Hliník

O iných významoch výrazu Hliník pozri Hliník (rozlišovacia stránka).

Hliník (aluminium)
horčík ← hliník → kremík B ↑ Al ↓ Ga 13 Periodická tabuľka 3. perióda, 13. skupina, blok p kovy
Vzhľad
striebrobiely kov
Emisné spektrum
Atómové vlastnosti
Atómová hmotnosť	26,9815386 g·mol−1
Elektrónová konfigurácia	[Ne] 3s2 3p1
Atómový polomer	143 pm
Kovalentný polomer	121 pm
Kovový polomer	143 pm
Van der Waalsov pol.	184 pm
Iónový polomer pre: Al3+	50 pm
Chemické vlastnosti
Elektronegativita	1,61 (podľa Paulinga)
Ionizačná energia(e)	1: 577,5 kJ.mol−1 2: 1 815,7 kJ.mol−1 3: 2 744,8 kJ.mol−1
Oxidačné číslo(a)	II, III
Št. potenciál (Al3+/Al)	−1,66 V
Fyzikálne vlastnosti (za norm. podmienok)
Skupenstvo	pevné
Hustota	2,70 kg·dm−3
Hustota kvapaliny (pri 933,47 K)	2,375 kg·dm−3
Teplota topenia	933,47 K (660,32 °C)
Teplota varu	2 792 K (2 518,85 °C)
Sk. teplo topenia	10,71 kJ·mol−1
Sk. teplo varu	294,0 kJ·mol−1
Tepelná kapacita	24,200 J·mol−1·K−1
Tlak pary p(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k pri T(K) 1 482 1 632 1 817 2 054 2 364 2 790
Iné
Kryštálová sústava	kubická, plošne centrovaná
Magnetizmus	paramagnetický
Elektrický odpor	28,2 nΩ·m
Tep. vodivosť	237 W·m−1·K−1
Tep. rozťažnosť	23,1 µm·m−1·K−1
Rýchl. zvuku	5 000 m·s−1
Youngov modul	70 GPa
Pružnosť v šmyku	25 GPa
Objemová pružnosť	76 GPa
Poissonovo č.	0,35
Tvrdosť (Mohs)	2,75
Tvrdosť (Brinell)	245 MPa
Reg. číslo CAS	7429-90-5
Izotop(y) (vybrané)
Izotop Výskyt t1/2 Rr Er (MeV) Pr  26Al stopy 7,17x105 r. β+ 1,17 26Mg synt.   ε 26Mg synt.   γ 1,8086 27Al 100 % stabilný s 14 neutrónmi
Commons ponúka multimediálny obsah na tému hliník.
Chemický portál

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 Al₂O₃.

História

Hliník objavil v roku 1825 Dánsky fyzik Hans Christian Ørsted a 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 pevnosť pri nízkej hmotnosti - letecký priemysel, obkladové panely, tlakovo odlievané súčiastky hlavne pre automobilový priemysel a pod.

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. Bauxit sa do značnej miery líši v závislosti na jeho zložení a prímesiach. Nie všetky bauxity sú ekonomicky vhodné pre výrobu hliníka. Prakticky hliníkári uvažuje len so zeminou s obsahom oxidu hlinitého nad 30 % a najvýhodnejšie pre ďalšie spracovanie sú rudy s obsahom minerálov gibbsitu a boehmitu, ktoré obsahujú viac ako 65 až 85 percent oxidu hlinitého. Známe ložiská bauxitu môžu zásobovať svet s hliníkom pri súčasnej úrovni produkcie celé stovky rokov.

Rafinácia

Na získanie oxidu hlinitého existuje množstvo zásaditých, kyslých a tepelných spôsobov čistenia (rafinácie) bauxitu. Kyslý a elektroteplotný proces je vo všeobecnosti buď príliš drahý, alebo sa ním nevyrába oxid hlinitý dostatočnej čistoty na komerčné využitie. Proces pozostávajúci z úpravy rudy s vápnom a sódou sa používa v Číne a Rusku. 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.

Bayerov proces

Bayerov proces, ktorý objavil v roku 1888 rakúsky chemik Karl Joseph Bayer, je najrozšírenejším spôsobom výroby oxidu hlinitého. Bayerov proces pozostáva zo štyroch krokov: vylúhovanie, čerenie, vyzrážanie a kalcinácia. Oxid hlinitý vyrábaný týmto Bayerovým procesom je pomerne čistý, obsahujúci len niekoľko stotín percenta železa a kremíka.

Chemický vzorec Bayerovým procesu:

Al(OH)₃ + Na⁺ + OH⁻ → Na⁺ + [Al(OH)₄]⁻

Výroba hliníka z oxidu elektrolýzou

Elektrolytický spôsob výroby hliníka objavili Charles M. Hall zo Spojených štátov a Paul-Louis-Toussaint Héroult z Francúzska v roku 1886. Nimi objavené chemické procesy zostávajú základom aj pre dnešný priemysel výroby hliníka. Už o dva roky neskôr, v roku 1888 bola spustená prvá hlinikáreň v Neuhausene používajúca elektrolýzu. Vyčistený oxid hlinitý sa rozpúšťa v roztavenom kryolite a pomocou jednosmerného prúdu (elektrolýza). Pod vplyvom tohto prúdu sa kyslík z oxidu hlinitého usadzuje na uhlíkatej anóde a uvoľňuje sa ako oxid uhličitý, zatiaľ čo voľný roztavený hliník - ktorý je ťažší ako elektrolyt - sa usadzuje na uhlíkatej výmurovke na dne pece.

Napriek tomu, že existuje niekoľko spôsobov výroby hliníka, komerčne sa používa len jeden. Tento pozostáva z ohrevu oxidu spolu s uhlíkom, aby sa vyrábal oxid uhoľnatý a hliník. Veľkou prednosťou karbotermického tavenia je možnosť obídenia rafinácie oxidu hlinitého. Hoci sa nezmenil princíp, dnes sa Hall-Héroultov taviaci proces do veľkej miery líši v rozsahu a detailoch od pôvodného procesu spočívajúcom v zlepšení zariadení a materiálov s účelom zníženia nákladov. V modernej hlinikárni sa oxid hlinitý rozpúšťa v redukčných peciach - hlbokých, obdĺžnikových oceľových vaniach vymurovaných uhlíkom - ktoré sa plnia roztaveným elektrolytom pozostávajúcim hlavne zo zlúčeniny sodíka, hliníka, a fluóru nazývanej kryolit.

V tavnej peci prechádza jednosmerný prúd z uhlíkatých anód elektrolytom k uhlíkatej katódovej výmurovke na dne pece. Na povrchu roztaveného elektrolytického kúpeľa sa vytvára kôra. Na vrch tejto kôry sa pridáva oxid hlinitý, kde sa predohrieva teplom z pece (okolo 950° C) a ním absorbovanou odvádzanou vlhkosťou. Kôra sa pravidelne preráža a oxid hlinitý sa dávkuje priamo do roztaveného elektrolytu automatickými dávkovačmi. Elektrolýzou vzniká na dne pece roztavený hliník a na uhlíkatej anóde sa vytvára oxid uhličitý.

Kúpeľ (elektrolit) tvorí približne 20% roztok Al₂O₃, ktorý je vystavený elektrolýze. Elektrolyt je roztavený kúpeľ kryolitu (Na3AlF6) a rozpustený oxid hlinitý (roztok Al₂O₃). Kryolit je dobrým rozpúšťadlom pre oxid hlinitý s nízkou teplotou topenia, uspokojivou viskozitou a nízkym tlakom pár. Jeho hustota je tiež nižšia ako hustota tekutého hliníka (2 vs 2,3 g / cm3), čo umožňuje prirodzené oddelenie produktu od soli v spodnej časti bunky. Pomer kryolitu a Al₂O₃ s teplotou topenia 1010 ° C, a tvorí eutektikum s 11% oxidu hlinitého pri 960 °C. Pomer sa upravuje tak aby sa dosiahla optimálna teplota topenia v rozmedzí 940 – 980 ° C.

Katóda: Uhlíkové katódy bývajú vyrobené z antracitu, grafitu a ropného koksu, ktoré sa pred použitím pri výrobe katód kalcinujú pri teplote približne 1200 °C, drvia a preosievajú. Kamenivo sa mieša s uhoľno-dechtovou smolou, formuje sa a vypaľuje. Čistota uhlíka nie je taká dôležitá ako pri anóde, pretože kontaminácia hliníka katódou nie je významná. Uhlíková katóda musí mať zodpovedajúcu pevnosť, dobrú elektrickú vodivosť a vysokú odolnosť proti opotrebovaniu a prenikaniu sodíka.

Anóda: Uhlíkové anódy majú špecifický význam pri tavení hliníka a v závislosti od typu anódy sa tavenie hliníka delí na dve rôzne technológie; „Söderberg“ a „predpečené“ anódy. Anódy sa tiež vyrábajú z ropného koksu, zmiešaného s uhoľno-dechtovou smolou, po ktorom nasleduje tvarovanie a pečenie pri zvýšených teplotách. Kvalita anódy ovplyvňuje technologické, ekonomické a environmentálne aspekty výroby hliníka. Energetická účinnosť súvisí s povahou anódových materiálov a tiež s pórovitosťou vypálených anód. Približne 10% energie článku je spotrebovaných na prekonanie elektrického odporu predpečenej anódy (50–60 μΩm).

Søderbergove elektródy (spečené in-situ), ktoré sa v Nórsku použili prvýkrát v roku 1923, sa skladajú z oceľového plášťa a uhlíkatej hmoty, ktorá sa vypaľuje priamo únikom tepla vznikajúcom v elektrolytickom článku. Materiály Soderbergových elektród je na báze uhlíka, ako je koks a antracit, ktorý sa drví a tepelne spracováva. V Závode Slovenského národného povstania (ZSNP) bola Söderbergova technológia používaná v rokoch 1958 až 1998. Neskorší majiteľ ZSNP firma Hydro ukončil používanie Soderbergových elektród v roku 2009.

Počas elektrolýzy nastáva chemická reakcia: elektrolýza taveniny.

Bauxit

Al₂O₃ → 2Al³⁺ + 3O²⁻

Anóda

O²⁻ - 2e⁻ → O₂⁰

O₂ + C → CO₂

Katóda

Al³⁺ + 3e⁻ → Al⁰

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 vyrábal hliník a aj jeho zliatiny pre ďalšie spracovanie. Výroba bola a aj je sústredená v okolí Žiaru.

• V roku 1967 vznikla tzv. (hutnícka) Druhovýroba, ktorej cieľom bolo rozšírenie produktového portfólia o finálne výrobky a polotovary. Vyrábali sa najmä profily, okná a podhľady. Postupne pribudli, dvere a ďalšie stavebné hliníkové výrobky (napr. žáluzie).
• V roku 1973 sa začala v Žiari výroba túb, ktorú dnes prevádzkuje s 250 zamestnancami firma TubaPack.

Ďalšie firmy pôsobiace v súčasnosti v Žiari sú napríklad firma Hydro Extrusion Slovakia, ktorá vyrába a predáva hliníkové plechy, lisované profily, stavebné systémy. Výrobcovia a dodávatelia v automobilovom, spotrebnom a stavebnom priemysle: Nemak, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar. Automobilky nakupujú hliník už spracovaný do výrobkov a na ich výrobu sa v prevažnej miere využíva sekundárny kov, tvrdí generálny sekretár Ján Pribula zo Zväzu automobilového priemyslu. Pre automobilový priemysel firma Nemak vyrába hliníkové odliatky a spoločnosť Fagor dodáva komponenty motorov a prevodoviek pre automobily a úžitkové a priemyselné vozidlá.

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.

Slovalco od októbra 2022 odstaví na vopred nespresnený čas primárnu výrobu hliníka elektrolýzou oxidu hlinitého a pokračovať bude iba v menšej recyklácii hliníkových odpadov od jeho spracovateľov.

Vlastnosti a využitie

Hliník je odolný voči korózii a zapálený zhorí na oxid hlinitý Al₂O₃.

Hliník sa využíva pri aluminotermii - je to spôsob získavania kovov z ich oxidov, pričom sa využíva redukčná schopnosť hliníka.

Napríklad: Fe₂O₃ + 2 Al = Al₂O₃ + 2 Fe

Ďalšie využitie hliníka: výroba alobalov, pri výrobe polyetylénu a zliatin.

Zliatiny

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 pre keramický priemysel pri výrobe 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.

Obmedzenia využitia hliníka v domácnosti

Vo všetkých prostrediach okrem kyslého je neškodný, v kyslom sa rozpúšťa (kyslá kapusta, čaj a pod.). Kvôli pravdepodobným toxickým a karcinogénnym účinkom (nahrádza kovy v metalproteínoch) je zakázané používať hliníkový riad. Vyššie hodnoty hliníka v tele boli zistené najmä u malých detí – od 4 do 9 rokov. Zbytočne veľa hliníka malo (pred rokom 2009) každé desiate dieťa. V kategórii dospelí ohrozený je len jeden zo sto. Podľa českého Štátneho zdravotného ústavu sú zdrojom hliníka u detí predovšetkým čaj, kakao, čokoláda. „V danej chvíli nie je jednoduchá odpoveď na otázku, ako sa chrániť. Z histórie ale dobre vieme, že jedným z krokov je aj obmedzenie hliníkových materiálov v styku najmä s kyslými potravinami.“

Hliník je pomerne aktívny kov, ktorý za určitých podmienok reaguje s mnohými látkami a dokonca aj s vodou. Takéto podmienky sa vytvárajú vo vnútri umývačky riadu. Na povrchu hliníka sa zvyčajne vytvorí oxidový film, ktorý sa dobre rozpúšťa v alkalických látkach, ktoré sú prítomné v mnohých detergentoch pre umývačky riadu. Čistením hliníka (a striebra) v umývačke, v horúcej vode sa oxidový film odstráni z povrchu v čo vedie k deštrukcii samotného hliníka a vzniku tmavého povlaku na jeho povrchu. V umývačke neumývajte hliníkové predmety. Zliatiny hliníka, ktoré môžu byť súčasťou kuchynského riadu ako sú napríklad panvice alebo mlynčeky a pod. sa môžu dávať do umývačky ak tak v návode umožňuje výrobca.

Pozri aj

• Hliníková zliatina
• Dural
• Penový hliník - Kovová pena
• Hlinikáreň v Žiari nad Hronom

Iné projekty

Commons

Wikislovník

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému hliník
• Wikislovník ponúka heslo hliník

Periodická tabuľka chemických prvkov

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1

H

He

2

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

3

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

4

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

5

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

6

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

7

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

Alkalické kovy

Kovy alk. zemín

Lantanoidy

Aktinoidy

Prechodné prvky

Kovy

Polokovy

Nekovy

Halogény

Vzácne plyny