ALUMINIUM: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, PEROLEHAN, PENGGUNAAN - KIMIA - 2024

The aluminium adalah elemen logam milik (III A) kelompok 13 dari tabel periodik dan yang diwakili oleh simbol A. Ini adalah logam ringan dengan kepadatan rendah dan kekerasan. Karena sifat amfoternya, itu telah diklasifikasikan oleh beberapa ilmuwan sebagai metaloid.

Ini adalah logam yang ulet dan sangat mudah dibentuk, itulah sebabnya ia digunakan untuk membuat kawat, lembaran aluminium tipis, serta semua jenis benda atau gambar; misalnya, kaleng terkenal dengan paduannya, atau aluminium foil yang digunakan untuk membungkus makanan atau pencuci mulut.

Aluminium foil kusut, salah satu benda paling sederhana dan sehari-hari yang dibuat dengan logam ini. Sumber: Pexels.

Alum (kalium aluminium sulfat terhidrasi) telah digunakan oleh manusia sejak zaman kuno dalam pengobatan, penyamakan kulit, dan sebagai mordan untuk pewarnaan kain. Dengan demikian, mineralnya telah dikenal selamanya.

Namun, aluminium sebagai logam diisolasi sangat terlambat, pada tahun 1825, oleh Øersted, yang mengarah pada aktivitas ilmiah yang memungkinkan penggunaan industri. Saat itu aluminium merupakan logam dengan produksi tertinggi di dunia setelah besi.

Aluminium ditemukan terutama di bagian atas kerak bumi, yang merupakan 8% beratnya. Ini sesuai dengan unsur paling melimpah ketiga, yang dilampaui oleh oksigen dan silikon dalam mineral silika dan silikatnya.

Bauksit merupakan suatu asosiasi mineral antara lain: alumina (aluminium oksida), dan logam oksida dari besi, titanium dan silikon. Ini mewakili sumber daya alam utama untuk penambangan aluminium.

Sejarah

Tawas

Di Mesopotamia, 5000 tahun SM. C., Mereka sudah membuat keramik menggunakan lempung yang mengandung senyawa aluminium. Sedangkan 4000 silam, bangsa Babilonia dan Mesir menggunakan aluminium dalam beberapa senyawa kimia.

Dokumen tertulis pertama yang berkaitan dengan tawas dibuat oleh Herodotus, seorang sejarawan Yunani, pada abad ke-5 SM. Alum digunakan sebagai mordan dalam pewarnaan kain dan untuk melindungi kayu, yang digunakan untuk merancang pintu benteng, dari api.

Dengan cara yang sama, Pliny "the Elder" di abad ke-1 mengacu pada tawas, yang sekarang dikenal sebagai tawas, sebagai zat yang digunakan dalam pengobatan dan mordan.

Sejak abad ke-16, tawas digunakan dalam penyamakan kulit dan sebagai ukuran kertas. Ini adalah zat agar-agar yang memberi kertas konsistensi dan memungkinkan penggunaannya dalam menulis.

Pada 1767, ahli kimia Swiss Torbern Bergman mencapai sintesis tawas. Untuk melakukan ini, dia memanaskan moonite dengan asam sulfat, dan kemudian menambahkan kalium ke dalam larutan.

Pengakuan di alumina

Pada tahun 1782, kimiawan Perancis Antoine Lavoisier menunjukkan bahwa alumina (Al ₂ O ₃ ) adalah oksida dari beberapa unsur. Ini memiliki kedekatan dengan oksigen sehingga pemisahannya sulit dilakukan. Oleh karena itu, Lavoisier kemudian meramalkan keberadaan aluminium.

Kemudian, pada 1807, kimiawan Inggris Sir Humphry Davy melakukan elektrolisis pada alumina. Namun, metode yang dia gunakan menghasilkan paduan aluminium dengan kalium dan natrium, sehingga dia tidak dapat mengisolasi logam tersebut.

Davy berkomentar bahwa alumina memiliki basis logam, yang awalnya ia tetapkan sebagai 'alumium', berdasarkan kata Latin 'alumen', nama yang digunakan untuk tawas. Davy kemudian mengubah nama menjadi "aluminium", nama Inggris saat ini.

Pada tahun 1821, ahli kimia Jerman Eilhard Mitscherlich berhasil menemukan formula yang tepat untuk alumina: Al ₂ O ₃ .

Isolasi

Pada tahun yang sama, ahli geologi Prancis Pierre Berthier menemukan mineral aluminium dalam endapan batuan lempung kemerahan di Prancis, di wilayah Les Baux. Berthier menyebut mineral itu sebagai bauksit. Mineral ini saat ini menjadi sumber utama aluminium.

Pada tahun 1825, ahli kimia Denmark Hans Christian Øersted membuat batang logam dari aluminium yang seharusnya. Dia menggambarkannya sebagai "sepotong logam yang terlihat seperti timah berwarna dan bersinar." Øersted mampu mencapai hal ini dengan mereduksi aluminium klorida, AlCl ₃ , dengan amalgam kalium.

Namun, diperkirakan peneliti tidak memperoleh aluminium murni, tetapi paduan aluminium dan kalium.

Pada tahun 1827, ahli kimia Jerman Friedrich Wöehler berhasil menghasilkan sekitar 30 gram bahan aluminium. Kemudian, setelah 18 tahun pekerjaan investigasi, Wöehler pada tahun 1845 mencapai produksi gumpalan seukuran kepala pin, dengan kilau logam dan warna keabu-abuan.

Wöehler bahkan mendeskripsikan beberapa sifat logam, seperti warna, berat jenis, keuletan dan stabilitas.

Produksi industri

Pada tahun 1855, ahli kimia Prancis Henri Sainte-Claire Deville mengembangkan metode Wöehler. Untuk ini, ia menggunakan reduksi aluminium klorida atau natrium aluminium klorida dengan natrium logam, menggunakan kriolit (Na ₃ AlF ₆ ) sebagai aliran.

Ini memungkinkan produksi industri aluminium di Rouen, Prancis, dan antara tahun 1855 dan 1890 produksi 200 ton aluminium tercapai.

Pada tahun 1886, insinyur Prancis Paul Héroult dan mahasiswa Amerika Charles Hall secara mandiri menciptakan metode untuk produksi aluminium. Metode ini terdiri dari reduksi elektrolitik aluminium oksida dalam kriolit cair, menggunakan arus searah.

Metodenya memang efisien, tapi bermasalah dengan kebutuhan listriknya yang tinggi, yang membuat produksi lebih mahal. Héroult memecahkan masalah ini dengan mendirikan industrinya di Neuhausen (Swiss), dengan demikian memanfaatkan Air Terjun Rhine sebagai pembangkit listrik.

Hall awalnya menetap di Pittsburg (AS), tetapi kemudian merelokasi industrinya di dekat Air Terjun Niagara.

Akhirnya, pada tahun 1889 Karl Joseph Bayer menciptakan metode produksi alumina. Ini terdiri dari memanaskan bauksit dalam wadah tertutup dengan larutan alkali. Selama proses pemanasan, fraksi alumina diperoleh kembali dalam larutan garam.

Sifat fisik dan kimia

Penampilan fisik

Ember logam aluminium. Sumber: Carsten Niehaus

Solid abu-abu perak dengan kilau metalik (gambar atas). Ini adalah logam lunak, tetapi mengeras dengan sedikit silikon dan besi. Selain itu, dicirikan dengan sangat ulet dan mudah dibentuk, karena lembaran aluminium dengan ketebalan hingga 4 mikron dapat dibuat.

Berat atom

26.981 u

Nomor atom (Z)

13

Titik lebur

660,32 ºC

Titik didih

2.470 ºC

Massa jenis

Suhu lingkungan: 2,70 g / mL

Titik lebur (cair): 2,375 g / mL

Kepadatannya jauh lebih rendah dibandingkan dengan logam lain. Oleh karena itu aluminium cukup ringan.

Panas fusi

10,71 kJ / mol

Panas penguapan

284 kJ / mol

Kapasitas kalori molar

24,20 J / (mol K)

Elektronegativitas

1.61 pada skala Pauling

Energi ionisasi

-Pertama: 577,5 kJ / mol

-Kedua: 1.816,7 kJ / mol

-Tiga: 2.744,8 kJ / mol

Ekspansi termal

23,1 µm / (mK) pada 25 ºC

Konduktivitas termal

237 W / (m K)

Aluminium memiliki konduktansi termal tiga kali lipat dari baja.

Resistivitas listrik

26,5 nΩ m pada 20 ºC

Konduktansi listriknya adalah 2/3 dari tembaga.

Urutan magnetis

Paramagnetik

Kekerasan

2,75 pada skala Mohs

Reaktivitas

Aluminium tahan terhadap korosi karena saat terkena udara, lapisan tipis oksida Al ₂ O ₃ yang terbentuk di permukaannya mencegah oksidasi berlanjut di dalam logam.

Dalam larutan asam ia bereaksi dengan air membentuk hidrogen; sedangkan dalam larutan alkali membentuk ion aluminat (AlO ₂ ^- ).

Asam encer tidak dapat melarutkannya, tetapi bisa jika terdapat asam klorida pekat. Namun, aluminium tahan terhadap asam nitrat pekat, meskipun diserang oleh hidroksida untuk menghasilkan hidrogen dan ion aluminat.

Aluminium bubuk dibakar dengan adanya oksigen dan karbon dioksida untuk membentuk aluminium oksida dan aluminium karbida. Ini dapat terkorosi oleh klorida yang ada dalam larutan natrium klorida. Oleh karena itu, penggunaan aluminium pada pipa tidak disarankan.

Aluminium dioksidasi oleh air pada suhu di bawah 280 ºC.

2 Al (s) + 6 H ₂ O (g) => 2Al (OH) ₃ (s) + 3H ₂ (g) + panas

Struktur dan konfigurasi elektronik

Aluminium menjadi elemen logam (dengan pewarna metaloid untuk beberapa), atom Al-nya berinteraksi satu sama lain berkat ikatan logam. Gaya non-arah ini diatur oleh elektron valensinya, yang tersebar di seluruh kristal dalam semua dimensinya.

Elektron valensi ini adalah sebagai berikut, menurut konfigurasi elektronik aluminium:

3s ² 3p ¹

Oleh karena itu, aluminium adalah logam trivalen, karena memiliki tiga elektron valensi; dua di orbital 3s, dan satu di 3p. Orbital ini tumpang tindih untuk membentuk orbital molekul 3s dan 3p, begitu berdekatan sehingga akhirnya membentuk pita konduksi.

Pita s penuh, sedangkan pita p memiliki banyak kekosongan untuk lebih banyak elektron. Itulah sebabnya aluminium merupakan konduktor listrik yang baik.

Ikatan logam aluminium, jari-jari atom, dan karakteristik elektroniknya menentukan kristal fcc (kubik berpusat muka). Kristal FCC semacam itu rupanya satu-satunya alotrop aluminium yang diketahui, jadi pasti akan tahan terhadap tekanan tinggi yang beroperasi di atasnya.

Bilangan oksidasi

Konfigurasi elektronik aluminium segera menunjukkan bahwa ia mampu kehilangan hingga tiga elektron; Artinya, ia memiliki kecenderungan tinggi untuk membentuk kation Al ³⁺ . Jika keberadaan kation ini diasumsikan dalam senyawa yang berasal dari aluminium, dikatakan memiliki bilangan oksidasi +3; Seperti diketahui, ini adalah yang paling umum untuk aluminium.

Namun, ada bilangan oksidasi lain yang mungkin tetapi jarang untuk logam ini; seperti: -2 (Al ^2- ), -1 (Al ^- ), +1 (Al ⁺ ) dan +2 (Al ²⁺ ).

Dalam Al ₂ O ₃ , misalnya, aluminium memiliki bilangan oksidasi +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); sedangkan di AlI dan AlO, masing-masing +1 (Al ⁺ F ^- ) dan +2 (Al ²⁺ O ^2- ). Namun, dalam kondisi atau situasi normal Al (III) atau +3 sejauh ini merupakan bilangan oksidasi paling melimpah; karena Al ³⁺ isoelektronik terhadap gas mulia neon.

Itulah mengapa di buku pelajaran sekolah selalu diasumsikan, dan dengan alasan yang bagus, aluminium memiliki +3 sebagai satu-satunya bilangan atau bilangan oksidasi.

Di mana menemukan dan memperoleh

Aluminium terkonsentrasi di pinggiran luar kerak bumi, menjadi elemen ketiganya, hanya dilampaui oleh oksigen dan silikon. Aluminium mewakili 8% berat kerak bumi.

Ini ditemukan di batuan beku, terutama: aluminosilikat, feldspar, feldspathoids dan micas. Juga dalam lempung kemerahan, seperti halnya dengan bauksit.

- Bauksit

Tambang bauksit. Sumber: Pengguna: VargaA

Bauksit adalah campuran mineral yang mengandung alumina terhidrasi dan kotoran; seperti besi dan titanium oksida, dan silika, dengan persentase berat sebagai berikut:

-Pada ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O konstitusi 12-30%.

Alumina ditemukan dalam bauksit dalam bentuk terhidrasi dengan dua varian:

-monohidrat (Al ₂ O ₃ · H ₂ O) yang memiliki dua bentuk kristalografi, boemite dan diaspore

-Trihydrates (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), diwakili oleh gibbsite.

Bauksit merupakan sumber utama aluminium dan sebagian besar pasokan aluminium diperoleh dari pertambangan.

- Endapan aluminium

Perubahan

Terutama bauksit yang terbentuk dari 40-50% Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ dan 3-10% SiO ₂ .

Hidrotermal

Alunite.

Magmatis

Batuan alumina yang memiliki mineral seperti syenites, nepheline dan anorthites (20% dari Al ₂ O ₃ ).

Metamorf

Aluminium silikat (Andalusite, sillimanite dan kyanite).

Detritik

Deposit kaolin dan berbagai lempung (32% Al ₂ O ₃ ).

- Eksploitasi bauksit

Bauksit ditambang di bawah langit terbuka. Setelah batuan atau lempung yang mengandungnya terkumpul, mereka dihancurkan dan digiling di ball and bar mills, sampai diperoleh partikel dengan diameter 2 mm. Dalam proses ini bahan yang dirawat tetap dibasahi.

Dalam memperoleh alumina, diikuti proses yang dibuat oleh Bayer pada tahun 1989. Bauksit yang digiling dicerna dengan penambahan natrium hidroksida, membentuk natrium aluminat yang terlarut; sedangkan polutan besi, titanium dan silikon oksida tetap dalam suspensi.

Kontaminan dituang dan alumina trihidrasi diendapkan dari natrium aluminat dengan pendinginan dan pengenceran. Selanjutnya, alumina trihidrasi dikeringkan untuk menghasilkan alumina dan air anhidrat.

- Elektrolisis alumina

Untuk mendapatkan aluminium, alumina dielektrolisis, biasanya mengikuti metode yang dibuat oleh Hall-Héroult (1886). Prosesnya terdiri dari mereduksi alumina cair menjadi kriolit.

Oksigen mengikat anoda karbon dan dilepaskan sebagai karbon dioksida. Sementara itu, aluminium yang dilepaskan diendapkan di bagian bawah sel elektrolitik tempat terakumulasi.

Paduan

Paduan aluminium biasanya ditandai dengan empat angka.

1xxx

Kode 1xxx sesuai dengan aluminium dengan kemurnian 99%.

2xxx

Kode 2xxx sesuai dengan paduan aluminium dengan tembaga. Mereka adalah paduan kuat yang digunakan pada kendaraan luar angkasa, tetapi retak karena korosi. Paduan ini dikenal sebagai duralumin.

3xxx

Kode 3xxx mencakup paduan di mana mangan dan sejumlah kecil magnesium ditambahkan ke aluminium. Mereka adalah paduan yang sangat tahan aus, digunakan paduan 3003 dalam pengembangan peralatan dapur, dan paduan 3004 dalam kaleng minuman.

4xxx

Kode 4xxx mewakili paduan di mana silikon ditambahkan ke aluminium, yang menurunkan titik leleh logam. Paduan ini digunakan dalam pembuatan kabel las. Paduan 4043 digunakan dalam pengelasan mobil dan elemen struktural.

5xxx

Kode 5xxx mencakup paduan di mana magnesium terutama ditambahkan ke aluminium.

Mereka adalah paduan kuat yang tahan terhadap korosi air laut, digunakan untuk membuat bejana tekan dan berbagai aplikasi kelautan. Paduan 5182 digunakan untuk membuat tutup kaleng soda.

6xxx

Kode 6xxx mencakup paduan di mana silikon dan magnesium ditambahkan ke paduan dengan aluminium. Paduan ini dapat dicor, dapat dilas, dan tahan terhadap korosi. Paduan paling umum dalam seri ini digunakan pada arsitektur, rangka sepeda, dan konstruksi iPhone 6.

7xxx

Kode 7xxx menunjukkan paduan di mana seng ditambahkan ke aluminium. Paduan ini, juga disebut Ergal, tahan terhadap kerusakan dan memiliki kekerasan yang hebat, menggunakan paduan 7050 dan 7075 dalam konstruksi pesawat terbang.

Resiko

Eksposur langsung

Kontak dengan bubuk aluminium dapat menyebabkan iritasi pada kulit dan mata. Paparan aluminium yang tinggi dan berkepanjangan dapat menyebabkan gejala seperti flu, sakit kepala, demam, dan menggigil; Selain itu, nyeri dada dan sesak bisa terjadi.

Paparan debu aluminium halus dapat menyebabkan jaringan parut (fibrosis paru), dengan gejala batuk dan sesak napas. OSHA menetapkan batas 5 mg / m ³ untuk paparan debu aluminium dalam 8 jam kerja.

Nilai toleransi biologis untuk paparan pekerjaan terhadap aluminium telah ditetapkan pada 50 µg / g kreatinin dalam urin. Kinerja yang menurun dalam tes neuropsikologi terjadi ketika konsentrasi aluminium dalam urin melebihi 100 µg / g kreatinin.

Kanker payudara

Aluminium digunakan sebagai aluminium hidroklorida dalam deodoran antiperspiran, yang telah dikaitkan dengan perkembangan kanker payudara. Namun hubungan tersebut belum terjalin secara jelas antara lain karena penyerapan kulit aluminium hidroklorida hanya 0,01%.

Efek neurotoksik

Aluminium bersifat neurotoksik dan pada orang yang terpapar pekerjaan itu telah dikaitkan dengan penyakit neurologis, termasuk penyakit Alzheimer.

Otak pasien Alzheimer memiliki konsentrasi aluminium yang tinggi; tetapi tidak diketahui apakah itu penyebab dari penyakit atau akibatnya.

Adanya efek neurotoksik telah ditentukan pada pasien dialisis. Dalam prosedur ini, garam aluminium digunakan sebagai pengikat fosfat, yang menghasilkan aluminium dengan konsentrasi tinggi di dalam darah (> 100 µg / L plasma).

Pasien yang terkena menunjukkan disorientasi, masalah memori dan pada stadium lanjut, demensia. Neurotoksisitas aluminium dijelaskan karena sulit dihilangkan oleh otak dan memengaruhi fungsinya.

Asupan aluminium

Aluminium hadir dalam banyak makanan, terutama teh, rempah-rempah, dan sayuran secara umum. Otoritas Keamanan Pangan Eropa (EFSA) menetapkan batas toleransi asupan aluminium dalam makanan sebesar 1 mg / kg berat badan setiap hari.

Pada tahun 2008, EFSA memperkirakan bahwa asupan harian aluminium dalam makanan berkisar antara 3 dan 10 mg per hari, oleh karena itu disimpulkan bahwa aluminium tidak menimbulkan risiko bagi kesehatan; serta penggunaan peralatan aluminium untuk memasak makanan.

Aplikasi

- Seperti logam

Kelistrikan

Aluminium adalah konduktor listrik yang baik, oleh karena itu digunakan dalam paduan di saluran transmisi listrik, motor, generator, transformator, dan kapasitor.

Bangunan

Aluminium digunakan dalam pembuatan kusen pintu dan jendela, partisi, pagar, pelapis, isolator termal, plafon, dll.

Mengangkut

Aluminium digunakan dalam pembuatan suku cadang untuk mobil, pesawat terbang, truk, sepeda, sepeda motor, kapal, pesawat ruang angkasa, gerbong kereta api, dll.

Wadah

Kaleng aluminium untuk berbagai jenis makanan. Sumber: Pxhere.

Aluminium digunakan untuk membuat kaleng minuman, tong bir, nampan, dll.

Rumah

Ember aluminium. Sumber: Pexels.

Aluminium digunakan untuk membuat peralatan dapur: panci, wajan, wajan dan kertas kado; selain furnitur, lampu, dll.

Kekuatan reflektif

Aluminium secara efisien memantulkan energi pancaran; dari sinar ultraviolet ke radiasi infra merah. Daya reflektif aluminium dalam cahaya tampak sekitar 80%, yang memungkinkan penggunaannya sebagai peneduh lampu.

Selain itu, aluminium tetap mempertahankan sifat reflektif peraknya meski dalam bentuk serbuk halus, sehingga dapat digunakan dalam produksi cat perak.

- Senyawa aluminium

Alumina

Ini digunakan untuk membuat aluminium metalik, isolator dan busi. Ketika alumina dipanaskan, ia mengembangkan struktur berpori yang menyerap air, digunakan untuk mengeringkan gas dan berfungsi sebagai tempat kerja katalis dalam berbagai reaksi kimia.

Aluminium sulfat

Ini digunakan dalam pembuatan kertas dan sebagai pengisi permukaan. Aluminium sulfat berfungsi untuk membentuk alumunium kalium tawas. Ini adalah tawas yang paling banyak digunakan dengan berbagai aplikasi; seperti pembuatan obat-obatan, cat dan mordan untuk pewarnaan kain.

Aluminium klorida

Ini adalah katalis yang paling banyak digunakan dalam reaksi Friedel-Crafts. Ini adalah reaksi organik sintetis yang digunakan dalam pembuatan keton aromatik dan antrakuinon. Hydrated Aluminium Chloride digunakan sebagai antiperspiran topikal dan deodoran.

Aluminium hidroksida

Ini digunakan untuk kain tahan air dan produksi aluminat.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Aluminium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Pusat Nasional untuk Informasi Bioteknologi. (2019). Aluminium. Database PubChem. CID = 5359268. Diperoleh dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminum
4. Editor Encyclopaedia Britannica. (13 Januari 2019). Aluminium. Encyclopædia Britannica. Diperoleh dari: britannica.com
5. UC Rusal. (sf). Sejarah aluminium. Diperoleh dari: aluminiumleader.com
6. Universitas Oviedo. (2019). Metalurgi aluminium. . Diperoleh dari: unioviedo.es
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 Februari 2019). Aluminium atau Paduan Aluminium. Diperoleh dari: thinkco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Pengaruh Kesehatan dari Paparan Aluminium. Deutsches Arzteblatt internasional, 114 (39), 653-659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Paduan Aluminium. Diperoleh dari: sciencedirect.com
10. Natalia GM (16 Januari 2012). Ketersediaan aluminium dalam makanan. Diperoleh dari: consumer.es