Metal numer 2 z rodziną - część 1
Prawdziwa kariera glinu, a właściwie aluminium (o nazewniczych zawiłościach związanych z bohaterem artykułu – patrz: Glin czy aluminium?) rozpoczęła się wraz z rozwojem lotnictwa po zakończeniu I wojny światowej, gdy lekkie stopy umożliwiły budowę coraz większych i lepszych maszyn latających. Najważniejszym stopem glinu jest duraluminium (z miedzią i krzemem), mające właściwość twardnienia z upływem czasu. Inne przykłady to odporny na korozję silumin (z dodatkiem krzemu), magnal i elektron (oba z magnezem, jeszcze lżejsze od aluminium) oraz złocistej barwy brązy aluminiowe (z miedzią). Trudno wymienić wszystkie zastosowania stopów tego metalu, ale bez nich nie istniałoby współczesne lotnictwo, samochody, rakiety, a także lekkie i niekorodujące obudowy (np. laptopów i smartfonów) i części urządzeń. Aluminium to – po żelazie – metal numer 2 naszej cywilizacji (1).
i stopów aluminium (pixabay.com)
Jaki jest?
Srebrzystobiały, lekki (gęstość wynosi 2,7 g/cm3, prawie 3 razy mniej niż dla stali), kowalny i plastyczny, łatwy w obróbce (przy tym nie iskrzy), bardzo dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny (pod tym względem lepsze są tylko miedziowce), topi się w temperaturze 660°C, a wrze w ponad 2500°C. Do tego dość odporny na korozję w zwykłych warunkach, a dodatki stopowe jeszcze zwiększają jego zalety. Stąd też wynika szeroka gama zastosowań aluminium i jego stopów (o niektórych wspomniano wyżej) (2).
Glin w układzie okresowym pierwiastków leży w grupie 13 borowców i ma charakterystyczną dla niej wartościowość wynoszącą III. Choć każdy bez wątpienia uzna go za metal, odbiega jednak od typowych, z chemicznego punktu widzenia, metali – jest amfoteryczny. Tym mianem określa się zdolność reagowania w zależności od charakteru partnera przemiany. I tak z kwasami tworzy sole, w których istnieje jako kation Al3+ (typowa właściwość metali), lecz reaguje również z zasadami, a w produkcie przemiany znajduje się w anionowej części związku. To drugie zachowanie jest „zarezerwowane” dla niemetali, ale, jak widzisz, chemia to bardziej złożona dyscyplina nauki, niż zwykle przedstawia się ją w szkole. Zresztą samodzielnie przekonaj się o amfoteryczności glinu.
Do pierwszego eksperymentu potrzebny jest około 10% kwas solny HCl i roztwór wodorotlenku sodu NaOH o takim samym stężeniu. Metaliczny glin o dużej czystości znajdziesz w przewodach elektrycznych. Roztworami napełnij dwie probówki do połowy ich wysokości i do każdej wrzuć po kawałku drutu aluminiowego. W obu przypadkach na powierzchni metalu wydzielają się pęcherzyki gazu – jest to wodór (3). W reakcji glinu z kwasem solnym tworzy się oczywiście chlorek glinu AlCl3, natomiast z roztworem zasady powstaje związek o nazwie tetrahydroksoglinian sodu Na[Al(OH)4] (przedrostek tetraz greckiego oznacza cztery, w tym przypadku grupy OH). Spróbuj zapisać równania obu reakcji, w drugiej z nich po stronie substratów musisz uwzględnić jeszcze wodę.
Reakcja glinu z roztworem zasady jest jedną z laboratoryjnych metod otrzymywania wodoru (wyraźnie było widać, że wydzielanie gazu przebiega intensywniej niż w przypadku reakcji z kwasem). Obserwacja ma zastosowanie podczas codziennych czynności w domu – nigdy nie stosuj preparatów typu „kret” w przypadku, gdy masz do czynienia z aluminiowymi elementami instalacji. Specyfiki do udrażniania rur to praktycznie sam wodorotlenek sodu, który szybko zniszczy aluminiowe części, do tego istnieje niebezpieczeństwo wybuchu gromadzącego się wodoru.
Nie tylko metaliczny glin ma własności amfoteryczne, ale również niektóre jego związki. Do kolejnego eksperymentu przygotuj roztwory siarczanu glinu Al2(SO4)3 lub ałunu potasowo-glinowego KAl(SO4)2, kwasu solnego i wodorotlenku sodu. Do dwóch probówek nalej roztwór soli glinu i powoli dodawaj do nich roztwór zasady. Już pierwsze krople odczynnika spowodują wytrącenie białego osadu wodorotlenku glinu Al(OH)3. Gdy zauważysz powstawanie osadu, dodaj jeszcze niewielką porcję roztworu NaOH i przerwij próbę (4). Kation glinu zareagował tak, jak można się było spodziewać po metalu ze środkowej części tablicy układu okresowego – jego wodorotlenek jest słabo rozpuszczalny w wodzie i wytrąca się w środowisku o odczynie zasadowym.
Do jednej z probówek dodaj roztwór kwasu solnego. Osad znika i zawartość naczynia staje się przezroczysta. To również zwyczajne zachowanie wodorotlenku metalu: reakcja z kwasem prowadzi do utworzenia się soli, w tym przypadku chlorku glinu AlCl3.
Jak dotąd było typowo. Do drugiej próbówki z osadem dodaj kolejne porcje roztworu wodorotlenku sodu. W tym przypadku również zaobserwujesz zniknięcie osadu, a zawartość naczynia ponownie staje się przezroczysta. Tym razem powstał znany ci już związek kompleksowy glinu (tetrahydroksoglinian sodu) lub też, w obecności dużego nadmiaru roztworu zasady, analogiczne połączenie z sześcioma grupami OH (co w nazwie zaznacza się przedrostkiem heksa-) (5). Osad natomiast dość słabo rozpuszcza się w roztworze amoniaku, co umożliwia jego odróżnienie od podobnego z wyglądu osadu wodorotlenku cynku. I tym razem pozostawiam ci napisanie odpowiednich równań reakcji.
Zapamiętaj, że glin to metal z pogranicza. On sam i jego związki (wodorotlenek i tlenek) z kwasami reagują tak jak inne metale (czyli mają charakter zasadowy), ale w stosunku do zasad zachowują się na podobieństwo niemetali i wykazują charakter kwasowy.
Zaczęło się od barwników
Już kilka wieków przed naszą erą opisywano pewien minerał, który od dawna służył do farbowania tkanin. Sam minerał nie nadawał koloru wyrobom z wełny, lnu czy bawełny, ale ułatwiał wiązanie się barwników roślinnych z włóknami i powodował, że ich odcienie były intensywniejsze. Substancja o takich właściwościach to zaprawa do tkanin – przed procesem farbowania moczono w jej roztworze same tkaniny, gotowe wyroby lub też włókna przeznaczone do przędzenia i nici do tkania (6). Minerał po łacinie nazywano alumen, a w języku polskim – ałun. Był to, dość często spotykany w postaci osadów występujących na powierzchni skał, uwodniony mieszany siarczan potasu i glinu KAl(SO4)2·12 H2O. W późniejszych czasach ałun zastosowano do produkcji papieru i garbowania skór. Obecnie związek używany jest także w kosmetykach jako środek przeciwpotny (antyperspirant), ściągający (np. w okładach na stłuczenia) i do tamowania krwawienia z małych ranek (np. powstałych podczas golenia). Od nazwy minerału pochodzi określenie całego szeregu podwójnych siarczanów, w skład których wchodzą jon metalu jednowartościowy lub amonowy i metalu trójwartościowego, np. ałun potasowo-chromowy KCr(SO4)2 czy też ałun amonowo-żelazowy NH4Fe(SO4)2.
Szerokie zastosowania ałunu spowodowało, że był to poszukiwany surowiec, często badany przez alchemików. Jednak dopiero w roku 1754 Andreas Marggraf, pionier analizy chemicznej, wytrącił z roztworu ałunu wodorotlenek glinu, a po jego wyprażeniu otrzymał tlenek tego metalu. Niemiecki chemik (w połowie XVIII wieku można już tak go nazwać, alchemia wtedy stanowiła przeszłość) udowodnił odrębność ziemi glinkowej – jak wtedy nazywano tlenki metali – od ziemi wapniowej (CaO) i kredy (CaCO3). Dlaczego glinkowej? Zarówno kreda, jak i ałun są częstymi składnikami gliny. Jednak Marggrafowi i wielu innym uczonym nie udało się wyodrębnić zawartego w ziemi metalu. Sukcesu nie osiągnął nawet sir Humphry Davy, który za pomocą elektrolizy otrzymał kilka pierwiastków z rodzin litowców i berylowców. Co prawda szumnie zapowiedział „i z glinki wydzielę srebrzysty metal”, ale podejmowane przez niego próby nie przyniosły rezultatu.
Wszechobecny
Bez wielkiej przesady można stwierdzić, że zasoby glinu są praktycznie nieskończone. Odnosi się to jednak tylko do powierzchniowej warstwy naszej planety, głębiej jest go niewiele. Fakt ten jest z kolei wynikiem sposobu tworzenia się planet skalistych: podczas ich formowania, gdy są kulami stopionej magmy, cięższe metale spływają do wnętrzach, a lżejsze pozostają na powierzchni. Stąd też Ziemia ma żelazowo-niklowe jądro i dużą zawartość lekkich pierwiastków w skorupie.
Prawie 8% masy powierzchniowej warstwy naszej planety to glin, zatem jego zasoby rzeczywiście są nieograniczone. Na liście rozpowszechnienia pierwiastków zajmuje 3. miejsce, a on sam i liderzy zestawienia (tlen i krzem) stanowią znacznie ponad 80% masy. Trzy pierwsze pierwiastki „lubią” swoje towarzystwo, a ich związki – glinokrzemiany –pokrywają większą część powierzchni Ziemi (skalenie i miki). W wyniku wietrzenia i wymywania tych minerałów powstają pokłady gliny, margli (glina zmieszana z wapieniem) i boksytów (te ostatnie to surowiec do produkcji aluminium). Trudno przecenić znaczenie pospolitej gliny dla rozwoju cywilizacji: garncarstwo to jedno z najstarszych rzemiosł, którego początki sięgają kilkunastu tysięcy lat w przeszłość. Glina to również cegły, które umożliwiły zbudowanie trwałych siedzib ludzkich. Do dziś wyroby szamotowe, z kamionki, fajansu i szlachetnej porcelany są powszechnie obecne w naszym otoczeniu: zastawa stołowa, umywalki, klozety, płytki ścienne i podłogowe oraz wiele innych (7).
Tlenek glinu w przyrodzie występuje jako minerał korund. Jest to substancja ustępująca pod względem twardości tylko diamentowi, stosowana jako materiał ścierny. Kryształy korundu zabarwione na czerwono przez domieszkę związków chromu to kamienie szlachetne – rubiny, natomiast domieszka połączeń żelaza i tytanu daje równie cenne niebieskie szafiry (8). Obecnie produkuje się syntetyczne rubiny stosowane jako łożyska w precyzyjnych urządzeniach, np. zegarkach.
i biżuteria wykonana z szafirów
Specyfiką polskiej terminologii naukowo-technicznej są dwie nazwy dla bohatera artykułu. Od chwili odkrycia obie konkurowały ze sobą:
„srebro z gliny” początkowo było glinianem, glinkiem, gliniakiem lub – tak jak w innych krajach – aluminium. W połowie XIX wieku przyjęła się współczesna nazwa – glin. Gdy w końcu stulecia metal zaczął wchodzić do powszechnego użycia, coraz częściej używano nazwy międzynarodowej. Nasi chemicy pozostali przy pierwotnym imieniu pierwiastka, natomiast metal użytkowy stał się aluminium. Mamy więc glin jako pierwiastek i tlenek glinu Al2O3 jako jego związek, ale aluminiową puszkę i folię.
Krzysztof Orliński
