다.

Wöehler는 색상, 비중, 연성 및 안정성과 같은 금속의 일부 특성도 설명했습니다.

산업 생산품

1855 년 프랑스 화학자 Henri Sainte-Claire Deville은 Wöehler의 방법을 개선했습니다. 이를 위해, 그 빙정석 (NA하여, 염화 알루미늄 또는 금속 나트륨 나트륨과 염화 알루미늄의 환원을 이용 ₃ ALF ₆ 흐름으로).

이를 통해 프랑스 루앙에서 알루미늄을 산업적으로 생산할 수 있었고 1855 년에서 1890 년 사이에 200 톤의 알루미늄을 생산할 수있었습니다.

1886 년 프랑스 엔지니어 Paul Héroult와 미국 학생 Charles Hall은 독립적으로 알루미늄 생산 방법을 만들었습니다. 이 방법은 직류를 사용하여 용융 된 빙정석에서 알루미늄 산화물의 전해 환원으로 구성됩니다.

이 방법은 효율적 이었지만 전기 요구량이 높아 생산 비용이 더 많이 든다는 문제가있었습니다. Héroult는 자신의 산업을 Neuhausen (스위스)에 설립하여 Rhine Falls를 전기 발전기로 활용함으로써이 문제를 해결했습니다.

Hall은 처음에 미국 피츠버그에 정착했지만 나중에는 나이아가라 폭포 근처에 그의 산업을 이전했습니다.

마지막으로 1889 년 Karl Joseph Bayer는 알루미나를 생산하는 방법을 만들었습니다. 이것은 알칼리성 용액으로 밀폐 된 용기에서 보크 사이트를 가열하는 것으로 구성됩니다. 가열 과정에서 알루미나 분획은 식염수에서 회수됩니다.

물리 화학적 특성

외모

알루미늄 금속 버킷. 출처 : Carsten Niehaus

금속 광택이있는 은회색 고체 (상단 이미지). 부드러운 금속이지만 소량의 실리콘과 철로 단단해집니다. 또한 최대 4 미크론 두께의 알루미늄 시트를 만들 수 있기 때문에 매우 연성이고 가단성이 특징입니다.

원자량

26,981 유

원자 번호 (Z)

13

녹는 점

660.32ºC

비점

2,470ºC

밀도

주변 온도 : 2.70g / mL

융점 (액체) : 2.375g / mL

그 밀도는 다른 금속에 비해 상당히 낮습니다. 이러한 이유로 알루미늄은 매우 가볍습니다.

융합 열

10.71 kJ / 몰

기화열

284 kJ / 몰

몰 칼로리 용량

24.20 J / (몰 K)

전기 음성도

폴링 척도 1.61

이온화 에너지

-첫 번째 : 577.5 kJ / mol

-초 : 1,816.7 kJ / mol

-3 차 : 2,744.8 kJ / mol

열 팽창

25ºC에서 23.1µm / (mK)

열 전도성

237W / (m · K)

알루미늄의 열전도율은 강철의 3 배입니다.

전기 저항

20ºC에서 26.5nΩ m

전기 전도도는 구리 전도도의 2/3입니다.

자기 주문

상자성

경도

2.75 모스 척도

반동

알루미늄은 공기에 노출 될 때 표면에 형성 되는 얇은 Al ₂ O ₃ 산화물 층 이 금속 내부에서 산화가 계속되는 것을 방지 하기 때문에 부식에 강합니다 .

산성 용액에서는 물과 반응하여 수소를 형성합니다. 알칼리 용액으로는 알루미 네이트 이온 (ALO 형성 동안 ₂ ^- ).

묽은 산은 그것을 녹일 수 없지만 진한 염산이 있으면 녹을 수 있습니다. 그러나 알루미늄은 수산화물에 의해 공격을 받아 수소와 알루미 네이트 이온을 생성하지만 농축 질산에 내성이 있습니다.

분말 알루미늄은 산소와 이산화탄소의 존재하에 소각되어 산화 알루미늄과 탄화 알루미늄을 형성합니다. 염화나트륨 용액에 존재하는 염화물에 의해 부식 될 수 있습니다. 이러한 이유로 파이프에 알루미늄을 사용하지 않는 것이 좋습니다.

알루미늄은 280ºC 이하의 온도에서 물에 의해 산화됩니다.

2 Al (s) + 6 H ₂ O (g) => 2Al (OH) ₃ (s) + 3H ₂ (g) + 열

구조 및 전자 구성

알루미늄은 금속 원소 (일부 메탈 로이드 염료 포함)이며 Al 원자는 금속 결합 덕분에 서로 상호 작용합니다. 이 무 지향성 힘은 모든 차원에서 결정 전체에 흩어져있는 원자가 전자에 의해 제어됩니다.

이러한 원자가 전자는 알루미늄의 전자 구성에 따라 다음과 같습니다.

3s ² 3p ¹

따라서 알루미늄은 3 개의 원자가 전자를 가지고 있기 때문에 3가 금속입니다. 3s 궤도에 2 개, 3p에 1 개. 이 궤도는 겹치면서 3s 및 3p 분자 궤도를 형성하므로 서로 가까워서 전도대를 형성합니다.

s 밴드는 가득 차있는 반면, p 밴드는 더 많은 전자를 위해 많은 빈 공간을 가지고 있습니다. 그래서 알루미늄은 전기의 좋은 전도체입니다.

알루미늄의 금속 결합, 원자 반경 및 전자적 특성은 fcc (면 중심 입방체) 결정을 정의합니다. 그러한 FCC 결정은 분명히 알루미늄의 유일한 동소체이기 때문에 그에 작용하는 고압을 확실히 견딜 것입니다.

산화 번호

알루미늄의 전자 구성은 즉시 최대 3 개의 전자를 잃을 수 있음을 나타냅니다. 즉, Al ³⁺ 양이온을 형성하는 경향이 높습니다 . 이 양이온이 알루미늄 유래의 화합물에 존재한다고 가정하면 산화수는 +3이라고한다. 잘 알려진 바와 같이 이것은 알루미늄에서 가장 일반적입니다.

그러나이 금속에 대해 가능하지만 드문 산화수가 있습니다. 예컨대 : 29 (알 ^2- ), -1 (알 ^- ), +1 (알 ⁺ ) +2 및 (알 ²⁺ ).

예를 들어 Al ₂ O ₃ 에서 알루미늄은 +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); 알리 ALO, +1 (알있는 동안 ⁺ F ^- 및 +2 (알) ²⁺ O ^2- 각각). 그러나 정상적인 조건이나 상황에서는 Al (III) 또는 +3이 가장 풍부한 산화수입니다. Al ³⁺ 는 네온 희가스와 등 전자 이기 때문 입니다.

이것이 학교 교과서에서 항상 알루미늄이 유일한 수 또는 산화 상태로 +3을 갖는다 고 가정하는 이유입니다.

찾아서 얻을 수있는 곳

알루미늄은 지각의 바깥 쪽 가장자리에 집중되어 있으며 산소와 실리콘을 능가하는 세 번째 요소입니다. 알루미늄은 지각의 8 중량 %를 차지합니다.

주로 알루미 노 실리케이트, 장석, 장석 및 운모와 같은 화성암에서 발견됩니다. 보크 사이트의 경우와 마찬가지로 붉은 점토에서도 마찬가지입니다.

-보크 사이트

보크 사이트 광산. 출처 : 사용자 : VargaA

보크 사이트는 수화 된 알루미나와 불순물을 포함하는 미네랄의 혼합물입니다. 철과 산화 티탄, 실리카와 같은 중량 백분율 :

-at ₂ O ₃ 35-60 %

-Fe ₂ O ₃ 10-30 %

-SiO ₂ 4-10 %

-TiO ₂ 2-5 %

-H ₂ O 체질 12-30 %.

알루미나는 보크 사이트에서 수화 된 형태로 발견되며 두 가지 변형이 있습니다.

-일 수화물 (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), 두 가지 결정 학적 형태, 보에 마이트 및 디아 포어

-삼수화물 (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), gibbsite로 표시.

보크 사이트는 알루미늄의 주요 공급원이며 채광에서 얻은 대부분의 알루미늄을 공급합니다.

-알루미늄 침전물

변경

주로 보크 사이트는 Al ₂ O ₃ 40-50 % , Fe ₂ O ₃ 20 % 및 SiO ₂ 3-10 %에 의해 형성됩니다 .

열수

Alunite.

Magmatic

섬장암, 네 펠린 및 아 노르 타이트 (Al ₂ O ₃ 의 20 %)와 같은 광물을 포함하는 백반 .

변성

규산 알루미늄 (안달 루 사이트, 실 리마 나이트 및 카야 나이트).

Detritics

고령토 퇴적물 및 다양한 점토 (32 % Al ₂ O ₃ ).

-보크 사이트 착취

보크 사이트는 열린 하늘 아래에서 채굴됩니다. 그것을 포함하는 암석 또는 점토를 수집하면 직경 2mm의 입자를 얻을 때까지 볼 및 바 밀에서 분쇄하고 분쇄합니다. 이러한 공정에서 처리 된 재료는 촉촉한 상태로 유지됩니다.

알루미나를 얻기 위해서는 1989 년 바이엘이 만든 공정을 따르고, 분쇄 된 보크 사이트는 수산화 나트륨을 첨가하여 분해되어 용해되는 알루 민산 나트륨을 형성한다. 오염 물질 인 철, 티타늄, 산화 규소는 현탁 상태로 남아 있습니다.

오염 물질은 따라 내고 알루미나 삼수화물은 냉각 및 희석에 의해 알루 민산 나트륨에서 침전됩니다. 이어서 삼수 화 알루미나를 건조하여 무수 알루미나와 물을 얻는다.

-알루미나 전기 분해

알루미늄을 얻기 위해 알루미나는 일반적으로 Hall-Héroult (1886)가 만든 방법에 따라 전기 분해됩니다. 이 과정은 용융 알루미나를 빙정석으로 환원시키는 것으로 구성됩니다.

산소는 탄소 양극에 결합하여 이산화탄소로 방출됩니다. 한편, 방출 된 알루미늄은 그것이 축적되는 전해조의 바닥에 증착된다.

합금

알루미늄 합금은 일반적으로 4 개의 숫자로 식별됩니다.

1xxx

코드 1xxx는 순도가 99 % 인 알루미늄에 해당합니다.

2xxx

코드 2xxx는 알루미늄과 구리의 합금에 해당합니다. 그들은 항공 우주 차량에 사용 된 강한 합금이지만 부식으로 인해 깨졌습니다. 이 합금은 두랄루민으로 알려져 있습니다.

3xxx

3xxx 코드는 망간과 소량의 마그네슘이 알루미늄에 첨가 된 합금을 포함합니다. 그들은 내마모성이 매우 강한 합금으로 주방 용품 정교화에 3003 합금을 사용하고 음료 캔에 3004를 사용합니다.

4xxx

4xxx 코드는 알루미늄에 실리콘을 첨가하여 금속의 융점을 낮추는 합금을 나타냅니다. 이 합금은 용접 와이어 제조에 사용됩니다. 합금 4043은 자동차 및 구조 요소의 용접에 사용됩니다.

5xxx

5xxx 코드는 마그네슘이 주로 알루미늄에 첨가되는 합금을 포함합니다.

해수 부식에 강한 강한 합금으로 압력 용기 및 다양한 해양 응용 분야에 사용됩니다. 합금 5182는 음료수 캔의 뚜껑을 만드는 데 사용됩니다.

6xxx

6xxx 코드는 알루미늄 합금에 실리콘과 마그네슘이 추가 된 합금을 포함합니다. 이 합금은 주조 가능하고 용접 가능하며 부식에 강합니다. 이 시리즈에서 가장 일반적인 합금은 건축, 자전거 프레임 및 iPhone 6의 구조에 사용됩니다.

7xxx

7xxx 코드는 아연이 알루미늄에 추가 된 합금을 지정합니다. Ergal이라고도하는이 합금은 항공기 제작에 7050 및 7075 합금을 사용하여 파손에 강하고 경도가 높습니다.

위험

직접 노출

알루미늄 분말과 접촉하면 피부와 눈에 자극을 줄 수 있습니다. 알루미늄에 장기간 노출되면 독감과 유사한 증상, 두통, 발열 및 오한을 유발할 수 있습니다. 또한 가슴 통증과 압박감이 발생할 수 있습니다.

미세한 알루미늄 먼지에 노출되면 기침 및 숨가쁨 증상과 함께 폐 흉터 (폐 섬유증)가 발생할 수 있습니다. OSHA는 5 밀리그램 / m의 한계 설정된 ³ 8 시간 근무 알루미늄 먼지에 노출한다.

알루미늄에 대한 직업적 노출에 대한 생물학적 내성 값은 소변 내 크레아티닌 50㎍ / g으로 설정되었습니다. 소변의 알루미늄 농도가 크레아티닌 100 µg / g을 초과하면 신경 심리학 검사에서 성능이 저하됩니다.

유방암

알루미늄은 유방암 발병과 관련이있는 발한 억제제 탈취제의 염산 알루미늄으로 사용됩니다. 그러나이 관계는 무엇보다도 염산 알루미늄의 피부 흡수율이 0.01 %에 불과하기 때문에 명확하게 확립되지 않았습니다.

신경 독성 효과

알루미늄은 신경 독성이며 직업적 노출이있는 사람에게는 알츠하이머 병을 포함한 신경계 질환과 관련이 있습니다.

알츠하이머 병 환자의 뇌에는 고농도의 알루미늄이 있습니다. 그러나 그것이 질병의 원인인지 그 결과인지는 알려지지 않았습니다.

투석 환자에서 신경 독성 영향의 존재가 확인되었습니다. 알루미늄 염은이 절차에서 인산염 결합 제로 사용되어 혈중 알루미늄 농도가 높아졌습니다 (> 100 µg / L 혈장).

영향을받은 환자는 방향 감각 상실, 기억력 문제 및 진행 단계에서 치매를 나타 냈습니다. 알루미늄의 신경 독성은 뇌에서 제거하기가 어렵고 기능에 영향을 미치기 때문에 설명됩니다.

알루미늄 섭취

알루미늄은 많은 식품, 특히 차, 향신료 및 일반적으로 야채에 존재합니다. 유럽 ​​식품 안전청 (EFSA)은 매일 1mg / kg 체중의 식품에서 알루미늄 섭취에 대한 허용 한계를 설정했습니다.

2008 년에 EFSA는 식품에 함유 된 알루미늄의 일일 섭취량이 하루에 3 ~ 10mg 범위라고 추정했으며, 이것이 건강에 위험을 나타내지 않는다고 결론 지은 이유입니다. 음식을 요리하기 위해 알루미늄기구를 사용하는 것.

응용

-금속처럼

전기 같은

알루미늄은 우수한 전기 전도체이므로 전기 전송 라인, 모터, 발전기, 변압기 및 커패시터의 합금에 사용됩니다.

건물

알루미늄은 문 및 창틀, 칸막이, 울타리, 코팅, 단열재, 천장 등의 제조에 사용됩니다.

수송

알루미늄은 자동차, 비행기, 트럭, 자전거, 오토바이, 보트, 우주선, 철도 차량 등의 부품 제조에 사용됩니다.

컨테이너

다양한 종류의 식품을위한 알루미늄 캔. 출처 : Pxhere.

알루미늄은 음료 캔, 맥주 통, 쟁반 등을 만드는 데 사용됩니다.

집

알루미늄 버킷. 출처 : Pexels.

알루미늄은 냄비, 프라이팬, 프라이팬 및 포장지와 같은 주방 용품을 만드는 데 사용됩니다. 가구, 램프 등

반사 력

알루미늄은 복사 에너지를 효율적으로 반사합니다. 자외선에서 적외선까지. 가시 광선에서 알루미늄의 반사 력은 약 80 %로 램프의 그늘로 사용할 수 있습니다.

또한 알루미늄은 미세한 분말 형태로도 은반 사 특성을 유지하므로은 도료 생산에 사용할 수 있습니다.

-알루미늄 화합물

알루미나

금속 알루미늄, 절연체 및 점화 플러그를 만드는 데 사용됩니다. 알루미나가 가열되면 물을 흡수하는 다공성 구조가 형성되어 가스를 건조하고 다양한 화학 반응에서 촉매 작용을위한 자리 역할을합니다.

황산 알루미늄

제지 및 표면 필러로 사용됩니다. 황산 알루미늄은 칼륨 알루미늄 명반을 형성하는 역할을합니다. 이것은 수많은 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 명반입니다. 직물의 염색을위한 의약품, 도료 및 매염제의 제조와 같은.

염화 알루미늄

Friedel-Crafts 반응에서 가장 많이 사용되는 촉매입니다. 이들은 방향족 케톤과 안트라 퀴 논의 제조에 사용되는 합성 유기 반응입니다. 수화 알루미늄 염화물은 국소 발한 억제제 및 탈취제로 사용됩니다.

수산화 알루미늄

방수 직물 및 알루미 네이트 생산에 사용됩니다.

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