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알루미늄

Aluminium
다른 용도는 알루미늄(동음이의)을 참조하십시오.
알루미늄, 알
Aluminium-4.jpg
알루미늄
발음
대체명알루미늄(미국, 캐나다)
외관은회색의 금속.
표준 원자량Ar, std(Al)26.9815384(3)[1]
주기율표의 알루미늄
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕어 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오비움 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은색 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 테르비움 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이테르비움속 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로텍티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 캘리포늄 아인슈타인움 페르뮴 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 루더포듐 더브니움 수보르기움 보히움 하시움 메이트네리움 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로비움 모스코비움 간모륨 테네신 오가네손
B
↑
알
↓
가
마그네슘 ← 알루미늄 → 실리콘
원자번호 (Z)13
그룹그룹 13(보론 그룹)
기간3주기
블록 p-block
전자 구성[Ne] 3s2 3p1
셸당 전자2, 8, 3
물리적 성질
위상 STP서실체가 있는
녹는점933.47 K(660.32°C, 1220.58°F)
비등점2743K(2470°C, 4478°F)
밀도 (근처 )2.70 g/cm3
액체가 있을 때 ( )2.375 g/cm3
융해열10.71 kJ/mol
기화열284 kJ/mol
어금니열용량24.20 J/(몰·K)
증기압
P (Pa) 1 10 100 1k 10k 100k
(K)에서 1482 1632 1817 2054 2364 2790
원자성
산화 상태-2, -1, +1, [2]+2, [3]+3(암포테릭 산화물)
전기성폴링 척도: 1.61
이온화 에너지
  • 1차: 577.5 kJ/mol
  • 2위: 1816.7 kJ/mol
  • 3위: 2744.8kJ/mol
  • (더)
원자 반지름경험적: 오후 143시
공동 반지름오후 121±4시
반데르발스 반지름오후 184시
Color lines in a spectral range
알루미늄의 스펙트럼 라인
기타 속성
자연발생원시적인
결정구조 얼굴 중심 큐빅(입방체)
Face-centered cubic crystal structure for aluminium
음속 얇은 막대기(연속) 5000m/s ( )
열팽창23.1 µm/(m³K)(25°C)
열전도도237 W/(m³K)
전기저항도26.5 NΩ⋅m (20°C에서)
자기순서파라자성의[4]
어금니 자기 감수성+16.5×10cm−63/cm/cm
영의 계량70 GPA
전단 계수26 GPA
벌크 계량76 GPA
포아송 비율0.35
모스 경도2.75
비커즈 경도MPa 160-350
브리넬 경도MPa 160-550
CAS 번호7429-90-5
역사
이름 지정알루미나에서 유래된, 구식 이름인 알루미나에서 유래한 이름.
예측앙투안 라부아지에(1782)
디스커버리한스 크리스티안 외스테드(1824)
이름:험프리 데이비(1812[a])
알루미늄 주 동위 원소
이소슈토페 아부네댄스 하프라이프 (t1/2) 붕괴 모드 프로덕트
26알 자취를 감추다 7.17×105 y β+ 26MG
ε 26MG
γ –
27알 100% 안정적
카테고리: 알루미늄
참고 문헌

알루미늄(또는 미국 영어와 캐나다 영어의 알루미늄)은 기호 Al과 원자 번호 13을 가진 화학 원소다.알루미늄은 강철의 약 1/3 수준으로 다른 일반 금속보다 밀도가 낮다.산소에 대한 친화력이 뛰어나 공기에 노출되면 표면에 산화방지층을 형성한다.알루미늄은 색상과 빛을 반사하는 뛰어난 능력 면에서 은과 시각적으로 닮았다.그것은 부드럽고, 비자기적이며 연성이 강하다.그것은 하나의 안정된 동위원소인 Al을 가지고 있다; 이 동위원소는 매우 흔해서 알루미늄이 우주에서 12번째로 가장 흔한 원소를 만든다.알의 방사능은 방사선에 사용된다.

화학적으로 알루미늄은 붕소 그룹에서 변환 후 금속으로, 일반적으로 알루미늄은 주로 +3 산화 상태에서 화합물을 형성한다.알루미늄 계통 Al은3+ 작고 충전량이 높으며, 따라서 편광성이며 알루미늄 형태를 접합하는 것이 공정성을 지향한다.산소에 대한 강한 친화력은 산화물의 형태로 자연에서 산소와 알루미늄의 공통적인 연관성으로 이어진다. 이러한 이유로 알루미늄은 주로 지각의 암석에서 발견된다. 알루미늄은 맨틀보다는 산소와 실리콘 다음으로 세 번째로 풍부한 원소로서, 사실상 자유 금속으로서 결코 발견되지 않는다.

알루미늄의 발견은 1825년 덴마크 물리학자 한스 크리스티안 외스테드에 의해 발표되었다.알루미늄의 첫 산업 생산은 1856년 프랑스의 화학자 앙리 에티엔 사인테 클레어 데빌에 의해 시작되었다.알루미늄은 홀을 통해 대중에게 훨씬 더 많은 것을 제공하게 되었다.1886년 프랑스 엔지니어 폴 헤룰트와 미국인 엔지니어 찰스 마틴 홀이 독자적으로 개발한 헤룰트 공정은 알루미늄의 대량 생산으로 산업과 일상생활에서 광범위하게 사용하게 되었다.제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전에서 알루미늄은 항공에 중요한 전략적 자원이었다.1954년 알루미늄은 구리를 제치고 가장 많이 생산된 비철 금속이 되었다.21세기에 대부분의 알루미늄은 미국, 서유럽, 일본에서 운송, 엔지니어링, 건설, 포장 분야에서 소비되었다.

환경에 널리 퍼졌음에도 불구하고 살아있는 유기체는 대사적으로 알루미늄 염분을 사용하는 것으로 알려져 있지 않지만, 알루미늄은 식물과 동물들에 의해 잘 용인된다.이러한 염분이 풍부하기 때문에, 그들에게 생물학적 역할을 할 수 있는 잠재력은 지속적인 관심을 가지고 있으며, 연구가 계속되고 있다.

물리적 특성

동위 원소

주요 기사:알루미늄 동위 원소

알루미늄 동위원소 중 Al만이
안정적이다.이 상황은 원자 번호가 홀수인 원소에 흔히 나타난다.[b]그것은 유일한 원시 알루미늄 동위원소로서, 즉 행성이 형성된 이후 현재의 형태로 지구상에 존재해 온 유일한 것이다.지구상의 거의 모든 알루미늄은 이 동위원소로 존재하는데, 이것은 그것을 단핵종 원소로 만들고 그것의 표준 원자량이 동위원소의 그것과 사실상 같다는 것을 의미한다.이것은 알루미늄의 단일 안정 동위원소가 높은 NMR 감도를 가지기 때문에 핵자기 공명(NMR)에 매우 유용하게 만든다.[6]알루미늄의 표준 원자량은 다른 많은 금속들에 비해 낮다.[c]

알루미늄의 다른 모든 동위원소는 방사능이다.이것들 중 가장 안정적인 것은 알이다: 태양계가 형성된 성간 매체에 안정된 알과 함께 존재하는 반면, 태양계의 반감기는 71만 7천년에 불과하며, 따라서 행성이 형성된 이후 탐지 가능한 양은 살아남지 못했다.[8]그러나 알의 미세한 흔적은 우주선 양자에 의한 첨삭에 의해 대기 중의 아르곤으로부터 생성된다.알 투 베의 비율은 10년에서5 10년6 사이의 시간 척도, 특히 수송, 퇴적, 침전물 저장, 매장 시간, 침식 등의 지질 공정을 방사하는 데 사용되어 왔다.[9]대부분의 운석 과학자들은 알의 붕괴에 의해 방출된 에너지가 45억 5천만년 전 소행성들이 형성된 이후 일부 소행성의 용해와 분화에 원인이 있었다고 믿는다.[10]

알루미늄의 나머지 동위원소는 질량이 22에서 43에 이르며 모두 1시간도 채 안 되는 반감기를 가지고 있다.측정 가능한 세 개의 상태가 알려져 있으며, 모두 1분 미만의 리브로 알려져 있다.[5]

전자껍질

알루미늄 원자는 13개의 전자를 가지고 있으며, [Ne] 3s2 3p의1 전자 구성으로 배열되어 있으며,[11] 안정적인 고귀한 가스 구성 이상으로 3개의 전자가 있다.따라서 알루미늄의 첫 번째 이온화 에너지 3개를 합치면 네 번째 이온화 에너지에만 비해 훨씬 낮다.[12]그러한 전자 구성은 그것의 그룹의 다른 잘 특징화된 구성원인 붕소, 갈륨, 인듐, 탈륨과 공유된다. 또한 니혼륨에 대해서도 기대된다.알루미늄은 많은 화학 반응에서 가장 바깥쪽 전자 세 개를 비교적 쉽게 투하할 수 있다(아래 참조).알루미늄의 전기율은 1.61(폴링 스케일)이다.[13]

M. Tunes & S. Pogatscher, Montanuniversität Leoben 2019 No copyrights =)
[001] 구역 축을 따라 본 Al 원자의 고해상도 STEM-HAADF 마이크로그래프.

자유 알루미늄 원자의 반지름은 143 pm이다.[14]가장 바깥쪽 전자 3개가 제거되면, 반지름은 4개의 조정된 원자의 경우 39pm, 6개의 조정된 원자의 경우 53.5pm으로 축소된다.[14]표준 온도와 압력에서 알루미늄 원자(다른 원소의 원자에 의해 영향을 받지 않을 경우)는 원자의 가장 바깥쪽 전자에 의해 제공되는 금속 접합에 의해 결합되는 얼굴 중심의 입방 결정 시스템을 형성하며, 따라서 알루미늄은 (이 조건에서) 금속이다.[15]이 결정 체계는 납과 구리와 같은 많은 다른 금속들에 의해 공유된다; 알루미늄의 단위 세포의 크기는 다른 금속들과 비교할 수 있다.[15]그러나 이 시스템은 그룹의 다른 구성원들이 공유하지 않는다. 붕소는 야금화를 허용하기에 너무 높은 이온화 에너지를 가지고 있고, 탈륨은 육각형의 근접 포장 구조를 가지고 있으며, 갈륨과 인듐은 알루미늄과 탈륨처럼 밀접하게 포장되지 않은 특이한 구조를 가지고 있다.알루미늄 금속에서 금속 접합에 사용할 수 있는 몇 개의 전자는 용해점이 낮고 전기 저항성이 낮기 때문에 부드러울 수 있다.[16]

벌크

알루미늄 금속은 표면 거칠기에 따라 은백색에서 칙칙한 회색까지 외관이 다양하다.[d]알루미늄의 신선한 필름은 가시광선의 좋은 반사체(약 92%)와 중·원적외선 방사선의 뛰어난 반사체(약 98%) 역할을 한다.[citation needed]알루미늄 거울은 거의 자외선 및 원적외선 광선을 위해 모든 금속 거울 중에서 가장 반사되는 거울이며, 가시 스펙트럼에서 가장 반사적인 거울 중 하나로 은과 거의 대등하며, 따라서 두 거울은 비슷해 보인다.알루미늄은 태양 복사를 반사하는 데도 좋지만 공기 중의 햇빛에 장시간 노출되면 금속 표면이 마모된다. 알루미늄을 양극화하여 표면에 산화 방지층을 추가하면 이를 방지할 수 있다.

알루미늄의 밀도는 2.70 g/cm로3 강철의 약 1/3 수준으로, 흔히 접하는 다른 금속보다 훨씬 낮기 때문에 알루미늄 부품의 가벼움을 통해 쉽게 식별할 수 있다.[19]알루미늄의 밀도가 다른 대부분의 금속들에 비해 낮은 것은 핵이 훨씬 가볍다는 사실에서 발생하는 반면, 단위 세포 크기의 차이는 이 차이를 보상하지 못한다.유일하게 가벼운 금속은 그룹 1과 그룹 2의 금속으로 베릴륨과 마그네슘을 제외하면 구조적으로 사용하기에는 너무 반응적이다(그리고 베릴륨은 매우 독성이 강하다).[20]알루미늄은 강철만큼 강하거나 단단하지는 않지만, 낮은 밀도가 항공우주 산업과 가벼운 무게와 상대적으로 높은 강도가 중요한 다른 많은 응용 분야에서 이를 보충한다.[21]

순수 알루미늄은 상당히 부드럽고 강도가 부족하다.대부분의 용도에서는 강도와 경도가 더 높기 때문에 다양한 알루미늄 합금이 사용된다.[22]순수 알루미늄의 항복 강도는 7–11 MPa인 반면, 알루미늄 합금은 200 MPa에서 600 MPa에 이르는 항복 강도를 가진다.[23]알루미늄은 연성이며, 50-70%[24]의 신장률을 가지고 있으며, 쉽게 끌어내고 돌출할 수 있다.[25]그것은 또한 쉽게 가공되고 주조된다.[25]

알루미늄은 열전 도체로서 열전기와 전기 모두 구리의 전도도가 60% 정도인 반면 구리의 밀도는 30%에 불과하다.[26]알루미늄은 초전도 임계온도가 1.2켈빈이고 임계자장이 약 100가우스(10밀리틸라)로 초전도성이 가능하다.[27]그것은 파라마그네틱이기 때문에 본질적으로 정적 자기장의 영향을 받지 않는다.[28]그러나 전기전도도가 높다는 것은 와류 유도를 통해 자기장이 교대하여 강한 영향을 받는다는 것을 의미한다.[29]

화학

주요 기사:알루미늄 화합물

알루미늄은 변환 전 금속과 변환 후 금속의 특성을 결합한다.더 무거운 그룹 13 착향료처럼 금속 접합에 사용할 수 있는 전자가 거의 없기 때문에, 원자간 거리가 예상보다 긴 변환 후 금속의 특징적인 물리적 특성을 가지고 있다.[16]게다가 Al은3+ 작고 충전량이 높은 양이온이기 때문에 강한 편극성을 가지며 알루미늄 화합물에서 접합되는 것이 공효율을 지향하는 경향이 있다.[30] 이러한 행동은 베릴륨(Be2+)과 유사하며, 두 가지는 대각선 관계의 예를 보여준다.[31]

알루미늄의 발랑스 껍질 밑의 밑부분은 앞의 고귀한 가스의 것이며, 반면에 더 무거운 착향의 갈륨, 인듐, 탈륨 및 니혼륨의 그것 또한 채워진 d-subshell과 어떤 경우에는 채워진 f-subshell을 포함한다.따라서 알루미늄의 내부 전자는 알루미늄의 무거운 착향료와는 달리 거의 완전히 발란스 전자를 보호한다.이와 같이 알루미늄은 그 그룹에서 가장 전기적인 금속이며, 수산화물은 사실 갈륨보다 더 기본적이다.[30][e]알루미늄은 또한 같은 그룹의 금속 붕소와 약간 유사하다.AlX3 화합물은 발란스 이소전자 화합물에서 BX3 화합물까지(동일한 발란스 전자 구조를 가지고 있음)이며, 둘 다 루이스 산으로 작용하여 쉽게 유도체를 형성한다.[32]또한 붕소 화학의 주요 모티브 중 하나는 정기적인 이코사이드 구조로 알루미늄은 알-잔-Mg 등급을 포함한 많은 이코사이드 퀘이크리스탈 합금의 중요한 부분을 형성한다.[33]

알루미늄은 산소에 대한 화학적 친화력이 높아 써마이트 반응에서 환원제로 사용하기에 적합하다.알루미늄 금속의 미세한 분말은 액체 산소와 접촉할 때 폭발적으로 반응하지만 정상 조건에서 알루미늄은 산소, 물 또는 희석산에 의해 금속이 더 이상 부식되지 않도록 보호하는 얇은 산화층(상온에서 약 5nm)[34][30][35]을 형성한다.알루미늄은 부식에 대한 일반적인 저항성 때문에 은빛 반사율을 미세 분말 형태로 유지하는 몇 안 되는 금속 중 하나로 은색 페인트의 중요한 성분이 되고 있다.[36]알루미늄은 패시브 현상 때문에 산화산의 공격을 받지 않는다.이를 통해 질산, 농축 황산, 일부 유기산 등의 시약을 보관하는 데 알루미늄을 사용할 수 있다.[37]

고온 농축 염산에서 알루미늄은 수소의 진화와 함께 물과 반응하며, 상온에서 수산화나트륨이나 수산화칼륨에서는 알루미늄을 형성한다. 이러한 조건 하에서 보호 수용은 미미하다.[38]아쿠아 레지아는 또한 알루미늄을 용해한다.[37]알루미늄은 일반적인 염화나트륨과 같이 용해된 염화염소에 의해 부식되므로 가정용 배관은 절대 알루미늄으로 만들어지지 않는다.[38]알루미늄의 산화층도 합병으로 인해 수은과의 접촉이나 일부 전기 금속의 염분에 의해 파괴된다.[30]이와 같이 가장 강한 알루미늄 합금은 합금 구리와 갈바닉 반응으로 인해 내식성이 떨어지며,[23] 알루미늄의 내식성은 특히 다른 금속이 존재하는 경우 수성염에 의해 크게 감소한다.[16]

알루미늄은 가열 시 대부분의 비금속과 반응하여 질화알루미늄(AlN), 황화알루미늄(AlS23), 알루미늄 할로겐화알루미늄(AlX3) 등의 화합물을 형성한다.또한 주기율표에 있는 모든 그룹의 금속을 포함하는 광범위한 금속간 화합물을 형성한다.[30]

무기 화합물

모든 알루미늄 함유 광물과 상업적으로 중요한 모든 알루미늄 화합물을 포함한 대부분의 화합물은 산화 상태 3+의 알루미늄을 특징으로 한다.그러한 화합물의 조정 번호는 다양하지만, 일반적으로 Al은3+ 6개 또는 4개의 조정자 중 하나이다.알루미늄(III)의 거의 모든 화합물은 무색이다.[30]

pH의 함수로서의 알루미늄 가수 분해조정된 물 분자가 생략됨. (Baes 및 Mesmer의 데이터)[39]

수용액에서 Al은3+ 약 K가a 10인−5 헥사콰 계화[Al(HO2)]63+로 존재한다.[6]이러한 용액은 양성자 기증자의 역할을 할 수 있고 수산화 알루미늄인 Al(OH)3이 침전될 때까지 점진적으로 수산화물을 분해할 수 있기 때문에 산성이다.이것은 물의 명확화에 유용하다. 물의 부유된 입자에 침전핵이 작용하여 이를 제거하기 때문이다.pH를 더 증가시키면 알루민산[Al2(HO)(2OH)]4−이 형성되면서 수산화물이 다시 용해된다.

수산화알루미늄은 염분과 알루미늄을 모두 형성하고 산성과 알칼리에 용해되며, 산성과 기초 산화물과의 융해에도 용해된다.[30]알(OH)3의 이러한 행동은 암포테리즘이라고 불리며, 불용성 수산화물을 형성하는 약하게 기초적인 양이온의 특징이며, 수분이 함유된 종도 양성자를 기증할 수 있다.이것의 한 가지 효과는 약한 산을 가진 알루미늄 소금이 아쿠아 수산화물과 그에 상응하는 비금속 하이드라이드에 물에서 가수 분해된다는 것이다. 예를 들어, 황화알루미늄은 황화수소를 산출한다.그러나 알루미늄 탄산염과 같은 일부 염분은 수용액에 존재하지만 이와 같이 불안정하며, 할로겐화, 질산염, 황산염과 같이 강한 산을 가진 염에 대해서는 불완전한 가수분해만 발생한다.유사한 이유로 무수 알루미늄 염분은 "수소"를 가열하여 만들 수 없다. 수화 알루미늄 염화물은 사실 AlCl3/6이 아니다.HO2 but [Al(HO2)]6Cl3, 그리고 Al-O bonds가 너무 강해서 이를 부수고 대신 Al-Cl bonds를 형성하는 데 난방이 충분하지 않다.[30]

2[Al(HO2)]6Cl3 hot→AlO23 + 6 HCl + 9 HO2

4개의 삼할리드는 모두 잘 알려져 있다.알루미늄 불소화합물3(AlF)은 3개의 무거운 삼할리드의 구조와 달리 6개의 조화된 알루미늄이 특징으로, 높은 형성 열은 물론 비자용성과 불용성까지 설명한다.각 알루미늄 원자는 왜곡된 옥타헤드 배열로 6개의 플루오린 원자로 둘러싸여 있으며, 각 플루오린 원자는 두 옥타헤드라의 모서리 사이에 공유된다.이러한 {AlF6} 단위는 크라이올라이트, NaAlF와36 같은 복잡한 불소에도 존재한다.[f]AlF는3 1,290 °C(2,354 °F)에서 녹으며, 산화알루미늄과 불소화 수소 가스가 700 °C(1,300 °F)에서 반응하여 만들어진다.[40]

더 무거운 할로겐화물이 있으면, 조정 수치는 더 낮아진다.다른 삼할라이드는 사면체 4개 좌표 알루미늄 중심을 가진 조광체 또는 중합체다.[g]알루미늄 트리클로라이드(AlCl3)는 용융점 192.4°C(378°F) 이하에 층층이 있는 고분자 구조를 갖췄지만 용융 시 AlCl26 조광기로 변형된다.높은 온도에서 그것들은 점점3 더 BCl의 구조와 유사한 삼각 평면 AlCl3 단량체로 분리된다.알루미늄 트리브로미드 및 알루미늄 3iodide는 3상 모두에서 AlX26 다이머를 형성하므로 위상 변경 시 이러한 특성 변화를 나타내지 않는다.[40]이러한 재료는 알루미늄 금속을 할로겐으로 처리하여 제조한다.알루미늄 삼할라이드는 많은 추가 화합물 또는 복합체를 형성한다. 그들의 산성 특성은 프리델-크래프트 반응의 촉매로서 유용하게 만든다.삼염화알루미늄은 안트라퀴논과 스티렌의 제조와 같이 이러한 반응을 수반하는 주요 산업용 용도가 있다. 다른 많은 알루미늄 화합물의 전구체로 사용되기도 하며 비금속 플루오르화물을 해당 염소화물로 변환하기 위한 시약으로도 사용된다([40]탈염화 반응).

알루미늄은 화학적 공식인 AlO로23 하나의 안정된 산화물을 형성하는데, 흔히 알루미나라고 불린다.[41]그것은 광물 코룬덤, α-알루미나에서 자연에서 발견될 수 있다;[42] 또한 γ-알루미나 단계가 있다.[6]결정체 형태인 코룬덤은 매우 단단하며(Mohs 경도 9), 녹는점이 2,045°C(3,713°F)의 높은 용융점을 가지고 있으며, 변동성이 매우 낮으며 화학적으로 불활성이며, 전기 절연체가 양호하여 연마재(치약 등)나 내화물질, 세라믹 등에 자주 사용되며, 전해질 프렘의 시발점이 되기도 한다.알루미늄 금속의 전도사파이어와 루비는 미량의 다른 금속으로 오염된 불순물이다.[6]산화물수산화물인 알로(OH)는 boehmite와 diaspore이다.삼수화물은 결정구조(폴리모르프)에 차이가 있는 베이엘라이트, 기브스라이트, 노르드스트란다이트 등 3가지 주요 수산화물이 있다.그 밖의 많은 중간 및 관련 구조도 알려져 있다.[6]대부분은 산과 염기를 이용한 다양한 습식 공정에 의해 광석에서 생산된다.수산화물을 가열하면 코런덤이 형성된다.이러한 재료는 알루미늄 생산에 중심적으로 중요하며 그 자체도 매우 유용하다.스피넬(MgAlO24), Na-β-알루미나(NaAlO1117), 트라이칼슘 알루민테(CaAlo326, 포틀랜드 시멘트의 중요한 미네랄 페이즈) 등 일부 혼합 산화물 페이즈도 매우 유용하다.[6]

정상 조건에서 유일하게 안정적인 찰코제네이드로는 황화알루미늄(AlS23), 셀레니드(AlSe23), 텔루라이드(AlTe23) 등이 있다.세 가지 모두 약 1,000 °C(1,800 °F)에서 원소의 직접 반응에 의해 준비되며, 수산화 알루미늄과 각 수소 찰코제네이드를 산출하기 위해 물에서 빠르게 완전히 가수 분해한다.알루미늄은 이러한 찰코균에 상대적인 작은 원자로서, 이들은 우르츠아이트와 관련된 구조를 가진 다양한 폴리모형의 사면 알루미늄을 4코드로 가지며, 가능한 금속 부지의 2/3가 질서정연한(α) 또는 무작위(β) 방식으로 점유하고 있으며, 황화물은 또한 γ알루미나에 관련된 form형 형태와 특이한 고임계형을 가지고 있다.알루미늄 원자의 절반은 사면체 4각형이고 나머지 절반은 삼각형 2각형 5각형이다.[43]

질화알루미늄(AlN), 알루미늄 인산알루미늄(AlP), 알루미늄 비소화알루미늄(AlAs), 알루미늄 안티모니드알루미늄(AlSb) 등 4개의 피닉티드가 알려져 있다.모두 실리콘과 게르마늄에 대한 III-V 반도체인데, ALN은 모두 아연 블렌드 구조를 갖고 있다.4개 모두 구성 요소의 고온(고압일 가능성이 있음) 직접 반응에 의해 만들어질 수 있다.[43]

알루미늄 합금은 대부분의 다른 금속(대부분의 알칼리 금속과 그룹 13 금속 제외)과 150개 이상의 다른 금속과의 상호 금속이 잘 알려져 있다.준비에는 고정금속을 일정한 비율로 함께 가열하고, 그 다음에 점진적인 냉각과 어닐링을 하는 것이 포함된다.그 안에서 본딩은 주로 금속성이며 결정 구조는 주로 패킹의 효율성에 달려 있다.[44]

산화 상태가 낮은 화합물은 거의 없다.다음과 같은 몇 가지 알루미늄(I) 화합물이 존재한다.AlF, AlCl, AlBr 및 AlI는 각각의 3할라이드가 알루미늄으로 가열되는 기체상 및 극저온에서 존재한다.[40]알루미늄 모노다이오드(monoiodide)의 안정적인 파생상품은 트리에틸아민, AlI44(NET3)로 형성된 순환 유도물이다.4ALO와2 ALS도2 존재하지만 매우 불안정하다.[45]매우 단순한 알루미늄(II) 화합물은 산화제와 함께 알 금속의 반응에서 발생하거나 관찰된다.예를 들어 일산화탄소, AlO는 폭발[46] 후 가스 위상과 항성 흡수 스펙트럼에서 검출되었다.[47]보다 철저히 조사된 것은 알-알 결합을 포함하고 R이 큰 유기 리간드인 RAl42 공식의 화합물이다.[48]

오르가노알루미늄 화합물 및 관련 하이드라이드

주요 기사:오르가노알루미늄 화합물
5개 좌표로 된 탄소가 함유된 화합물인 트리메틸알루미늄의 구조.

경험식 AlR과3 AlRCl의1.51.5 다양한 화합물이 존재한다.[49]알루미늄 삼알킬과 삼알칼은 반응성, 휘발성, 무색 액체 또는 저융해 고형분이다.공기 중에 자연적으로 불이 붙고 물과 반응하기 때문에 취급 시 주의가 필요하다.그들은 종종 붕소 유사점과 달리 조광기를 형성하지만, 이러한 경향은 분기 체인 알킬(예: Pri, Bui, MecCH32)의 경우 감소한다. 예를 들어, 삼이소부틸알루미늄은 모노머와 조광기의 평형 혼합물로 존재한다.[50][51]트리메틸알루미늄(AlMe26)과 같은 이러한 다이머는 보통 두 알루미늄 원자들 사이에 일부 알킬 그룹 브리징으로 조광화하여 형성된 사면체 알 센터를 특징으로 한다.그들은 경산이며, 리간드로 쉽게 반응하며, 인덕트를 형성한다.산업계에서는 칼 지글러가 발견한 바와 같이 알켄 삽입 반응에 주로 사용되는데, 가장 중요한 것은 긴 사슬의 무브랜치 1차 알켄과 알코올을 형성하는 '성장 반응'과 에테네와 프로펜의 저압 중합에 사용된다.또한 Al-N 결합을 포함하는 일부 헤테로사이클릭 및 클러스터 오가르노아미노늄 화합물도 있다.[50]

산업적으로 가장 중요한 알루미늄 하이드라이드는 유기화학에서 환원제로 쓰이는 리튬알루미늄 하이드라이드(LiAlH4)이다.그것은 하이드라이드 리튬과 삼염화알루미늄으로 생산될 수 있다.[52]가장 간단한 하이드라이드, 알루미늄 하이드라이드 또는 알렌은 그렇게 중요하지 않다.공식(BH3)을 가진 조광기(dimer)인 해당 붕소 하이드라이드와 대조적으로,n 공식(AlH3)을 가진 폴리머다.2[52]

자연발생

참고 항목:보크사이트별 국가 목록

공간

태양계 알루미늄의 입자당 풍부도는 3.15ppm(백만 개당 부품 수)이다.[53][h]모든 원소 중 12번째로 풍부하고, 수소와 질소에 이어 원자 번호가 홀수인 원소 중 3번째로 풍부하다.[53]알루미늄의 유일한 안정적 동위원소인 Al은 우주에서 18번째로 풍부한 핵이다.그것은 나중에 타입 II 초신성이 될 거대한 별에서 탄소가 융합된 후 거의 전적으로 생성된다: 이 융합은 Mg를 생성하는데, Mg는 자유 양자와 중성자를 포획하면 알루미늄이 된다.일부 소량의 알은 mg가 자유로운 양성자를 포획할 수 있는 진화된 별들의 수소 연소 껍질에서 생성된다.[54]기본적으로 현재 존재하는 모든 알루미늄은 알이다.26알은 초기 태양계에 알에 비해 0.005%의 풍부함으로 존재했지만, 72만 8천년의 반감기는 어떤 원래의 핵도 살아남기에는 너무 짧다. 따라서 알은 멸종되었다.[54]알과 달리 수소 연소는 알의 1차 공급원으로, mg의 핵이 자유로운 양성자를 잡은 후 핵종이 출현한다.그러나 존재하는 알의 미량량은 성간 가스에서 가장 흔한 감마선 방출체다.[54] 만약 원래의 알이 여전히 존재한다면, 은하수의 감마선 지도가 더 밝을 것이다.[54]

지구

보크사이트, 주요 알루미늄 광석.적갈색은 산화철 광물이 존재하기 때문이다.

전체적으로 지구는 질량 기준 약 1.59%의 알루미늄(질량 기준 7번째 풍부함)이다.[55]알루미늄은 산화물을 쉽게 형성하고 바위에 묶여 지구의 지각에 머무르는데 반해 반응성이 낮은 금속은 중심부로 가라앉기 때문에 우주보다 지구 지각에서 더 큰 비율로 발생한다.[54]지구 지각에서 알루미늄은 금속 원소(질량[24] 기준 8.23%)가 가장 풍부하고, 모든 원소(산소와 실리콘 다음으로) 중 세 번째로 풍부하다.[56]지구 지각의 많은 규산염은 알루미늄을 함유하고 있다.[57]반면 지구의 맨틀은 질량 기준으로 2.38%[58]의 알루미늄에 불과하다.알루미늄은 2μg/kg의 농도로 바닷물에서도 발생한다.[24]

산소에 대한 강한 친화력 때문에 알루미늄은 원소 상태에서는 거의 발견되지 않는다. 대신 산화물과 규산염에서 발견된다.지구의 지각에서 가장 흔한 광물군인 장석은 알루미늄이다.알루미늄은 또한 광물 베릴, 크라이올라이트, 가넷, 스피넬, 터키석에서도 발생한다.[59]크롬과 철과 같은 AlO의23 불순물은 각각 루비와 사파이어의 원석을 산출한다.[60]네이티브 알루미늄 금속은 극히 드물며 특정 화산의 내부와 같은 저산소 도망성 환경에서는 경미한 단계로서만 발견될 수 있다.[61]남중국해의 북동쪽 대륙 경사면에서 토종 알루미늄이 차가운 스며들어 있는 것으로 보고되었다.이러한 퇴적물은 테트라하이드록소알루민산염(OH)의 박테리아 감소에서 비롯되었을 가능성이 있다.4−[62]

알루미늄이 일반적이고 광범위한 요소지만, 모든 알루미늄 광물이 금속의 경제성이 있는 원천은 아니다.거의 모든 금속 알루미늄은 광석 보크사이트(AlOx(OH))에서 생산된다.3–2x보크사이트는 열대 기후 조건에서 낮은 철과 실리카 암반의 풍화 산물로 발생한다.[63]2017년에 대부분의 보크사이트가 호주, 중국, 기니, 인도에서 채굴되었다.[64]

역사

주요 기사:알루미늄의 역사
금속 원소 알루미늄을 처음으로 철저히 설명한 화학자 프리드리히 뵐러

알루미늄의 역사는 알루미늄의 사용으로 형성되어 왔다.그리스 역사학자 헤로도토스가 만든 알룸에 대한 최초의 기록은 기원전 5세기로 거슬러 올라간다.[65]고대인들은 알룸을 염색약과 도시 방어를 위해 사용한 것으로 알려져 있다.[65]십자군 전쟁 이후, 유럽 직물 산업에서 없어서는 안 될 상품인 알룸은 국제 상업의 대상이 되었고,[66][67] 15세기 중반까지 지중해 동부로부터 유럽으로 수입되었다.[68]

알룸의 성질은 여전히 알려지지 않았다.1530년경, 스위스의 의사 Paracelsus는 알룸이 알룸의 지구의 소금이라고 제안했다.[69]1595년 독일의 의사 겸 화학자 안드레아스 리바비우스는 이를 실험적으로 확인했다.[70]1722년 독일의 화학자 프리드리히 호프만(Friedrich Hoffmann)은 알룸의 기지가 뚜렷한 지구라는 신념을 발표했다.[71]1754년 독일의 화학자 안드레아스 지기스문트 마르그라프는 황산에 점토를 넣고 끓인 다음 그 후 화약을 첨가하여 알루미나를 합성하였다.[71]

알루미늄 금속을 생산하려는 시도는 1760년으로 거슬러 올라간다.[72]그러나 첫 번째 성공적인 시도는 1824년 덴마크 물리학자 겸 화학자 한스 크리스티안 외스테드에 의해 완성되었다.그는 무수 염화알루미늄에 칼륨 아말감을 반응시켜 주석과 비슷하게 생긴 금속 덩어리를 만들어냈다.[73][74][75]그는 1825년에 그의 결과를 발표했고 새로운 금속의 샘플을 시연했다.[76][77]1827년 독일의 화학자 프리드리히 뵐러는 뢰스테드의 실험을 반복했지만 알루미늄은 식별하지 못했다.[78](이 같은 모순의 이유는 1921년에야 발견되었다.)[79]같은 해 무수 염화알루미늄에 칼륨을 섞어 알루미늄 분말을 만들어 비슷한 실험을 했다.[75]1845년에 그는 작은 금속 조각을 생산할 수 있었고 이 금속의 물리적 성질을 묘사했다.[79]그 후 여러 해 동안 Wöhler는 알루미늄 발견자로 인정받았다.[80]

런던 피카딜리 서커스에 있는 안테로스 동상은 1893년에 만들어졌으며 알루미늄으로 주조된 최초의 동상 중 하나이다.

Wöhler의 방법은 많은 양의 알루미늄을 산출할 수 없었기 때문에, 금속은 드물게 남아있었다. 그것의 가격이 금의 그것보다 더 높았다.[78]알루미늄의 첫 산업 생산은 1856년 프랑스의 화학자 앙리 에티엔 사인테-클레어 데빌과 동료들에 의해 설립되었다.[81]데빌은 뵐러가 사용했던 칼륨보다 편리하고 저렴한 나트륨에 의해 알루미늄 트리클로라이드가 감소할 수 있다는 사실을 발견했다.[82]그 당시에도 알루미늄은 여전히 순도가 높지 않았고 생산된 알루미늄은 표본별로 특성이 달랐다.[83]

최초의 산업용 대규모 생산방식은 1886년 프랑스 엔지니어 폴 헤룰트와 미국인 엔지니어 찰스 마틴 홀에 의해 독자적으로 개발되었다. 현재는 홀-로 알려져 있다.헤룰트 공정.[84]더 홀-Hérult 공정은 알루미나를 금속으로 변환한다.오스트리아의 화학자 칼 조셉 바이엘은 1889년에 보크사이트를 정화시켜 현재는 바이엘 공정으로 알려진 알루미나(alumina)를 산출하는 방법을 발견했다.[85]현대적인 알루미늄 금속 생산은 Bayer와 Hall을 기반으로 한다.헤룰트 공정.[86]

알루미늄 가격이 떨어지고 알루미늄은 1890년대와 20세기 초에 보석, 일상용품, 안경테, 광학기기, 식기류, 호일 등에 널리 쓰이게 되었다.다른 금속과 단단하면서도 가벼운 합금을 형성하는 알루미늄의 능력은 그 당시 금속을 많은 용도로 사용하였다.[87]제1차 세계 대전 동안, 주요 정부들은 가볍고 튼튼한 항공기를 위한 알루미늄의 대량 선적을 요구했고,[88] 제2차 세계 대전 동안, 주요 정부들의 항공 수요는 훨씬 더 많았다.[89][90][91]

20세기 중반에 이르러 알루미늄은 일상생활의 일부가 되었고 가정용품의 필수적인 구성요소가 되었다.[92]1954년 알루미늄 생산량은 구리 생산량을 [i]앞지르며 역사적으로 철 생산량에서 2위에 [95]그쳐 가장 많이 생산된 비철금속이었다.20세기 중반에는 알루미늄이 토목 재료로 등장하여 기초 시공과 내부 마감 작업에 모두 적용되었고,[96] 비행기와 육상 갑옷 차량 엔진에 모두 군사 공학에 점점 더 많이 사용되었다.[97]1957년에 발사된 지구 최초의 인공위성은 두 개의 분리된 알루미늄 반공간으로 구성되었고, 그 이후의 모든 우주 자동차는 어느 정도 알루미늄을 사용했다.[86]알루미늄 캔은 1956년에 발명되었고 1958년에 음료의 저장소로 사용되었다.[98]

1900년 이후 알루미늄 세계 생산

20세기 내내, 알루미늄의 생산은 급격히 증가했다. 1900년 세계 알루미늄 생산량은 6800 미터톤이었지만, 1916년 연간 생산량은 처음으로 10만 미터톤을 넘어섰다. 1941년 100만 톤, 1971년 1,000,000 톤이었다.[93]1970년대에 알루미늄에 대한 수요 증가로 인해 교환 상품으로 만들어졌고, 1978년에 세계에서 가장 오래된 산업용 금속 거래소인 런던 금속 거래소에 입점했다.[86]2013년 연간 알루미늄 생산량이 5천만 미터톤을 넘어서는 등 생산량은 계속 증가했다.[93]

알루미늄의 실제 가격은 1900년 미터톤당 14,000달러에서 1948년 2,340달러(1998년 미국 달러)로 하락했다.[93]기술적 진보와 경제 규모에 비해 추출 및 처리 비용이 낮아졌다.그러나 낮은 등급의 낮은 품질의 예금을 이용해야 할 필요성과 빠르게 증가하는 입력 비용(무엇보다도 에너지)의 사용은 알루미늄의 순 비용을 증가시켰다;[99] 실제 가격은 에너지 비용의 상승과 함께 1970년대에 증가하기 시작했다.[100]생산은 선진국에서 생산량이 싼 나라로 이동했다.[101]20세기 후반의 생산원가는 기술의 진보, 낮은 에너지 가격, 미국 달러의 환율, 그리고 알루미나 가격 때문에 바뀌었다.[102]1차 생산과 1차 소비에서 BRIC 국가들의 점유율은 21세기 첫 10년간 크게 증가했다.[103]중국은 풍부한 자원, 값싼 에너지, 그리고 정부의 자극 덕분에 세계 생산의 특히 많은 부분을 축적하고 있으며,[104] 또한 1972년 2%에서 2010년 40%로 소비 비중을 늘렸다.[105]미국, 서유럽, 일본에서는 대부분의 알루미늄이 운송, 엔지니어링, 건설, 포장 분야에서 소비되었다.[106]2021년 중국의 에너지 부족이 전기요금을 끌어올리면서 알루미늄 등 산업용 금속 가격이 사상 최고 수준으로 치솟았다.[107]

어원

알루미늄과 알루미늄이라는 이름은 알루미늄의 자연적으로 발생하는 산화물인 [j]알루미나(alumina)의 구식 용어인 알루민(alumine)에서 유래했다.[109]알루민은 프랑스어에서 차용되었고, 다시 알룸의 라틴어 고전적인 이름인 알루멘에서 유래되었다. 알루민은 알룸이 채집된 광물이었다.[110]라틴어 알루멘은 프로토-인도-유럽의 뿌리에서 유래했다. *알루-은 "bitter" 또는 "beer"[111]를 의미한다.

알루미늄 철자를 사용한 1897년 미국 광고

코네이지

금속의 분리를 목적으로 여러 실험을 한 영국의 화학자 험프리 데이비(Humphry Davy)는 이 원소의 이름을 붙인 사람으로 인정받고 있다.금속을 알룸으로부터 격리시키기 위해 제안된 첫 번째 이름은 알루미움이었는데, 다비는 왕립학회 철학 거래에 게재된 자신의 전기화학 연구에 관한 1808년 기사에서 이 사실을 제안했다.[112]영어 단어 alum과 라틴어 접미사 -ium에서 만들어진 이름인 것으로 보이지만, 그 원소들은 라틴어에서 유래된 이름을 가져야 하는 것이 당시 관례였고, 이와 같이 이 이름은 보편적으로 채택되지 않았다.이 이름은 프랑스, 독일, 스웨덴의 현대 화학자들에 의해 비판되었는데, 그들은 금속이 분리될 산화물, 알루미나에 이름을 붙여야 한다고 주장했다.[113]영어단어명 alum은 라틴어를 직접 참조하지 않는 반면, 알루민/알루미나는 라틴어 alumen을 쉽게 참조한다(업온 수축, 알루민-로 알루민 변화).

한 예로 스웨덴의 화학자 욘스 야콥 베르젤리우스가 1811년 7월에 출판한 에사이 수 라 명명 키미크라는 제목의 프랑스어로 쓴 것이 있다. 이 에세이에서 베르젤리우스는 알루미늄이라는 이름을 알룸에서 합성할 원소에 사용했다.[114][k](같은 저널의 다른 기사도 산화물이 알루미늄과 마찬가지로 사파이어의 기초를 이루는 금속을 가리킨다.)[116]1811년 1월 로열 소사이어티에서 데이비의 강연 중 하나를 요약한 결과 알루미늄이라는 이름이 가능성으로 언급되었다.[117]다음 해, 데이비는 그가 철자 알루미늄을 사용하는 화학 교과서를 출판했다.[118]두 철자는 그 이후로 공존해 왔지만, 그 사용법은 지역별로 나뉘었다: 알루미늄은 미국과 캐나다에서 주된 철자법이고 알루미늄은 영어를 사용하는 다른 나라들에서 사용되고 있다.[119]

철자법

1812년 영국의 과학자 토마스 영은[120] 다비의 책에 대해 익명의 리뷰를 썼는데, 다비는 알루미늄 대신 알루미늄이라는 이름을 제안했는데, 이 책에서 그는 "덜 고전적인 소리"[121]를 가지고 있다고 느꼈다.이 이름이 붙었다: 영국에서 -um 스펠링이 가끔 사용되는 반면, 미국의 과학 언어는 처음부터 -ium을 사용했다.[122]대부분의 과학자들은 19세기에 -ium을 전 세계에 사용했고,[119] 프랑스어, 독일어, 네덜란드어 등 많은 다른 유럽 언어에 뿌리를 내렸다.[l]1828년 미국의 사전 편찬자인 노아 웹스터는 그의 미국 영어 사전에서 알루미늄 철자를 독점적으로 사용했다.[123]1830년대에, -um 스펠링은 미국에서 쓰이기 시작했다; 1860년대에 이르러, 그것은 과학 이외의 다른 곳에서 더 흔한 스펠링이 되었다.[122]1892년 홀은 1886년에서 1903년 사이에 자신이 출원한 모든 특허에 -ium 철자를 계속 사용했음에도 불구하고, 그의 광고 핸드빌에 -um 철자를 새로운 전해질 금속 생산 방법에 사용했다.이 철자가 실수로 도입된 것인지, 아니면 의도적으로 도입된 것인지는 아직 밝혀지지 않았지만 홀은 이 철자가 명문 금속의 이름인 플래티넘과 닮아 도입 이후 알루미늄을 선호했다.[124]1890년까지, 두 철자 모두 미국 전체에서 공통적으로 사용되었고, -ium 철자가 약간 더 흔해졌다; 1895년까지 상황은 역전되었다; 1900년까지 알루미늄은 알루미늄보다 두 배 더 흔해졌다; 그 후 10년 동안, -um 철자가 미국인의 사용을 지배했다.1925년에 미국 화학 협회는 이 철자를 채택했다.[119]

국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)은 1990년 알루미늄을 소자의 표준 국제 명칭으로 채택했다.[125]1993년에, 그들은 알루미늄을 허용 가능한 변종이라고 인식했다;[125] 무기 화학 IUPAC 명명법의 가장 최근의 2005년 판은 이 철자도 또한 인정하고 있다.[126]IUPAC 공식 출판물은 -ium 스펠링을 주어로 사용하지만, 적절한 경우 두 가지를 모두 나열한다.[m]

생산 및 정제

참고 항목:일차 알루미늄 생산 국가 목록

알루미늄의 생산은 땅에서 보크라이트 암석을 추출하는 것으로 시작한다.보크사이트는 바이엘 공정을 이용해 알루미나(alumina)로 가공, 변형되며, 그 후 홀-을 이용해 가공된다.최종 알루미늄 금속을 생성하는 Hérult 공정.

알루미늄 생산은 에너지 소비량이 매우 높기 때문에 생산자들은 전력이 풍부하고 저렴하게 공급되는 장소에 제련소를 찾는 경향이 있다.[128]2019년 현재 세계 최대 알루미늄 제련소가 중국, 인도, 러시아, 캐나다, 아랍에미리트(UAE)[129]에 있는 반면 중국은 세계 점유율 55%로 단연 1위다.

국제 자원 패널의 사회 금속 주식 보고서에 따르면, 사회에 사용되고 있는 1인당 알루미늄 재고(자동차, 건물, 전자제품 등)는 80kg(180lb)이다.이 중 상당 부분은 저개발국(일인당 35kg(77lb)이 아니라 더 발전된 국가(일인당 350~500kg(770~1100lb))에 해당한다.[130]

바이어 프로세스

주요 기사:바이어 프로세스
참고 항목:보크사이트별 국가 목록

보크사이트는 바이엘 공정에 의해 알루미나로 전환된다.보크사이트는 균일한 조성을 위해 혼합된 후 갈린다.그 결과 슬러리는 수산화나트륨의 뜨거운 용액과 혼합된다. 그런 다음 혼합물은 대기 위 훨씬 높은 압력으로 디지스터 용기에서 처리되어 보크사이트의 알루미늄 수산화물을 용해하는 동시에 불순물을 비교적 불용성 화합물로 변환한다.[131]

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

이 반응 후에 슬러리는 대기 끓는점 이상의 온도에 있게 된다.압력이 감소함에 따라 증기를 제거하여 냉각한다.보크사이트 잔여물은 용액에서 분리되어 폐기된다.고체가 없는 용액은 알루미늄 수산화물의 작은 결정으로 시딩되며, 이는 [Al(OH)]4− 이온을 알루미늄 수산화물로 분해하는 원인이 된다.알루미늄의 약 절반이 침전된 후, 이 혼합물은 분류기로 보내진다.수산화알루미늄의 작은 결정체들은 시딩제 역할을 하기 위해 수집된다; 거친 입자들은 가열하여 알루미나로 전환된다; 여분의 용액은 증발에 의해 제거되고, (필요한 경우) 정제되고, 재활용된다.[131]

홀-헤룰트 과정

알루미늄 압출 빌렛
주요 기사:홀-헤룰트 공정 및 알루미늄 제련
참고 항목:산화알루미늄 생산에 의한 국가 목록

알루미나에서 알루미늄 금속으로의 전환은 홀-에 의해 달성된다.헤룰트 공정.이 에너지 집약적 공정에서 플루오르화 칼슘을 첨가한 크라이올라이트(NaAlF36)를 녹인(950 및 980°C(1,740 및 1,800°F)에 알루미나 용액을 전해주어 금속 알루미늄을 생산한다.액체 알루미늄 금속은 용액 바닥까지 가라앉아 태핑되며, 추가 처리를 위해 알루미늄 빌렛이라는 큰 블록에 주조된다.[37]

전기분해세포의 양극은 불소 부식에 가장 저항성이 높은 물질인 탄소로 만들어지며, 그 과정에서 굽거나 미리 굽는다.소데르베르크 양극이라고도 불리는 전자는 전력 효율이 낮고 굽는 동안 배출되는 연기는 수거 비용이 많이 들기 때문에 음극을 미리 만들기 위한 전력, 에너지, 노동력을 절약하면서도 미리 구운 양극으로 대체되고 있는 것이다.양극용 탄소는 알루미늄이나 전해질이 재에 오염되지 않도록 가급적 순수해야 한다.부식에 대한 탄소의 저항성에도 불구하고, 생산된 알루미늄의 킬로그램 당 0.4–0.5 kg의 비율로 소비된다.음극은 무연탄으로 만들어진다. 불순물이 아주 천천히 스며들기 때문에 높은 순도는 필요하지 않다.음극은 생산된 알루미늄의 킬로그램 당 0.02–0.04 kg의 속도로 소비된다.셀은 보통 음극의 고장 후 2-6년 후에 종료된다.[37]

홀-헤룰트 공정은 순도가 99% 이상인 알루미늄을 생산한다.후프스 공정에 의해 더 많은 정화가 이루어질 수 있다.이 프로세스에는 녹은 알루미늄을 나트륨, 바륨 및 알루미늄 불소 전해질로 전기분해하는 작업이 포함된다.결과 알루미늄의 순도는 99.99%[37][132]이다.

전력은 제련소 위치에 따라 알루미늄 생산 비용의 약 20~40%를 차지한다.알루미늄 생산은 미국에서 발생하는 전기의 약 5%를 소비한다.[125]이것 때문에, 홀에 대한 대안이 있다.헤룰트 과정은 연구되었지만 경제적으로 실현 가능한 것은 없었다.[37]

재활용

재활용 가능한 폐기물을 위한 일반 쓰레기통과 재활용할 수 없는 폐기물을 위한 쓰레기통.노란색 상의가 달린 쓰레기통에는 "알루미늄"이라는 라벨이 붙어 있다.그리스 로도스.
주요 기사:알루미늄재활용

재활용을 통한 금속의 회수는 알루미늄 산업의 중요한 과제가 되었다.재활용은 1960년대 말 알루미늄 음료 캔의 사용이 증가하면서 대중들에게 널리 알려지기 전까지 주목을 끌지 못한 활동이었다.[133]재활용에는 상당한 부분(입력 물질의 최대 15%)이 쓰레기(ash-like oxide)로 손실되지만 광석에서 알루미늄을 생산하는 데 사용되는 에너지의 5%만 필요한 프로세스인 고철을 녹이는 작업이 포함된다.[134]알루미늄 스택 멜터는 1% [135]미만으로 보고된 값과 함께 상당히 적은 총량을 생산한다.

1차 알루미늄 생산과 2차 재활용 작업에서 나온 백색 찌꺼기는 산업적으로 추출할 수 있는 유용한 양의 알루미늄을 여전히 포함하고 있다.이 공정은 고도로 복잡한 폐자재와 함께 알루미늄 빌렛을 생산한다.이 낭비는 관리하기 어렵다.물과 반응하여 공기와 접촉할 때 자연적으로 발화하는 기체(수소, 아세틸렌 및 암모니아 포함)를 혼합하여 방출한다.[136] 습한 공기와 접촉하면 많은 양의 암모니아 가스가 방출된다.이러한 어려움에도 불구하고, 폐기물은 아스팔트와 콘크리트의 필러로 사용된다.[137]

적용들

알루미늄 차체의 오스틴 A40 스포츠 (c. 1951)

금속

참고 항목:알루미늄합금

2016년 전 세계 알루미늄 생산량은 5880만 메트릭톤이었다.철을 제외한 다른 금속(12억3100만t)보다 많았다.[138][139]

알루미늄은 거의 항상 합금되어 있어 특히 강화 시 기계적 특성이 현저하게 개선된다.예를 들어 일반적인 알루미늄 포일 및 음료 캔은 92% ~ 99%의 알루미늄 합금이다.[140]주요 합금제는 구리, 아연, 마그네슘, 망간, 실리콘(예: 두랄루민)이며, 무게별로 다른 금속의 수준이 몇 %이다.[141]알루미늄은 연마 및 주조물 모두 망간, 실리콘, 마그네슘, 구리 및 아연과 합금되었다.[142]예를 들어, 카이날 합금 계열은 영국의 화학 제조업체인 임페리얼 케미컬 인더스트리에 의해 개발되었다.

알루미늄캔

알루미늄 금속의 주요 용도는 다음과 같다.[143]

  • 운송(자동차, 항공기, 트럭, 철도 자동차, 해양 선박, 자전거, 우주선 등).알루미늄은 밀도가 낮기 때문에 사용된다.
  • 포장(캔, 호일, 프레임 등).알루미늄은 무독성(아래 참조), 무독성, 비파괴성 및 비파손 방지성 때문에 사용된다.
  • 건물 및 건축(창문, 문, 측면, 건물 와이어, 피복, 지붕 등)강철은 경량성, 내식성 또는 공학적 특성이 중요한 경우 알루미늄을 사용한다.
  • 전기 관련 용도(전도체 합금, 모터 및 발전기, 변압기, 캐패시터 등).알루미늄은 상대적으로 저렴하고 전도성이 높으며, 적절한 기계적 강도와 낮은 밀도를 가지며, 부식을 억제하기 때문에 사용된다.
  • 조리기구부터 가구까지 다양한 생활용품.저밀도, 외관, 제작 용이성 및 내구성이 알루미늄 사용의 핵심 요인임.
  • 기계 및 장비(처리 장비, 파이프, 공구)알루미늄은 부식 저항성, 비피질성, 기계적 강도 때문에 사용된다.
  • 휴대용 컴퓨터 케이스.현재 합금 없이 거의 사용되지 않지만 알루미늄은 재활용할 수 있고 깨끗한 알루미늄은 잔여 시장가치를 가지고 있다.[144] 예를 들어, 사용된 음료 캔(UBC) 재료는 맥북 에어 노트북, 픽셀 5 스마트폰 또는 서밋 라이트 스마트워치의 전자 부품을 포장하는 데 사용되었다.[145][146][147]

화합물

산화알루미늄의 대다수(약 90%)는 금속 알루미늄으로 변환된다.[131]알루미나는 매우 단단한 물질로서 연마제로 널리 사용된다.[148][149] 알루미나는 화학적으로 매우 불활성이므로 고압 나트륨등과 같은 반응성이 높은 환경에서 유용하다.[150]산화알루미늄은 산업 공정의 촉매로 일반적으로 사용된다.[131] 예를 들어 정제소에서 황화수소를 황으로 변환하고 아민 알킬레이트([151][152]alkylate)로 변환하는 클로스 공정.많은 산업용 촉매들이 알루미나에 의해 지지되는데, 이는 값비싼 촉매 물질이 불활성 알루미나 표면에 분산된다는 것을 의미한다.[153]또 다른 주요 용도는 건조제 또는 흡수제로서 사용된다.[131][154]

기질에 알루미나의 레이저 침적

몇몇 황산알루미늄은 산업용과 상업용으로 사용된다.황산알루미늄(하이드레이트 형태)은 연간 수 백만 미터 톤의 규모로 생산된다.[155]약 3분의 2가 수처리 과정에서 소비된다.[155]다음 주요 용도는 종이 제조에 있다.[155]또한 염색, 피클링 씨앗, 미네랄 오일 탈취, 가죽 태닝, 기타 알루미늄 화합물 생산에도 매개체로 사용된다.[155]이전에는 알룸, 암모늄 알룸, 칼륨 알룸 등 2종이 황산염과 가죽 태닝으로 사용됐지만, 고순도 알루미늄 황산염의 사용 가능 여부에 따라 사용이 크게 줄었다.[155]무수 염화알루미늄 염화물은 화학 및 석유화학 산업, 염색 산업, 다양한 무기 및 유기 화합물의 합성에 촉매로 사용된다.[155]알루미늄 히드록시염소화물은 물을 정화하는데, 제지 산업에서, 그리고 해충 방지제로 사용된다.[155]알루민산나트륨은 물을 치료하고 시멘트의 고체화를 촉진하는 데 사용된다.[155]

많은 알루미늄 화합물에는 다음과 같은 틈새 용도가 있다.

생물학

사람의 피부에 의한 알루미늄 흡수 도식.[166]

지구의 지각에서 광범위하게 발생함에도 불구하고 알루미늄은 생물학에서 알려진 기능을 가지고 있지 않다.[37]pH 6–9(대부분의 자연수와 관련)에서는 알루미늄 침전물이 수산화물로 물 밖으로 침전되어 사용할 수 없으며, 이러한 방식으로 작용하는 대부분의 원소는 생물학적 역할이 없거나 독성이 있다.[167]알루미늄염은 독성이 없다.[citation needed]황산알루미늄은 LD가50 6207mg/kg(도덕, 마우스)으로 70kg(150lb)인 경우 435g에 해당하지만,[37] 치사율과 신경독성은 그 함의는 다르다.[168]안드라시 외 연구진은 알츠하이머 질환을 앓고 있는 피실험자의 네크로스코프를 사용하지 않은 피실험자와 비교했을 때 일부 뇌 영역에서 "알루미늄 함량이 상당히 높은" 것을 발견했다.[169]글리포세이트를 포함한 알루미늄 첼레이트.[170]

독성

알루미늄은 미국 보건복지부에 의해 비카르시노겐으로 분류된다.[171][n]1988년에 발표된 한 리뷰는 알루미늄에 대한 정상적인 노출이 건강한 성인에게 위험을 준다는 증거는 거의 없으며 2014년 다원소 독성학 리뷰는 체질량 kg당 하루 40mg/day 이하로 소비된 알루미늄의 유해한 영향을 찾을 수 없었다고 밝혔다.[174][171]대부분의 알루미늄 소비는 신체를 대변에 남긴다; 대부분의 알루미늄은 혈류로 들어가는 작은 부분은 소변을 통해 배설된다;[175] 그럼에도 불구하고 일부 알루미늄은 혈뇌 장벽을 통과하여 알츠하이머 환자의 뇌에 우선적으로 박혀진다.[176][177]1989년에 발표된 증거는 알츠하이머 환자의 경우 알루미늄이 정전기적으로 단백질을 교차시켜 상위의 측두회 유전자를 하향 조절하는 작용을 할 수 있다는 것을 보여준다.[178]

영향들

알루미늄은 드물지만 비타민D 내성 골연화증, 에리트로포이에틴 내성 미세시성 빈혈, 중추신경계 변형을 일으킬 수 있다.신장이 부족한 사람들은 특히 위험하다.[171]수산화 알루미늄 규산염을 만성적으로 섭취할 경우(과도한 위산성 조절을 위한) 장내 함량에 알루미늄 결합이 발생하고 철이나 아연과 같은 다른 금속의 제거가 증가할 수 있으며, 충분히 많은 용량(>50 g/day)이 빈혈을 일으킬 수 있다.[171]

There are five major aluminium forms absorbed by human body: the free solvated trivalent cation (Al3+(aq)); low-molecular-weight, neutral, soluble complexes (LMW-Al0(aq)); high-molecular-weight, neutral, soluble complexes (HMW-Al0(aq)); low-molecular-weight, charged, soluble complexes (LMW-Al(L)n+/−(aq)); nano and micro-particulates (Al(L)n(s)).그것들은 세포막이나 세포 인식/내피에 걸쳐 5가지 주요 경로를 통해 운반된다. (1) 파라셀룰라, (2) 세포간 전이, (3) 활성 이동, (4) 채널, (5) 흡착성 또는 수용체 매개 내피세포 분열.[166]

1988년 Camelford 수질오염 사건 동안 Camelford의 사람들은 몇 주 동안 황산알루미늄에 오염된 식수를 섭취했다.2013년 이 사건에 대한 최종 보고서는 이것이 장기적인 건강 문제를 야기했을 가능성은 낮다고 결론지었다.[179]

알루미늄은 알츠하이머병의 원인일 가능성이 있다는 의혹을 받아왔으나 2018년 현재 40년 넘게 연구한 결과 인과관계의 좋은 증거가 발견되지 않았다.[180][181][182]

알루미늄은 실험실에서 배양된 인간의 유방암 세포에서 에스트로겐 관련 유전자 발현을 증가시킨다.[183]매우 높은 용량에서 알루미늄은 혈액-뇌 장벽의 기능 변화와 관련이 있다.[184]소수의 사람들이[185] 알루미늄에 접촉 알레르기를 가지고 있으며 알루미늄이 함유된 제품과 접촉했을 때 붉은 발진, 두통, 근육통, 관절 통증, 기억력 저하, 불면증, 우울증, 천식, 과민성 장 증후군 또는 기타 증상을 경험한다.[186]

분말 알루미늄 또는 알루미늄 용접 가스에 노출되면 폐섬유화 현상이 발생할 수 있다.[187]미세한 알루미늄 분말은 발화하거나 폭발할 수 있어 또 다른 작업장의 위험을 초래할 수 있다.[188][189]

노출 경로

식품은 알루미늄의 주요 공급원이다.음용수는 고체 식품보다 더 많은 알루미늄을 함유하지만,[171] 식품 내 알루미늄은 물에서 나오는 알루미늄보다 더 많이 흡수될 수 있다.[190]알루미늄에 대한 인간의 경구 피폭의 주요 원천에는 식품(식품 첨가물, 식음료 포장 및 조리 도구에 사용), 음용수(시군 수처리 시 사용), 알루미늄 함유 의약품(특히 제산제/항응고제 및 완충 아스피린 제제)이 있다.[191]유럽인의 식사 노출은 평균 0.2–1.5mg/kg/주 단위지만 2.3mg/kg/주 단위까지 높을 수 있다.[171]알루미늄의 높은 노출 수준은 대부분 광부, 알루미늄 생산 작업자 및 투석 환자로 제한된다.[192]

제산제, 해독제, 백신, 화장품의 섭취는 가능한 노출 경로를 제공한다.[193]산성 식품이나 알루미늄이 함유된 액체를 섭취하면 알루미늄 흡수가 강화되며,[194] 말톨은 신경과 골조직에 알루미늄 축적을 증가시키는 것으로 나타났다.[195]

치료

다량의 알루미늄을 갑자기 섭취한 것으로 의심되는 경우, 유일한 치료법은 체내에서 킬레이트 처리로 알루미늄을 제거하는 데 도움을 줄 수 있는 데페록사민 메실레이트뿐이다.[196][197]단, 알루미늄 차체의 수준뿐만 아니라 구리나 철과 같은 다른 금속의 수준도 감소하므로 주의해야 한다.[196]

환경 영향

독일 스타드에 있는 '보크사이트 미행' 저장시설.알루미늄 산업은 연간 약 7천만 톤의 폐기물을 발생시킨다.

높은 수준의 알루미늄은 채굴 현장 근처에서 발생한다. 소량의 알루미늄은 석탄 화력발전소나 소각장에서 환경에 방출된다.[198]공기 중의 알루미늄은 비에 의해 씻겨 나가거나 보통 가라앉지만 알루미늄의 작은 입자들은 오랫동안 공기 중에 남아 있다.[198]

산성 강수는 자연 발생원에서[171] 알루미늄을 동원하는 주요 자연 요인이고 알루미늄의 환경적 효과의 주요 원인이다.[199] 그러나 염분과 담수에 알루미늄이 존재하는 주요 원인은 알루미늄을 공기 중으로 방출하는 산업 공정이다.[171]

물에서 알루미늄은 물이 산성일 때 물고기와 같은 질 분비 동물에게 토시(toxi) 역할을 하며,[200] 이 과정에서 알루미늄이 아가미에 침전되어 혈장 및 용혈 이온의 손실이 발생하여 삼모구계 기능 상실로 이어질 수 있다.[199]알루미늄의 유기 복합체는 실제로 거의 발생하지 않더라도 쉽게 흡수되어 포유류와 조류에서 신진대사를 방해할 수 있다.[199]

알루미늄은 산성 토양에서 식물의 성장을 감소시키는 요인 중 일차적이다.pH중립토양의 식물성장에 일반적으로 무해하지만 산성토양의 경우 독성알3+ 양이온의 농도가 증가하여 뿌리성장과 기능을 방해한다.[201][202][203][204]밀은 알루미늄에 대한 내성을 개발하여 유해한 알루미늄 양이온에 결합하는 유기 화합물을 방출하고 있다.수수깡은 같은 허용오차 메커니즘을 가지고 있다고 여겨진다.[205]

알루미늄 생산은 생산 공정의 각 단계에서 환경에 대한 고유의 과제를 안고 있다.주요 과제는 온실가스 배출이다.[192]이러한 기체는 제련소의 전기 소비량과 처리 부산물에서 발생한다.이 가스들 중 가장 강력한 것은 제련 과정에서 나온 과불화탄소다.[192]배출된 아황산가스는 산성비의 주요 전구 중 하나이다.[192]

2001년 스페인 과학 보고서는 거트리쿰 칸디다움이 콤팩트 디스크의 알루미늄을 소비한다고 주장했다.[206][207]다른 보고서들은 모두 그 보고서와 연관되어 있으며, 원래의 연구를 뒷받침하는 것은 없다.더 잘 문서화된 바에 따르면 등유 기반 연료를 사용하는 항공기 연료 탱크에서 박테리아 Phyomonas Aeruginosa와 곰팡이 Cladosporium rezenae가 일반적으로 검출되며, 실험실 배양액은 알루미늄을 분해할 수 있다.[208]그러나 이러한 생명체는 알루미늄을 직접 공격하거나 소비하지 않고 오히려 금속은 마이크로베 폐제품에 의해 부식된다.[209]

참고 항목

메모들

  1. ^ Davy가 1812년에 쓴 알루미늄이라는 단어는 다른 작가들의 알루미늄 사용으로 인해 앞섰다.그러나 Davy는 종종 이 원소의 이름을 지은 사람으로 언급된다; 그는 알루미늄으로 이름을 지은 첫 번째 사람이다: 그는 1808년에 알루미늄을 사용했다.다른 작가들은 그 이름을 받아들이지 않았고 대신 알루미늄을 선택했다.자세한 내용은 아래를 참조하십시오.
  2. ^ 원자 번호가 홀수인 원소는 2개 이상의 안정 동위원소를 가지지 않는다. 짝수 원소는 여러 개의 안정 동위원소를 가지며 주석(원소 50)은 모든 원소의 안정 동위원소 수가 10개로 가장 많다.단 하나의 예외는 짝수지만 안정적인 동위원소가 단 한 개뿐인 베릴륨이다.[5]자세한 내용은 짝수 및 홀수 원자핵을 참조하십시오.
  3. ^ 대부분의 다른 금속은 더 큰 표준 원자 중량을 가진다. 예를 들어 철의 중량은 55.8, 구리 63.5, 납 207.2. [7]이 경우 원소의 특성에 영향을 미친다(아래 참조).
  4. ^ 알루미늄 호일의 양쪽 면은 광택이 다르다. 하나는 반짝이고 다른 하나는 둔탁하다.그 차이는 알루미늄 호일 제조의 기술적 공정에서 발생하는 둔한 면의 표면의 작은 기계적 손상에 기인한다.[17]양쪽 모두 비슷한 양의 가시광선을 반사하지만, 반짝거리는 쪽은 가시광선의 훨씬 더 많은 부분을 반사하는 반면, 둔한 쪽은 거의 전적으로 빛을 분산시킨다.[18]
  5. ^ 실제로 알루미늄의 전기적 거동, 높은 산소에 대한 친화력, 그리고 매우 부정적인 표준 전극 전위는 모두 스칸듐, 이트리움, 란타넘, 액티늄과 더 잘 일치한다. 알루미늄과 마찬가지로 고귀한 가스 코어 외부에 3개의 발란스 전자가 있다. 이 시리즈는 연속적인 추세를 보여주는 반면 그룹 13의 전위는 깨진다.갈륨에 처음 추가된 d-subshell과 그에 따른 d-block 수축, 탈륨에 처음 추가된 f-subshell과 그에 따른 란타니드 수축에 의해.[30]
  6. ^ AL-F 채권은 다른 M-F 채권과 유형 차이가 유의미하지 않기 때문에 이들을 [AlF6]3− 복합 음이온으로 간주해서는 안 된다.[40]
  7. ^ 예를 들어, Sn과IV Bi에서III 발생하는 불소와 더 무거운 할로겐화물의 조정 차이는 드물지 않다. CO와2 SiO2 사이에 더 큰 차이가 발생한다.[40]
  8. ^ 선원의 부재는 입자당 표기법보다는 실리콘과 관련된 것으로 나열된다.실리콘 10개6 부품당 모든 원소의 합계는 2.6682×1010 부품이며, 알루미늄은 8.410×104 부품으로 구성된다.
  9. ^ USGS의 연간 알루미늄[93] 및 구리[94] 생산 통계를 비교하십시오.
  10. ^ 스펠링 알루민은 프랑스어에서 유래한 반면, 스펠링 알루미나는 라틴어에서 유래한다.[108]
  11. ^ Davy는 영어 단어인 탄산음료와 포타쉬의 이름을 따서 나트륨과 칼륨을 포함한 몇 가지 다른 원소를 발견했다.베르젤리우스는 그들을 나트리움과 칼륨이라고 불렀다.베르젤리우스의 제안은 1814년[115] 그의 제안된 1, 2글자 화학 기호 체계로 확장되었는데, 이것은 오늘날까지 사용되고 있다; 나트륨과 칼륨은 각각 라틴어 이름 뒤에 Na와 K의 기호를 가지고 있다.
  12. ^ 스페인어나 이탈리아어와 같은 일부 유럽 언어는 라틴어 -um/-ium과 다른 접미사를 사용하여 금속의 이름을 형성하고, 폴란드어나 체코어처럼 원소 이름에 대한 기반이 다른 것도 있고, 러시아어나 그리스어처럼 라틴어 문자를 아예 사용하지 않는 것도 있다.
  13. ^ 예를 들어, 2013년 11월~12월 화학 국제호를 참조하십시오: (일부) 요소 표에 해당 요소가 "알루미늄(알루미늄)"[127]으로 나열되어 있다.
  14. ^ Söderberg 알루미늄은 발암성이 없지만, 국제암연구기관에서 지적한 바와 같이 다순환 방향족 탄화수소에 노출되어 있을 가능성이 높다.[172][173]

참조

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    프랑스 화학자들은 이 순수한 지구에 새로운 이름을 붙였다; 프랑스어로 알루민, 라틴어로 알루미나.나는 이 알루미나를 좋아하지 않는다는 것을 고백한다.
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    알루민과 글루킨에 작용하는 칼륨은 짙은 회색빛의 파이로포린 물질을 생성하는데, 이 물질은 연소되어 눈부신 불꽃을 내뿜으며 알칼리와 흙을 남기는 것으로, 물에 던져지면 엄청난 폭력으로 분해된다.이 실험의 결과는 알루미늄과 글루키늄이라고 불릴 수 있는 것의 존재에 대해 전적으로 결정적인 것은 아니다.
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    알루미늄 n.은 19세기 내내 동의어 알루미늄 n.과 공존했다.20세기 초부터, 알루미늄은 점차 북미에서 지배적인 형태가 되었고, 1925년 미국 화학 협회에 의해 미국에서 금속의 공식 명칭으로 채택되었다.다른 곳에서는 알루미늄이 점차 알루미늄으로 대체되었고, 1990년에는 IUPAC에 의해 국제 표준으로 채택되었다.
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참고 문헌 목록

추가 읽기

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외부 링크