Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z polityką plików cookies.
Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.

Glin

Wstęp

Glin jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 13, należącym do 13 (IIIA) grupy układu okresowego (grupa borowców). Atomy borowców w stanie wolnym posiadają na zewnętrznej powłoce elektronowej 3 elektrony walencyjne i konfigurację ns2p1. Stosunkowo wysokie energie jonizacji borowców, małe rozmiary jonów oraz ich duży ładunek elektryczny powodują, że pierwiastki tej grupy mają tendencję do tworzenia wiązań o charakterze w znacznym stopniu kowalencyjnym.

Symbol Al
Nazwa w jęz. angielskim aluminium
Nazwa w jęz. łacińskim aluminium
Stan skupienia ciało stałe
Charakter chemiczny metal
Liczba atomowa 13
Masa atomowa [u] 26,98154
Numer grupy, okres, blok energetyczny 13 (IIIA), 3, p
Wartościowość III
Konfiguracja elektronowa uproszczona   [Ne] 3s23p1
Elektroujemność wg Paulinga 1,5
Temperatura topnienia [oC]
660,2
Temperatura wrzenia [oC]
2447
Gęstość  [g/cm3] 2,70

Odkrycie

W 1807 r. Humphry Davy oświadczył, że swoją metodą elektrochemiczną wydzielił metal z gliny (Al2O3), która wówczas uważana była za pierwiastek. Jednak elektroliza wodnych roztworów związku glinu daje na katodzie wodór, a próby elektrolizy zwilżonej gliny nie dawały rezultatu. Przeprowadzenie elektrolizy stopionego tlenku, który topi się w bardzo wysokich temp. przekraczało możliwości ówczesnej techniki laboratoryjnego ogrzewania. W 1825 r. Hans Oersted (Ørsted) otrzymał glin z AlCl3 w reakcji z amalgamatem potasowym. Zarówna ta metoda jak i następne nie nadawały się do powielania w skali przemysłowej. Dopiero w 1888 r. Héroult i Hall wynaleźli substancję (fluoroglinian sodu Na3AlF6), która topi się w wysokich temp. i rozpuszcza Al2O3. Elektroliza tej mieszaniny daje czysty glin na katodzie.

Występowanie w przyrodzie


Glin jest jednym z najbardziej rozpowszechnionym metalem na ziemi (zajmuje trzecie miejsce po tlenie i krzemie) i występuje w skorupie ziemskiej w ilości 7,5%. W stanie wolnym nie występuje. W stanie związanym występuje przeważnie w postaci glinokrzemianów (soli glinowych kwasu krzemowego), które stanowią główną masę skorupy ziemskiej. Do najczęściej spotykanych glinokrzemianów zalicza się: skalenie (ortoklaz K[AlSi3O8], albit Na[AlSi3O8], anortyt Ca[Al2Si2O8]), miki (muskowit [Al2(OH)4][Si2O5]). Występuje również w gnejsie, granicie, porfirze, bazalcie i innych skałach magmowych. Bardzo rozpowszechnione są minerały ilaste jak kaolinit [Al2(OH)4][Si2O5], montmorylonit, illit itd., które stanowią produkty wietrzenia glinokrzemianów. Czysty Al2O3 występuje jako korund, a zabarwiony domieszką innych metali jest kamieniem szlachetnym (czerwonym rubinem, niebieskim szafirem). Tlenek glinu występuje również w postaci uwodnionej jako jednoskośny hydrargilit Al(OH)3, rombowy diaspor AlO · OH oraz rombowy bemit AlO · OH, stanowiący składnik aluminium (boksytu). Technicznie ważnymi surowcami do produkcji glinu są: boksyt AlO(OH) i kriolit Na3AlF6.

Otrzymywanie

Otrzymywanie metalicznego glinu polega na przeróbce rudy boksytowej na tlenek glinu, a następnie tlenku glinu na metal. Przeróbka rudy ma ne celu przede wszystkim usunięcie zanieczyszczeń tlenkami żelaza i krzemionką. Boksyt przeprowadza się (na drodze suchej lub mokrej) w łatwo rozpuszczalny glinian sodu, z którego wytrąca się krystaliczny wodorotlenek glinu przechodzący w czasie prażenia w α-Al2O3. Redukcję Al2O3 do metalicznego glinu przeprowadza się metodą elektrolizy jego roztworu w stopionym kriolicie Na3AlF6 w temp. ok. 950oC. Elektrolizę przeprowadza się w żelaznych wannach, wyłożonymi blokami sztucznego grafitu stanowiącymi katodę. Anoda w postaci również bloków grafitowych zawieszona jest w stopie. Na katodzie wydziela się stopiony glin i jako substancja o większym ciężarze właściwym od elektrolitu zbiera się na dnie wanny. Na anodzie wydziela się tlen, który reaguje z grafitem dając mieszaninę CO i CO2.

Właściwości fizyczne i chemiczne

Glin jest to srebrzystobiały metal, o niebieskawym odcieniu, kowalny i ciągliwy. Dobrze przewodzi ciepło i elektryczność.
Glin jest pierwiastkiem trójwartościowym, występującym na stopniu utlenienia +3 (bardzo rzadko na +1 i +2). Spośród glinowców (glin, tal, ind, gal) wykazuje najwyższą elektroujemność i największą aktywność chemiczną. Na powietrzu pokrywa się cienką, lecz szczelną i niewidoczną dla oka warstewką ochronną tlenku glinu, która zapobiega dalszemu utlenianiu. W temp. 100oC glin reaguje z wodą wypierając z niej wodór i tworząc wodorotlenek glinu:

\(2Al + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 ↓ + 3 H_2↑\).

Rozpuszcza się w roztworach mocnych kwasów i mocnych zasad wydzielając wodór oraz tworząc w pierwszym przypadku sól glinową, a w drugim glinian:

 \(2Al +6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2↑\)

\(2Al + 2 NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] +3H_2 ↑\).


Stężony kwas siarkowy i rozcieńczony kwas azotowy na gorąco rozpuszczają glin, jednak reakcja nie zachodzi z wydzieleniem wodoru, ponieważ siarka na stopniu utlenienia +6 i azot +5 redukują się wówczas łatwiej niż wodór H+:

\(2Al + 6H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3SO_2↑ + 6H_2O\)

oraz

\(8 Al + 27HNO_3 \rightarrow 8 Al(NO_3)_3 + 3 NH_3 + 9H_2O\).



Stężony kwas azotowy powoduje pasywację glinu.Glin łączy się nie tylko z wolnym tlenem, ale również z tlenem zawartym w tlenkach wielu innych metali (np. 

\(3Fe_3O_4 + 4Al \rightarrow 4Al_2O_3 + 9Fe + 811 \: \text{kcal}\) ).

Zastosowanie

Czysty glin wykorzystywany jest do wyrobu licznych przedmiotów codziennego użytku (np. naczynia kuchenne, lustra), do produkcji przewodów elektrycznych, których z powodzeniem używa się zamiast przewodów miedzianych. Służy również do
wytapiania metali trudno topliwych z ich tlenków (Cr,Mn), a także do produkcji aparatury chemicznej czy pokrywania ochronna warstwą innych metali. W postaci folii aluminiowej stosowany jest do wyrobu opakowań i kondensatorów, a w postaci sproszkowanej jako farba ochronna, oraz do wyrobu materiałów wybuchowych i glinoorganicznych. Glin jest głównie stosowany w postaci lekkich stopów jako doskonały materiał konstrukcyjny we wszystkich dziedzinach przemysłu. Najważniejsze stopy to:
  • Duraluminium (95% Al oraz Cu, Mg, Mn, Si), stop o dużej wytrzymałości. Znalazł zastosowanie w konstrukcjach lotniczych, samochodowych, okrętowych.
  • Siumin (90% Al oraz Si), stop wytrzymały i odporny na korozję. Wykorzystuje się go w przemyśle chemicznym i motoryzacyjnym.
  • Magnalium (80% Al oraz Mg), stop odlewniczy, z którego wykonuje się części do silników.
  • Elektron (10% Al, 80% Mg oraz Zn i Mn), bardzo lekki stop wykorzystywany do produkcji części przyrządów optycznych, a także w przemyśle lotniczym o samochodowym.
  • Brązy aluminiowe (10% Al, 90% Sn), stop odlewniczy służący do produkcji części maszyn.

Chlorek glinu znajduje szerokie zastosowanie w chemii organicznej, jako katalizator w reakcjach Friedela i Craftsa, które polegają na wprowadzeniu do pierścienia benzenowego grupy alkilowej pochodzącej ze związku halogenoalkilowego.
Siarczan glinu stosowany jest farbiarstwie, papiernictwie, natomiast ałun potasowo-glinowy wykorzystuje się do garbowania skór, jako zaprawę przy barwieniu tkanin, oczyszczania wody. W kosmetyce stosowany jako środek ściągający (przy goleniu) a w lecznictwie jako odtrutka w przypadku zatruć solami ołowiu.

Izotopy

Glin stanowi jeden izotop trwały 27Al (100%), znanych jest kilka sztucznych izotopów promieniotwórczych, z których większość ma krótki okres rozpadu. Izomer 26Al znalazł zastosowanie w badaniach z atomami znaczonymi (T1/2∼ 106 lat).

Związki glinu

Związki glinu z halogenkami

Wszystkie glinowce tworzą trójhalogenki YX3. Przykładem takiego związku jest chlorek glinu AlCl3, który w stanie bezwodnym jest bezbarwną masą, silnie higroskopijną, sublimującą w temp. 180oC. Bezwodny chlorek glinu tworzy liczne związki addycyjne, np. AlCl3 · 6NH3. Z roztworów wodnych wydziela się w postaci sześciowodnej soli AlCl3 · 6H2O.

Tlenek i wodorotlenek glinu

Tlenek glinu Al2O3 jest substancja krystaliczną, o wysokiej temp. topnienia (2030oC) i bardzo twardą. Tlenek ten nie rozpuszcza się w wodzie, reaguje w minimalnym stopniu z kwasami dając sole glinowe i dość dobrze z zasadami dając gliniany. Można go otrzymać przez prażenie wodorotlenku glinu.

Wodorotlenek glinu
Al(OH)3 jest typowym wodorotlenkiem amfoterycznym, który rozpuszcza się zarówno w kwasach jak i w zasadach. W środowisku kwaśnym Al(OH)3 reaguje z kationami H+ tworząc kationy Al3+, powstaje roztwór soli glinowej:


\(Al(OH)_3 + 3H^+ \rightarrow Al^{3+} + 3 H_2O\)

W środowisku zasadowym Al(OH)3 reaguje z jonami OH- i do roztworu przechodzą aniony glinianowe [Al(OH)4]-, powstaje roztwór rozpuszczalnego glinianu.:

\(Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-\)


Sole glinu i tlenowych kwasów mineralnych


Siarczan glinu Al2(SO4)3 · 18 H2O otrzymuje się w wyniku działania kwasu siarkowego na wodorotlenek glinu, a także na boksyt lub glinę. Sól ta ulega w roztworach wodnych hydrolizie. Jeżeli w roztworze wodnym oprócz siarczanu glinu znajdują się jeszcze siarczany litowców lub amonu to z roztworu krystalizuje sól podwojona zwana ałunem. Ałuny są to uwodnione podwójne siarczany metali trój- i jednowartościowych o ogólnym wzorze \(Me_{2}^{I}SO_4 \cdot Me_{2}^{II}(SO_4)_3 \cdot 24H_2O\). Najbardziej znanym przedstawicielem tej grupy jest ałun potasowo-glinowy K2SO4 · Al2(SO4)3 · 24 H2O.

2447