Glin czy aluminium?

To samo czy nie to samo? Czy można te słowa traktować wymiennie? Choć w języku angielskim, hiszpańskim, niemieckim i chyba w przeważającej ilości języków świata oba polskie terminy mają ten sam odpowiednik, to w języku polskim różnica jest może nieznaczna, ale istotna. W telegraficznym skrócie – chemików i fizyków będzie interesować glin, techników i inżynierów aluminium.

Glin, czyli pierwiastek

Glin to nazwa pierwiastka chemicznego, w układzie okresowym położonego pod borem (i jak on trójwartościowego), a między magnezem i krzemem. Z łacińskiej nazwy pierwiastka – aluminium (niezbyt zaskakująca, czyż nie?) pochodzi symbol chemiczny glinu – Al. 

Wraz z krzemem jest on najbardziej powszechnym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, choć jest bardzo rozproszony i występuje w postaci różnych związków chemicznych, głównie glinokrzemianów. Glin w temperaturze pokojowej jest miękkim, srebrzystym metalicznym ciałem stałym, który posiada trzy cechy, czyniące go niezwykle interesującym. Po pierwsze ma właściwości amfoteryczne. 

To trudne słowo oznacza w uproszczeniu, że może zachowywać się jak kwas i zasada w reakcjach chemicznych. Stąd może tworzyć dodatnio naładowane kationy lub ujemnie naładowane aniony (w tym przypadku zwykle w towarzystwie tlenu). Tylko niewielki procent pierwiastków jest amfoterycznych, a spośród nich glin jest najpowszechniej występujący. Kolejną cechą jest jego lekkość, glin jest bowiem dwa i pół raza lżejszy od żelaza i jeden litr (dm³) glinu waży 2,7 kg. 

Po trzecie, glin reaguje z tlenem obecnym w powietrzu, ale tylko na powierzchni (mamy do czynienia z tzw. pasywacją). Powstająca warstewka tlenku glinu jest szczelna i chroni wnętrze przed dalszym utlenianiem, jak to niestety zachodzi w przypadku wyrobów żelaznych, na których rdza się łuszczy i odpada, odsłaniając kolejne warstwy materiału, które zaczynają dalej rdzewieć.

Aluminium czyli stop

No dobrze, a co z aluminium? 

To materiał konstrukcyjny, będący glinem, o czystości technicznej, czyli zawierającym co najmniej 1% domieszek innych pierwiastków, przede wszystkim metali, takich jak np. magnez. Aluminium to więc stop glinu, a nie sam czysty chemicznie glin. 

Ten drobny dodatek (choć czasem sięgający kilkunastu procent) pozwala wyraźnie polepszyć właściwości mechaniczne przy zachowaniu tych dwóch cech, za które konstruktorzy pokochali aluminium, czyli lekkości i odporności na działanie powietrza. Jednym z najpopularniejszych stopów jest tak zwane duraluminium (dural), w którym glin stopiono z magnezem, manganem i miedzią. Co do pochodzenia nazwy są dwie teorie, pierwsza wiąże przedrostek z łacińskim słowem durus (czyli twardy), druga z niemiecką miejscowością Düren, gdzie opracowano ten stop. 

Nie wspomniałem jeszcze o jednej cesze aluminiowych stopów. Całkiem dobrze przewodzą one prąd elektryczny, wprawdzie nie są pod tym względem rekordzistami (tu na podium są kolejno srebro, miedź i złoto), ale stosunek przewodnictwa do ceny i masy przewodu sprawił, że chyba z pół Polski ma w tym momencie w ścianach aluminiową instalację elektryczną. Pod tym względem jednak trzeba przyznać, że obecny trend zastępowania aluminiowych przewodów miedzianymi jest uzasadniony. Przewodność miedzi jest wyższa, co zmniejsza straty, a w dodatku miedź jest bardziej kowalna i elastyczna. Kruche i łamliwe przewody aluminiowe doprowadziły do szału niejednego elektryka (w tym nawet takiego domorosłego jak ja) i mają na swoim sumieniu wiele zwarć a w konsekwencji pożarów.  

Produkcja aluminium

Lista krajów będących największymi producentami aluminium zawiera w sobie pewne niespodzianki. Chiny, Rosja czy Stany Zjednoczone nie są zaskoczeniem. Trochę bardziej kilka krajów bliskowschodnich ze Zjednoczonymi Emiratami Arabskimi, czy Norwegia. Ale chyba najbardziej to dziwi mała Islandia, która ma produkcję niemal identyczną jak Stany Zjednoczone!  

Co istotne, ani kraje arabskie, ani Islandia z Norwegią nie posiadają złóż boksytów, które są podstawowym surowcem do produkcji aluminium. Boksyty wydobywane są w przede wszystkim w Ameryce Południowej i Karaibach oraz Australii. A więc w przypadku Islandii surowiec wiezie się statkami na tę subarktyczną wyspę, tam przetwarza w hutach aluminium i z powrotem ładuje na statki, które wiozą sztaby aluminium do fabryk Europy i Ameryki Północnej. I gdzie w tym wszystkim logika?

Jak mówi popularne powiedzenie, jak nie wiadomo, o co chodzi, to chodzi o pieniądze. 

Tak jest i w tym przypadku. Omówmy najpierw pokrótce proces produkcji aluminium. Najpierw boksyty, składające się głównie z różnych odmian wodorotlenku glinu, są stapiane z wodorotlenkiem sodu (tzw. sodą żrącą). 

Pozwala to na łatwiejsze oddzielenie związków glinu od innych substancji zawartych w boksytach. Uzyskany koncentrat jest mieszany z innym związkiem litu zawierającym fluor , to jest kriolitem, i stapiany w temperaturze ok. 1000°C. I tu się zaczyna zabawa, bo do takiej stopionej mieszaniny podłącza się prąd elektryczny, który powoduje wydzielanie się czystego glinu (następuje tzw. elektroliza stopionej soli glinu). 

To opis bardzo uproszczony, ale najważniejsze, żebyśmy zapamiętali, że produkcja aluminium jest bardzo energochłonna, ponieważ ogromne ilości energii elektrycznej są zużywane na podgrzewanie stopu i jego elektrolizę. Opłaca się więc wieźć surowiec tam, gdzie energia jest tania, to jest na Bliski Wschód (wiadomo, ropa naftowa) i na daleką północ do Norwegii czy Islandii, które mają olbrzymie nadwyżki energii z elektrowni wodnych, a w przypadku Islandii także geotermalnych. Ot, i cała tajemnica. 

Dodam jeszcze, że zanim pod koniec XIX w. upowszechnił się powyższy proces (nazywany od nazwisk twórców procesem Halla-Heroulta), produkcja aluminium była wielokrotnie droższa niż dziś, co sprawiało, że raczej wykorzystywano je okazyjnie, np. do wytwarzania luksusowych sztućców. Choć może nie zdajemy sobie sprawy, to naukowcom i inżynierom, którzy opracowali wytwarzanie aluminium, zawdzięczamy naprawdę wiele. Jego tania produkcja zrewolucjonizowała przecież nasz świat. Bez niego niemożliwy byłby rozwój lotnictwa i technik kosmicznych. 

Aluminiowe elementy konstrukcyjne są w naszych domach i samochodach. Niektórzy cieszą się ze swoich ultralekkich rowerów, które mogą podnieść jednym palcem. I choć w wieku XXI w tych zastosowaniach aluminium bywa wypierane przez kompozyty z tworzyw sztucznych, to przyznajmy się – kto z nas nie użył kiedykolwiek w kuchni folii aluminiowej czy aluminiowych tacek do grilla, no kto?

Wojciech Smułek