ALUMINIO
Nombre: Aluminio (De “Alum”, literalmente “Alumbre”)
Símbolo: Al
Grupo: 13
Período: 3
Bloque: p
Categoría: Metales de post-transición
Número atómico: 13
Masa atómica: 26,98 u
Electrones por capa: 2, 8, 13
Electronegatividad: 1,61
Densidad: 2,7 gr/cc
Punto de Fusión: 660,32ºC
Punto de Ebullición: 2519ºC
Conductividad Térmica: 235 W (m·K)
Conductividad Eléctrica: 3,8 × 10^7 S/m
Orden Magnético: Paramagnético
Estado Ordinario: Sólido
Estados de Oxidación: +3
Dureza Mohs: 2,75
Dureza Vickers: 167 MPa
Dureza Brinell: Sin datos
Isótopos más estables: Al-27 (100% - elemento monoisotópico)
Descubridor: Friedrich Wöhler, alemán (1825)
Breve historia del elemento
El Aluminio es un metal de Post-transición de número atómico 13, el más abundante en la corteza terrestre (como metal) y uno de los más abundantes en el Planeta (aunque su contenido disminuye conforme avanzamos de cara al núcleo, mientras que el contenido de Hierro aumenta vertiginosamente).
Se crea en las estrellas capaces de llevar a cabo el proceso de quema del Silicio, donde es un producto intermediario entre la producción del mismo y el Magnesio, del cual se produce teóricamente a raíz de un bombardeo de los núcleos de Mg-26 con un protón proveniente de un átomo de protio (H-1) lo cual da como resultado una abundante cantidad del elemento, tal que así:
Mg: p=12
Mg-24 n=12
Mg-25 n=13
Mg-26 n=14 + 1 (H) = Al-27 (p= 13, n=14)
El Aluminio es erróneamente considerado como el metal más ligero, título que ostenta el Magnesio o incluso el Litio si consideramos al último como un “metal” con todas las reglas, cosa no suele ser el caso. Pero incluso si la regla impone que para ser clasificado como metal en el sentido vulgar de la palabra ha de tener un uso estructural, nuevamente, el Magnesio, es el metal más ligero de todos.
La confusión arraiga debido a que el Aluminio es mucho más famoso, “como metal” que el Magnesio, el cual muchas veces no pasa de ser un nutriente en el contexto biológico o médico. Ambos metales son muy parecidos entre sí en tanto se refiere a su bajo punto de fusión, facilidad para formar una capa pasiva de Óxido y sobretodo su baja densidad, siendo la mayor diferencia entre ambos el hecho de que el Magnesio tenga un rol fundamental en la química orgánica y esté presente en dosis relevantes en nuestro propio organismo (y el de muchos otros más seres vivos) mientras que el Aluminio tiene muy, muy pocos usos conocidos y está muy lejos de considerarse importante en éste campo de la ciencia.
El Aluminio es un elemento claramente litófilo, y aparece siempre combinado en Óxidos más o menos complejos. Su afinidad por el Magnesio no es mayor que la que tiene por el Silicio si tenemos en cuenta que aparece en la corteza terrestre en más de 250 minerales conocidos hasta la fecha, la mayoría de los cuales son silicatos.
Tiene también cierta afinidad por los metales alcalinos y alcalino-térreos, pero poca con el Carbono, el Azufre, los Halógenos y metales refractorios. El Aluminio es un pilar de lo que podríamos considerar como piedras o rocas estructurales, en donde está presente, aunque en la mayoría de los casos no en el % suficiente como para ser rentable su extracción, ergo se puede decir que como en el caso del Vanadio, el Aluminio es un metal más abundante aún de lo que parece ser, pero gran parte de sus átomos se encuentran difuminados. Ésto significa que aunque en una montaña entera pudiésemos decir que contiene más de doce mil toneladas métricas del metal, ninguna de las piedras y/o rocas que la componen lo contienen en una riqueza lo suficientemente alta como para considerarse menas propiamente dichas, del metal.
Es por ésto que el Aluminio se extrae fundamentalmente de la Bauxita, que no es una piedra mineral propiamente dicha, si no una roca que mezcla tres minerales, dos de los cuales comparten la misma fórmula química pero que difieren en su estructura cristalina (Bohemita y Diáspora, ambas de fórmula AlO(OH) ) siendo la Gibbsita (Al(OH)3) el tercer componente principal. Estos tres minerales son Hidróxidos de Aluminio, y aunque pueden aparecer por separado, son los que conforman la Bauxita, la mena principal del metal. Una curiosidad que no me gustaría pasar por alto es que tanto el Zafiro como el Rubí (o cualquier variación del Corindón) tienen fórmula Al2O3, que es el Trióxido de Aluminio sin presencia de Hidrógeno. Como te habrás imaginado, éstos minerales no se consideran menas del Aluminio, aunque técnicamente puedan serlo.
La extracción del Aluminio es compleja ya que es un metal muy reactivo, de enorme afinidad por el Oxígeno. No es de extrañar, por ende, su descubrimiento haya sido relativamente tardío.
El descubrimiento del Aluminio entraña cierta disputa, ya que el metal fue -parcialmente- aislado primero por el danés Hans Christian Ørsted, si bien las muestras que consiguió en 1824 eran impuras, tratándose en realidad de una aleación con elevado contenido de Potasio. El alemán Friedrich Wöhler (descubridor del Berilio y del Nitruro de Silicio) repetiría el experimento de Ørsted al año siguiente (1825) dos veces, obteniendo pequeñas muestras del metal, al que llegó a estudiar. No obstante, el Aluminio producido en escala masiva se haría de esperar hasta varias décadas más tarde, ésta vez ligado a Francia, primero por Henri Deville en 1856 (habiéndolo presentado en sociedad apenas dos años antes) en lo que sería la primera etapa de la producción masiva del elemento, pero seguía siendo muy caro para uso comercial amplio. (de la etapa de introducción del Aluminio como nuevo elemento saldrían por lo menos dos grandes anécdotas que luego contaré).
En 1886 el francés Paul Héroult y el americano Charles Hall patentarían un nuevo método que pasaría a la historia como “el proceso Hall – Héroult”.
En 1889 el austríaco Carl Bayer patentaría el método conocido como Termita, el cual permite obtener Alúmina de gran pureza a partir de la Bauxita. Es curioso, porque, la Termita en todo caso ayudó al proceso de Hall-Héroult y no al revés, ya que permitía refinar la Bauxita al convertirla en Alúmina, de la cual es más fácil obtener el metal.
Los procedimientos de Hall-Héroult y el de Carl Bayer, la Termita, siguen siendo las rutas (o métodos) principales para la obtención del elemento incluso hasta nuestros días.
Pronto, el Aluminio dejaría de ser un elemento exótico y de alcance restringido a pasar a tener un uso masivo. El precio original del metal, que por supuesto valuaba más su naturaleza exótica (ante todo su baja densidad y propiedades mecánicas aceptables) que cualquier otra cosa, comenzó a bajar hasta que finalmente se le comenzó a dar uso a nivel industrial.
El nombre del Aluminio procede del grupo mineral conocido como “Alumbre” (la “Alumbre” no es un mineral en concreto si no que hace referencia a cualquier sulfato donde estén presentes un metal monovalente (típicamente, un alcalino) y uno trivalente (en éste caso, el Aluminio). Se conoce a los minerales de éste tipo desde hace milenios, y son la fuente original de las primeras muestras del elemento.
El Aluminio es actualmente el segundo metal más usado a nivel mundial, justo por detrás del Acero (aleación de base Hierro). Puro no tiene la rigidez mínima necesaria para competir con el Acero, pero a cambio de ésta desventaja lo supera en su baja densidad y resistencia natural a la corrosión, algo que el Acero no tiene.
Es el segundo metal más barato, luego del Hierro.
Características principales
El Aluminio de gran pureza es muy blanco, de color argénteo similar al de la Plata pura sin corroer, con la que comparte un alto índice de reflectividad.
Es un metal muy ligero (2,70 gr/cc en su forma más pura) con buenas propiedades mecánicas: es maleable y dúctil, no-volátil en condiciones moderadas, resistente al desgaste por estrés mecánico con o sin calor y/o atmósferas medianamente agresivas. Se puede trabajar el Aluminio a martillo y algunas de sus aleaciones son capaces de endurecerse mediante tratamiento térmico tradicional, similar a como sucede con el Acero con un mínimo de 0,45% de Carbono en masa.
A diferencia de los demás metales de su categoría, es un excelente conductor del calor y la electricidad; al peso, se presenta como una alternativa superior al Cobre e incluso la Plata, ya que un kilogramo de Aluminio de alta pureza ocupa más volumen que uno de Cobre (y mucho más que uno de Plata y Oro), por ende se pueden fabricar alambradas más largas y/o gruesas que compensen el índice de menor conductividad del Aluminio frente a sus competidores.
La dureza del Aluminio es relativamente baja (2,75 Mohs) así también como su tenacidad. Es mucho más maleable que dúctil, aunque igualmente se pueden conseguir alambres de éste metal de un grosor muy reducido. Como en la enorme mayoría de casos de metales que se pueden alear, las propiedades mecánicas del Aluminio mejoran con la adición de % específicos de otros elementos, frecuentemente (aunque no exclusivamente) metales.
Resistencia a la corrosión
El Aluminio forma una capa pasiva de Óxido que lo protege del ataque posterior, similar a como ocurre con el Titanio, Vanadio, Cromo y los demás metales miembros de las familias que éstos tres encabezan. Éste Óxido presenta la misma fórmula que la Alúmina masiva, Al2O3 y se trata en efecto de una capa del Trióxido del metal que es resistente en condiciones normales al aire seco y húmedo, y a diferencia del Magnesio, se mantiene perfectamente en agua dulce y salada, aunque es vulnerable al ataque por Cloruros, típicamente presentes en agua marina. El Aluminio se considera resistente al agua salada/agua de mar, pero siempre y cuando se trate de aplicaciones que no requieran una resistencia especial, como sí ofrecen las aleaciones de base Cobre o Níquel – Cobre, además de las Superaleaciones o Aceros Inoxidables altamente aleados diseñados para ésta labor. El Aluminio depende de la presencia de Oxígeno para recuperar su capa protectora en caso de pérdida, por lo que el uso en piezas que se fabriquen expresamente para permanecer sumergidas suele descartarse, ya que si bien presenta una mejor tolerancia que el Acero normal, no tiene las propiedades mecánicas de éste y se considera un desperdicio usarlo, por ejemplo, para fabricar los pilares que sostienen a las plantas petrolíferas situadas en el mar.
En estado puro es moderadamente resistente a los ácidos, pero no a los álcalis, donde sufre mucho. La enorme mayoría de substancias orgánicas no le afectan, lo cual posibilita su uso como revestimiento o contenedor de alimentos y bebidas (así se demuestra por las latas de refrescos o cervezas, el famoso “papel de Plata” o “papel plateado” que en realidad es Aluminio martillado, interiores de termos donde se conserva la temperatura del café, té u otras bebidas consumidas en caliente, así como platos, bandejas y cubertería barata. No es tóxico ni peligroso, ni tampoco crea alergias (aunque se dice que siempre hay alguien alérgico a algo, y si existe la alergia al agua desde luego el Aluminio no se salva, si bien son casos extremadamente raros). En lo tocante a la resistencia química, el Aluminio se asemeja al Estaño en éste contexto.
Resulta muy importante tener en cuenta que el Aluminio es uno de los pocos metales, junto al Titanio, el Cromo y el Magnesio que pierden resistencia a la corrosión conforme son aleados, ya que al ser resistentes de por sí y depender de su pureza para mantener el Óxido que los protege, los aleantes que se usan para mejorarlos mecánicamente sacrifican a cambio la pureza que garantiza una mejor respuesta frente a ambientes altamente corrosivos.
Todo lo contrario ocurre con el Hierro, en cuyo caso prácticamente cualquier metal industrial que se le agregue aumentará significativamente no sólo sus propiedades mecánicas si no su resistencia a la corrosión.
Aplicaciones generales
A diferencia del Hierro, su competidor principal, el Aluminio es usado tanto aleado como en su forma elemental.
Puro no es muy rígido ni duro, de modo que las aplicaciones que lo emplean en este estado se centran más en su resistencia natural a la corrosión mediante el desarrollo inmediato de la barrera de Óxido protectora. Intentar resumir los usos del Aluminio puro y sus aleaciones es una tarea difícil, ya que se trata nada más y nada menos que el segundo metal más usado, justo por detrás del Acero.
Para el Aluminio puro (99,9% o superior)
No se puede decir que las propiedades mecánicas del Aluminio puro sean malas: es dúctil y sobretodo, muy maleable. El problema es que en éste estado es demasiado endeble y blando desde el punto de vista de la resistencia al estrés mecánico y al desgaste por abrasión. No obstante, el Aluminio de alta pureza es -normalmente- más resistente a la corrosión que el aleado. Como ya sabrás a estas alturas, rara vez se puede conseguir todo en una aleación: obtienes ventaja en unos parámetros a cambio de perder ventaja en otros. Sólo algunas aleaciones de élite, como las basadas en Níquel, pueden presumir de llamarse “Superaleaciones” con todo el derecho.
El Aluminio puro se usa en la industria alimenticia para la fabricación de contenedores, recipientes, latas, envases.
Debido a su alta reflectividad, en la fabricación de espejos comunes (los mejores se hacen con Plata) y también en partes sensibles a la luz como telescopios.
En la industria eléctrica (y electrónica en menor medida) para la fabricación de piezas conductoras (principalmente cables). La conductividad del Aluminio puro es aproximadamente un 60% la del Cobre, y aún menos que la de la Plata, sin embargo, es mucho más ligero y barato, por lo que ha ido reemplazándolo con el paso de los años.
Actualmente el uso del Aluminio se está expandiendo de la industria eléctrica a la electrónica ya que se puede llegar a capar con Cobre para aumentar la conductividad aún más, si bien los resultados no son iguales. El precio del Cobre continúa al alza, y la demanda de países en vías de convertirse en súper-potencias como China, la India, Brasil y los países de Medio Oriente han “obligado” por decirlo de alguna forma a los ingenieros a conseguir alternativas cada vez más baratas al metal rojo, y el Aluminio es el candidato ideal.
Se utiliza Aluminio de alta pureza en la industria química como catalizador en reacciones donde el metal actúa como ánodo, en ocasiones aleado con Zinc.