알루미늄이란?- 속성, 용도 및 제조 방법

알루미늄이란?

알루미늄은 원자 번호 13과 기호 Al을 가진 화학 원소입니다. 붕소 그룹에서는 은백색의 부드럽고 비자성이며 연성 금속입니다. 알루미늄은 산소와 규소 다음으로 지각에서 가장 널리 퍼진 금속이자 세 번째로 풍부한 원소이며 지각 무게의 8.1%, 원자의 6.3%를 차지합니다.

알루미늄은 매우 활동적인 금속이기 때문에 장석, 운모, 화강암 및 점토를 포함한 다양한 토질 및 암석 광물에서만 발견되고 카올린은 도자기 생산에 사용되는 미세한 흰색 알루미늄 함유 점토를 말합니다.

종종 알루미나로 알려진 산화알루미늄은 용광로 라이닝에 사용되며 온도가 2000°C(3632°F)에 도달할 때까지 녹지 않습니다. 커런덤과 에머리는 연마제로 사용되는 두 가지 더 단단한 형태의 알루미나입니다.

석류석(Fe3 Al2 Si3 O12), 베릴(Be3 Al2 Si6 O18), 루비 및 사파이어, 크롬 및 철 불순물을 포함하는 Al2 O3와 같은 몇 가지 준보석은 알루미늄이 발견될 수 있는 다양한 광물 형태 중 하나입니다. 레이저에서는 제조된 루비와 사파이어가 사용됩니다.

 

알루미늄의 역사

알루미늄은 지각에서 세 번째로 풍부한 원소로 질량의 7% 이상을 차지합니다. 그것은 다른 물질과 함께 매우 안정적인 화합물로만 자연에 존재하며 그 존재는 1808년까지 발견되지 않았습니다. 광석에서 금속을 분리하고 상업적으로 실현 가능한 생산 기술을 개발하는 데 수년간의 연구가 필요했습니다.

Humphrey Davy 경은 1808년에 알루미늄을 발견하고 이름을 처음으로 지정했습니다. 프랑스 남부의 Les Baux 마을 근처에서 P. Berthier는 1821년에 거의 50%의 산화알루미늄을 함유하는 단단하고 불그스름한 점토와 같은 토양을 발견했습니다. 보크사이트라고 하며 가장 흔한 알루미늄 자원입니다.

덴마크의 Hans Oersted는 1825년에 묽은 칼륨 아말감을 염화알루미늄과 반응시키고 생성된 수은을 증류하여 약간 불순한 알루미늄 침전물을 남김으로써 적당한 양의 알루미늄 금속을 만들었습니다.

알루미늄 금속은 어떤 양으로도 생산하기에는 여전히 엄청나게 비쌌고 오랫동안 희귀하고 귀중한 금속으로 남아 있었습니다. 알루미늄은 1852년에 파운드당 거의 $545에 팔렸습니다.

1886년 Charles M. Hall과 Paul L-T. Heroult는 현재 Hall 또는 Hall-Heroult 절차로 알려진 것을 독립적으로 만들었습니다. 이것은 일반적인 알루미늄 함유 광물인 용융된 빙정석에 알루미나를 용해시키고 가열된 액체를 통해 전류를 전도하는 것을 포함합니다.

전기분해는 용융 알루미늄 금속을 음극(음극)에서 수집하는 과정입니다. 알루미늄 금속 가격은 이 기술이 개발된 지 얼마 되지 않아 파운드당 약 30센트로 떨어졌습니다.

 

알루미늄 광석

알루미늄은 주기율표의 IIIA 족에 속하며 반응성이 높은 금속입니다. 알루미늄은 자연의 광석에서 산화물 형태로 발견됩니다. 가장 중요한 알루미늄 광석은 다음과 같습니다.

▷ 보크사이트 – Al2O3.2H2O
▷ 커런덤 – Al2O3
▷ 빙정석 – Na3AlF6

 

알루미늄의 제조 공정

1. 바이엘 프로세스
알루미늄 산화물, 철 및 기타 금속을 함유한 광석인 보크사이트는 알루미늄을 만드는 데 사용됩니다. 바이엘 공정은 채굴된 보크사이트에 사용되며, 1800년대 후반에 이를 발명한 오스트리아 화학자의 이름을 따서 명명되었습니다.

산화알루미늄은 처리되기 전에 주변 불순물로부터 분리되어야 하기 때문에 산업적 목적으로 활용되기 전에 보크사이트에서 회수되어야 합니다. 바이엘 공정의 첫 번째 단계에서 보크사이트를 화학 용액에 넣고 섭씨 150~200도 사이에서 가열하여 산화알루미늄을 용해합니다.

2. 홀 - 헤로트 프로세스
Hall—Heroult 기술은 1886년에 별도로 발명한 미국과 프랑스 화학자의 이름을 따서 명명되었으며 알루미늄 제조에 사용되었습니다. 오늘날에도 여전히 널리 사용되고 있으며 아주 약간의 변화가 있습니다. 산화알루미늄은 산소 원자를 포함하고 있기 때문에 제조에 사용되기 전에 순수한 알루미늄으로 가공되어야 합니다.

정제 과정은 가열된 산화알루미늄 결정을 용융된 빙정석 통에 넣는 것으로 시작되며, 이는 결정을 빠르게 용해시키고 전해질 용액을 형성합니다. 그런 다음 통은 탄소 라이닝을 통해 들어가고 한 쌍의 탄소 막대를 통해 나가는 직류로 채워집니다.

액체 형태의 알루미늄 복합체는 침전조에 침전되기 전에 일련의 필터를 통과하여 결정화되기 시작합니다. 그런 다음 결정을 약 1,100°C의 가마에서 소성하여 순수한 산화알루미늄을 생성합니다. 전류는 알루미늄을 산소 원자에서 분리하고 통 바닥에 모이게 하는 화학 공정을 시작합니다.

이 과정을 거쳐 알루미늄은 순도 99.8%의 용탕이 된다. 그 후, 용탕을 주형에 넣고 물로 식힌 다음 원하는 모양으로 마무리할 수 있습니다. 결과적으로 산업용 등급의 ​​알루미늄이 생산됩니다.

 

알루미늄의 성질

알루미늄의 물리적 특성
알루미늄은 냄새나 맛이 없는 은백색 금속입니다. 실리콘을 첨가하면 재료가 더 가단성 있고 부드러워집니다. 알루미늄 결정의 입방 구조는 면 중심입니다.
알루미늄은 마그네슘을 제외한 다른 상업용 금속보다 밀도가 낮습니다. 표면 유형이 올바른 경우 알루미늄은 특히 UV 광선에 대해 우수한 반사체입니다.
불순물 편석이 생성되면 격자가 덜 순수한 금속에 집중됩니다. 대부분의 다른 물리적 속성은 순도의 영향을 받습니다.
알루미늄은 차갑거나 뜨거운 선택 벽이나 흑체의 인상을 시뮬레이션하는 본체로도 사용할 수 있습니다. 적외선 범위에서 알루미늄의 반사율은 금과 은보다 약간 높습니다.
마그네슘을 제외하고 알루미늄은 다른 상업용 금속보다 밀도가 낮습니다.

알루미늄의 화학적 성질
알루미늄 금속의 표면은 공기 공격으로부터 코팅을 보호하는 산화물 층으로 덮여 있기 때문에 반응하지 않습니다. 산화층이 파괴되면 알루미늄 금속이 노출되어 산소와 결합하여 양쪽성 산화물(Aluminium(III) Oxide), Al2O3의 발생을 돕습니다.

4Al(s) + 3O2(l) → 2Al2O3(s)

무기산은 알루미늄과 반응하여 액체 AI(III) 이온과 수소 기체 H2를 포함하는 용액을 생성합니다. 알루미늄은 HCl과 반응하여 수소 가스를 생성합니다.

2Al(s) + 6HCl(수성) → 2Al3+(수성) + 6Cl-(수성) + 3H2(g)

이 반응으로 수소 가스(H2)가 방출됩니다. 알루미늄이 가열된 수산화나트륨 용액과 결합하여 무색의 테트라히드록소알루미늄산나트륨 용액을 형성하고 수소 가스를 방출하면 알루미늄은 산소와 공유 결합을 형성할 수 있습니다.

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

알루미늄의 기계적 성질
알루미늄은 파손 없이 상당한 변형을 견딜 수 있습니다. 압연, 압출, 드로잉, 기계 가공 및 기타 기계적 작업을 사용하여 알루미늄을 성형할 수 있으며 높은 정밀도로 주조도 가능합니다.
알루미늄 특성은 합금화, 냉간 가공 및 열처리에 의해 맞춤화될 수 있고 순수 알루미늄의 인장 강도는 대략 90MPa인 반면 일부 열처리 가능한 합금은 690MPa 이상에 도달할 수 있습니다.

 

알루미늄의 용도

▷ 알루미늄 및 그 합금은 다음을 포함하여 다양한 용도로 사용됩니다.
▷ 알루미늄은 전기의 좋은 전도체이기 때문에 전기 전송 라인에 사용됩니다.
▷ 기둥, 튜브, 파이프, 플레이트, 와이어 및 포일은 모두 알루미늄으로 성형됩니다.
▷ 견고하고 가벼우므로 공장, 비행기 및 기타 자동차의 주방 용품을 만드는 데 사용되었습니다.
▷ 에어컨과 태양열 전도체 모두 사용합니다.
▷ 또한 교량, 사다리, 전선 및 문 등에 널리 사용됩니다.
▷ 은박은 초콜릿 및 기타 품목을 포장하는 데 사용됩니다.

 

알루미늄의 장점

▷ 알루미늄의 비중은 2.7g/cm3로 강철의 약 1/3입니다. 알루미늄 생산 비용이 절감됩니다. 자동차에 적용하면 부하 용량을 높이는 동시에 사중과 에너지를 절약할 수 있습니다. 또한 소음 수준을 낮추고 편안함을 높입니다.
▷ 알루미늄은 자연적으로 환경과의 추가 상호 작용으로부터 금속을 보호하는 얇은 산화물 덮개를 생성합니다. 알루미늄 합금은 해양 마그네슘-알루미늄 합금을 제외하고 순수 알루미늄보다 내식성이 낮습니다.
▷ 알루미늄은 열과 전기의 좋은 전도체입니다. 그 결과 알루미늄은 주요 송전선로에 선호되는 소재가 되었습니다.
▷ 알루미늄은 우수한 열 및 가시광선 반사체로 경량성과 함께 반사체에 적합한 재료입니다.
▷ 알루미늄은 녹는점과 밀도가 낮고 연성이 있습니다. 용융 상태에서는 다양한 방법으로 처리할 수 있습니다.
▷ 알루미늄은 완전히 재활용할 수 있으며 재활용 알루미늄은 새 알루미늄과 동일한 특성을 갖습니다. 결과적으로 대규모 생산을 위한 훨씬 더 비용 효율적인 소스 재료입니다.

알루미늄의 단점

▷ 강철과 같은 다른 재료에 비해 알루미늄은 더 비쌉니다.
▷ 알루미늄 용접에는 다른 방법보다 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸릴 수 있는 특별한 절차가 필요합니다.
▷ 알루미늄은 가단성이 있지만 이 기능은 부정적인 요소이기도 합니다. 강철과 비교하여 더 쉽게 찌그러지고 긁힐 수 있습니다.