Se alguma vez houvesse um elemento que pudesse ter sido votado como "menos probabilidade de sucesso, "seria alumínio. Embora os antigos oleiros persas adicionassem alumínio à argila para fortalecer a cerâmica, o alumínio puro não foi descoberto até 1825. Até então, humanos têm usado vários metais e Ligas de metais (ou misturas de metal como o bronze) por milhares de anos.
Mesmo depois de sua descoberta, o alumínio parecia destinado à obscuridade. Os químicos só conseguiam isolar alguns miligramas de cada vez, e era tão raro que ficava ao lado do ouro e da prata como um metal semiprecioso. De fato, em 1884, a produção total de alumínio nos EUA foi de apenas 125 libras (57 quilogramas) [fonte:Alcoa].
A seguir
Então, em 1886, O americano Charles Martin Hall e o francês Paul L. T. Heroult, trabalhando de forma independente, desenvolveu um método para extrair o alumínio do óxido de alumínio. O processo, um tipo de redução eletrolítica , exigia uma enorme quantidade de energia elétrica, mas produziu o metal branco prateado em grandes quantidades. Em 1891, a produção de alumínio atingiu bem mais de 300 toneladas (272 toneladas métricas) [fonte:Alcoa]. E estava encontrando seu caminho em uma vasta gama de produtos, de panelas e frigideiras a lâmpadas e cabos de energia a carros e motocicletas.
Hoje, mais de um século depois, o alumínio é o próprio símbolo da onipresença. Todo ano, os Estados Unidos produzem mais de 5,6 milhões de toneladas (5,1 milhões de toneladas métricas) [fonte:International Aluminium Institute]. Muito desse alumínio vai para latas de cerveja e refrigerante - a quantidade de 300 milhões de latas de bebidas de alumínio por dia, 100 bilhões por ano [fonte:Can Manufacturers Institute]. Nada mal para um elemento que passou tanto tempo sem ser descoberto.
Neste artigo, vamos dar uma olhada mais de perto no alumínio - suas propriedades, ocorrência e comportamento. Também examinaremos o ciclo de vida do alumínio, desde sua produção pelo processo Hall-Heroult até sua reencarnação após a reciclagem. E, finalmente, vamos explorar todos os usos do alumínio, incluindo alguns usos futuros que podem surpreendê-lo.
Vamos começar com o básico:o alumínio do ponto de vista de um químico.Conteúdo
Como dezenas de outros elementos da tabela periódica, o alumínio ocorre naturalmente. Como com todos os elementos, o alumínio é uma substância química pura que não pode ser decomposta em algo mais simples. Todos os elementos são organizados na tabela periódica por seus número atômico - o número de prótons em seu núcleo. O número da sorte do alumínio é 13, portanto, um átomo de alumínio tem 13 prótons. Ele também tem 13 elétrons.
Os elementos localizados acima e abaixo do alumínio na tabela periódica formam um família, ou grupo , que compartilha propriedades semelhantes. O alumínio pertence ao grupo 13, que também inclui boro (B), gálio (Ga), índio (In) e tálio (Tl). A tabela à direita mostra como esses elementos seriam organizados na tabela periódica. Observe que cada elemento é representado por um símbolo e que o símbolo para o alumínio é Al . O número acima de cada símbolo é o do elemento peso atômico , medido em unidades de massa atômica ( amu ) O peso atômico é a massa média de um elemento determinado considerando a contribuição de cada isótopo natural. O peso atômico do alumínio é 26,98 amu. O número abaixo do símbolo do alumínio é o seu número atômico.
Grupo 13
A família do boro
10,81
B
5
26,98
Al
13
69,72
Ga
31
114,82
No
49
204,38
Tl
8
Os químicos classificam os elementos do grupo 13 como metais, exceto para o boro, que não é um metal desenvolvido. Metais geralmente são elementos brilhantes que conduzem bem o calor e a eletricidade. Eles também são maleável - capaz de ser martelado em várias formas - e dúctil - pode ser transformado em fios. Essas características certamente se aplicam ao alumínio. Na verdade, o alumínio é freqüentemente usado em utensílios de cozinha porque conduz o calor de maneira muito eficiente. E apenas o cobre conduz melhor a eletricidade, o que torna o alumínio um material ideal para material elétrico, incluindo lâmpadas, linhas de energia e fios de telefone. Outras propriedades importantes do alumínio estão listadas abaixo:
Essas duas propriedades finais tornam o alumínio particularmente útil. Sua resistência à corrosão se deve às reações químicas que ocorrem entre o metal e o oxigênio. Quando o alumínio reage com o oxigênio, uma camada de óxido de alumínio se forma na parte externa do metal. Esta camada fina protege o alumínio subjacente dos efeitos corrosivos do oxigênio, água e outros produtos químicos. Como resultado, o alumínio é especialmente valioso para uso ao ar livre. Ele também não produz faíscas quando atingido, o que significa que você pode usá-lo perto de materiais inflamáveis ou explosivos.
O alumínio existe na natureza em vários compostos. Para tirar proveito de suas propriedades, deve ser separado dos outros elementos que combinam com ele - um longo, processo complexo que começa com um material duro como uma rocha conhecido como bauxita .
Depois de passar por esse processo, o alumínio é muito macio e leve em sua forma pura. Às vezes, é desejável alterar essas propriedades - para tornar o alumínio mais forte e mais duro, por exemplo. Para conseguir isso, metalúrgicos irão combinar alumínio com outros elementos metálicos, formando o que é conhecido como ligas . O alumínio é comumente ligado ao cobre, magnésio e manganês. Cobre e magnésio aumentam a resistência do alumínio, enquanto o manganês aumenta a resistência à corrosão do alumínio.
O alumínio não é encontrado na natureza como um elemento puro. Exibe reatividade química relativamente alta, o que significa que tende a se ligar a outros elementos para formar compostos. Mais de 270 minerais nas rochas e solos da Terra contêm compostos de alumínio. Isso torna o alumínio o metal mais abundante e o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre. Apenas o silício e o oxigênio são mais comuns do que o alumínio. O próximo metal mais comum depois do alumínio é o ferro, seguido por magnésio, titânio e manganês.
A fonte primária de alumínio é um minério conhecido como bauxita . Um minério é qualquer material sólido de ocorrência natural a partir do qual um metal ou mineral valioso pode ser obtido. Nesse caso, o material sólido é uma mistura de óxido de alumínio hidratado e óxido de ferro hidratado. Hidratado refere-se a moléculas de água que estão quimicamente ligadas aos dois compostos. A fórmula química do óxido de alumínio é Al 2 O 3 . A fórmula do óxido de ferro é Fe 2 O 3 .
Depósitos de bauxita ocorrem como camadas planas próximas à superfície da Terra e podem cobrir muitos quilômetros. Geólogos localizam esses depósitos por prospecção - coleta de amostras de núcleo ou perfuração em solos suspeitos de conter o minério. Ao analisar os núcleos, os cientistas são capazes de determinar a quantidade e a qualidade da bauxita.
Depois que o minério é descoberto, As minas a céu aberto normalmente fornecem a bauxita que acabará se transformando em alumínio. As primeiras escavadeiras limpam o terreno acima de um depósito. Em seguida, os trabalhadores soltam o solo com explosivos, que trazem o minério para a superfície. Pás gigantes, então, recolhem o solo rico em bauxita e jogam-no em caminhões, que transportam o minério para uma planta de processamento. A França foi o primeiro local de mineração de bauxita em grande escala. Nos Estados Unidos, Arkansas foi um grande fornecedor de bauxita antes, durante e após a Segunda Guerra Mundial. Mas hoje, o material é predominantemente extraído da Austrália, África, América do Sul e Caribe.
A primeira etapa na produção comercial de alumínio é a separação do óxido de alumínio do óxido de ferro da bauxita. Isso é feito usando uma técnica desenvolvida por Karl Joseph Bayer, um químico austríaco, em 1888. Na Processo Bayer , bauxita é misturada com soda cáustica, ou hidróxido de sódio, e aquecido sob pressão. O hidróxido de sódio dissolve o óxido de alumínio, formando aluminato de sódio. O óxido de ferro permanece sólido e é separado por filtração. Finalmente, hidróxido de alumínio introduzido no aluminato de sódio líquido faz com que o óxido de alumínio precipitado , ou sair da solução como um sólido. Esses cristais são lavados e aquecidos para se livrar da água. O resultado é óxido de alumínio puro, um pó branco fino também conhecido como alumina .
A alumina é um material útil por si só. Sua dureza o torna útil como abrasivo e como componente em ferramentas de corte. Também pode ser usado para purificar água e para fazer cerâmicas e outros materiais de construção. Mas seu uso principal é atuar como ponto de partida para extrair alumínio puro. Na próxima seção, veremos as etapas necessárias para transformar alumina em alumínio.
A transformação da alumina - óxido de alumínio - em alumínio representou um marco importante na revolução industrial. Até que as técnicas de fundição modernas evoluíssem, apenas pequenas quantidades de alumínio puderam ser obtidas. A maioria dos processos iniciais dependia do deslocamento do alumínio por metais mais reativos, mas o metal permaneceu caro e relativamente evasivo. Tudo isso mudou em 1886 - o ano em que dois aspirantes a químicos e industriais desenvolveram um processo de fundição baseado em eletrólise.
Eletrólise literalmente significa "quebrar por eletricidade, "e pode ser usado para decompor um produto químico em produtos químicos componentes. A configuração tradicional para eletrólise requer dois eletrodos de metal submersos em uma amostra líquida ou fundida de um material contendo íons positivos e negativos. Quando os eletrodos são conectados a uma bateria, um eletrodo se torna um terminal positivo, ou ânodo . O outro eletrodo se torna um terminal negativo, ou cátodo . Como os eletrodos são eletricamente carregados, eles atraem ou repelem partículas carregadas dissolvidas na solução. O ânodo positivo atrai íons carregados negativamente, enquanto o cátodo negativo atrai íons carregados positivamente.
Sir Humphry Davy, o químico britânico recebeu o crédito de dar o nome ao alumínio, tentou, sem sucesso, produzir alumínio por eletrólise no início do século XIX. O professor e químico amador francês Henri Saint-Claire Deville também apareceu de mãos vazias. Então, em fevereiro de 1886, depois de vários anos de experimentação, O americano Charles Martin Hall encontrou a fórmula certa:passar uma corrente contínua por uma solução de alumina dissolvida em fundido criolita , ou fluoreto de sódio e alumínio (Na 3 AlF 6 ) Até 1987, a criolita foi extraída de depósitos encontrados na costa oeste da Groenlândia. Hoje, químicos sintetizam o composto a partir do mineral fluorita, o que é muito mais comum.
As etapas na fundição de alumínio são descritas abaixo:
2Al 2 O 3 + 3C -> 4Al + 3CO 2
O processo de fundição de alumínio desenvolvido por Hall resultou em grandes quantidades de alumínio puro. De repente, o metal não era mais raro. A ideia de produzir alumínio por redução eletrolítica na criolita não era rara, qualquer. Um francês chamado Paul L.T. Heroult teve a mesma ideia alguns meses depois. Corredor, Contudo, recebeu uma patente para o processo em 1889, um ano depois de fundar a Pittsburgh Reduction Company, que mais tarde se tornaria a Aluminum Company of America, ou Alcoa. Em 1891, a produção de alumínio atingiu bem mais de 300 toneladas (272 toneladas métricas) [fonte:Alcoa].
Na próxima página, veremos o que acontece com o alumínio depois que ele emerge das células eletrolíticas.
As cubas utilizadas no processo Hall-Heroult são conhecidas como potes . Uma panela grande pode produzir mais de 2 toneladas de alumínio por dia. Mas as empresas podem multiplicar essa produção conectando vários potes em potlines . Uma planta de fundição pode conter uma ou mais linhas de cubas, cada um com 200 a 300 potes. Dentro desses potes, a produção de alumínio continua dia e noite para garantir que o metal permaneça em sua forma líquida.
Uma vez por dia, os trabalhadores extraem o alumínio das linhas de cubas. Muito do metal é colocado de lado para se tornar fabricação de lingotes . Para fazer um lingote de fabricação, o alumínio fundido segue para grandes fornos onde pode ser misturado com outros metais para formar ligas. De lá, o metal passa por um processo de limpeza conhecido como fluxo . O fluxo usa gases como nitrogênio ou argônio para separar as impurezas e trazê-las à superfície para que possam ser removidas. O alumínio purificado é então despejado em moldes e resfriado rapidamente pulverizando água fria sobre o metal.
Parte do alumínio extraído das linhas de cubas não é ligado ou limpo. Em vez de, é derramado diretamente em moldes, onde esfria lentamente e endurece para se formar fundição (ou fundir novamente ) lingotes . As fábricas de alumínio primário vendem lingotes de refusão para fundições. As fundições retornam o alumínio ao seu estado líquido e procedem com a própria liga e fundição. Eles então transformam o alumínio em várias partes - para eletrodomésticos, automóveis e outras aplicações - usando as seguintes técnicas de fabricação.
O alumínio é um metal atraente e geralmente não requer acabamento. Mas pode ser polido, pintado e galvanizado. Por exemplo, fabricantes de cerveja e refrigerante usam um processo de impressão para afixar seus rótulos em latas de alumínio (veja a barra lateral). As formulações de impressão típicas geralmente são revestimentos de laca que aderem bem ao alumínio e fornecem apelo estético. Claro, esses acabamentos são uma preocupação quando se trata de reciclagem porque eles devem ser removidos. Na próxima seção, vamos explorar como o alumínio é reciclado em detalhes.
Por causa de sua versatilidade, o alumínio se presta a inúmeras aplicações. Na verdade, é o segundo metal mais usado depois do aço, com produção primária anual atingindo 24,8 milhões de toneladas (22,5 milhões de toneladas métricas) em 2007 [fonte:International Aluminium Institute]. Grande parte dessa produção vai para 187 bilhões de latas de alumínio produzidas em todo o mundo [fonte:Novelis]. A indústria automotiva é o mercado de alumínio que mais cresce. Fabricação de peças de automóveis em alumínio - tudo, desde jantes a cabeças de cilindro, pistões e radiadores - torna o carro mais leve, reduzindo o consumo de combustível e os níveis de poluição. Por algumas estimativas, um carro que incorpora 331 libras (150 kg) de alumínio deve ter o consumo de combustível reduzido em 0,43 galões por 100 milhas [fonte:Autoparts Report].
Aqui estão alguns outros usos importantes do alumínio.
Alumínio em Números
* Fonte:Alcoa
Incrivelmente, a maior parte do alumínio já fabricado ainda está em uso hoje. Isso porque ele pode ser reciclado continuamente sem perder sua qualidade. A maior parte do alumínio que é reciclado vem de uma de três fontes:latas de bebidas usadas, peças de automóveis antigos e sucata coletada durante a fabricação de produtos de alumínio [fonte:World Book]. A reciclagem de latas de alumínio é um dos grandes sucessos do movimento moderno de sustentabilidade (se você for um grande reciclador, certifique-se de ler O que devo reciclar?). O primeiro programa nacional de reciclagem de latas começou em 1968, e hoje, cerca de 66 bilhões de latas são recicladas a cada ano apenas nos Estados Unidos [fonte:Alcoa].
A reciclagem de latas de alumínio é um processo de loop fechado , o que significa que o novo produto feito após o processo de reciclagem é o mesmo que o anterior. Existem seis etapas para a reciclagem de latas de circuito fechado:
Muitas das inovações na indústria do alumínio estão relacionadas à melhoria da eficiência de produção e reciclagem. Mas, como veremos na próxima seção, a demanda por alumínio só vai crescer à medida que novas e emocionantes aplicações surgirem.
A produção primária de alumínio requer uma energia tremenda. Também produz gases de efeito estufa que afetam o aquecimento global. De acordo com o Instituto Internacional de Alumínio, a fabricação de novos estoques de alumínio libera 1% das emissões globais de gases de efeito estufa induzidas pelo homem. Uma das principais prioridades da indústria é diminuir essas emissões por meio de medidas de redução, aumento da reciclagem e do uso de alumínio em veículos, aeronave, embarcações e trens. Na verdade, o uso de componentes leves de alumínio em veículos é um dos avanços mais significativos no design e fabricação automotivos. Cada quilograma (2,2 libras) de material mais pesado que é substituído por alumínio resulta na eliminação de 22 quilogramas (44 libras) de dióxido de carbono durante a vida útil do veículo [fonte:International Aluminium Institute].
Outra aplicação promissora é o uso de alumínio em carros movidos a células de combustível. Pesquisadores da Purdue University descobriram recentemente que o alumínio pode ser usado para produzir combustível de hidrogênio com eficiência. O processo começa com pelotas de alumínio, que são misturados ao gálio líquido para produzir alumínio-gálio líquido. Quando a água é adicionada, o alumínio reage com o oxigênio para formar um gel. Gás hidrogênio, que pode ser coletado e usado para alimentar uma célula de combustível, também é produzido.
Inovações como essas aumentarão a demanda por alumínio. E embora o metal seja relativamente jovem, é um dos mais importantes da história da civilização humana. Quando os arqueólogos e antropólogos de amanhã refletirem sobre a sociedade do século 19, Séculos 20 e 21, eles poderiam muito provavelmente rotulá-la de Idade do Alumínio, colocando-o próximo à Pedra, As idades do bronze e do ferro são um dos períodos mais significativos do desenvolvimento cultural da humanidade.
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