hliník

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.

História 

Hliník objavil 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 vysoká pevnosť pri nízkej hmotnosti - letecký priemysel, obkladové panely, tlakovo odlievané súčiastky hlavne pre automobilový priemysel...

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. 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.

Výroba

K taveniu dochádza v elektrickej peci elektrolytickým procesom. Pri elektrolýze sa používa jednosmerný prúd. Elektródy sú vyrobené zo zmesi uhlia, koksu a dechtu. Katódou sú platne, ktorými sú obložené steny pece, anódou je zväzok 6 až 12 uhlíkových elektród (grafitových tyčí). Kúpeľ tvorí 20% roztok Al₂O₃, ktorý je vystavený elektrolýze. 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 vyrába hliník a jeho zliatiny pre ďalšie spracovanie.^[1] Napríklad firma Hydro Extrusion Slovakia vyrába a predáva hliníkové plechy, lisované profily, stavebné systémy.^[2] Ďalšie firmy pôsobiace v Žiari sú výrobcovia a dodávatelia v automobilovom, spotrebnom a stavebnom priemysle: Nemak, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar.

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.^[3]

Vlastnosti a využitie

Hliník je odolný voči korózii a zapálený zhorí na oxid hlinitý Al₂O₃. Vo všetkých prostrediach okrem kyslého je neškodný, v kyslom sa rozpúšťa (kyslá kapusta, čaj). Kvôli toxickým a karcinogénnym účinkom (nahrádza kovy v metalproteínoch) je zakázané používať hliníkový riad.

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

napr. Fe₂O₃ + 2 Al = Al₂O₃ + 2 Fe

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

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 keramický priemysel - výroba 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.