Alumiini: Alkuaine

Alumiini on alkuaineiden jaksollisen järjestelmän kolmanteen jaksoon ja 13. ryhmään (eli kolmanteen pääryhmään) kuuluva metalli. Sen kemiallinen merkki on Al (lat. aluminium) ja järjestysluku 13. Sitä on 8,8 prosenttia maankuoresta, jossa se on kolmanneksi yleisin alkuaine (hapen ja piin jälkeen) ja samalla yleisin metalli.

Yleisyydestään huolimatta alumiini on tullut tunnetuksi vasta 1800-luvulla, sillä se esiintyy luonnossa ainoastaan oksideina, ja vasta elektrolyysin keksiminen teki mahdolliseksi eristää sitä vapaana alkuaineena. Nykyisin se on hyvin yleisesti käytetty metalli, jonka keveys ja lujuus tuovat merkittäviä säästöjä muun muassa kuljetusalalla.

Alumiini kestää melko hyvin ilman ja veden vaikutusta eikä siis ole altis korroosiolle, ja siksi sitä käytetään usein teräksen sijasta. Alumiinin ’korroosiokestävyys’ perustuu pintaan muodostuvaan suojaavaan oksidikerrokseen eli korroosioon. Alumiinin pinta siis korrosoituu (hapettuu), mutta pintaan muodostuva tiivis oksidikerros suojaa alempia kerroksia korroosiolta. Usein alumiinia seostetaan muilla metalleilla, esimerkiksi magnesiumilla. Alumiinin hyvää lämmönjohtavuutta hyödynnetään etenkin elektroniikkateollisuudessa. Myös alumiinin sähkönjohtokyky on erittäin hyvä, ja sitä käytetäänkin yleisesti suurjännitesiirtojohdoissa.

Alumiinin tuottamiseen bauksiitista tarvitaan paljon sähköenergiaa. Alumiinijätteestä palautuu uusiokäyttöön kolme neljäsosaa. Alumiinin jalostuksessa käytetään yleisesti Hall–Héroult-menetelmää, jossa alumiinia tuotetaan elektrolysoimalla bauksiitin ja kryoliitin (Na₃AlF₆) seosta.

Fysikaaliset ominaisuudet

Alumiini on kevyt himmeän hopeinen metalli. Se on myös helposti taottavaa, taipuisaa ja helposti valettavaa. Alumiinin hopeinen väri ei häviä, vaikka alumiinin jauhaisi pieneksi, joten sitä voidaan käyttää hopeisissa maaleissa. Alumiini heijastaa valoa erittäin hyvin. Se on myös erittäin hyvä lämmön- ja sähkönjohdin. Alumiinia voidaan käyttää myös suprajohteena 1,2 Kelvinin lämpötilassa. Alumiini ei juurikaan reagoi magneetteihin.

Kemialliset ominaisuudet

Alumiinin merkittävin hapetusluku on +III. Alumiini muodostaa hapen kanssa nopeasti alumiinioksidia. Erityisesti tätä muodostuu alumiinin päälle ohut kerros. Ohut oksidikerros suojaa alumiinia ja tekee siitä korroosion kestävää. Oksidikerrosta voi paksuntaa erillisellä hapettimella tai elektrolyysin avulla. Jos oksidikerros on tarpeeksi paksu, alumiini ei liukene heikkoihin happoihin tai emäksiin. Se kuitenkin liukenee huoneenlämmössä vahvaan suolahappoon ja vahvoihin emäksiin. Alumiini on amfoteeri. Puhtaalla alumiinilla on epämetallien ominaisuuksia: se muodostaa tetrahydroksidikompleksin emästen kanssa. Se kuitenkin vapauttaa happoliuoksista vetyä, joten sillä on myös metallien ominaisuuksia.

Alumiinin yhdisteet

Vesiliuoksissa alumiini muodostaa kompleksiyhdisteitä koordinaatioluvulla 6. Alumiini muodostaa yhdisteitä monien epämetallien kanssa: se muodostaa nitridin, sulfidin ja halidin. Alumiinihydroksidi on amfoteerista, joten se liukenee sekä happoihin että emäksiin. Alumiinihydridi on voimakas pelkistin, jolloin muodostuu vetykaasua.^selvennä Alumiini muodostaa useita erilaisia hydridikomplekseja eri alkali- ja maa-alkalimetallien kanssa. Tunnetuin tällainen aine lienee litiumalumiinihydridi, jota käytetään orgaanisten aineiden syntetiikassa sekä polymerointireaktioissa.

Alumiini voi muodostaa halidien kanssa myös monohalideja ja dihalideja, mutta ne hajoavat itsestään alumiiniksi ja trihalidiksi. Alumiinifluoridi AlF₃ on tärkeä aine alumiinin valmistamisessa. Alumiinikloridia käytetään Friedel–Crafts-alkyloinnin katalyyttinä. Alumiinifluoridin sulamispiste on huomattavasti suurempi kuin muiden alumiinihalidien. Samoin se käytännössä liukenematonta. Alumiinioksidi on erittäin kovaa, sen sulamispiste on korkea ja se toimii eristeenä. Siksi sille löytyy paljon erilaisia käyttökohteita keramiikasta peileihin.

Terveysriskit

Alumiini on ympäristömyrkky, jota löytyy aina ympäristöstä saastumisen ja alumiinin teollisen hyödyntämisen takia. Alumiini on vaaratonta saostuneessa muodossa ja kiviainekseen sitoutuneena mutta muuttuu haitalliseksi jouduttuaan tekemisiin happaman veden kanssa muuttuessaan liukoiseen muotoon.

Elimistöön päätynyt alumiini häiritsee muun muassa siittiöiden, sikiöiden ja keskushermoston kehitystä. Alumiini pystyy ylittämään veriaivoesteen ja kerääntyy siksi aivoihinetenkin ihmisen ikääntyessä.

Alumiini on haitallista aivojen toiminnalle, ja pitkäaikainen alumiinialtistus voi johtaa hermosolujen tuhoutumiseen ja hermoston rappeutumissairauksiin. Autismia, Parkinsonin tautia ja seniiliä dementiaa sairastavien aivosoluista on löydetty korkeita alumiinipitoisuuksia. Alumiinia kertyy myös esimerkiksi luustoon, jolloin seurauksena voi olla osteomalasia eli luunpehmennystauti, mikä johtuu luun mineralisoitumisen vähenemisestä.

Vuonna 2015 julkaistussa tutkimuksessa saatiin viitteitä siitä, että nanomuotoinen alumiini saattaa aiheuttaa verisuonten kroonista inflammaatiota.

Ravinnosta saatavan alumiinin hyväksyttävän saannin ylärajana pidetään yhtä milligrammaa kilolle viikossa, kun otetaan huomioon alumiinin kertyminen elimistöön. Yksilölliset erot altistuksessa ovat suuria, ja Euroopan ruokaturvallisuusvirasto on arvioinut, että yläraja ylittyy huomattavalla osalla Euroopan väestöä.

Erään arvion mukaan keskimääräinen ruoasta, vedestä ja ilmasta saatu alumiiniannos olisi 25 mg vuorokaudessa, mikä tarkoittaa 60-kiloiselle aikuiselle tasoa 3 mg/kilo viikossa. Eurooppalaisissa tutkimuksissa on havaittu, että aikuisväestö saa ravinnosta peräisin olevaa alumiinia keskimäärin 0,2–1,5 milligrammaa viikossa painokiloa kohden. Lapsilla ja nuorilla suurimmat havaitut altistukset olivat 0,7–2,3 milligrammaa/kilo viikossa. Eri ruoka-aineiden alumiinipitoisuudessa on hyvin suuria eroja. Eniten alumiinialtistusta aiheutuu viljatuotteista, eräistä vihanneksista kuten sienistä, pinaatista, retiiseistä ja lehtisalaatista, teestä ja kaakaosta sekä eräistä vauvanruoista. Esimerkiksi kahdensadan gramman suklaalevy voi sisältää jopa 30 milligrammaa alumiinia. Muita ravinnossa olevan alumiinin lähteitä ovat ruoan lisäaineet ja alumiinifoliot sekä alumiiniset ruoanvalmistus- ja säilytysastiat.

Vain noin prosentti ravinnon alumiinista imeytyy suolistosta elimistöön, joten esimerkiksi kymmenkiloiselle vauvalle suurimmasta sallitusta viikkoannoksesta imeytyisi viikon aikana yhteensä 0,1 milligrammaa. Rokotteista verenkiertoon päätyvä kertaluontoinen alumiiniannos taas vaihtelee välillä 0,2–1,25 milligrammaa, ja alle neljävuotiaille tarkoitetut rokotteet sisältävät puoli milligrammaa alumiinia. Alumiiniyhdisteitä on käytetty rokotteiden tehosteaineena jo vuodesta 1926 lähtien, koska alumiini kiihdyttää immuunijärjestelmän vasta-ainetuotantoa, jolloin rokotussuojasta saadaan parempi ja pitkäaikaisempi. Refluksitaudin hoitoon tarkoitetuista ja mahan happamuutta neutraloivien antasien hoitoannokset sisältävät kokonaiset 1 000–2 000 milligrammaa alumiinihydroksidia.

 

Alumiinimineraalit tunnetaan jo ajanlaskun alkuajoilta, jolloin alunaa suositeltiin lääkkeeksi muun muassa verenvuotoon, ihottumaan ja hilseilyyn. Alunaa käytettiin myös paperin valmistamisessa ja väriaineiden kiinnitteenä. Turkkilaiset käyttivät alunaa muodostaakseen punaista väriä. Uuden ajan puolestavälistä aina 1600-luvulla paavilla oli monopoliasema alunan valmistamiseen johtuen Italiasta löytyneestä aluniittiesiintymästä. Alumiini oli myös tuolloin kallista. Kun Englannista löytyi alunaliuske-esiintymä, alunan markkinahinta laski 1600-luvulta lähtien.

Andreas Marggraf onnistui 1750-luvulla muodostamaan alumiinioksidia alunasta. Humphry Davy pystyi pelkistämään natriumia ja kaliumia 1700-luvun lopussa, mutta ei onnistunut eristämään alumiinia. Vasta vuonna 1825 Hans Christian Ørsted onnistui valmistamaan alumiinia. Hän kuumensi alumiinikloridia kaliummetallin ja elohopean kanssa, jolloin muodostui metallista alumiinia. Ørsted ei kuitenkaan pystynyt erottamaan alumiinia ja elohopeaa toisistaan. Kaksi vuotta myöhemmin Friedrich Wöhler oli ensimmäinen, joka onnistui saamaan aikaan puhdasta alumiinia, kun hän vaihtoi kaliumin natriumiin. Natriumin kalleudesta johtuen myös alumiinin valmistus oli kallista, mikä teki siitä rikkaiden metallia useiksi vuosikymmeniksi. Se oli kalliimpaa kuin kulta, ja sen kalleudesta kertoo, että alumiinia oli esillä Pariisin maailmannäyttelyssä 1855 jalokivien ohessa sekä Napoleon III käytti juhlatilaisuuksissa alumiinisia aterimia. Charles Hall kehitti vuonna 1886 menetelmän, jossa sulaan kryoliittiin johdetaan sähkövirtaa, jolloin muodostuu metallista alumiinia. Samaan aikaan myös Paul-Louis-Toussaint Héroult keksi saman menetelmän. Hall–Héroult-menetelmän ansiosta alumiinin hinta laski nopeasti murto-osaan entisestä arvostaan: vielä vuonna 1852 kilo alumiinia maksoi 1 200 dollaria, kun vuonna hinta 1895 hinta oli 1,15 dollaria kilolta.

Alumiinin nimi tulee latinan kielen sanasta alumen (suom. karvas suola). Nimen aineelle antoi Davy, joka nimesi löytämänsä raudan ja alumiinin lejeeringin nimellä alumium ja myöhemmin nimellä aluminum.

 

Alumiini on maankuoren kolmanneksi yleisin alkuaine hapen ja piin jälkeen. Noin 8,1 prosenttia maankuoresta on alumiinia. Alumiinin tärkein malmi on bauksiitti. 90 prosenttia maapallon bauksiittivarannoista sijaitsee trooppisella tai subtrooppisella vyöhykkeellä. Noin 28 prosenttia kaikesta bauksiitista tulee Guineasta. Suurimmat bauksiitin tuottajat ovat Kiina, Australia, Brasilia, Guinea ja Intia. Alumiinia esiintyy myös muissa mineraaleissa, kuten kryoliitissa, spinellissä ja turkoosissa. Monet jalokivistä ovat korundia eli alumiinioksidia. Tunnettuja jalokiviä ovat rubiini ja safiiri.

Bauksiitti on pääosin alumiinioksidia (Al₂O₃), mutta se sisältää myös epäpuhtauksia. Jotta saadaan puhdasta alumiinioksidia, käsitellään bauksiitti Bayer-prosessin avulla. Tässä bauksiitti jauhetaan ja liuotetaan natriumhydroksidiin korkeassa lämpötilassa. Kiinteät epäpuhtaudet poistetaan ja alumiinihydroksidi saostetaan liuoksesta pois. Liuokseen jää natriumaluminaattia, joka voidaan saostaa alumiinihydroksidiksi. Kun alumiinihydroksidi kuumennetaan yli 1 000 °C:n lämpötilassa, se muuttuu alumiinioksidiksi. Puhdasta alumiinia voidaan valmistaa Hall–Héroult-menetelmän avulla, jossa alumiinioksidi pelkistetään kryoliittiliuoksessa korkeassa lämpötilassa.

Alumiinin valmistus vaatii hyvin paljon energiaa ja valmistamisessa syntyy hiilidioksidia. IEA:n mukaan alumiiniteollisuuden energiatehokkuutta voidaan parantaa erityisesti kierrättämisellä ja käyttämällä uusiutuvia energialähteitä. IEA:n raportin mukaan alumiinituotannon hiilidioksidipäästöt ovat kuitenkin laskeneet 2000-luvulla, joskin lasku pysähtyi 2010-luvun puolessavälissä. Kansainvälisen alumiini-insitituutin mukaan vuonna 2018 alumiinin pelkistyssulatukseen käytettiin noin 870 terawattituntia energiaa. Tästä noin 61 prosenttia tuotettiin hiilellä: erityisesti Kiinassa, muualla Aasiassa, Afrikassa ja Oseaniassa käytetään paljon hiilellä tuotettua sähköä. Euroopassa ja Amerikassa käytettiin suhteellisesti enemmän vesivoimaa: Euroopassa tarvitusta energiasta hiilellä tuotettiin 7 prosenttia, kun Kiinassa vastaava luku oli 90 prosenttia. Yhden alumiinitonnin valmistaminen vaatii noin 14 MWh energiaa.

Vuonna 2017 suurimmat alumiinin tuottajat olivat Kiina (33 miljoonaa tonnia), Venäjä (3,5), Intia (3,4), Kanada (3,2), Yhdistyneet arabiemiirikunnat (2,5), Australia (1,5) ja Norja (1,3 miljoonaa tonnia). Kiinan valmistamismäärä vastaa hieman yli puolta koko maailman alumiinin tuotannosta, joka oli vuonna 2017 60 miljoonaa tonnia. Suurin valmistaja on kiinalainen Chalco, joka valmisti vuonna 2018 17 miljoonaa tonnia alumiinia.

Kierrätys

 

Alumiinin kierrätystä on tehty jo 1900-luvun alusta lähtien, mutta se laajeni vasta 1960-luvulla, kun alumiinisten tölkkien kierrätys yleistyi. Alumiinin etu on se, että sen rakenne ei muutu kierrätysprosessissa, joten alumiinia voidaan käytännössä kierrättää ikuisesti. Puhtaan alumiinin valmistus kierrätetystä alumiinista kuluttaa noin 5 prosenttia siitä energiamäärästä, mikä tarvitaan bauksiitista valmistettuun alumiiniin. Arviolta noin 75 prosenttia kaikesta tuotetusta alumiinista on edelleen käytössä. Vuonna 2017 Euroopan unionin, Norjan, Islannin ja Sveitsin alueella noin 75 prosenttia aluminiista kierrätettiin: vähintään 98 prosenttia alumiinista kierrättivät Saksa, Norja, Suomi ja Belgia.

Alumiinia voidaan käyttää puhtaana metallina, lejeeringeissä ja yhdisteinä. Alumiini on maailman toiseksi käytetyin metalli raudan jälkeen. Puhdasta metallia käytetään pakkausmateriaalina muun muassa juomatölkeissä, foliossa ja spraymaalipurkeissa. Alumiinia voidaan käyttää hyvin ruuan kanssa kosketuksissa olevissa tarvikkeissa, koska se ei maistu miltään. Alumiini on myös hyvä sähkönjohdin, joten sitä käytetään muun muassa voimalinjoissa. Jauhemaista alumiinia voidaan käyttää termiitissä, jota käytetään erityisesti hitsauksessa. Samoin jauhemaista alumiinia voidaan käyttää maaleissa tuomaan hopeista sävyä. Alumiinia voidaan käyttää optisissa pinnotteissa ja peileissä, sillä sen heijastavuus on erittäin korkea. Puhtaan alumiinin pinnalle muodostuu ohut alumiinioksidikerros, joka suojaa puhdasta metallia. Alumiinia käytetään myös jäähdytettävissä laitteissa, sillä alumiinilla on suhteellisen korkea lämmönjohtavuuskyky.

 

Alumiinin yhdisteitä voidaan käyttää monissa eri sovelluksissa. Alumiiniammoniumsulfaattia käytetään lisäaineena, veden puhdistamisessa ja paperin valmistamisessa. Alumiiniboraattia, alumiinihydrokdisia ja alumiinifosfaattia käytetään lasin ja keramiikan valmistamisessa. Alumiinikloridia käytetään muun muassa maaliteollisuudessa ja antiperspiranttina.

Lejeeringeissä alumiini voidaan sekoittaa moniin eri metalleihin. Alumiinilejeerinkejä käytetään kohteissa, joissa vaaditaan korkeaa kestävyyttä, mutta samalla tuote pysyy mahdollisimman kevyenä. Kuparin kanssa alumiini muodostaa hyvin korroosionkestävän, vahvan ja helposti työstettävän lejeeringin. Niitä käytetään muun muassa kuorma-autojen paneloinnissa ja lentokoneissa. Mangaanilejeerinkejä käytetään keittiövälineissä, säiliöissä ja liikennemerkeissä. Piilejeerinkejä käytetään hitsauksessa. Kun sekoitetaan alumiinia, piitä, magnesiumia ja sinkkiä saadaan lejeerinki, jota käytetään muun muassa silloissa ja eri liikennevälineiden osissa.

Aluminotermiassa karkeaa alumiinijauhetta käytetään muiden metallien pelkistämiseen oksideistaan.

Alumiinista tunnetaan useita eri isotooppeja, joiden atomipaino vaihtelee välillä 21–43. Näistä kuitenkin vain kahta isotooppia, ²⁷Al (vakaa isotooppi) ja ²⁶Al (radioaktiivinen isotooppi, puoliintumisaika on 7,2·10⁵ vuotta), tavataan luonnossa. Alumiini-26 syntyy kun argon-atomeita pommitetaan protoneilla: luonnossa tämä tapahtuu kosmisen säteilyn ansiosta. Alumiini-26:ta voidaan käyttää sedimenttien eroosion nopeuden tutkimisessa sekä meteoriittien iän selvittämiseen.

• Greenwood N. N. & Earnshaw A.: Chemistry of the Elements. Oxford: Elsevier, 1997. ISBN 978-0-7506-3365-9. (englanniksi)

Viitteet

•   Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta alumiini Wiki Commonsissa

• Alumiinin kansainvälinen kemikaalikortti
• Tampereen teknillinen yliopisto, Materiaaliopin laitos: Alumiini
• Työterveyslaitos: Alumiini ja sen epäorgaaniset yhdisteet (Arkistoitu – Internet Archive) (pdf)
• PubChem: Aluminium (englanniksi)
• DrugBank: Aluminium (englanniksi)
• Human Metabolome Database: Aluminum (englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Aluminum (englanniksi)
• Food Component Database (FooDB): Aluminum (englanniksi)
• Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Aluminum (englanniksi)
• Isotopes of Aluminum (Z=13) The Berkeley Laboratory Isotopes Project. Arkistoitu 23.8.2007. Viitattu 11.10.2018 (englanniksi).
• Mindat: Aluminium (englanniksi)
• Webmineral: Aluminum Mineral Data (englanniksi)
• Webmineral: Mineral Species containing Aluminum (Al) (englanniksi)
• Americanelements: Aluminum Technical and Safety Data (englanniksi)
• London Metal Exchange: Aluminium price (englanniksi)
• InfoMine: Aluminum Prices and Aluminum Price Charts (englanniksi)