Hliník

Rozbalit box

Obsah boxu

Hliník (chemická značka Al, latinsky Aluminium) je chemický prvek s protonovým číslem 13. Nachází se ve 3. periodě a 13. skupině periodické tabulky prvků. Po kyslíku a křemíku je třetím nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře (cca 8 % hmotnosti) a je jejím nejhojnějším kovovým prvkem. V přírodě se vyskytuje pouze ve formě sloučenin, nejvýznamnější surovinou pro jeho výrobu je hornina bauxit.

Díky své nízké hustotě, vynikající odolnosti proti korozi, dobré elektrické i tepelné vodivosti a snadné zpracovatelnosti je druhým nejpoužívanějším kovem na světě po železe. Jeho využití je klíčové v leteckém, automobilovém a stavebním průmyslu, stejně jako ve výrobě obalů a spotřebního zboží.

الفيزيائية Vlastnosti

Čistý hliník je stříbřitě bílý, lehký a měkký kov. Jeho klíčové fyzikální vlastnosti jsou:

• Nízká hustota: S hustotou přibližně 2,7 g/cm³ je zhruba třikrát lehčí než ocel. Tato vlastnost je zásadní pro jeho využití v dopravě a letectví, kde snižování hmotnosti vede k úspoře paliva.
• Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti: Ačkoliv čistý hliník není příliš pevný, jeho slitiny s jinými kovy (např. mědí, hořčíkem nebo zinkem) dosahují vysoké pevnosti při zachování nízké hmotnosti.
• Tvařitelnost a tažnost: Hliník je velmi dobře tvárný (lze jej válcovat na tenké fólie) a tažný (lze jej vytahovat na tenké dráty).
• Vynikající tepelná a elektrická vodivost: Je výborným vodičem tepla a elektřiny. Ačkoliv jeho elektrická vodivost je pouze asi 60 % vodivosti mědi na stejný průřez, při stejné hmotnosti vede elektřinu lépe. Proto se používá pro dálková elektrická vedení.
• Nemagnetičnost: Hliník je paramagnetický, což znamená, že nereaguje na magnetické pole. To je výhodné pro použití v elektrotechnice a elektronice.
• Odrazivost: Hladký povrch hliníku dobře odráží viditelné světlo i tepelné záření, čehož se využívá například u zrcadel v dalekohledech nebo u reflexních fólií.

🧪 Chemické vlastnosti

Hliník je velmi reaktivní kov, což se projevuje jeho silnou afinitou ke kyslíku.

• Pasivace: Na vzduchu se hliník okamžitě pokrývá velmi tenkou (několik nanometrů), ale mimořádně pevnou a souvislou vrstvou oxidu hlinitého (Al₂O₃). Tento proces se nazývá pasivace. Vrstva oxidu je nepropustná a chrání kov pod ní před další korozí. Díky pasivaci je hliník v běžném prostředí (voda, vzduch) velmi stálý a odolný, přestože je chemicky vysoce reaktivní.
• Amfoterní chování: Hliník má amfoterní charakter. To znamená, že reaguje jak s kyselinami, tak se silnými zásadami.
  • V kyselinách se pasivační vrstva rozpouští a hliník reaguje za vzniku hlinité soli a uvolnění vodíku:

2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂

• • V silných hydroxidech (zásadách) se také rozpouští za vzniku komplexních solí, tzv. tetrahydroxohlinitanů:

2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O → 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂

• Redukční činidlo: Díky své reaktivitě je hliník silným redukčním činidlem. Této vlastnosti se využívá v metalurgii v procesu zvaném aluminotermie, kde se práškový hliník používá k výrobě jiných kovů (např. chromu, manganu) z jejich oxidů. Reakce je silně exotermní:

Cr₂O₃ + 2 Al → 2 Cr + Al₂O₃

• Odolnost vůči kyselině dusičné: V koncentrované kyselině dusičné se hliník pasivuje tak silně, že s ní téměř nereaguje. Proto se tato kyselina může skladovat a přepravovat v hliníkových cisternách.

📜 Historie objevu a výroby

Objev

Ačkoliv se sloučeniny hliníku, jako je kamenec, používaly již ve starověkém Římě a Egyptě k barvení látek a v lékařství, izolace samotného kovu byla velkou výzvou kvůli jeho vysoké reaktivitě. První, kdo pravděpodobně připravil nečistý hliník, byl dánský fyzik a chemik Hans Christian Ørsted v roce 1825. Podařilo se mu to redukcí chloridu hlinitého pomocí draselného amalgámu.

Za skutečného objevitele je však často považován německý chemik Friedrich Wöhler, který v roce 1827 Ørstedův experiment zopakoval a vylepšil. Použil kovový draslík místo amalgámu a získal čistší vzorek hliníku ve formě prášku. Popsal jeho klíčové vlastnosti, včetně extrémní lehkosti.

Po dlouhou dobu byl hliník vzácnější a dražší než zlato nebo platina, protože jeho výroba byla nesmírně obtížná a nákladná. Na dvoře francouzského císaře Napoleon III. se nejváženějším hostům podávalo jídlo na hliníkových talířích, zatímco ostatní museli vzít zavděk zlatými.

Průlom ve výrobě

Zásadní zlom přišel až v roce 1886, kdy nezávisle na sobě vyvinuli dva mladí vynálezci – Američan Charles Martin Hall a Francouz Paul Héroult – proces elektrolytické výroby hliníku z taveniny. Tento proces, známý jako Hall-Héroultův proces, snížil cenu hliníku o více než 90 % a zahájil jeho masové průmyslové využití. V roce 1888 pak rakouský chemik Carl Josef Bayer patentoval metodu výroby čistého oxidu hlinitého z bauxitu (Bayerův proces). Tyto dva procesy tvoří základ moderní výroby hliníku dodnes.

🏭 Výroba hliníku

Výroba primárního hliníku je dvoustupňový proces.

1. Bayerův proces: Výroba oxidu hlinitého

Vstupní surovinou je hornina bauxit, což je směs oxidů a hydroxidů hliníku a nečistot, především oxidů železa (které mu dodávají červenou barvu) a křemíku. Cílem Bayerova procesu je z bauxitu získat chemicky čistý oxid hlinitý (Al₂O₃), známý také jako alumina. 1. Loužení: Jemně namletý bauxit se mísí s horkým koncentrovaným roztokem hydroxidu sodného (NaOH) pod vysokým tlakem. Hydroxid hlinitý se rozpustí za vzniku rozpustného tetrahydroxohlinitanu sodného, zatímco nerozpustné nečistoty (oxidy železa, křemičitany) zůstanou v pevné fázi. 2. Separace: Nerozpustný zbytek, známý jako červený kal, se odfiltruje. Jde o toxický odpad, jehož skladování představuje značnou ekologickou zátěž. 3. Vysrážení: Horký roztok se ochladí a "očkuje" krystalky čistého hydroxidu hlinitého (Al(OH)₃) z předchozí várky. To vyvolá srážení (krystalizaci) čistého Al(OH)₃. 4. Kalcinace: Vykrystalizovaný hydroxid hlinitý se promyje a následně zahřívá (kalcinuje) v rotačních pecích na teplotu přes 1000 °C. Tím se z něj odštěpí voda a vznikne finální produkt – bílý práškový oxid hlinitý (Al₂O₃).

2. Hall-Héroultův proces: Elektrolýza oxidu hlinitého

Oxid hlinitý má extrémně vysokou teplotu tání (přes 2000 °C), což znemožňuje jeho přímou elektrolýzu. Proto se rozpouští v tavenině jiného minerálu – kryolitu (Na₃AlF₆) – který snižuje teplotu tání směsi na přibližně 950–1000 °C.

• Elektrolýza probíhá ve velkých ocelových vanách (elektrolyzérech) vyložených uhlíkovou výstelkou, která slouží jako katoda (záporná elektroda).
• Do taveniny jsou ponořeny velké uhlíkové bloky, které fungují jako anoda (kladná elektroda).
• Průchodem stejnosměrného elektrického proudu se na katodě redukují hlinité ionty na kapalný hliník, který se shromažďuje na dně vany.

Al³⁺ + 3e⁻ → Al

• Na anodě se oxidují kyslíkové ionty na plynný kyslík. Ten však okamžitě reaguje s uhlíkovou anodou za vzniku oxidu uhličitého. Anody tak postupně uhořívají a musí se pravidelně měnit.

2 O²⁻ → O₂ + 4e⁻ C + O₂ → CO₂

Výroba hliníku je extrémně energeticky náročná. Na výrobu 1 tuny hliníku je potřeba přibližně 13–15 MWh elektrické energie. Proto se hutě na výrobu hliníku často staví v blízkosti velkých a levných zdrojů energie, například vodních elektráren.

♻️ Recyklace

Hliník je ideálním materiálem pro recyklaci, protože ji lze provádět donekonečna bez ztráty kvality kovu.

• Energetická úspora: Recyklace hliníku šetří přibližně 95 % energie potřebné k výrobě primárního hliníku z bauxitu.
• Ekologické přínosy: Recyklace výrazně snižuje emise skleníkových plynů, zamezuje těžbě bauxitu, která ničí krajinu, a eliminuje produkci toxického červeného kalu.
• Proces: Hliníkový odpad (např. plechovky, profily z oken, automobilové díly) se sbírá, třídí, čistí, taví v pecích a odlévá do nových ingotů, které jsou k nerozeznání od primárního hliníku.

Díky těmto výhodám se odhaduje, že přibližně 75 % veškerého hliníku, který byl kdy vyroben, je stále v oběhu.

🔩 Slitiny hliníku

Čistý hliník je poměrně měkký a má nízkou pevnost v tahu. Pro většinu konstrukčních a technických aplikací se proto používají jeho slitiny s jinými kovy, které výrazně zlepšují jeho mechanické vlastnosti (pevnost, tvrdost, obrobitelnost) při zachování nízké hmotnosti. Příměsové prvky se přidávají obvykle v řádu jednotek procent.

Nejběžnějšími legujícími prvky jsou:

• Měď (Cu): Výrazně zvyšuje pevnost a tvrdost, a to zejména po tepelném zpracování (vytvrzování). Tyto slitiny (označované jako dural) jsou základem v leteckém průmyslu, jejich nevýhodou je však snížená odolnost proti korozi.
• Křemík (Si): Zlepšuje slévatelnost (schopnost dobře vyplnit formu) a snižuje teplotu tání. Slitiny hliníku a křemíku, známé jako siluminy, jsou nejpoužívanějšími slitinami pro výrobu odlitků, například bloků motorů nebo pístů.
• Hořčík (Mg): Zvyšuje pevnost, odolnost proti korozi (zejména v mořské vodě) a dobře se svařuje. Tyto slitiny se používají v lodním průmyslu, pro výrobu tlakových nádob a v automobilovém průmyslu.
• Mangan (Mn): Mírně zvyšuje pevnost a výrazně zlepšuje odolnost proti korozi. Používá se často ve slitinách pro výrobu nápojových plechovek a kuchyňského nádobí.
• Zinek (Zn): V kombinaci s hořčíkem vytváří nejpevnější hliníkové slitiny s vysokou únavovou pevností. Používají se pro vysoce namáhané díly v letadlech a vojenské technice.
• Lithium (Li): Přidání lithia snižuje hustotu a zároveň zvyšuje modul pružnosti slitiny. Tyto drahé, ale vysoce výkonné slitiny se používají v moderním letectví a kosmonautice (Space Shuttle, SpaceX).

✈️ Využití hliníku a jeho slitin

Kombinace nízké hmotnosti, pevnosti, odolnosti proti korozi a dobré vodivosti předurčuje hliník k širokému spektru použití.

Doprava a letectví

Toto je historicky i současně nejdůležitější oblast využití hliníkových slitin.

• Letectví a kosmonautika: Hliníkové slitiny (především duraly) tvoří základní konstrukční materiál pro výrobu trupů, křídel a dalších částí letadel. Bez lehkých a pevných hliníkových slitin by moderní letectví nebylo možné.
• Automobilový průmysl: Hliník se stále více používá k nahrazování těžší oceli s cílem snížit hmotnost vozidel a tím i spotřebu paliva a emise. Vyrábějí se z něj bloky motorů, hlavy válců, kola, části karoserie a podvozku. Zásadní roli hraje v konstrukci elektromobilů, kde nižší hmotnost prodlužuje dojezd.
• Železnice a lodní doprava: Používá se na stavbu skříní železničních vozů, rychlovlaků a na konstrukce lodí a trajektů, kde odolává korozi v mořské vodě.

Stavebnictví

Ve stavebnictví je hliník ceněn pro svou odolnost proti povětrnostním vlivům, dlouhou životnost a nízké nároky na údržbu.

• Okenní rámy a fasády: Hliníkové profily se používají pro výrobu oken, dveří, zimních zahrad a moderních prosklených fasád. Často se povrchově upravují eloxováním pro zvýšení odolnosti a dosažení různých barevných odstínů.
• Střešní krytiny a obklady: Hliníkový plech je lehká a odolná střešní krytina.
• Konstrukční prvky: Mosty, lešení, nosné konstrukce pro veletržní haly.

Obalová technika

Hliník je ideálním obalovým materiálem, protože je lehký, nepropustný pro světlo, vzduch a pachy, a je plně recyklovatelný.

• Nápojové plechovky: Nejznámější a objemově největší využití hliníku v obalovém průmyslu.
• Alobal: Tenká hliníková fólie pro domácí i průmyslové použití.
• Aerosolové spreje, tuby, víčka: Obaly pro kosmetiku, léky a potraviny.
• Kompozitní obaly (Tetra Pak): Velmi tenká hliníková vrstva v nápojových kartonech slouží jako bariéra proti kyslíku a světlu.

Elektrotechnika

• Vodiče vysokého napětí: Kvůli nižší ceně a lepšímu poměru vodivosti k hmotnosti se hliník (často ve formě ocelí vyztužených lan AlFe) používá pro dálková vedení vysokého napětí místo dražší a těžší mědi.
• Chladiče: Díky vynikající tepelné vodivosti se používá na výrobu chladičů v počítačích, elektronice a automobilovém průmyslu.

Spotřební zboží a další využití

• Kuchyňské nádobí a příbory.
• Sportovní vybavení: Rámy jízdních kol, lyžařské hole, hokejky.
• Nábytek: Židle, stoly, regály.
• Chemický průmysl: Jako katalyzátor a pro výrobu dalších hliníkových sloučenin.
• Pyrotechnika: Hliníkový prášek hoří oslnivým bílým plamenem a používá se v zábavní pyrotechnice i ve vojenských výbušninách.

🧬 Biologický význam a toxicita

Hliník nemá žádný známý biologický význam pro živé organismy, ať už rostliny, nebo živočichy. Není esenciálním prvkem a tělo ho ke svému fungování nepotřebuje. Naopak, ve vyšších koncentracích může být toxický.

Hliník a lidské zdraví

Většina hliníku, který člověk přijme (z potravy, vody či vzduchu), se z těla vyloučí a v organismu se neakumuluje. Zdravý lidský organismus má efektivní mechanismy, jak se hliníku zbavovat, především prostřednictvím ledvin.

V minulosti byla vedena rozsáhlá debata o možné souvislosti mezi expozicí hliníku a rizikem vzniku Alzheimerovy choroby. Tato hypotéza vznikla na základě nálezů hliníkových depozit v mozcích pacientů zemřelých na tuto nemoc. Rozsáhlé vědecké studie však neprokázaly příčinnou souvislost mezi příjmem hliníku z běžných zdrojů (nádobí, obaly, antiperspiranty) a vznikem Alzheimerovy choroby. Většina odborných organizací, včetně Světové zdravotnické organizace (WHO), nepovažuje běžný příjem hliníku za zdravotní riziko pro obecnou populaci.

Riziko může nastat u pacientů s vážným selháním ledvin, kteří nejsou schopni hliník efektivně vylučovat, a u pracovníků v hliníkárenském průmyslu vystavených vysokým koncentracím hliníkového prachu.

Použití v lékařství

Některé sloučeniny hliníku se v lékařství využívají:

• Antacida: Hydroxid hlinitý (Al(OH)₃) se používá v lécích proti překyselení žaludku, kde neutralizuje žaludeční kyselinu.
• Adjuvans ve vakcínách: Hlinité soli (např. síran hlinitý) se používají jako adjuvans v některých vakcínách k posílení imunitní odpovědi organismu na antigeny.

🌿 Environmentální dopady

Výroba a zpracování hliníku mají významné dopady na životní prostředí, které se týkají především primární výroby.

Těžba bauxitu

Povrchová těžba bauxitu je invazivní proces, který vede k odlesňování, erozi půdy a ztrátě biodiverzity v těžebních oblastech, které se často nacházejí v tropických a subtropických regionech. Rekultivace vytěžených oblastí je náročná a nákladná.

Produkce červeného kalu

Nejzávažnějším environmentálním problémem při výrobě oxid hlinitý z bauxitu je produkce obrovského množství vysoce alkalického červeného kalu. Na každou tunu vyrobeného oxidu hlinitého vznikají 1 až 2 tuny tohoto toxického odpadu. Červený kal obsahuje zbytky hydroxidu sodného a těžkých kovů a musí být skladován na speciálních odkalištích. Protržení hráze takového odkaliště může způsobit ekologickou katastrofu, jako se stalo v Maďarsku v roce 2010 (Katastrofa na odkališti v Ajce).

Emise z elektrolýzy

Energetická náročnost Hall-Héroultova procesu znamená vysokou uhlíkovou stopu, pokud je elektřina vyráběna z fosilních paliv. Během elektrolýzy se také uvolňuje oxid uhličitý a v menší míře i perfluorované uhlovodíky (PFCs), což jsou velmi silné skleníkové plyny. Moderní technologie se snaží tyto emise minimalizovat.

Díky mimořádným energetickým a ekologickým úsporám je recyklace klíčovým nástrojem pro udržitelný hliníkový průmysl.

💡 Pro laiky

Představte si hliník jako superhrdinu mezi kovy. Je neuvěřitelně lehký (jako pírko ve srovnání s ocelí), ale přitom dokáže být velmi silný (když se spojí se svými kamarády, jinými kovy).

Jeho tajnou superschopností je neviditelný štít. Jakmile se dostane na vzduch, okamžitě si vytvoří tenkou, ale super pevnou neviditelnou vrstvu (oxid hlinitý), která ho chrání před rzí a korozí. Proto hliníkové rámy oken nebo plechovky nikdy nezreznou jako starý železný plot.

Díky těmto vlastnostem ho najdeme všude:

• **Ve vzduchu:** Je hlavním materiálem pro stavbu letadel, protože je lehký a pevný.
• **Na silnici:** Auta jsou díky němu lehčí a spotřebují méně paliva.
• **V kuchyni:** Odolává korozi, takže z něj máme alobal, nádobí a plechovky, které chrání jídlo.
• **V elektrickém vedení:** Protože je lehký a dobře vede elektřinu.

Jeho slabinou je, že se nerad rodí. Jeho výroba z horniny (bauxitu) je strašně náročná na energii. Ale má skvělou vlastnost – je věčně recyklovatelný. Přetavit starou plechovku na novou je 20krát úspornější než vyrobit nový hliník. Proto je tak důležité třídit hliníkový odpad.