Si alguna vez hubiera un elemento que podría haber sido votado "con menos probabilidades de éxito, "sería aluminio. Aunque los antiguos alfareros persas añadieron aluminio a su arcilla para fortalecer su alfarería, El aluminio puro no se descubrió hasta 1825. Para entonces, los humanos habían estado usando varios metales y aleaciones metálicas (o mezclas de metales como el bronce) durante miles de años.
Incluso después de su descubrimiento, el aluminio parecía destinado a la oscuridad. Los químicos solo podían aislar unos pocos miligramos a la vez, y era tan raro que se sentaba junto al oro y la plata como un metal semiprecioso. En efecto, en 1884, la producción total de aluminio en los Estados Unidos fue de solo 125 libras (57 kilogramos) [fuente:Alcoa].
Hasta la próxima
Entonces, en 1886, El estadounidense Charles Martin Hall y el francés Paul L. T. Heroult, trabajando de forma independiente, ideó un método para extraer aluminio del óxido de aluminio. El proceso, un tipo de reducción electrolítica , requirió una enorme cantidad de energía eléctrica, pero produjo el metal blanco plateado en grandes cantidades. En 1891, la producción de aluminio había superado con creces las 300 toneladas (272 toneladas métricas) [fuente:Alcoa]. Y se estaba abriendo camino en una amplia gama de productos, desde ollas y sartenes hasta bombillas y líneas eléctricas hasta automóviles y motocicletas.
Hoy dia, más de un siglo después, el aluminio es el símbolo mismo de la ubicuidad. Todos los años, Estados Unidos produce más de 5,6 millones de toneladas (5,1 millones de toneladas métricas) [fuente:Instituto Internacional del Aluminio]. Gran parte de ese aluminio se destina a latas de cerveza y refrescos, por una suma de 300 millones de latas de bebidas de aluminio al día. 100 mil millones al año [fuente:Can Manufacturers Institute]. Nada mal para un elemento que no se descubrió durante tanto tiempo.
En este articulo, Echaremos un vistazo más de cerca al aluminio:sus propiedades, ocurrencia y comportamiento. También examinaremos el ciclo de vida del aluminio, desde su producción mediante el proceso Hall-Heroult hasta su reencarnación después del reciclaje. Y, finalmente, exploraremos todos los usos del aluminio, incluyendo algunos usos futuros que pueden sorprenderle.
Empecemos por lo básico:el aluminio desde el punto de vista de un químico.Contenido
Como docenas de otros elementos en la tabla periódica, el aluminio es de origen natural. Como con todos los elementos, El aluminio es una sustancia química pura que no se puede descomponer en algo más simple. Todos los elementos están ordenados en la tabla periódica por su número atómico - el número de protones en su núcleo. El número de la suerte del aluminio es el 13. por lo que un átomo de aluminio tiene 13 protones. También tiene 13 electrones.
Los elementos ubicados arriba y abajo del aluminio en la tabla periódica forman un familia, o grupo , que comparte propiedades similares. El aluminio pertenece al grupo 13, que también incluye boro (B), galio (Ga), indio (In) y talio (Tl). La tabla de la derecha muestra cómo se organizarían estos elementos en la tabla periódica. Observe que cada elemento está representado por un símbolo y que el símbolo del aluminio es Alabama . El número encima de cada símbolo es el del elemento. peso atomico , medido en unidades de masa atómica ( amu ). El peso atómico es la masa promedio de un elemento determinada considerando la contribución de cada isótopo natural. El peso atómico del aluminio es 26,98 amu. El número debajo del símbolo del aluminio es su número atómico.
Grupo 13
La familia del boro
10,81
B
5
26,98
Alabama
13
69,72
Georgia
31
114,82
En
49
204,38
Tl
8
Los químicos clasifican los elementos del grupo 13 como metales, excepto por el boro, que no es un metal en toda regla. Rieles Son generalmente elementos brillantes que conducen bien el calor y la electricidad. Ellos también son maleable - capaz de martillarse en varias formas - y dúctil - capaz de ser dibujado en cables. Estas características ciertamente se aplican al aluminio. De hecho, El aluminio se usa a menudo en utensilios de cocina porque conduce el calor de manera muy eficiente. Y solo el cobre conduce mejor la electricidad, lo que hace del aluminio un material ideal para material eléctrico, incluidas las bombillas, Líneas eléctricas y cables telefónicos. Otras propiedades importantes del aluminio se enumeran a continuación:
Estas dos últimas propiedades hacen que el aluminio sea particularmente útil. Su resistencia a la corrosión se debe a las reacciones químicas que tienen lugar entre el metal y el oxígeno. Cuando el aluminio reacciona con el oxígeno, se forma una capa de óxido de aluminio en el exterior del metal. Esta fina capa protege al aluminio subyacente de los efectos corrosivos del oxígeno, agua y otros productos químicos. Como resultado, el aluminio es especialmente valioso para su uso en exteriores. Tampoco produce chispas cuando se golpea, lo que significa que puede usarlo cerca de materiales inflamables o explosivos.
El aluminio existe en la naturaleza en varios compuestos. Para aprovechar sus propiedades, debe estar separado de los otros elementos que se combinan con él - un largo, Proceso complejo que comienza con un material duro como una roca conocido como bauxita .
Después de que se somete a ese proceso, el aluminio es muy suave y ligero en su forma pura. A veces es deseable cambiar estas propiedades:para hacer que el aluminio sea más fuerte y más duro, por ejemplo. Para lograr esto, los metalúrgicos combinarán el aluminio con otros elementos metálicos, formando lo que se conoce como aleaciones . El aluminio se alea comúnmente con cobre, magnesio y manganeso. El cobre y el magnesio aumentan la resistencia del aluminio, mientras que el manganeso mejora la resistencia a la corrosión del aluminio.
El aluminio no se encuentra en la naturaleza como un elemento puro. Presenta una reactividad química relativamente alta, lo que significa que tiende a unirse con otros elementos para formar compuestos. Más de 270 minerales en las rocas y suelos de la Tierra contienen compuestos de aluminio. Esto hace que el aluminio sea el metal más abundante y el tercer elemento más abundante en la corteza terrestre. Solo el silicio y el oxígeno son más comunes que el aluminio. El siguiente metal más común después del aluminio es el hierro, seguido de magnesio, titanio y manganeso.
La fuente principal de aluminio es un mineral conocido como bauxita . Un mineral es cualquier material sólido de origen natural del que se pueda obtener un metal o mineral valioso. En este caso, el material sólido es una mezcla de óxido de aluminio hidratado y óxido de hierro hidratado. Hidratado se refiere a moléculas de agua que están unidas químicamente a los dos compuestos. La fórmula química del óxido de aluminio es Al 2 O 3 . La fórmula del óxido de hierro es Fe 2 O 3 .
Los depósitos de bauxita se producen como capas planas que se encuentran cerca de la superficie de la Tierra y pueden cubrir muchas millas. Los geólogos localizan estos depósitos por prospección - Toma de muestras de testigos o perforaciones en suelos sospechosos de contener el mineral. Analizando los núcleos, los científicos pueden determinar la cantidad y la calidad de la bauxita.
Después de que se descubre el mineral, Las minas a cielo abierto suelen proporcionar la bauxita que eventualmente se convertirá en aluminio. Las primeras excavadoras limpian la tierra por encima de un depósito. Luego, los trabajadores sueltan el suelo con explosivos, que llevan el mineral a la superficie. Luego, palas gigantes recogen el suelo rico en bauxita y lo arrojan en camiones, que llevan el mineral a una planta de procesamiento. Francia fue el primer sitio de extracción de bauxita a gran escala. En los Estados Unidos, Arkansas fue un importante proveedor de bauxita antes, durante y después de la Segunda Guerra Mundial. Pero hoy, el material se extrae principalmente en Australia, África, América del Sur y el Caribe.
El primer paso en la producción comercial de aluminio es la separación del óxido de aluminio del óxido de hierro en la bauxita. Esto se logra utilizando una técnica desarrollada por Karl Joseph Bayer, un químico austriaco, en 1888. En el Proceso de Bayer , la bauxita se mezcla con sosa cáustica, o hidróxido de sodio, y calentado a presión. El hidróxido de sodio disuelve el óxido de aluminio, formando aluminato de sodio. El óxido de hierro permanece sólido y se separa por filtración. Finalmente, El hidróxido de aluminio introducido en el aluminato de sodio líquido hace que el óxido de aluminio se precipitado , o salir de la solución como un sólido. Estos cristales se lavan y se calientan para eliminar el agua. El resultado es óxido de aluminio puro, un polvo blanco fino también conocido como alúmina .
La alúmina es un material útil por derecho propio. Su dureza lo hace útil como abrasivo y como componente en herramientas de corte. También se puede utilizar para purificar agua y fabricar cerámica y otros materiales de construcción. Pero su uso principal es actuar como punto de partida para extraer aluminio puro. En la siguiente sección, veremos los pasos necesarios para transformar la alúmina en aluminio.
La transformación de la alúmina (óxido de aluminio) en aluminio representó un hito importante en la revolución industrial. Hasta que evolucionaron las técnicas modernas de fundición, sólo se pudieron obtener pequeñas cantidades de aluminio. La mayoría de los primeros procesos se basaban en el desplazamiento del aluminio por metales más reactivos, pero el metal seguía siendo caro y relativamente esquivo. Todo eso cambió en 1886, el año en que dos aspirantes a químicos e industriales desarrollaron un proceso de fundición basado en la electrólisis.
Electrólisis literalmente significa "descomponerse por electricidad, "y se puede utilizar para descomponer una sustancia química en componentes químicos. La configuración tradicional para la electrólisis requiere que dos electrodos metálicos se sumerjan en una muestra líquida o fundida de un material que contenga iones positivos y negativos. Cuando los electrodos están conectados a una batería, un electrodo se convierte en un terminal positivo, o ánodo . El otro electrodo se convierte en un terminal negativo, o cátodo . Debido a que los electrodos están cargados eléctricamente, atraen o repelen partículas cargadas disueltas en la solución. El ánodo positivo atrae iones cargados negativamente, mientras que el cátodo negativo atrae iones cargados positivamente.
Sir Humphry Davy, el químico británico al que se le atribuye haber dado el nombre al aluminio, intentó sin éxito producir aluminio por electrólisis a principios del siglo XIX. El profesor de escuela francés y químico aficionado Henri Saint-Claire Deville también llegó con las manos vacías. Luego, en febrero de 1886, después de varios años de experimentación, El estadounidense Charles Martin Hall encontró la fórmula correcta:pasar una corriente continua a través de una solución de alúmina disuelta en criolita , o fluoruro de sodio y aluminio (Na 3 AlF 6 ). Hasta 1987, La criolita se extrajo de los depósitos que se encuentran en la costa oeste de Groenlandia. Hoy dia, los químicos sintetizan el compuesto a partir del mineral fluorita, que es mucho más común.
Los pasos de la fundición de aluminio se describen a continuación:
2Al 2 O 3 + 3C -> 4Al + 3CO 2
El proceso de fundición de aluminio desarrollado por Hall dio como resultado grandes cantidades de aluminio puro. Repentinamente, el metal ya no era raro. La idea de producir aluminio mediante reducción electrolítica en criolita no era rara, cualquiera. Un francés de nombre Paul L.T. A Heroult se le ocurrió la misma idea pocos meses después. Sala, sin embargo, recibió una patente para el proceso en 1889, un año después de que fundó la Pittsburgh Reduction Company, que luego se convertiría en la Aluminium Company of America, o Alcoa. En 1891, la producción de aluminio superó con creces las 300 toneladas (272 toneladas métricas) [fuente:Alcoa].
En la página siguiente, Veremos qué le sucede al aluminio después de que sale de las celdas electrolíticas.
Las tinas utilizadas en el proceso Hall-Heroult se conocen como ollas . Una olla grande puede producir más de 2 toneladas de aluminio al día. Pero las empresas pueden multiplicar, y de hecho lo hacen, esa producción conectando varias macetas en potlines . Una planta de fundición puede contener una o más líneas de macetas, cada uno con 200 a 300 macetas. Dentro de estas macetas La producción de aluminio continúa día y noche para asegurar que el metal permanezca en su forma líquida.
Una vez al día, los trabajadores extraen aluminio de las líneas de macetas. Gran parte del metal se aparta para convertirse fabricando lingotes . Para hacer un lingote de fabricación, El aluminio fundido pasa a grandes hornos donde se puede mezclar con otros metales para formar aleaciones. Desde allí, el metal se somete a un proceso de limpieza conocido como fluyendo . El fundente utiliza gases como nitrógeno o argón para separar las impurezas y llevarlas a la superficie para que puedan eliminarse. Luego, el aluminio purificado se vierte en moldes y se enfría rápidamente rociando agua fría sobre el metal.
Parte del aluminio extraído de los potlines no se alea ni se limpia. En lugar de, se vierte directamente en moldes, donde se enfría lentamente y se endurece para formar fundición (o volver a fundir ) lingotes . Las plantas de aluminio primario venden lingotes de refundición a las fundiciones. Las fundiciones devuelven el aluminio a su estado líquido y proceden con la aleación y el fundente. Luego convierten el aluminio en varias partes:para electrodomésticos, automóviles y otras aplicaciones, mediante el uso de las siguientes técnicas de fabricación.
El aluminio es un metal atractivo y a menudo no requiere acabado. Pero se puede pulir pintado y galvanizado. Por ejemplo, los fabricantes de cerveza y refrescos utilizan un proceso de impresión para pegar sus etiquetas en latas de aluminio (ver barra lateral). Las formulaciones de impresión típicas son a menudo recubrimientos de laca que se adhieren bien al aluminio y proporcionan un atractivo estético. Por supuesto, estos acabados son una preocupación cuando se trata de reciclaje porque deben eliminarse. En la siguiente sección, Exploraremos en detalle cómo se recicla el aluminio.
Por su versatilidad, el aluminio se presta a numerosas aplicaciones. De hecho, es el segundo metal más utilizado después del acero, con una producción primaria anual que alcanzó los 24,8 millones de toneladas (22,5 millones de toneladas métricas) en 2007 [fuente:Instituto Internacional del Aluminio]. Gran parte de esa producción se destina a los 187 mil millones de latas de aluminio producidas en todo el mundo [fuente:Novelis]. La industria automotriz es el mercado de más rápido crecimiento del aluminio. Fabricación de piezas de automóvil de aluminio:todo, desde llantas hasta culatas de cilindros, pistones y radiadores:hace que un automóvil sea más liviano, Reducir el consumo de combustible y los niveles de contaminación. Según algunas estimaciones, un automóvil que incorpore 331 libras (150 kg) de aluminio debería ver reducido el consumo de combustible en 0.43 galones por cada 100 millas [fuente:Informe de Autopartes].
Éstos son algunos otros usos importantes del aluminio.
Aluminio en cifras
* Fuente:Alcoa
Asombrosamente la mayor parte del aluminio que se haya fabricado todavía se utiliza en la actualidad. Eso es porque se puede reciclar una y otra vez sin perder su calidad. La mayor parte del aluminio que se recicla proviene de una de estas tres fuentes:latas de bebidas usadas, partes de automóviles viejos y chatarra recolectada durante la fabricación de productos de aluminio [fuente:World Book]. El reciclaje de latas de aluminio es uno de los grandes éxitos del movimiento moderno de sostenibilidad (si eres un gran reciclador, asegúrese de leer ¿Qué debo reciclar?). El primer programa nacional de reciclaje de latas comenzó en 1968, y hoy, alrededor de 66 mil millones de latas se reciclan cada año solo en los Estados Unidos [fuente:Alcoa].
El reciclaje de latas de aluminio es un proceso de circuito cerrado , lo que significa que el nuevo producto elaborado después del proceso de reciclaje es el mismo que el anterior. Hay seis pasos para el reciclaje de latas en circuito cerrado:
Gran parte de la innovación en la industria del aluminio está relacionada con la mejora de la eficiencia de la producción y el reciclaje. Pero, como veremos en la siguiente sección, la demanda de aluminio solo crecerá a medida que surjan nuevas e interesantes aplicaciones.
La producción primaria de aluminio requiere una gran cantidad de energía. También produce gases de efecto invernadero que afectan el calentamiento global. Según el Instituto Internacional del Aluminio, la fabricación de nuevas existencias de aluminio libera el 1 por ciento de las emisiones globales de gases de efecto invernadero inducidas por el hombre. Una de las principales prioridades de la industria es disminuir estas emisiones mediante medidas de reducción, aumento del reciclaje y el uso de aluminio en vehículos, aeronave, motos de agua y trenes. De hecho, El uso de componentes ligeros de aluminio en vehículos es uno de los avances más importantes en el diseño y la fabricación de automóviles. Cada kilogramo (2.2 libras) de material más pesado que se reemplaza por aluminio resulta en la eliminación de 22 kilogramos (44 libras) de dióxido de carbono durante la vida útil del vehículo [fuente:Instituto Internacional del Aluminio].
Otra aplicación prometedora es el uso de aluminio en automóviles que funcionan con pilas de combustible. Investigadores de la Universidad de Purdue descubrieron recientemente que el aluminio podría usarse para producir combustible de hidrógeno de manera eficiente. El proceso comienza con pellets de aluminio, que se mezclan con galio líquido para producir aluminio-galio líquido. Cuando se agrega agua, el aluminio reacciona con el oxígeno para formar un gel. Gas de hidrogeno, que se pueden recolectar y utilizar para alimentar una pila de combustible, también se produce.
Innovaciones como estas aumentarán la demanda de aluminio. Y aunque el metal es relativamente joven, es uno de los más importantes en la historia de la civilización humana. Cuando los arqueólogos y antropólogos del mañana reflexionen sobre la sociedad del siglo XIX, Siglos XX y XXI, muy probablemente podrían etiquetarlo como la Edad del Aluminio, colocándolo junto a la Piedra, Las edades del Bronce y del Hierro como uno de los períodos más significativos del desarrollo cultural humano.
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Fuentes
