protonové číslo 13
relativní atomová hmotnost 26.982
elektronegativita 1.5
elektronová konfigurace [Ne]3s23p1
hustota (g·cm-3) 2.69
teplota tání (°C) 660.37
teplota varu (°C) 2467.0

Hliník (13Al)

historie

  • kov izoloval poprvé H.C. Oersted reakcí amalgámu draslíku s chloridem hlinitým
  • od roku 1886 se Al vyrábí elektrolýzou oxidu hlinitého rozpuštěného v kryolitu (P. L. T. Héroult a C. M. Hall)

výskyt

  • hliník je třetím nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře (8,3%) a nejrozšířenějším kovem
  • bauxit – vzorec můžeme vyjádřit AlOx(OH)3-2x (0< x < 1)
  • v mírném zeměpisném pásmu (střední Evropa) jako „monohydrát“ AlO(OH)
  • v tropické oblasti „trihydrát“ Al(OH)3
  • kryolit - Na3AlF6
  • korund - Al2O3
  • kaolinit – Al2(OH)4Si2O5
  • spinel – MgAl2O4
  • granát – Ca3Al2(SiO4)3
  • beryl – Be3Al2Si6O18
  • složka živců, slídy
  • mnohé drahokamy jsou nečistou formou Al2O3 – např. rubín, safír

průmyslová výroba

dvě stádia

  1. extrakce,čištění a dehydratace bauxitu
    • bauxitová ruda se zahřívá s roztokem NaOH, ve kterém se rozpustí hliníková složka na tetrahydroxohlinitan sodný Na[Al(OH)4]
    • nerozpustné složky se odfiltrují
    • z hlinitanu získáme Al(OH)3 zaváděním CO2:
      2Na[Al(OH)4] + CO2 → 2Al(OH)3 + Na2CO3 + H2O
    • žíháním vzniklého Al(OH)3 se připraví čistý Al2O3
  2. elektrolýza Al2O3 rozpuštěného v roztaveném kryolitu - Na3AlF6 (snižuje teplotu z 2500 na 950°C)
    • hliník se vylučuje na uhlíkové katodě, kyslík na uhlíkové anodě, která uhořívá za vzniku CO

fyzikální vlastnosti

  • nízkotající stříbrošedý kov
  • lehký
  • měkký
  • kujný, tažný
  • malá hustota
  • výborná tepelná a elektrická vodivost
  • odolný vůči korozi

chemické vlastnosti

  • na vzduchu se pokrývá vrstvičkou Al2O3, která brání dalším reakcím
  • s vodou nereaguje
  • roztoky solí vrstvičku Al2O3 odstraní a způsobují korozi
  • reaguje s nekovy (N, S, X)
  • velká afinita ke kyslíku
  • práškový Al ve styku s tekutým O2 exploduje
  • rozpouští se v neoxidujících kyselinách a alkalických hydroxidech za vývoje vodíku:
    2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
    2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2
  • koncentrovaná HNO3 hliník za studena pasivuje, vzniká ochranná vrstva Al2O3
  • u některých výrobků se vrstva Al2O3 uměle zesiluje – eloxování (často se barví)
  • v koncentrované H2SO4 a HNO3 se rozpouští za horka
  • působením solí Hg2+ se poruší vrstva Al2O3, na těchto místech Al reaguje se vzdušnou vlhkostí - vzniká Al(OH)3
  • působením NH4HF2 vznikají na kovu ozdobné obrazce hedvábně jemného vzhledu
  • má vysoké spalné teplo a v žáru redukuje většinu oxidů kovů
  • oxid se smísí s práškovým Al – směs se zapálí, spalným teplem Al se obsah rozžhaví (až 3000°C) – aluminotermický proces:
    Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3
    3Mn3O4 + 8Al → 9Mn + 4Al2O3
  • směs Fe2O3 a hliníkového prášku nazýváme termit, využívá se pro svařování kolejnic:
    Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

užití

  • výroba vodičů
  • konstrukce staveb, letadel
  • konstrukce a pláště kosmických lodí
  • hliníkový prášek – přísada do pevných paliv pro zvýšení tahu rakety při startu
  • chemická zařízení
  • reflektory, spotřební předměty
  • obalový materiál v potravinářském průmyslu – alobal
  • redukční činidlo
  • výroba lehkých slitin, například duraluminium (Al, Cu, Mg, Mn, Si), magnalium (Al, Mg)

sloučeniny

  • hydrid hlinitý – alan (AlH3)
    • bezbarvá, netěkavá, pevná látka
    • polymeruje
    • silné redukční činidlo
    • reaguje bouřlivě s vodou:
      AlH3 + 3H2O → Al(OH)3 + 3H2
  • tetrahydridohlinitan lithný (Li[AlH4])
    • výroba reakcí hybridu lithného s chloridem hlinitým:
      4LiH + AlCl3 → Li[AlH4] + 3LiCl
    • bílá krystalická látka
    • na suchém vzduchu stálá
    • redukční a hydrogenační činidlo v anorganické a organické chemii
  • další komplexní hydridy
    • hexahydridohlinitan lithný Li3[AlH6]
    • M[AlH4] (M = Na, K, Cs)
    • M[AlH4]2 (M = Be, Mg, Ca)
  • halogenidy
    • tvoří velké množství adičních sloučenin nebo komplexů
    • vytváří dimerní molekuly Al2X6
    • fluorid hlinitý (AlF3)
      • příprava – reakcí oxidu hlinitého s plynným fluorovodíkem za teploty 700°C:
        Al2O3 + 6HF → 2AlF3 + 3H2O
    • chlorid hlinitý (AlCl3)
      • příprava – spalováním hliníku v plynném chloru:
        2Al + 3Cl2 → 2AlCl3
      • krystalizuje z roztoku AlCl3 jako hexahydrát AlCl3·6H2O
      • krystalická látka
      • užití
        • katalyzátor v organické chemii (Friedel-Craftsova syntéza)
        • Levisova kyselina
        • izomerizace uhlovodíků v naftovém průmyslu
        • výroba detergentů
    • hexafluorohlinitan trisodný (Na3AlF6)
      • výroba reakcí hydroxidu hlinitého s kyselinou fluorovodíkovou:
        Al(OH)3 + 6HF → H3AlF6 + 3H2O
        H3AlF6 + 3NaCl → Na3AlF6 + 3HCl
      • užití
        • tavící příměs při výrobě Al
        • výroba čistého Al2O3
        • výroba mléčného skla
  • sulfid hlinitý (Al2S3)
    • připravuje se přímou syntézou z prvků (t = 1000°C)
    • ve vodě hydrolyzuje:
      Al2S3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2S
    • bílá látka
  • fosfid hlinitý (AlP)
    • nereaguje s kyselinami ani se zásadami
    • na vlhkém vzduchu se rozkládá:
      AlP + 3H2O → Al(OH)3 + PH3
  • oxid hlinitý (Al2O3)
    • minerál korund
    • velká tvrdost (9)
    • vysoká teplota tání (2045°C)
    • chemická netečnost
    • dobré isolační vlastnosti
    • užití
      • elektrolytická výroba Al
      • brusný materiál (včetně zubních past)
      • výroba žáruvzdorných hmot
      • keramika
      • smirek (zrnitá podoba korundu znečištěná oxidem železitým a křemičitým)
    • čistý α Al2O3 se vyrábí tepelným rozkladem hydroxidu hlinitého nebo bauxitu za vysokých teplot (1200°C)
    • bílý prášek
    • amfoterní
    • s kyselinami tvoří soli hlinité:
      Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
    • s hydroxidy tvoří hlinitany:
      Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]
    • užití
      • katalyzátor
      • chromatografické medium
    • velké krystaly znečištěné ionty kovů - drahokamy - rubín (CrIII - červený), safír (FeII/III,TiIV - modrý), smaragd (CrIII/V - zelený), ametyst (CrIII/TiIV - fialový), topas (FeIII - žlutý)
    • mnohé drahokamy se vyrábějí průmyslově tavícím procesem
    • vláknitý Al2O3 - Saffil
      • vlákna – netoxická, pružná, pevná, na omak měkká, hedvábného charakteru (deky, rohože, desky, provazy)
      • izolant (póry mezi krystaly o průměru 2 až 10pm)
      • filtrační materiál
      • nosič katalyzátorů
      • vysokoteplotní izolant, tepelné štíty
      • zpevňování kovů (např. u Al 4 až 6 krát pevnější než Al nezesílený) - pláště helikoptér, automobilové a tryskové motory
      • vláknem zesílené slitiny Al nebo Mg mohou nahradit ocel užívanou na karosérie aut
  • Spinely
    • smíšené oxidy – AB2O4 (AII = Mg, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn; BIII = Al, Ga, In, Ti, Cr, Fe)
    • elektrické a magnetické vlastnosti závisí na složení, teplotě a uspořádání kationů (ferity)
  • Na – β – alumina – Na2O·11Al2O3
    • tuhý elektrolyt
    • připravuje se zahříváním Na2CO3 (nebo NaOH nebo NaNO3) s libovolnou modifikací Al2O3 (t = 1500 °C) v utěsněné Pt nádobě, aby nedocházelo ke ztrátám Na2O (jako Na a O2)
    • užití
      • permeabilní membrány v Na/S článcích (tyto články musí mít membrány stálé na vzduchu, propustné pro ionty Na+ ne pro atomy Na nebo S, nesmí reagovat s roztaveným Na nebo S, nesmí být elektrickými vodiči)
  • hydroxid hlinitý (Al(OH)3)
    • příprava – zaváděním oxidu uhličitého do roztoků hydroxohlinitanu sodného:
      Na[Al(OH)4] + CO2 → 2Al(OH)3 + Na2CO3 + H2O
    • bílá látka
    • amfoterní charakter – s kyselinami hlinité soli:
      Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O
    • s alkalickými hydroxidy vznikají rozpustné hydroxohlinitany:
      Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]
    • zahříváním ztrácí vodu – vzniká hydroxid – oxid hlinitý:
      Al(OH)3 → AlO(OH) + H2O
    • adsorpční vlastnosti
  • hlinitany
    1. získané z roztoků hydroxidů – hydroxohlinitany
      • tetrahydroxohlinitany Na[Al(OH)4]
      • pentahydroxohlinitany Ba[Al(OH)5]
      • hexahydroxohlinitany Ca3[Al(OH)6]
    2. získané tavením – hlinitany – (AlO2)-
      • hlinitan vápenatý (Ca3Al2O6) – složka portlandského cementu
        • vyrábí se zahříváním vápence s hlinitokřemičitany
        • rychle tvrdne
        • dlouhodobým působením tepla a ve vlhkých podmínkách se může porušit
        • odolný proti korozi mořské vody
        • odolný proti slabým kyselinám
        • odolává vysokým teplotám (1500°C)
  • hlinitokřemičitany
    • hlíny a kaolín
    • rozmícháním s vodou vytvoří soudržnou hmotu, kterou lze formovat
    • nebo řidší odlévat do forem
    • po vypálení ztrácí vodu – keramické výrobky (pórovité nebo sklovitý charakter)
    • na některých výrobcích se vytváří glazura
    • užití – cihly, tašky, hrnčířské zboží, fajánsové výrobky, porcelán
  • ultramarín – křemičitan sodno-hlinitý a polysulfid
    • v přírodě polodrahokam lapis (lazurit)
    • vyrábí se tavením kaolínu, sody, síry, síranu sodného a uhlí
    • různé barvy
    • modrý – stálý na vzduchu i na světle, odolný vůči mýdlu, nelze použít v kyselém prostředí – uvolňuje se H2S
    • užití
      • barvy
      • barevná přísada do gumárenských výrobků
      • bělení cukru, škrobu
  • síran hlinitý (Al2(SO4)3)
    • krystaluje v bílých krystalcích jako 18-hydrát - Al2(SO4)3·18H2O
    • připravuje se zahříváním směsi bauxitu a kyseliny sírové
    • užití
      • papírenský a textilní průmysl
      • úprava vody
    • tvoří podvojné sírany se sírany alkalických kovů - kamence, např.:
      • KAl(SO4)2·12H2O - dodekahydrát síranu draselno-hlinitého
      • NaAl(SO4)2·12H2O - dodekahydrát síranu sodno-hlinitého
      • NH4Al(SO4)2·12H2O - dodekahydrát síranu amonno-hlinitého
      • kamence jsou krystalické látky, dobře rozpustné ve vodě
      • připravují se společnou krystalizací svých složek
      • užití
        • průmysl textilní, papírenský
        • lékařství
  • dusičnan hlinitý (Al(NO3)3)
    • krystalizuje jako nonahydrát (Al(NO3)3)·9H2O
    • příprava – rozpuštěním oxidu nebo hydroxidu hlinitého v HNO3:
      Al(OH)3 + 3HNO3 → Al(NO3)3 + 3H2O
    • nerozpustný v kyselinách (s výjimkou horké kyseliny sírové a kyseliny fluorovodíkové)
    • nerozpustný v roztocích hydroxidů
    • hygroskopická látka
    • užití
      • mořidlo v textilním průmyslu