13  Al Aluminium     Voorkomen Naam Wingebieden Ontdekking Bereiding vroeger Bereiding nu Toepassingen en toelichting Verdere toepassingen

VOORKOMEN      

8,23 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit aluminium; het is het derde element in rangorde van voorkomen. 

De belangrijkste mineralen zijn:

WINGEBIEDEN

De belangrijkste wingebieden voor bauxiet, de grondstof van alumini­um, liggen in Gui­nee, Australië, Brazilië, Rusland, Jamaica, Mali, Guyana, Kame­roen, Griekenland, Ghana, Indonesië, Suriname, Tadzjikistan, India, de Verenigde Staten van Amerika, Dominicaanse Repu­bliek, Sierra Leone, Slovenië, Montenegro, Bosnië-Herzegovina, Hongarije, Frank­rijk en vele Afri­kaanse landen. 

NAAM

De naam is afgeleid van het Latijnse alumen, wat bitter betekent. De naam is gegeven vanwege de bittere smaak van aluinsteen, dat in de Oudheid door Egyptenaren, Grieken en Romeinen werd ge­bruikt als bloedstelpend middel. Ook bij het verven van wol en het leerlooien werd aluin toegepast. Sir H. Davy stelde de naam alumi­num voor (de naam die in Noord-Amerika nog steeds gebruikt wordt in officiële publicaties), in 1925 werd deze gewijzigd in aluminium.  

De naam van het belangrijkste erts, bauxiet, is afkom­stig van het plaatsje Les Baux in Zuid-Frankrijk, waar dit mineraal (in 1821 door P. Berthier) voor het eerst werd gevonden.

ONTDEKKING

Aluminium werd door Sir H. Davy als element herkend, maar hij slaagde er niet in het als metaal te isoleren.

BEREIDING VROEGER

Aluminium werd in 1825 - in zeer onzuivere vorm - voor het eerst bereid door H. C. Oersted. Hij reduceer­de watervrij aluminiumchloride met kalium(amal­gaam).

In 1854 werd het door H. E. Sainte-Claire Deville in rede­lijk zuivere vorm verkre­gen door elektrolyse van natriumaluminiumchloride (Na­AlCl₄).

Het metaal was in die tijd zo zeldzaam dat het, samen met de kroonjuwelen, werd geëxposeerd. Keizer Lodewijk Napoleon gebruikte bij officiële staatsbe­zoe­ken een aluminium bestek.

 

In 1886, na de uitvinding van de dynamo door de Belg Z. Gramme in 1871, ontwikkelden P. L. T. Héroult en C. M. Hall een elektrolyseproces met koolstofelektroden, waarbij aluminiumoxide werd opgelost in gesmolten kryoliet (Na₃AlF₆). Op deze wijze kon zuiver aluminium in grotere hoeveel­heden worden verkregen.

BEREIDING NU

Bauxiet (Al₂O₃) wordt, na een aantal fysische bewer­kingen, bij hoge temperatuur en druk (250 °C, 35.10⁵  Pa) opge­lost in geconcentreerde natronloog, waarbij het aluminium­oxide oplost:

Al₂O₃  +  3 H₂O   + 6 OH^-   →    2 Al(OH)₆^3-    

De vloeistof wordt vervolgens gescheiden van de vaste stof (onoplosbare delen van het bauxiet, zoals zand en ijzer­oxide) en afgekoeld, waarbij aluminiumhydroxide  {Al(OH)₃} neerslaat: 

Al(OH)₆^3-   →   Al(OH)₃  +  3 OH^-  

Het vrijkomende loog wordt weer gebruikt voor het oplossen van bauxiet.

Na reinigen wordt het aluminiumhydroxide bij hoge tempera­tuur (ca. 975 °C) omgezet in aluminiumoxide, dat wordt opgelost in o.a. gesmolten kryoliet (Na₃AlF₆), waarna elek­trolyse plaatsvindt:

- pool:   Al³⁺  +  3 e^-       →   Al                  (4x)

+ pool:   2 O^2-                → O₂  +  4 e^-        (3x) 

Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een elektrolysevat van koolstof (in een metalen omhulsel), dat als kathode dient, en van een anode van koolstof (grafiet). 

Het grafiet van de anode reageert met een deel van de vrijko­mende zuurstof, waarbij koolstofdioxide ontstaat. De anode wordt hierdoor sterk aangetast en moet regelmatig worden vervangen. 

Het gevorm­de aluminium is vloeibaar en wordt afgetapt. Het wordt -  na eventueel toevoegen van andere metalen om een gewenste legering te verkrijgen -, in 'broodjes' gegoten, die bewerkt kunnen worden (tot plaat, buis, profiel, enz.). 

De bereiding van aluminium vereist zeer veel energie - voor één ton aluminium is ongeveer 13.500 kWh energie nodig! - en kan alleen plaatsvin­den als er goedkope elektrici­teit beschikbaar is. Vanwege de zeer goedkope energie in het Midden-Oosten en het Golfgebied wordt in die landen, bijv. in Qatar steeds meer aluminium geproduceerd. India is hierbij een belangrijke leverancier van het benodigde bauxiet. 

De herverwerking van aluminium kost slechts 5 – 10 % van de energie die nodig is voor nieuw aluminium en neemt daarom een steeds belangrijker plaats in.   

De wereldproductie bedraagt ruim 28 miljoen ton per jaar, waarvan 8 miljoen ton door herverwerking.

Legeringen

Door toevoeging van andere metalen aan aluminium worden eigenschappen, zoals sterkte, corrosiebestendigheid, enz., vrijwel ‘op maat gesneden’ voor het beoogde gebruik. De legeringen worden aangeduid met nummers:

groep	gelegeerd met	toepassingen, o.a.
1000	-	folie, beplating
2000	koper	vliegtuigbouw, constructiemateriaal
3000	mangaan	gevelbeplating
5000	magnesium	constructiemateriaal
6000	magnesium, silicium	constructiemateriaal (goed lasbaar)
7000	zink	constructiemateriaal, m.n. voor zwaardere, dragende constructies

 

 

 

 

 

 

Supersterk aluminium

Vloeibaar aluminium dat zeer snel afkoelt (in microseconden!), heeft andere eigenschappen dan gewoon aluminium. Door z’n bijzondere structuur heeft het een sterkte die vergelijkbaar is met titaan. Dit proces was lange tijd alleen op laboratoriumschaal mogelijk, maar is nu ook op industriële schaal toepasbaar. Het supersterke aluminium wordt toegepast voor schaatsen, fietsen, automotoren, golfclubs en materiaal voor bergbeklimmers.

TOEPASSINGEN EN TOELICHTING

Raam, deur, kozijn

Aluminium is licht en sterk en daardoor geschikt als construc­tiemateriaal. Bovendien is het resistent tegen atmosferische invloeden omdat het een vrijwel ondoor­dringbaar laagje aluminiumoxide vormt, dat beschermt tegen verdere oxidatie. Door anodiseren wordt het aluminium niet alleen beter beschermd, maar krijgt het ook een fraai uiterlijk. Aluminium kozijnen, deuren, gevelplaten, enz., vergen bijzon­der weinig onderhoud. Het gebruikte materiaal is meestal gelegeerd met 0,7 % magnesium en 0,4 % silicium. 

In zwaardere constructies wordt aluminium steeds meer toegepast, bijvoorbeeld bij olieplatforms en bruggen. Het schuifdak van de Amsterdam Arena is van aluminium. 

Folie, tube

Aluminium is bijzonder geschikt als verpakkings- en beschermingsmateriaal. Het is niet adsorberend, niet giftig, corro­siebestendig en laat geen lucht door. Bovendien is het zeer buigzaam.

Het wordt gebruikt in de vorm van blik, tube (dikke folie) of folie (bijv. voor gebruik in de keuken of als wikkel voor chocolade, snoep, e.d.). Folie kan zeer dun worden ge­maakt, tot ca. 6 mm).

Kabel

Aluminium heeft een redelijk geleidingsvermogen (spe­cifiek geleidingsvermogen ca. 61 % van dat van koper), is bijzonder licht en corrosiebestendig. Het wordt toegepast als kabel in hoogspanningsleidin­gen. Meestal wordt een legering gebruikt met ongeveer 97,9 % aluminium en een geringe hoe­veelheden koper, magnesium, chroom en silicium.

CD

Het reflecterende laagje op een CD bestaat meestal uit alumi­nium. Oorspronkelijk werd zilver gebruikt, maar dit kan gemakkelijk aangetast worden door zwa­velver­bindin­gen uit de lucht of uit het verpakkingsmate­riaal.

Vuurwerk

Zowel in siervuurwerk als in knal- en flitsvuurwerk wordt poedervormig aluminium ge­bruikt, waardoor bij het ontbranden een helder wit licht ontstaat. Voor zogenoemde sproei- en water­valeffecten wordt aluminium­gries toegepast met een deeltjes­grootte van max. 40 m. Zowel zuiver aluminium als mengsels met magnesium (max. 50 %) zijn ge­schikt.

Drankblikje

Drankblikjes worden steeds meer gemaakt van een aluminiumlegering met enkele procenten (max. 5 %) magnesium. De hoeveelheid geproduceerde blikjes wordt geschat op ongeveer 100.000.000.000 jaar. De recycling begint op gang te komen, momenteel wordt ieder blikje ongeveer 3 x hergebruikt.

Auto

Aluminium is licht, heeft een grote treksterkte, een goede warmtegeleiding en is goed giet- en walsbaar. Het wordt in vele auto-onderdelen verwerkt, bijvoor­beeld het motorblok, de cilinderkoppen, het carter, de zuigers, het chassis en de wielen. Ook wordt het gebruikt voor reflectoren (95 % terug­kaatsend vermogen) en decoratieve onderdelen zoals omlijstingen en handgrepen. Zowel zuiver aluminium als aluminiumlegeringen zijn hiervoor geschikt. 

Steeds meer auto’s worden uitgerust met aluminium carros­serieon­derdelen. De eerste auto met een volledige aluminium carrosserie werd in 1994 door Audi op de markt ge­bracht. De gemiddelde personenauto bevat ongeveer 70 kg aluminium. De gewichtsbesparing die hierdoor wordt bereikt is goed voor een beter acceleratie- en remvermogen, terwijl het brandstofgebruik afneemt.

Bij het beroepsgoederenvervoer wordt aluminium steeds  meer toegepast, bijvoorbeeld voor de bouw van vracht-  en tankwagens.

Metro 

Bij de constructie van rijtuigen voor metro, tram, trein, TGV of HST, enz., worden aluminium profielen en carrosserieonderdelen gebruikt. Naast legeringen wordt steeds meer gebruik gemaakt van Hylitepanelen. Dit zijn zogenoemde sandwichpanelen met een laag polypropeen tussen twee lagen aluminium. Deze panelen leveren een gewichtsbesparing van 50 % t.o.v. staal. Om dezelfde reden werden voor de HST zeer lichte en sterke wielstellen van aluminium ontwikkeld. 

In de scheepsbouw wordt steeds meer gebruik gemaakt van aluminium(legeringen), omdat het materiaal licht en sterk is en corrosiebestendig. Zowel in de nieuwe generatie hogesnelheidsveerboten, als in (wedstrijd)jachten, reddings-, politie- en loodsboten wordt aluminium steeds meer toegepast. Een snelle boot met een lichte romp blijkt op den duur goedkoper. 

De bouw van grote, snelle veerboten is mogelijk, dankzij speciale constructietechnieken met aluminium (Al-Mg-Mn en Al-Mg-Si-legeringen). 

Vliegtuig (raket)

Voor vliegtuig- en raketonderdelen worden naast de eisen ten aanzien van sterkte en gewicht, ook zware eisen gesteld aan corrosie- en hittebesten­digheid. Legeringen, met aluminium als hoofdbestanddeel wor­den veelvuldig toegepast. Het aluminium wordt gele­geerd met koper en magnesium, maar ook met titaan, zirkonium, vanadium en andere metalen, afhankelijk van de toepassin­gen. 

Vliegtuigvleugels worden gemaakt van een lege­ring, bestaande uit Mg, Al en Zn. Deze legering is 20 % lichter dan puur aluminium en goed bestand tegen corrosie. Ook romp, landingsgestel en ­trap zijn van een dergelijke legering gemaakt.

Een andere veel gebruikte legering bestaat uit magnesium met  6 % aluminium, 3 % zink en 0,2 % mangaan (ook zirkonium wordt gebruikt, ca. 0,7 %).

Voor een groot vliegtuig is meer dan 100 ton aluminiumlegering no­dig. Ongeveer 80 % van het gewicht van de Airbus en de nieuwe Boeings bestaat uit aluminiumlegering. 

Voor de Concorde wordt hiduminium RR58 gebruikt, een legering van aluminium (­92,5 %), koper (2,2 %), magnesium (1,5 %), ijzer (1,2 %), nikkel (­1,1 %), silicium (1,2 %) en mangaan, zink, lood en tin (samen 0,3 %).

Legeringen met lithium leveren een betere verhouding tussen sterkte en gewicht en worden veel toegepast in militaire toestellen.

In de vliegtuigindustrie wordt meer en meer gebruik ge­maakt van zeer licht en brandwerend plaatmateriaal, dat is opge­bouwd uit lagen aluminium en vezel (bijvoorbeeld kool­stofvezel, glasvezel of een supersterke vezel zoals Twaron®).

Tandprothesecement

Als tandprothesecement o.a. voor vullingen wordt alu­minium­fluorsilicaatglas gebruikt. Het is ondoordring­baar en heeft goede mechanische eigenschappen.

Waterzuivering 

Voor de zuivering van zwembad- en rioolwater wordt aluminiumsulfaat {Al₂(SO₄)₃} gebruikt. Door deze stof toe te voegen wordt het colloïdaal opgelost vuil, zoals resten van algen, bacteriën en huidschilfers, dat niet via de filters uit het water kan worden gehaald, verwijderd. Bij het oplossen treden de volgende reacties met water op: 

De gevormde aluminiumdeeltjes destabiliseren de colloïdale oplossing, waardoor er grote vlokken ontstaan (flocculatie). De ontstane neerslag wordt afgefiltreerd. Troebel (zwembad)water kan men eenvoudig laten uitvlokken door toevoeging van ca. 1 g aluminiumsulfaat per m³ water.

VERDERE TOEPASSINGEN

Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element) of als legering:

anti-afkoelingsfolie (o.a. voor te vroeg geboren baby's, sporters en slachtoffers van ongevallen)

biervaten 

brandstof in de ruimtevaart

bruggen, lichtmasten, ladders, pijpleidingen

capsules voor flessen

computerschijven

cryogeenvaten

cunial (legering van Cu, Ni, Al; wordt o.m. gebruikt voor scheepsschroeven)

jaloezieën 

keukengerei

kleurstof voor bv. suikerwaren (E173)

kunstvoorwerpen (bijv. beeld van Eros op Picadilly-Cir­cus in Londen)

munten (aluminiumbrons)

rails (o.a. voor HST)

raketbrandstof (o.a. in de vaste brandstof voor de ‘boosters’ van de Spaceshuttle)

rijwielen, zeilboten, schepen, caravans

roestwerende verf

rolluiken

schrijfmachines, stofzuigers

soldeer

spiegels en reflectoren

velgen (met 7 – 10 % Si; of met Mg/Zn: zie 12 – Magnesium)  

verf (metallic)

woning- en utiliteitsbouw (gevelplaten, enz.)

Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):                                                                          

aardewerk		Al2O3
		Al2(SiO3)3
additief voeding		NaAl(SO4)2
aftershave		KAl(SO4)2.12H2O
antitranspiratiemiddel in deodorant		Al2(OH)5Cl
		AlZr(OH)5Cl
		AlCl3
betonverdichter/-verharder (o.a. bij bruggen en stuwdammen)		NaAlO2
bindmiddel voor keramiek		AlPO4
		Al(H2PO4)3
brandwerend middel		Al(CH3COO)3
cement		bauxiet
cement voor toepassingen bij hoge temperaturen		Al2O3
chromatografie (dunne laag)		Al2O3
cosmetica		Al(C17H35COO)3
		Al(OH)3
		Al2(SiO3)3
desinfectans in cosmetica		Al(HCOO)3
desinfecteren van hout		AlCl3
drager voor katalysatoren		Al2O3
drukinkt (toevoeging)		Al(C17H35COO)3
email		Na3AlF6
extractiemiddel bij de opwerking van splijtstofstaven van kernreactoren		Al(NO3)3
fixeren van textielverf		Al(HCOO)3
geneesmiddel                                                                                 bloedstelpend middel		KAl(SO4)2.12H2O
gorgeldrank, keeltablet, voetpoeder		KAl(SO4)2.12H2O
neutraliseren van maagzuur		Al2O3
zalf tegen jeuk		Al(OH)(CH3COO)2 /     Al(OH)2(CH3COO)
evt. gemengd met wijnsteenzuur		COOH-CHOH-CHOH-COOH
glas		Na3AlF6
hulpmiddel om kunststof uit gietvorm te halen		Al(C17H35COO)3
insecticide		Na3AlF6
katalysator bij de olieraffinage		Al2O3
		Al2O3.(SiO2)x
katalysator  bij organische syntheses		AlCl3
keramiek		AlF3
		Al(OH)3
		Al2O3
		Al2O3
		Na3AlF6
keramiek met hoge warmtegeleiding t.b.v. elektronica		AlN
kleuren van textiel		Al(CH3COO)3
		Al(OH)3
kristal voor monochromatisch (laser)licht		Y3Al5O12
		gedoteerd met Nd-verbindingen
laboratoriumkroezen		AlN
leerlooien		Al(NO3)3
leerlooien (zeemleer)		KAl(SO4)2.12H2O
melkglasbereiding		Na3AlF6
mond- en gorgelwater		KAl(SO4)2.12H2O
ongediertebestrijding (m.n. in de scheepvaart)		AlP
papier		Al(C17H35COO)3
		NaAlO2
papierlijm		KAl(SO4)2.12H2O
pigment in cosmetica		bauxiet
porselein		Al2O3
		Al2(SiO3)3
raffinage van metalen		Na3AlF6
schuurpoeder		Al2O3
slijppoeder		bauxiet
		Al(OH)3
slijpsteen		bauxiet
smeermiddel		Al(C17H35COO)3
tandpasta		Al(OH)3
		Al2O3
toevoeging aan verf		Al(C17H35COO)3
vlamvertrager		Al(OH)3
vlamwerend maken van tapijt		bauxiet
vloeimiddel bij het smelten van metalen		AlF3
vloeimiddel bij keramiek, email, glas		AlPO4
vulmiddel (voor kunststof en gummi)		Al(OH)3
vulmiddel voor papier, gummi, kunststof, verf		Al2(SiO3)3
vuurvaste steen		Al2(SiO3)3
		Al2O3
waterafstotend maken van textiel		Al(HCOO)3
waterdicht maken van textiel		Al2(SO4)3
		KAl(SO4)2.12H2O
waterdicht maken van textiel en leer		Al(C17H35COO)3
wondzalf  en -poeder		KAl(SO4)2.12H2O
zeepbereiding		NaAlO2