• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

aluminium

Oprindelige forfattere CKro, Gram, HeSøog HSten Seneste forfatter Redaktionen

aluminium, metallisk, sølvhvidt grundstof med atomnr. 13 placeret i det periodiske systems 13. gruppe; atomtegn Al.

Aluminium, som er det tredjehyppigste grundstof i jordskorpen, har lav massefylde (ca. 1/3 af jerns), stor mekanisk styrke i legeringer og er korrosionsbestandigt. Det er let at forarbejde, ugiftigt og uden smag samt en god leder for både varme og elektrisk strøm. Da aluminium desuden er relativt billigt, er det blevet et meget anvendt metal.

Ordet aluminium kommer af latin alumen 'alun' og -ium, som betegner grundstof.

Forekomster

Størstedelen af verdens aluminium fås fra bjergarten bauxit (45-68 % Al2O3) og i mindre grad fra magmatiske forekomster, fx nefelinsyenit. Andre potentielle muligheder for aluminiumbrydning er anorthosit og kaolin, hvilket giver aluminiumresurser nok til hundredvis af år frem.

Annonce

Egenskaber
Nummer13
AtomtegnAl
Navnaluminium
Relativ atommasse26,9815
Densitet2,702 g/cm3 (20 °C)
Smeltepunkt660,37 °C
Kogepunkt2467 °C
Opdagelse1825 (H.C. Ørsted)

De største reserver findes i Australien, Guinea, Jamaica og Brasilien som bauxitforekomster.

Mineraler

Aluminium bindes i mineralernes krystalstrukturer især til oxygen. Det findes derfor hovedsagelig i oxid- og silikatmineraler, i hvis strukturer oxygen er det vigtigste bygningselement. Aluminiumionen indbygges i mineraler med koordinationstallene 4 og 6, dvs. omgivet af hhv. 4 og 6 negative ioner — oftest oxygenioner.

Størstedelen af jordskorpens aluminium er bundet i silikatmineraler, i hvis krystalstrukturer aluminium kan erstatte silicium i de SiO44--tetraedre, som er disse mineralers "hovedbyggesten", dvs. i 4-koordination. Al3+ kan endvidere erstatte fx Mg2+ og Fe2+ i 6-koordination. I feldspat findes Al3+ kun på tetraederpladser i stedet for Si4+. Den derved frigjorte negative ladning kan fx bruges til at binde Na+, der dannes da albit, NaAlSi3O8. I andre silikatmineraler som fx muscovit findes aluminium både som substitut for silicium i 4-koordination og for magnesium og jern i 6-koordination. Kyanit og topas er eksempler på silikatmineraler, hvor aluminium kun findes i 6-koordination.

I oxider og hydroxider, fx korund og gibbsit, findes aluminium i 6-koordination. Andre vigtige aluminiummineraler er fluoridet kryolit og sulfatet alunit.

Geokemi

Aluminium er et lithofilt grundstof, dvs. at det er koncentreret i jordskorpen, hvor det indgår som en hovedbestanddel af mange mineraler. Aluminium udgør ca. 8 % af jordskorpens vægt.

I jordskorpens magma- og metamorfe bjergarter findes aluminium især i feldspatter, som er de vigtigste bjergartsdannende mineraler, og i mineraler som glimmer, pyroxen, amfibol og granat.

Jordens øvre kappe indeholder ca. 2 % aluminium, der især findes i plagioklas i den øvre del, dybere nede i spinel og dybest nede i granat.

Aluminiumindhold i udvalgte bjergartstyper og flyveaske
bjergartstypevægtpct. Alvægtpct. Al2O3
magmabjergarter
basalt/gabbro7-914-17
andesit/diorit8-916-17
rhyolit/granit6-713-14
phonolit/nefelinsyenit1120
peridotit1-22-4
anorthosit1426
metamorfoserede bjergarter
glimmerskifer1120
sillimanitskifer1120
sedimenter
lerbjergarter815
sandsten36
carbonatbjergarter0,40,8
forvitringsdannelser
kaolin1835
bauxit16-3230-60
flyveaske1529

I sedimenter findes aluminium især i lermineraler.

I landområdernes forvitringszoner og i have, søer, floder og grundvand er aluminium under normale forhold (dvs. ved pH 4-9) meget tungtopløseligt. Grundstoffet fastholdes derfor i forvitringszonen i lermineraler som fx kaolinit og i hydroxider som fx gibbsit under dannelse af bjergarter som kaolin og bauxit. Overfladevand har derfor meget lavt indhold af aluminium. I havvand er indholdet 0,001 ppm, i flodvand 0,2 ppm og i grundvand under 500 ppm. Aluminiumhydroxid er forholdsvis letopløseligt i stærkt sure opløsninger, hvorfor det kan udvaskes med sur nedbør.

Teknisk fremstilling

Aluminium er det metal, der næst efter jern udvindes i størst mængde, og det har i nyere tid overtaget kobbers rolle som det mængdemæssigt vigtigste af ikke-jernmetallerne. Da aluminium har meget lavere massefylde, er rumfanget af produktionen mange gange større end for kobber og andre metaller. I 2013 udgjorde primærproduktionen, dvs. aluminium udvundet af malm, 50 mio. ton. Sekundærproduktionen, dvs. aluminium genvundet fra affald og skrot, er betydeligt mindre, i 2008 8 mio. ton.

Praktisk taget alt aluminium fremstilles ud fra mineralet bauxit i to hovedtrin, der begge blev udviklet i 1880'erne. Først omdannes bauxit til rent aluminiumoxid ved den såkaldte Bayer-proces. Den tørrede og knuste malm bringes i opløsning ved behandling med natriumhydroxid under forhøjet tryk og temperatur. Af den filtrerede opløsning udfældes rent aluminiumhydroxid, som ved ophedning i ovn (kalcinering) omdannes til oxid. Dernæst udvindes aluminium som metal ved Hall-Héroult-processen, som er en elektrolyse i smeltet kryolit ved 950-1000 °C. Aluminiumoxid tilsættes løbende under processen, der foregår i keramiske celler eller ovne med elektrisk ledende bund af grafit, hvor det udvundne metal samler sig og sammen med grafitbunden fungerer som katode. Gennem ovntoppen er flere kulelektroder neddyppet i smeltebadet som anoder, der undervejs forbruges/brænder til kuldioxid, men som til stadighed fornyes ovenfra i form af en støbemasse, der efterhånden sintrer sammen til anodekul (Söderberg-elektroder). Elektrolysen foregår i store anlæg med hundredvis af seriekoblede ovne, hvorfra metallet med mellemrum aftappes og støbes i blokke eller i form af valse- og presseemner.

Kryolit blev gennem ca. 100 år udvundet ved Ivittuut (Ivigtut) i Grønland; den hidtil eneste brydeværdige forekomst af dette mineral, som var helt uundværligt for den tekniske fremstilling af aluminium. Minen i Ivittuut er imidlertid udtømt, og syntetisk fremstillet kryolit har overtaget rollen efter mineralet.

Aluminiumproduktionen er meget energikrævende, og der medgår i alt ca. 280 GJ til at fremstille og forarbejde 1 ton aluminium. I begyndelsen af 1900-t. krævede elektrolysen alene ca. 40.000 kWh elkraft pr. ton; 2009 ca. 14.000 kWh (54 GJ). Dette elforbrug bevirker, at produktionens elektrolysedel som regel gennemføres i direkte tilslutning til vandkraftværker.

Bauxit forekommer især i tropiske og subtropiske egne, hvor elproduktionen ikke altid er udbygget. Rensning og forbehandling af bauxitten og dens omdannelse til aluminiumoxid bruger også megen energi, men ikke nødvendigvis i form af elektricitet, og disse processer foregår ofte i tilknytning til udvindingen.

Foruden elforbruget medfører elektrolysen et betydeligt udslip af fluorider, som må fjernes fra ovngasserne inden udledning til atmosfæren. Omdannelsen af bauxit til aluminiumoxid efterlader en stor mængde (ca. 2,2 ton pr. ton aluminium) rødslam, som er stærkt basisk, og som tidligere er blevet deponeret, da det ikke har haft nogen praktisk anvendelse. Der arbejdes dog på forskellige behandlinger til neutralisering af slammet med henblik på at dyrke afgrøder på slamdepoterne.

Det er ofte forsøgt at udvikle mindre forurenende og mindre energikrævende metoder til fremstilling af aluminium, men ingen er endnu ført frem til kommerciel anvendelse. De mest lovende processer baseres på, at aluminiumoxid omdannes til aluminiumklorid, som derefter reduceres til frit aluminium, men der mangler endnu løsning på en række materialetekniske problemer ved disse processer.

Genvinding af aluminium fra skrot og affald foregår ved omsmeltning, som regel efter omhyggelig sortering, men uden de stærkt forurenende Bayer- og Hall-Héroult-processer. Energiforbruget til omsmeltning er kun 10-15 GJ pr. ton metal, og genvinding er dermed resurse- og miljømæssigt langt gunstigere end primærproduktion. Til gengæld er det ikke alle aluminiumprodukter, der egner sig til genvinding; fx er alufolie, visse aluminiumslegeringer samt aluminium i kompositmaterialer vanskeligt eller umuligt at genvinde. Det er som regel heller ikke muligt at raffinere genvundet metal til samme renhed som nyt. Genvundet aluminium anvendes især i legeringer til støbning og til andre formål, der ikke kræver maksimal renhed. Primær aluminiumproduktion foregår ikke i Danmark, men genvinding finder sted på et dansk smelteværk.

Aluminium forarbejdes til halvfabrikata ved næsten alle kendte teknikker. Først og fremmest bliver rent (ulegeret) aluminium valset til plader og folie; forskellige legeringer valses til plader med større styrke end rent aluminium. Endvidere bliver grundstoffet og dets legeringer ekstruderet (strengpresset) til tråd, stænger og især profiler. Ved trådtrækning af rent aluminium ud fra valsede eller ekstruderede mellemprodukter fremstilles elektriske ledninger og kabler.

Rent aluminium er meget smidigt og formbart. Bedre styrke og hårdhed opnås ved valsning og kolddeformation, især når metallet er legeret med magnesium, mangan, silicium, kobber eller kombinationer deraf. Legeringerne har generelt ringere ledningsevne og dårligere korrosionsbestandighed.

Mere komplicerede emner frembringes ved sammenbygning af valsede og/eller ekstruderede produkter samt ved pulverpresning eller støbning. Støbning tillader den frieste formgivning, især ved sandstøbning, men kokille- og navnlig trykstøbning er mest anvendt. Støbegods fremstilles næsten udelukkende af legeringer baseret på genvundet aluminium med silicium som det vigtigste legeringsmetal. Pulverpresning udgår fra pulver af rent aluminium og opnår en styrkeøgning fra tilstedeværende aluminiumoxid (SAP = sintret aluminiumpulver) eller fra iblanding af hårde partikler, fx af siliciumcarbid.

Anvendelser

Aluminium — og specielt dets legeringer — anvendes inden for vidt forskellige områder.

Til emballage benyttes det i aluminiumdåser, der er lette at åbne, vejer meget lidt og kan genbruges efter omsmeltning. Endvidere beskytter de indholdet godt og er lette at afkøle. De anvendes i milliardvis verden over. Metallet benyttes også som emballage for fx færdigretter (fast food) og til aluminiumfolie (alufolie eller sølvpapir).

Byggeindustrien anvender aluminium i store mængder, hvor det indgår i selve konstruktionen (fx i drivhuse), og hvor man ønsker en let og lys konstruktion. Til dekorative formål anvendes det til højhuse eller monumentale bygninger. Indendørs anvendes aluminium til fx døre, vinduesrammer, badeværelser m.m.

Aluminium. IC3 tog fremstillet af aluminium.

Aluminium. IC3 tog fremstillet af aluminium.

Transportsektoren er helt afhængig af aluminium som konstruktionsmateriale. Eksempelvis består et jetfly af ca. 80 % aluminium. Småbåde kan fabrikeres helt i metallet, mens man i større skibe udfører fx overbygning med aluminium, så vægten mindskes, og skibet derfor får større lasteevne. Visse biler fabrikeres med meget aluminium i karosseriet; det giver god beskyttelse mod korrosion og en bedre brændstoføkonomi. Aluminium har længe været benyttet i bilers motorer, gearkasser og hjul, ligesom metallet i stadig højere grad anvendes til fabrikation af lastbiler, busser og tog.

Selvom både sølv og kobber leder elektrisk strøm bedre end aluminium, benyttes dette i ledninger og kabler, der herved bliver billigere og lettere.

Historie

Allerede i 1754 havde den tyske kemiker A.S. Marggraf på vist, at alunjord var noget andet end kalkjord, og den franske kemiker A.L. Lavoisier optog lerets metal som et ukendt metal i sin berømte kemibog fra 1789. Den første, der gav metallet navn, var den engelske naturforsker Humphry Davy, der i 1808 fastslog, at stoffet alumen (aluminiumoxid) indeholdt et metal.

Aluminium. Frederik 7.s aluminiumshjelm, fremstillet til kongens generalsuniform af hofguldsmed Jørgen B. Dalhoff i slutningen af 1850'erne. I midten ses Elefantordenens stjerne. Hjelmen findes i dag i Rosenborg Slots samling og er et udtryk for den interesse, som fremstillingen af det nye, kostbare metal vakte i Europa i midten af 1800-t.

Aluminium. Frederik 7.s aluminiumshjelm, fremstillet til kongens generalsuniform af hofguldsmed Jørgen B. Dalhoff i slutningen af 1850'erne. I midten ses Elefantordenens stjerne. Hjelmen findes i dag i Rosenborg Slots samling og er et udtryk for den interesse, som fremstillingen af det nye, kostbare metal vakte i Europa i midten af 1800-t.

Mange forsøgte forgæves at fremstille dette nye metal, men først da danskeren H.C. Ørsted ledte klor hen over en glødende blanding af lerjord og kønrøg (sod), dannedes vandfrit aluminiumklorid (AlCl3), som han lod reagere med kalium, legeret med kviksølv (K-amalgam). Derved fik han aluminiumamalgam og frit aluminium ved afdestillation af kviksølvet. Ørsted fremviste metallet ved et møde i Det Kgl. Danske Videnskabernes Selskab den 8. april 1825.

I 1827 fik Ørsted besøg af den tyske kemiker Friedrich Wöhler, som han forklarede, at han ikke ville fortsætte med sine forsøg med aluminium. Wöhler kunne ikke få Ørsteds metode til at fungere, men fandt selv en anden metode og tog i øvrigt selv æren for at være den første, der havde fremstillet metallet. I 1920'erne blev det dog fastslået, at Ørsteds metode virker, og at han har æren af at være aluminiums opdager. Det først fremstillede aluminium var meget urent og i meget små mængder; først i 1854 lykkedes det franskmanden Henri Sainte-Claire Deville at frembringe aluminium i mængder tilstrækkelige til at fremstille genstande. Disse blev vist på verdensudstillingen i Paris i 1855, hvor Napoleon 3. blev så interesseret, at han fik fremstillet nogle aluminiumtallerkener. De var dog så kostbare, at han måtte lade mindre fine gæster nøjes med guldtallerkener. Siden er prisen på aluminium faldet drastisk; den var efter 2. Verdenskrig omkring 5 kr. pr. kg, stigende til et niveau på 10-12 kr. pr. kg i 1990'erne. Priserne gælder raffineret, men i øvrigt uforarbejdet aluminium af renhed 99,5 %.

Væsentlige forudsætninger for prisfaldet og dermed metallets efterhånden meget store udbredelse var den elektrolytiske fremstillingsproces, som C.M. Hall og Paul Héroult opfandt i 1886, samt muligheden for at fremstille elektricitet i store mængder, efter at Siemens havde udviklet den elektriske generator i 1870'erne.

Omkring 1900 var den årlige produktion nået op på ca. 5000 ton, og den er siden fortsat med at stige.

I 1906 opdagede Aldred Wilm, at en aluminiumlegering med kobber kan hærdes ved varmebehandling. Denne legeringstype (Duralumin) fik stor betydning for anvendelsen af aluminium i fly og dermed for flyvemaskinens udvikling.

Læs mere om aluminium i underemnerne herunder.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Carsten Krogh, Niels F. Gram, Henning Sørensen, Henrik Stendal: aluminium i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 21. februar 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=36570