alumini

Friedrich Wöhler l’aïllà pur per primera vegada el 1827, bé que Ørsted l’havia obtingut impur dos anys abans. L’alumini terrestre és constituït exclusivament pel núclid 27, però en els meteorits hom troba el núclid radioactiu 26, que és el més important dels 6 isòtops radioactius que han estat obtinguts artificialment. Constitueix el 8,13% de l’escorça terrestre i és, per ordre d’abundància, el tercer dels elements i el primer dels metalls. No existeix a l’estat natiu, i hom el troba sobretot en forma de silicats (argiles, caolí, aluminosilicats), d’òxid (alúmina anhidra o hidratada) i de fluorur doble d’alumini i de sodi (criolita). El mineral del qual és extret és la bauxita, un òxid impur hidratat, a partir del qual hom prepara l’òxid anhidre pur alúmina . Hom obté el metall per electròlisi al voltant de 900-950°C de l’alúmina dissolta en criolita fosa, amb addició eventual de fluorur càlcic (procediment Hall-Héroult). La cèl·la electrolítica és una caixa de ferro folrada interiorment de grafit, que serveix de càtode, i els ànodes són també de grafit. Bé que la criolita participa en la reacció, tot passa com si, essencialment, s’electrolitzés l’alúmina. L’alumini es deposa al càtode i s’aplega al fons de la caixa, d’on és sagnat de tant en tant; l’oxigen oxida el grafit dels ànodes, la qual cosa en provoca un consum important. El metall obtingut és de puresa 98-99,5% i conté petites quantitats de ferro, silici i alúmina. Per a obtenir-lo més pur cal sotmetre'l a una segona electròlisi (procediment Hoopes), i hom assoleix aleshores pureses de 99,995%. Tots els intents d’obtenir alumini més econòmicament, a partir de l’argila, han fracassat fins ara. Químicament, l’alumini és un element molt reactiu. No s’altera a l’aire sec, però a l’aire humit o en contacte amb l’aigua s’oxida ràpidament, bé que resta de seguida protegit per una capa d’òxid contínua, coherent, insoluble en l’aigua impermeable. Aquesta capa pot ésser engruixida per tractaments químics o per oxidació anòdica ( anodització ) i és susceptible de rebre coloracions decoratives. Si l’alumini és amalgamat, baldament sigui superficialment, la protecció de l’òxid falla, i aleshores és atacat ràpidament per l’aigua. A alta temperatura l’alumini crema violentament en l’oxigen tot desprenent una gran quantitat de calor. Amb els halògens i el nitrogen produeix, en calent, halurs i nitrur. Els àcids, exceptuant l’àcid nítric, l’ataquen (amb més o menys rapidesa, segons llur natura i segons la temperatura), i donen sals d’Al ³ +. Els hidròxids alcalins l’ataquen de pressa i donen aluminats. Les solucions de sal, i en particular l’aigua de mar, el corroeixen ràpidament. La seva forta electropositivitat fa que sigui molt reductor; redueix un gran nombre d’òxids metàl·lics aluminotèrmia i àdhuc l’aigua, el CO i el CO ₂ . La seva estructura electrònica li permet d’actuar com un acceptor d’electrons, i la seva tendència a formar un octet és demostrada pels seus composts tetraèdrics, que impliquen hibridació sp ³ . El clorur i el bromur anhidres, per exemple, són dimèrics a l’estat de vapor i en solvents no polars (amb els halògens disposats tetraèdricament), i són àcids de Lewis típics. Són ben coneguts, d’altra banda, els ions complexos [AlX ₄ ] ^- (cloroaluminats, bromoaluminats, etc). Analíticament, l’alumini és detectat amb el roig d’alitzarina S (precipitat vermell en medi acètic) i és valorat per colorimetria amb aluminó en solució amònica. A l’estat pur la resistència a la tracció de l’alumini metall és reduïda, però augmenta molt ràpidament per aliatge amb quantitats àdhuc petites d’altres metalls, d’on l’interès dels seus aliatges. Els aliatges on l’alumini domina (aliatges lleugers) es beneficien de la seva lleugeresa, i alguns, de la seva mal·leabilitat. Per aquesta raó són molt utilitzats en la construcció aeronàutica i automobilística i en el material de transport en general. Els elements d’aliatge més importants i freqüents són el coure, el silici, el magnesi i el zinc. Hom sol distingir dos grups principals, que són els aliatges d’emmotllament i els de forja. En general, els primers contenen menys additius, i en cada grup hom troba aliatges millorables per tractaments tèrmics i per envelliment. Entre els aliatges de forja destaquen els d’Al i Cu, amb algun o alguns altres elements. A ells pertanyen els duraluminis, que són els aliatges lleugers de major interès històric i que contribuïren decisivament al desenvolupament de la construcció aeronàutica duralumini . Són encara emprats àmpliament, bé que amb variacions en llur composició, per a millorar certes característiques, per exemple la resistència a la tracció. Alguns aliatges Al-Zn-Mg-Cu assoleixen resistències superiors a 60 kg/mm ² ; d’altres, que contenen Al-Si-Mg-Cu-Ni, es distingeixen per llurs febles coeficients de dilatació que els fan adequats per a pistons de motors de combustió interna. Entre els aliatges d’emmotllament són molt notables també els Al-Cu. Els que tenen del 8 al 12% de Cu són resistents a la tracció, s’emmotllen bé i mantenen llurs qualitats a alta temperatura. Els Al-Si són més dúctils i més resistents al xoc i a la corrosió que els Al-Cu: amb a l’entorn del 13% de silici alpax són molt corrents en foneria. Amb el silici pels volts del 4,5% i l’addició de magnesi són resistents als agents atmosfèrics i hom els empra en arquitectura amb fins decoratius. Els aliatges Al-Mg magnali són estimats per llur lleugeresa i llur resistència a la corrossió; amb el 10% de Mg són els més lleugers i més tenaços de tots els aliatges d’alumini. Hi ha també aliatges més complexos, tant de forja com d’emmotllament, que mantenen bones característiques mecàniques a altes temperatures, que són aprofitades en la construcció de peces per a reactors, turboreactors i similars. Els anomenats bronze d’alumini es classifiquen entre els aliatges de coure. La soldadura de l’alumini i dels seus aliatges presenta certes dificultats a causa de la formació d’una capa d’alúmina, que fa necessari un flux decapant constituït generalment per clorurs i fluorurs alcalins. El metall d’aportació ha d’ésser en principi el mateix que el metall a soldar. Quan això no és possible, hom utilitza en general uns aliatges Al-Si (a 6% de Si, o bé d’alpax). Si basta una soldadura corrent, hom sol utilitzar un aliatge d’aproximadament 70% de Sn i 30% de Zn, que és treballat pels volts de 400°C. Les aplicacions de l’alumini metàl·lic i dels seus aliatges són molt importants i variades. Pur, és utilitzat per a estris de cuina, bidons, aparells per a la indústria química, instrument de precisió, etc. Altres aplicacions molt importants són: les de l' alumini en pols, l' alumini en pasta i el paper d’alumini ; la seva utilització com a conductor elèctric, ja que si a igual secció és menys bon conductor que el coure, a pes igual li resulta superior; en fi, l’aluminatge del ferro i aliatges ferris. Les aplicacions dels aliatges d’alumini en la indústria mecànica, en la indústria de l’automòbil, i en el ram de la construcció aeronàutica són innombrables.

La producció d'alumini

L’alumini constitueix, després de l’acer, el segon metall en importància econòmica i, com aquest, la seva producció massiva no s’inicia fins a la segona meitat del s XIX (el 1854 Henri Sainte-Claire Deville descobrí el primer mètode de producció industrial de l’alumini). Des d’aleshores la producció d’aquest metall ha anat creixent a un ritme accelerat: passà de 7 000 t el 1900 a 688 000 t el 1938 i a 7 150 000 t (només de primera fusió) el 1966, a causa de les múltiples aplicacions d’aquest metall que hom descobrí malgrat la competència dels materials plàstics per a substituir l’acer i el coure. La dècada dels anys cinquanta augmentà tan ràpidament el consum, que originà un creixement excessiu que donà lloc al descens de beneficis del 10% el 1950 fins al 5% dels seixanta. Després d’un descens als anys setanta, des de la dècada dels vuitanta el seu consum s’estabilitzà al voltant de les 18-20 milions de tones pel seu aprofitament en la indústria de l’automòbil, aeronàutica, elèctrica, de construcció, etc. La producció mundial el 1992 fou de 18 400 000 t. L’extracció de bauxita havia començat a França, i el 1946, malgrat la guerra, l’extracció gairebé s’havia duplicat. Però no és fins el 1955 que aparegué un panorama “modern” d’aquesta producció ja que aparentment l’extracció es multiplicà per 4,25. El 50% de la producció procedia de l’Amèrica Llatina (les Guaianes, Jamaica), prop d’una quarta part d’Europa (França, països danubians i balcànics, Hongria, Iugoslàvia i Grècia), més d’una novena part, de l’URSS, un desena part, dels EUA, un 2,9% d’Àsia (Indonèsia en primer lloc) i un 2,8% d’Àfrica (República de Guinea). En el període 1955-66 l’extracció s’incrementà el 137%. L’any 1968 hom s’adonà que les reserves mundials de bauxita —estimades en 4 920 milions de tones amb un contingut d’alumini d’uns 1 100 milions de tones— només podien durar, vist el ràpid increment del consum, uns 35 anys, és a dir, fins al començament del s XXI. La febril prospecció que seguí aquestes prediccions elevà les reserves estimades el 1979 a més de 10 300 milions de tones, amb un contingut d’alumini d’uns 2 285 milions de tones. Això, unit a una minva considerable en el ritme de creixement (fins el 13,3% l’any 1968-69; només el 3,1% deu anys després), permeté de suposar que, si aquest ritme es mantenia, amb les reserves calculades hom podria arribar fins al s XXII. Aquestes reserves es troben sobretot a l’Amèrica Llatina (4 725 milions de tones de bauxita, 4 000 milions al Brasil), a l’Àfrica (15 150 milions de tones, 13 000 milions a la República de Guinea, després d’una descoberta que tingué lloc el 1983 i que representa el 60% de les reserves mundials), a l’Àsia (1 350 milions de tones, 1 000 milions a l’Índia), a Austràlia (1 000 milions de tones), a Europa (980 milions de tones) i poca cosa més. L’extracció mundial de bauxita gairebé es duplicà en vuit anys, de 40,3 milions de tones el 1966 a 76,4 milions el 1974. D’aleshores ençà, el creixement ha continuat, tot i ser més lent, fins arribar als 108,6 milions de tones el 1992. Entre els grans productors, Austràlia n'extragué, el 1992, el 36,8%; l’Amèrica Llatina (Jamaica, Surinam i el Brasil) el 23,3%; l’africana República de Guinea el 15,7%; i Europa el 11,5%. Els canvis d’ordre més espectaculars han estat els d’Austràlia (del quart lloc al primer des del 1973), la República de Guinea (de l’onzè al segon), i, inversament, els de Jamaica (de primer a tercer) o Surinam (de segon a setè). A principis dels anys vuitanta esclatà una crisi de sobreproducció i el 1983 l’extracció ja havia minvat en un 12,9% respecte de 1980, tot i que a partir de 1985 la producció es rellançà. Durant el període 1955-92, hi ha hagut canvis notables en la distribució. L’Amèrica Llatina ha passat del 48% a una mica més del 23%, malgrat l’aportació brasilera; Europa, del 34,3% a gairebé el 13%; els EUA, del 10,2% a sota de l’1%; Àsia, en canvi, ha passat del 2,9% al 8% (gràcies a la Xina i l’Índia); Àfrica, del 2,8% al 17,5% i Oceania, de 0 al 36,8%. La metal.lúrgia de la bauxita obté en primer lloc alúmina. La producció d’alúmina s’ha anat emmotllant a la de bauxita, però és més diversificada, i el 1991, tot i que Austràlia produí prop del 30,5% de l’alúmina mundial, Europa ocupà el segon lloc (23%), seguida de l’Amèrica Llatina (20%), Amèrica del Nord (17%) i Àsia (9%). La primera transformació de bauxita en alúmina té lloc prop de les mines, situades principalment en zones equatorials i subtropicals, la qual cosa redueix els costs de transports a la meitat. Les foneries d’alumini es concentraren en països amb molta energia hidroelèctrica, com els EUA, el Canadà, Rússia i Noruega, car l’energia consumida significa el 15% dels costs. S'establiren també foneries d’alumini en països com França, el Japó i la RFA amb una energia cara, però que obtenen l’alúmina directament dels països productors prescindint dels EUA. Aquesta modificació fa creure en una tendència a localitzar les foneries d’alumini en els països consumidors, i les d’alúmina en els productors. Les grans empreses mundials tendeixen vers la integració bauxita-alúmina-alumini. La producció d’alumini creix a un ritme tant o més ràpid que la de bauxita: del 1966 al 1979 es va més que duplicar. El 1979 comptant-hi només els grans productors el 35,7% de l’alumini procedia dels EUA (30%) i el Canadà; el 19,5% d’Europa (RFA, Noruega, França, Gran Bretanya); el 15,8% de l’URSS i el 6,6% del Japó. Entre 1979 i 1992 la producció s’incrementà, però el consum pujà encara més, l’Amèrica del Nord produí un terç del total, seguida d’Europa (25%), Àsia (12,2%), Amèrica Llatina (10%), Oceania (7,5%) i Àfrica (3,3%). Als EUA hi radiquen les companyies més fortes del món, ALCOA, Reynolds i Kaiser, al costat d’Alcan al Canadà que tot i ser un dels primers països productors té dificultats d’exportació, per la qual cosa la seva producció augmenta menys ràpidament. Europa ha assolit la seva autosuficiència, amb tres grans productors: Noruega, Alemanya, Espanya i França. El Japó, malgrat el seu espectacular creixement fins el 1974 quan arribà al tercer lloc mundial, ha vist disminuir la seva producció fins a, només, 32,4 milers de tones el 1991. L’alúmina i la bauxita constitueixen conjuntament el principal article d’exportació (l’alúmina és més barata de transportar pel seu volum reduït) d’estats com la República de Guinea, Jamaica, Surinam i Guyana. Entre els països exportadors destaquen els EUA, el Canadà i Noruega que obtenen barata la hidroelectricitat i on s’observa, com en d’altres estats ben desenvolupats, un desplaçament del consum d’alumini de les bateries de cuina i material d’oficina cap als electrodomèstics i altres aparells elèctrics i d’ací cap a la construcció, els mitjans de transport i l’embalatge. Aquest tancament de mercats pot anar afermant les direccions comercials bauxita, alúmina, alumini que van des del Carib i l’Amèrica del Sud vers els EUA i el Canadà, d’Àfrica a Europa i de l’Extrem Orient al Japó. A Catalunya l’extracció de bauxita es centra a la regió de Tarragona (739 t el 1990). Aquesta bauxita és fosa fora dels Països Catalans. Però si que hi ha una indústria transformadora de l’alumini (obtingut a partir de bauxites estrangeres), centrada a la ciutat d’Alacant, amb una colla de petites empreses subsidiàries, originàriament de dues de grans.

L'alumini en la construcció

En construcció , l’alumini és emprat actualment en gran escala per a la fabricació seriada de fusteria metàl.lica i d’elements estructurals. L’ús de l’alumini en aquest terreny s’ha desenvolupat gràcies a l’invent del procés d’anodització que allarga durant bastant de temps el bon aspecte de l’alumini polit. Aquest bon aspecte s’ajunta al de la seva lleugeresa per a fer-ne un material molt apte per a aquestes aplicacions. Recentment ha estat molt difosa la construcció de façanes senceres d’alumini ( mur cortina ) perquè són lleugeres i permeten un grau de prefabricació i de rapidesa de col.locació que no tenen els materials tradicionals.