13 Al Aluminium
Atommasse:
26,9815386
Fase (ved 25 °C):
Fast
Smeltepunkt:
660 °C / 933 K
Kokepunkt:
2519 °C / 2792 K
Vis flere fakta
Gruppe:
13
Periode:
3
Blokk:
p
Elektronkonfigurasjon:
[Ne]3s<sup>2</sup>3p<sup>1</sup>
Elektronegativitet:
1,61
Tetthet (ved 25 °C):
2,702 g/cm³
Vis færre fakta

Aluminium

Det er bare oksygen og silisium som er vanligere i jordskorpa enn aluminium. Likevel kom aluminium langt senere i bruk enn edlere metaller som jern, kobber, sølv og gull. Midt på 1800-tallet var produkter av aluminium svært uvanlig og dyrere enn gull. Aluminium ble vist fram og betegnet som en sensasjon på verdensutstillingen i Paris i 1855. Keiser Napoleon 3. fikk et middagsservise laget av aluminium i gave. Dette edle serviset brukte han bare til å servere de mest fornemme gjestene sine, mens de øvrige gjestene måtte ta til takke med å få maten servert på ”vanlige” gulltallerkener.

Anvendelser

Oslos nye T-banevogner, MX3000, har vognkasser bygget i aluminium
Copyright: Oslo T-banedrift. Foto: Pål Laukli

Over 30 millioner tonn aluminium produseres årlig på verdensbasis. Mye av dette er ´nytt´ metall, men aluminium lar seg også enkelt resirkulere. Energibruken er da kun 5 % av den energien som trengs for å ekstrahere aliminium fra aluminiumoksid. Aluminiumsbokser resirkuleres ved at de løses i natrium og kaliumklorid. Dette løser urenhetene i skrapet, mens smeltet aluminium synker til bunnen av ovnen og kan fjernes.

I kroppen

Aluminium ser ikke ut til å ha noen biologisk funksjon. Siden aluminium er svært vanlig i jord, vil de fleste planter absorbere metallet og mennesket får typisk i seg rundt 5 milligram hver dag. Det er imidlertid kun en fraksjonen av dette som blir absorbert av kroppen.

Bruk av aluminiumskjeler ved matlaging øker ikke vårt aluminiumsinntak vesentlig. Unntaket er svært sur mat, som rabarbra, som med fordel kan kokes i kjeler laget av andre metaller enn aluminium.

Matvarer som inneholder mye aluminium er spinat og løk.

I miljøet

All industriutbygging har sin pris i form av inngrep i naturen og miljøskader. De mest alvorlige, lokale miljøkonsekvensene av den kraftkrevende industrien har nok vært relatert til utslippene av fluor fra aluminiumsindustrien.

Fluorutslipp gav helseeffekter på buskap i områdene innenfor Årdal og Høyanger. Skader på skjelett og tenner til husdyr førte til at de lokale bøndene måtte slutte med kyr og annet bufe. Barskogen, både gran og furu, omkring aluminiumsverkene, døde. Furuskogen på Vettismorki på fjellet ovenfor Vettisfossen i Utladalen fikk store skader og mange av kjempefuruene døde. Industrien har idag renseanlegg som fjerner det meste av fluorutslippene. Tillatt utslippsmengde settes og kontrolleres av Statens forurensningstilsyn (SFT).

De gamle, åpne og sterkt forurensende elektrolyseovnene basert på den såkalte ”Søderbergteknologien” er idag skiftet ut for å redusere utslipp av andre kjemiske forbindelser som de skadelige PAH-stoffene (polysykliske aromatiske hydrokarboner). Disse stoffene består av mange forskjellige forbindelser der noen er giftige og andre ikke. De giftige stoffene kan være kreftframkallende eller føre til skader på arvestoff. Stoffene kan dannes ved ufullstendig forbrenning av organisk materiale, blant annet ved vedfyring og i industriprosesser. I aluminiumsindustrien kommer PAH-utslippene fra karbonet som benyttes i anodene. I den såkalte ”prebaketeknologien” som benyttes idag, brukes ferdige anoder (prebaked: ”forbakte” anoder), som nesten ikke avgir uønskede PAH-stoffer fordi elektrolysen skjer i lukkede elektrolyseovner.

Sur nedbør fører til at aluminium i berggrunnen løses opp og ender opp i vassdrag hvor den er giftig for fisken. Aluminiumet danner et tykt slimlag over fiskens gjeller og hindrer dermed oksygenopptaket, og resultatet er at fisken dør.

Safirer og rubiner

Korund, Al2O3, fra Froland.
Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.

Aluminiumoksid kan gro og danne store krystaller. Disse klare, gjennomsiktige krystallene kan få ulike farger ved at de inneholder spormengder (dvs. små mengder) av andre metaller. Kobolt gir blå safirer. Krom gir røde rubiner.

Navn

Aluminium har fått sitt navn fra stoffet alun - et aluminiumkaliumsulfat (alumen på latinsk). Man tror alumen stammer fra det greske ordet for bitter, alydimos. Alun er nemlig et bittert stoff som lenge ble brukt til å stoppe blødninger.

Historie

Metallet og grunnstoffet aluminium ble ikke fremstilt før danske Hans Christian Ørsted klarte kunststykket i 1825. Årsaken er at aluminiumoksidet er så stabilt at det ikke lar seg redusere med de på de tider vanlige metodene. Reduksjon med karbon fungerer for svært mange metalloksider, men ikke for aluminiumoksid. Sir Humphrey Davy hadde i flere tilfeller benyttet elektrisitet til å dekomponere oksider. Han klarte på den måten å fremstille kalium og natrium; men aluminium klarte han ikke å fremstille.

C.M. Hall en av de to mennene bak Hall-Herault-prosessen.

Trikset den danske fysikeren benyttet seg av var å varme aluminiumklorid med metallisk kalium. Produktet ble ikke særlig rent, og tyske Friedrich Wöhler utviklet metoden videre noen år senere. Han klarte å fremstille rent metallisk aluminium ved å benytte den samme metoden. Men istedet for kalium benyttet han natriummetall. Dette natriummetallet var på de tider meget dyrt og det var det som gjorde aluminium så spesielt for Napoleon III.

Aluminium fikk større anvendelse først etter at de to kjemikerne, amerikaneren C.M. Hall og franskmannen P.L. Héroult, i 1880-årene, uavhengig av hverandre, oppdaget at aluminium kunne framstilles ved elektrolyse av en blanding av smeltet aluminiumoksid og mineralet kryolitt. Disse to har gitt navn til den industrielt meget viktige Hall-Héroult-prosessen.

Aluminium - et norsk metall

Hydros anlegg på Sunndalsøra
Copyright: Norsk Hydro

Norge har i løpet av vel 80 år utviklet seg til en av verdens største produsentland av aluminium. Dette på tross av mangel på råstoff og lange transportavstander til verdensmarkedene. Vår aluminiumsindustri er basert på landets store vannkraftressurser og adgang til isfrie havner året rundt.

Fra 1890-årene startet såkalte fossespekulanter å kjøpe opp fallrettighetene til mange vassdrag i Norge. Disse spekulantene forstod at de norske fossefallene var en verdifull naturressurs som kunne benyttes til å bygge opp storindustri i Norge.

Og slik ble det. Den vannkraftbaserte elektrisiteten var grunnlaget for den kraftkrevende industrien som vokste fram fra begynnelsen av 1900-tallet. Denne elektrokjemiske og elektrometallurgiske industrien ble bygget opp med utenlandsk kapital i startfasen, og dette dannet grunnlaget for oppveksten av mange industristeder basert på lokale vannkraftressurser. Det var ikke uvanlig at én stor industribedrift utnyttet hele kraftressursen.

Således kom de første aluminiumsverkene til Norge nesten like tidlig som vannkraften. Det første anlegget kom i drift i 1906 i Stongfjorden. Vigelands Brug i Vennesla ble satt i drift i 1907. Så fulgte oppstart av aluminiumsindustri i Eydehavn (1914) og i Tyssedal (1916), før A/S Norsk Aluminium Company startet opp produksjon av aluminium i Høyanger i 1919.

Støtfanger til Audi TT produsert ved Hydros anlegg på Raufoss
Copyright: Norsk Hydro

Elver rundt Tyin førte til at Årdal Verk sto klart like etter annen verdenskrig og så sent som i 1960 initierte regjeringen et langtidsprogram for aluminiumsindustri. Flere større vasskraftutbygninger ga industrireisning flere nye steder i Norge, og så sent som i 1963 besluttet Norsk Hydro å gå inn i aluminium.

Selv om Norge i stor grad har satset på produksjon av metallet som sådan, finnes det også videreforedlingsbedrifter i Norge. Produksjon av bilfelger ved bedriften Fundo i Høyanger er et eksempel. Hydro Raufoss som produserer støtfangere og sikkerhetsbøyler et annet. Men det meste av den produserte primæraluminiumen ved Norges sju aluminiumsmelteverk leveres likevel som halvfabrikata og eksporteres for videre bearbeiding i utlandet.

Fremstilling

Råmaterialet er bauxitt.
Copyright: Norsk Hydro

Råstoffet for aluminiumsindustrien er aluminiumoksid, som hovedsakelig blir framstilt av den leiraktige jordarten bauxitt. Bauxitt inneholder over 50 % aluminiumoksid (og 28 % jernoksid - resten er silikater) og har fått sitt navn etter Les Baux i Rhônedalen i Frankrike, der jordarten først ble funnet. De største produsentlandene av bauxitt er Australia, Jamaica og Guinea. I Norge finnes ikke bauxitt, og derfor må aluminiumsverkene i Norge importere aluminiumoksid. Andre råstoffer som f.eks. aluminiumrike silikater kan benyttes. Dette vil imidlertid øke prisen på det ferdige metallet.

Fra bauxitt til aluminiumoksid

Det første steg i prosessen er å rense bauxitten, dvs. å fjerne jernoksidet og silikatene. For å få til dette gjør man bruk av aluminiumhydroksidets amfotære egenskaper. Bauxitten blir behandlet med natriumhydroksid, og dermed løses aluminium som aluminationer. Jernoksidet forblir uløst, og silikatene felles ut som natriumaluminiumsilikater, f.eks. albitt, NaAlSi3O8.

Jernoksidet og silikatet filtreres fra som et rødt slam og man blir sittende igjen med en løsning av aluminationer. Nå justeres pH-verdien i løsningen ved tilsetning av CO2, og små mengder aluminiumhydroksid tilsettes som kimdannere. Dette gjør at aluminiumhydroksid felles ut. Aluminiumoksid blir så fremstilt ved oppvarming av dette hydroksidet. Hele denne prosessen kalles for Bayer-prosessen.

Aluminium fremstilles ved elektrolyse

Elektrolysehall.
Copyright: Norsk Hydro

Så å si hele verdens produksjon av aluminium fremstilles ved Hall-Héroult-prosessen. Aluminium blir her fremstilt fra aluminiumoksid ved en kombinasjon av elektrolyse og reduksjon med karbon.

Elektrolysen foregår ved ca. 1000 °C. Det brukes likestrøm med relativt lav spenning, men meget høy strøm. I cellen løses aluminiumoksid i en blanding av fluorider som består av kryolitt (Na3AlF6), kalsiumfluorid (CaF2) og natriumfluorid (NaF). Anoden er laget av karbonstampemasse (koksbek) mens katoden består av et jernkar foret med karbon. Aluminium dannes som smelte og synker ned i katodekaret, og fjernes ved jevne mellomrom ved at det suges ut av cellen med et rør. Ved grafittanoden reagerer oksygen og danner karbonmonoksid. Anoden blir således brukt opp og må skiftes ut med jevne mellomrom. Det utvikles også fluor- og karbonforbindelser, og dette har representert et betydelig forurensningsproblem i nærområdene rundt aluminiumsverk. For å redusere dette blir prosessen i størst mulig grad utført i lukkede systemer, samtidig som at fluor, i den grad mulig, blir resirkulert og ført tilbake til elektrolysebadet.

For å fremstille ett tonn ferdig metall trengs to tonn aluminiumoksid. I elektrolysen forbrukes også omtrent et halvt tonn av karbon (som anoden består av). Den norske ingeniøren C.W. Søderberg utviklet i 1917 en metode som kunne erstatte karbonet som ble forbrukt i anoden, uten å stanse strømmen; søderbergelektroden. Her fornyes anoden kontinuerlig mens elektrolyseprosessen går. Metoden ble snart tatt i bruk i aluminiumsindustrien verden over.

Prinsippskisse av en elektrolysecelle.
Illustrasjon: H.A. Øye, NTNU.

Fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksid er svært energikrevende. Teknologiske forbedringer har likevel redusert energiforbruket fra 40 kWh per kilogram produsert aluminium i begynnelsen av 1900-tallet til omkring 12–14 kWh i de mest effektive anleggene i våre dager. Det er en effektiviseringsgevinst med hensyn til energiforbruket på nær 70 % på om lag 100 år.