Els empèdocles moderns – Hans Christian Ørsted (1825) i l’element 13 (Al) – alumini (niluntri, Nut)

La combinació de la doctrina dels quatre elements amb la concepció geocèntrica de l’univers es manifesta en una sèrie d’esferes. L’esfera inferior és l’esfera terrestre, damunt de la qual es disposa l’esfera hídrica (hidrosfera) i, seguidament, l’esfera aèria (atmosfera) i l’esfera del foc (pirosfera), seguides, ja fora l’àmbit sublunar, endinsats en reialme de la quinta essència, per les esferes de la Lluna, de Mercuri, de Venus, del Sol, de Mart, de Júpiter, de Saturn, dels estels fixos. Per damunt dels set cels planetaris i del vuitè cel sideral, la tradició afegia un novè cel, el cristal•lí, i un desè cel o esfera, corresponent al “primum mobile”, per damunt del qual hi havia el Cel Empiri, “habitacle de Déu i de tots els elegits”. L’esquema d’esferes concèntriques havia substituït, ja abans d’aristòtil, l’antiga concepció cilíndrica de l’univers, que és la que trobem en els mites. Hesíode, a la Teogonia, ens diu que la capa més inferior, el Tàrtar, es troba a una distància de l’Hades equivalent a la distància que separa la superfície de la Terra del sostre del Cel. El Llibre del Gènesi explica com l’arcà inicial és una massa d’aigua. En separar-se la massa d’aigua en dues, hi queda al mig un espai, el Cel. Les aigües inferiors, la Mar, es concentren, i deixen emergida una Terra ferma. La Mar, l’Oceà Global, component principal de la hidrosfera (en suposa el 97%) cobreix el 72% (3,6•1014 m2) de la superfície planetària. Sota la hidrosfera, la Litosfera no és la darrera capa. El foc infernal, manifestat en les erupcions volcàniques, es correspon a un interior de la Terra fos, en estat magmàtic, l’astenosfera. L’arrel empedocliana “terra” és una escorça planetària (menys de l’1% del volum planetari) que assoleix un gruix màxim de 30 a 50 km en les zones continentals i un mínim de 5 a 10 km en les zones oceàniques. L’heterogeneïtat de les roques que la formen era explicada pels antics per la barreja heterogènia de la terra amb els altres tres elements. La química moderna explica l’escorça terrestre com una barreja heterogènia de minerals, compostos químics de nombrosos elements. En termes de massa, els més abundants són l’oxigen (O; 46,1%) i el silici (Si; 28,2%), seguits de l’alumini (Al; 8,23%), del ferro (Fe; 5,63%), del calci (Ca; 4,15%), del sodi (Na; 2,36%), del magnesi (Mg; 2,33%) i del potassi (K; 2,09%). La distribució d’aquests elements no és homogènia. A grans trets, els silicats d’alumini dominen en l’escorça superior o continental (“sial”), mentre els silicats de magnesi són més abundants en l’escorça inferior o oceànica (“sima”). No es tracta, però, de cap divisió absoluta, i els termes “sial” i “sima” tendeixen a ser evitats pels geòlegs de les darreres dècades. L’escorça terrestre, més que no pas per discontinuïtats verticals és marcada per discontinuïtats horitzontals. Integrada per plaques, més o menys continentals o més o menys oceàniques, la configuració d’oceans i de continents varia en el curs de desenes i centenars de milions d’anys. La relació entre factors geològics, geoquímics i geofísics és matèria de recerca i debat. Nosaltres, en tot cas, arribem a l’element 13.

Les discontinuïtats més pronunciades de l’escorça terrestre donen lloc a una sèrie de plaques. Aquestes plaques litosfèriques llisquen damunt de la capa més fluida que hi ha a sota (astenosfera). Les velocitats i direccions de moviment de cada placa condicionen el sentit del contacte entre elles (convergent i divergent). Els punts de convergència es resolen, d’altra banda, d’acord amb la densitat relativa de cadascuna d’elles

Hans Christian Øersted i la descoberta de l’alumini

Hans Christian Øersted (Rudkøbing, 14.08.1777) era fill d’un farmacèutic d’aquesta localitat de l’illa de Langeland, en l’arxipèlag danès. El seu germà petit, Anders Sandøe, va nàixer el 21 de desembre del 1778. Els dos germans van estudiar a casa, a càrrec d’una sèrie d’instructors. Quan foren prou grans, començaren a ajudar el pare en l’apoteca. En el 1793, tots dos germans foren enviats a Copenhague, la capital danesa, en l’illa de Sieland, per fer els exams d’ingrés en la universitat. Tots dos els superaren. Al llarg de l’estança universitària, tots dos destacaren en filosofia, però cadascú mostrava una orientació diferent. Hans Christian excel•lia en ciències naturals, mentre Anders s’adreçava cap a una carrera jurídica. El 1799, Anders començava a treballar d’advocat, mentre Hans Christian s’havia llicenciat com a farmacèutic (1797) i es doctorava en filosofia amb una tesi kantiana titulada “L’arquitectònica de la metafísica natural” (1799).

Els treballs d’Alessandro Volta sobre el galvanisme, és a dir el corrent elèctric produït per acció química, coronats amb la construcció d’una pila de discs de coure i de zinc, inspiraren en el 1800 tota una sèrie d’experiments arreu. Ørsted va construir la seva pròpia pila, amb la qual realitzà diverses experiències electroquímiques. El 7 de novembre del mateix any esdevenia professor ajudant, però com que la plaça no comportava cap salari, això no solucionava la precària situació personal. D’altra banda, sentia que havia de viatjar per contactar amb persones més experimentades en les qüestions galvàniques.

Gràcies a una beca de 500 rigsdàlers anuals, va poder emprendre una gira d’estudi de tres anys. A Weimar (Saxònia), H. C. Ørsted va col•laborar amb Johann Wilhelm Ritter, un home de la seva edat, però que feia una mica més de temps que treballava en els fenòmens galvànics. Ritter discrepava de la interpretació de Luigi Galvani sobre “l’electricitat animal” i de la d’Alessandro Volta, segons la qual l’electricitat era generada pel contacte metàl•lic. Ritter cercava la base química de l’electricitat (“l’element galvànic”) i sospitava que electricitat i magnetisme eren fenòmens connectats d’alguna manera. Ørsted que, com a kantià, creia en la unitat darrera de tots els fenòmens naturals, compartia aquesta darrera opinió de Ritter.

Després, Ørsted passaria a Múnic, on tractà amb Franz Xaver von Baader (1765-1841) i amb Benjamin Thompson (1753-1814). El desembre del 1801 arribà a París, on assistí a conferències de grans noms de la química (Vauquelin, Fourcroy, Thénard, Bertholet), de la física (Jacques Charles, Jean-Baptiste Biot) i d’història natural (Georges Cuvier). L’estada a Berlín li fou encara més instructiva. A la casa d’Henriette Herz, Ørsted realitzà diverses demostracions experimentals sobre galvanisme i d’altres fenòmens físics i químics. Alhora, assistia a conferències del filòsof kantià Johann Gottlieb Fichte (1762-1814) i del filòleg Friedrich Schlegel (1772-1829).

El gener del 1804 tornava a Copenhague. No aconseguí la plaça de professor de física a la qual aspirava, però sí una dotació de 300 rigsdàlers anuals per tres anys per fer recerca i conferències. El professor Thomas Buntzen (1776-1807) li facilità les seves instal•lacions i aparells. Les conferències d’Ørsted sobre física-química tingueren un notable èxit d’assistència. Ørsted publicà “Betragtniger over Kemiens Historie” (1805-06), en la qual exposa la necessitat de centrar-se més en les relacions, en les reaccions, que no pas en les propietats de les substàncies aïllades. El 1806, aconseguí finalment una plaça de professor a la Universitat de Copenhague.

Després de noves publicacions (Første Indledning til den Almindelige Naturlære, 1811; Videnskaben om Naturens Almidelige Love, 1812), Ørsted comença una nova gira. A Berlín publicà Ansichten der chemischen Naturgesetze (1812). Aquesta conté una exposició de les substàncies i processos químics i passa després a la qüestió de la base química dels fenòmens elèctrics. Ørsted sosté que tots els cossos contenen forces elèctriques, però que es manifesten per trobar-se en una situació d’equilibri; després passa a descriure la transmissió elèctrica en les situacions de desequilibri, la relació entre resistència elèctrica i calor, i la base comuna d’electricitat i magnetisme. Més tard, quan fou a París, publicà, juntament amb Marcel de Serres (1780-1862) una versió llatina de l’edició alemanya.

Consolidat acadèmicament, H. C. Ørsted, el 17 de maig del 1814, prengué per muller Inger Birgitte Ballum, dotze anys més jove. El matrimoni tingué 7 fills, 3 varons i 4 dones.

A partir del 1818, Ørsted s’interessà en la física de fluids, particularment en la compressibilitat de gasos. En el decurs d’aquestes recerques, dissenyà un piezòmetre, per tal de mesurar la pressió de líquids i gasos.

L’efecte Ørsted. Una agulla magnètica, situada en la proximitat d’un corrent elèctric, pateix una deflecció en el sentit d’aquest corrent

El 21 d’abril del 1820, en una demostració pública, mentre Ørsted manipulava un muntatge format per una bateria, un fil elèctric i una agulla magnetitzada, observà que, en accionar la bateria, l’agulla es desviava de la direcció N-S. Repetí després l’experiència, i suposà que el corrent elèctric emanava magnetisme, de la mateixa manera que, com se sabia, desprenia calor i, segons les circumstàncies, llum. El mes de juliol tornà a la qüestió, però prenen ara dades més precises del camp magnètic generat pel corrent elèctric. Trobà que el camp magnètic seguia una disposició circular al voltant del fil elèctric. El caràcter circular del camp magnètic explicava per què ni Ørsted ni altres investigadors no havien estat capaços de detectar aquest efecte electromagnètic. Una revisió bibliogràfica posterior mostra que l’efecte Ørsted ja havia estat observat abans, per exemple per Gian Domenico Romagnosi (1761-1835), molt a començament de segle. La comunicació d’Ørsted, però, sí tingué un impacte clar. No havia acabat l’any, per exemple, que la Royal Society li concedí la medalla Copley “per les seves descobertes electro-magnètiques”. L’Acadèmia Francesa de Ciència li concedí un premi de 3000 francs d’or, i la Reial Acadèmia Sueca de Ciències l’admeté com a membre foraster el 1822. El reconeixement a Dinamarca mateix, li facilità la tasca de fundar, sota el patrocini del rei Cristian VIII, la “Selskabert for Naturlærens Udbredelse” (1824).

En el 1825, Ørsted s’ocupà d’un problema no resolt de la química: la natura elemental de l’alum. Aquest material era conegut des de l’antiguitat. Dioscòrides (Περὶ ὕλης ἰατρικῆς, v. 60 ec) l’anomena “stupteria”, mentre que Plini (Naturalis Historia, llibre 35, capítol 52) el presenta amb els noms d’“alumen”. L’alum, en paraules de Plini, és “salsugo terrae”, en referència a la seva presentació com a salmorra mineral. El mateix Plini indica la pluralitat de substàncies recollides per a aquest nom, totes elles d’origen mineral i que, per les seves propietats astringents, eren emprades com a fàrmac antidiarreic i antihemorràgic. Algunes variants d’alum, continua Plini, són emprades com a tint tèxtil, mentre que l’alum negre serveix en la purificació de l’or. Quant a la natura de l’alum, Plini el considera un compost d’aigua i llim (“aqua limoque”).

Sota el nom d’alum o stupteria, els antics coneixien tota una sèrie d’exudats terris, més o menys líquids, més o menys clars, de propietats astringents

Georg Ernst Stahl (1659-1734) havia proposat que l’alum era de natura calçària. J. H Pott, a Lithogeognosia indica que el precipitat obtingut a partir de l’atac càustic d’una solució aquosa d’alum era d’una natura diferent a l’obtingut a partir d’una solució calcària. Andreas Sigismund Marggraf (1709-1782) va descriure la terra alumina, com a component de l’alum. L’alúmina era també present en l’argila. Hom podia reconstituir les sals d’alum, si es dissolia l’alúmina en vidriol, se n’evaporava el líquid, i s’hi afegia després una solució de potassa. La reconstitució també funcionava si es feia amb una solució d’amoníac. Torbern Bergman (1735-1784) va fer observacions similars, i sospitava que l’alum era un compost de potassi i vidriol.

Andreas Sigmund Marggraf, cap als anys 1970

Antoine Lavoisier (1743-1794) en el seu llistat de “substàncies simples” del “Traité Élémentaire de Chimie”, esmenta l’alúmina (alumine) com una “substància simple salificable terrosa”, categoria en la qual també inclou la calç, la magnèsia, la barita i el sílice. Com a sinònims històrics de l’alúmina, Lavoisier cita “argila”, “terra de l’alum” i “base de l’alum”.

Tot i així quedava pendent de resoldre la qüestió de la natura de l’alum. Louis Nicolas Vauquelin (1763-1829) proposava que es tractava d’un sal de sulfat, alúmina i potassa (1797), idea que el comte Chaptal de Chantelop (1756-1832) corroborà en diferents variants d’alum. Amb el temps, hom trobà que hi ha alums que no contenen ni potassa ni sulfat.

John Dalton, en “New System of Chemical Philosophy” (1808), compta l’alúmina entre els “elements simples”. La representa amb quatre punts ().

Humphry Davy

En el 1808, Humphry Davy va sotmetre diversos tipus d’alum a electròlisi, en forma aïllada i en amalgama. No reeixí a aïllar el metall elemental que suposadament hi havia rere l’alúmina. Davy sospitava, com ja havia proposat el mateix Lavoisier en el 1787, que l’alúmina era en realitat un òxid metàl•lic. Així doncs, l’element simple seria el metall “alumi” (alumium). En el 1812, a Chemical Philosophy, Davy s’estima més la denominació d’alumí (aluminum):

Aquesta substància [l’aluimina] sembla contindre un metall peculiar, però fins ara l’alumí no ha estat obtingut en un estat perfectament lliure, per bé que aliatges amb altres substàncies metal•lines s’han demostrat prou distints com per indicar la natura probable de l’alúmina”.

Encara el mateix any, en una revisió de l’obra de Davy al Quarterly Review, hom proposa el nom d’alumini (aluminium):

Ens prenem la llibertat d’escriure el mot alumini, en preferència a alumí, que té un so menys clàssic”.

El nom d’alumini apareix en edicions posteriors de l’obra de Dalton, i també en la de Jöns Jacob Berzelius (1813). És Berzelius qui proposa emprar les inicials “Al” com a símbol d’aquest element metàl•lic.

Tot i amb tot, l’alumini continuava en el 1825 com un metall hipotètic. Ørsted va obtindre clorur d’alumini a partir de l’alúmina i, en fer reaccionar, el clorur d’alumini anhidre amb una amalgama de potassi, aconseguí d’aïllar electrolíticament metall alumini. Encara que de baixa puresa, Ørsted va poder fer una descripció de l’alumini elemental, remarcant la similitud amb l’estany (Sn).

Friedrich Wöhler

Friedrich Wöhler (1800-1882) va repetir en el 1827 l’experiment d’Ørsted sobre el clorur d’alumini, però sospità que el metall obtingut era un aliatge de potassi i alumini, amb possible domini del primer. En experiments posteriors, aconseguí aïllar alumini en un estat més pur (Wöhler, “Über das Aluminium”, Annalen der Physik und Chemie, 1827).

En l’aïllament de l’alumini també treballà Pierre Berthier (1782-1861). Berthier, format a École Polytechnique i, durant un temps, cap de laboratori de l’École des Mines, havia descrit a Lei Bauç de Provença un mineral que denominà, per la localitat, bauxita (1821).

Bauxita

Berthier aconseguí extreure alumini de la bauxita, i comprovà que era l’element característic d’aquest mineral.

Quant a Ørsted cal dir que per aquells anys els seus esforços se centraven en fer realitat la proposta d’Escola Politècnica que el matemàtic i astrònom Georg Frederik Krüger Ursin (1797-1849) havia proposat a Cristian VIII el 1827. El 27 de gener del 1829 obria finalment Den Polytekniske Læreanstalt, del qual Ørsted fou el primer director. Ørsted tingué un paper rellevant en la fixació de neologismes físics i químics en la llengua danesa, que no fossin meres adaptacions fonològiques. Així, l’oxigen en danès rep el nom d’ilt (=àcid), l’hidrogen el de brint (=cremar), la densitat es diu “vægtflyde” (=pesadesa), el volum es diu “rumfang” (=capacitat), etc. Cal no oblidar la producció poètica (Luftskibet) i filosòfica (Aanden i Naturen).

H. C. Ørsted es va morir el 9 de març del 1851. El seu germà, Anders, el sobreviuria nou anys més, i ocuparia el càrrec de primer ministre entre l’abril del 1853 i el desembre del 1854. El fill d’un altre germà, Anders Sandøe Ørsted, nascut el 1816, ja era llavors un reputat botànic, i és l’Oerst. que apareix en centenars de descripcions. Del llegat d’H. C. Ørsted, tingué especialment cura la seva filla més jove, Mathilde Elisabeth, que publicà correspondència i d’altres documents del pare, que ha quedat doncs en l’imaginari danès com un dels grans noms de l’anomenada “Der danske guldader”. Entre els amics d’H. C. Ørsted, podem comptar H. C. Andersen, conegut universalment per la seva col•lecció de rondalles. No hi ha pas dubte que el nom d’Ørsted s’associa especialment, junt amb Faraday, a la construcció de la teoria electromagnètica.

Els intents de periodització dels elements químics contribuïren a esclarir la natura de l’alumini. En el 1865, John Newlands, d’acord amb la llei dels octaus, assignava a l’alumini el nombre 11, i el col•locava en el grup del bor, al costat d’elements com el crom, l’itri, el ceri, el lantà, l’urani, el tàntal i el tal•li.

De manera independent, Dmitri Mendeleev publicava en el 1869 una taula periòdica, en la qual l’alumini era comptat entre el grup del bor. En el 1871, aquest grup rebia la denominació de Grup III, i era caracteritzat per formar triòxid (com era el cas del Al2O3). En les formulacions posteriors, el grup del bor rep les denominació de IIIA, de IIIB o de 13, en l’extrem esquerra del “bloc p”. Són coneguts com a triels (per la valència 3) o com a icosàgens. L’alumini és considerat normalment com un metall, per bé que rarament és inclòs entre els metal•loids.

Pel que fa a l’obtenció de metall alumini, Henri Étienne Sainte-Claire Deville (1818-1881), professor de química a Besançon, millorà el mètode de Wöhler (1846). L’ús d’una amalgama de sodi per comptes d’una de potassi abaratia el procés. El 1859, Deville publicava “De l’Aluminium: ses propiétés, sa fabrication et ses Applications”. Un altre procediment estudiat per Deville fou l’electròlisi d’òxid d’alumini (Al2O3) dissolt en criolita (Na3AlF6), mineral que fon a 1285 K. El principal jaciment de criolita era el d’Ivigtût, a la costa occidental de Kalaallit Nunaat.

Procés Hall-Heroult per a l’obtenció d’alumini metàl•lic fos. El procés fou dissenyat de manera independent per Charles Martin Hall (1886) i Paul Héroult (1888). Hall obrí a Pittsburgh la primera planta de producció d’alumini a gran escala. Héroult fundà en el 1889 Aluminium Industrie

El procés Hall-Heroult possibilità l’obtenció de quantitats industrials d’alumini. Satisfer els requeriments energètics del procés era tan sols possible gràcies al desenvolupament de centrals elèctriques. De mica en mica, el preu de l’alumini que, originalment depassava el de l’or, davallà. A partir de la dècada dels 1890, l’alumini fou emprat en la construcció d’estructures lleugeres.

En català, diem alumini sense més. Però en anglès i en altres llengües, la polèmica entre “aluminium” i “aluminum”, ja comentada en el 1812, persisteix. En el 1828, el Webster’s Dictionary emprava “aluminum”, per bé que en les publicacions habituals predomina “aluminium”. En les patents, registrades entre 1886 i 1903, Charles Martin Hall escriu “aluminium”, però en un full publicitari del 1892 apareix la forma “aluminum”. En algun moment, hom assumí que “aluminium” era la “forma britànica” i “aluminum” la “nord-americana”. De fet, en el 1926, la American Chemical Society fixà “aluminum” en les seves publicacions oficials. El diccionari de referència al Canadà (Canadian Oxford Dictionary) s’orienta per “aluminum”, mentre que diccionaris australians (com el Macquarie Dictionary) s’estimen més “aluminium”. Internacionalment, el domini de “aluminium” i derivats és aclaparador. La IUPAC, en el 1990, fixà “aluminium” com a nom estàndard internacional, per bé que en el 1993 admeté “aluminum” com a variant acceptable.

L’alumini: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard de l’alumini (Al), 26,9815385 uma, coincideix amb la seu únic isòtop estable, 27Al. Dels isòtops reconeguts, es pot fer una llista completa:
– alumini-19 (19Al; 19,0218 uma). Nucli format per 13 protons i 6 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 10-8 s. Decau, amb emissió d’un protó, a magnesi-18.
– alumini-20 (20Al; 20,0194 uma). Nucli format per 13 protons i 7 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 10-8 s. Decau, amb emissió d’un protó, a magnesi-19.
– alumini-21 (21Al; 21,02804 uma). Nucli format per 13 protons i 8 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 10-8 s. Decau, amb emissió d’un protó, a magnesi-20.
– alumini-22 (22Al; 22,01952 uma). Nucli format per 13 protons i 9 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,059 s. Decau normalment (96,7%) a magnesi-22 (amb emissió d’un positró) o, alternativament a neó-20 (2,5%; amb emissió de dos protons i d’un positró) o a sodi-21 (0,8%; amb emissió d’un protó i d’un positró).
– alumini-23 (23Al; 23,007267 uma). Nucli format per 13 protons i 10 neutrons. El seu estadi basal presenta una semivida de 0,470 s. Decau normalment (92%) a magnesi-23 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (8%) a sodi-22 (amb emissió d’un protó i d’un positró). Se n’ha descrit un estat metastable (23mAl), amb una semivida de 0,35 s.
– alumini-24 (24Al; 23,9999389 uma). Nucli format per 13 protons i 11 neutrons. En l’estadi basal presenta una semivida de 2,053 s, i decau normalment (99,95%) a magnesi-24 (amb emissió d’un positró) o, alternativament, a neó-20 (0,0349%, amb emissió d’un nucli d’heli-4 i un positró) o a sodi-23 (0,0159%, amb emissió d’un protó i d’un positró). Presenta un estadi metastable de 425,8 keV (24mAl), amb una semivida de 0,1313 s, i que decau majoritàriament (82%) a la forma basal (per transició isomèrica) o, alternativament a magnesi-24 (18%) o a neó-20.
– alumini-25 (25Al; 24,9904281 uma). Nucli format per 13 protons i 13 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,183 s. Decau a magnesi-25, amb emissió d’un positró.
– alumini-26 (26Al; 25,98689169 uma). Nucli format per 13 protons i 13 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,26•1013 s (717.000 anys). Decau a magnesi-26, amb emissió d’un positró. Presenta una forma metastable (26mAl), amb una semivida de 6,3452 s, que decau a magnesi-26. És present en forma de traces en mostres naturals d’alumini, generat com a conseqüència de l’acció de raigs còsmics sobre l’argó. L’abundància relativa de 26Al i del seu isòtop fill estable, 26Mg, és emprada en datació de meteorits i de l’exposició atmosfèrica de roques, sediments i glaç. La relació 26Al:10Be és informativa per estudiar processos d’erosió, transport i sedimentació de materials de centenars de milers o de milions d’anys d’antiguitat.
– alumini-27 (27Al; 26,98153863 uma). Nucli format per 13 protons i 14 neutrons. És un isòtop estable. La pràctica totalitat d’àtoms d’alumini són d’alumini-27, la qual cosa el converteix en un element monoisotòpic.
– alumini-28 (28Al; 27,98191031 uma). Nucli format per 13 protons i 15 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 134,48 s (2 minuts i 15 segons). Decau a silici-28, amb emissió d’un electró.
– alumini-29 (29Al; 28,9804450 uma). Nucli format per 13 protons i 16 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 394 s (6 minuts i 34 segons). Decau a silici-29, amb emissió d’un electró.
– alumini-30 (30Al; 29,9804450 uma). Nucli format per 13 protons i 17 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,60 s. Decau a silici-30, amb emissió d’un electró.
– alumini-31 (31Al; 30,983947 uma). Nucli format per 13 protons i 18 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,644 s. Decau normalment (98,4%) a silici-31 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1,6%) a silici-30 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– alumini-32 (32Al; 31,98812 uma). Nucli format per 13 protons i 19 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0317 s. Decau normalment (99,3%) a silici-32 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,7%) a silici-31 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Presenta una forma metastable de 955,7 keV (32mAl), amb una semivida de 2•10-7 s.
– alumini-33 (33Al; 32,99084 uma). Nucli format per 13 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0417 s. Decau normalment (91,5%) a silici-33 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (8,5%) a silici-32 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– alumini-34 (34Al; 33,99685 uma). Nucli format per 13 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0563 s. Decau majoritàriament (87,5%) a silici-34 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (12,5%) a silici-33 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– alumini-35 (35Al; 34,99986 uma). Nucli format per 13 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0386 s. Decau majoritàriament (74%) a silici-35 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (26%) a silici-33 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– alumini-36 (36Al; 36,00621 uma). Nucli format per 13 protons i 23 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,090 s. Decau majoritàriament (69%) a silici-36 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (31%) a silici-35 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– alumini-37 (37Al; 37,01068 uma). Nucli format per 13 protons i 24 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0107 s. Decau a silici-37 (amb emissió d’un electró).
– alumini-38 (38Al; 38,01723 uma). Nucli format per 13 protons i 25 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0076 s. Decau a silici-38, amb emissió d’un electró.
– alumini-39 (39Al; 39,02297 uma). Nucli format per 13 protons i 26 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0076 s. Decau a silici-39, amb emissió d’un electró.
– alumini-40 (40Al; 40,03145 uma). Nucli format per 13 protons i 27 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre 0,01 s.
– alumini-41 (41Al; 41,03833 uma). Nucli format per 13 protons i 28 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de vora 0,002 s.
– alumini-42 (42Al; 42,04689 uma). Nucli format per 13 protons i 29 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,001 s.

L’àtom neutre d’alumini conté 13 electrons, amb una configuració basal de 1s22s22p63s23p1. És l’element del tercer període per al grup dels icosàgens (grup 13). L’estat d’oxidació més habitual és el +3 (Al3+, cessió dels tres electrons de la capa 3). No obstant, també pot presentar un estat d’oxidació de +2 (com en el cas del monòxid d’alumini, AlO) o de +1 (com en el cas del monoiodur d’alumini, AlI). Presenta un radi de Van der Waals de 1,84•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, l’alumini es presenta com un sòlid metàl•lic, d’aspecte argentí, tou (2,75 en l’escala de Mohs) i dúctil.

L’alumini metàl•lic, en condicions estàndards, es disposa com un cristall cúbic centrat en les cares. La lleugeresa (2700 kg•m-3), perdurabilitat, ductilitat i mal•leabilitat el fan un metall atractiu, propietats a les que cal afegir la resistència a la ignició i el comportament no-ferromagnètic. Exposat a l’atmosfera terrestre, s’hi forma una capa superficial d’òxid d’alumini (Al2O3) que protegeix la massa del metall de la corrosió per passivació.

L’alumini és un bon conductor tèrmic (237 W•m-1•K-1) i elèctric (35,5 μS•m-1). Les seves propietats metal•loides el fan superconductor amb una temperatura crítica de 1,2 K i un camp magnètic crític de 0,01 T.

El paper d’alumini és emprat per les seves propietats reflectores (92% de llum visible, 98% de l’infraroig mitjà i llunyà). A banda del paper d’alumini pròpiament dit (amb un contingut d’alumini del 92-99%), hi ha els papers metal•litzats, fets de polímers damunt dels quals es diposita una capa d’alumini, de níquel o de crom.

A condicions estàndards de pressió, l’alumini elemental fon a 933,47 K. En el punt de fusió la densitat de l’alumini líquid és de 2375 kg•m-3. El punt d’ebullició a pressió atmosfèrica és de 2743 K. La deposició física de vapor d’alumini es fa servir en la confecció de miralls i revestiments òptics

L’alumini és produeix fonamentalment en les reaccions nuclears d’estels massius, a partir de la fusió de nuclis 26Mg amb protons (1H), que dóna lloc a 27Al. Com gairebé tots els elements amb un nombre atòmic Z senar, l’alumini és menys abundant que els elements que el precedeixen (Mg) i el succeeixen (Si) en la taula periòdica.

Els raigs còsmics generen, per espal•lació, 26Al. En l’evolució del Sistema Solar, l’acreció conduí a una disminució de la taxa de formació de 26Al. Amb una semivida de 700.000 anys, la desintegració de 26Al a 26Mg, allibera una energia que contribueix als processos de fossa i diferenciació d’alguns meteorits, especialment en els formats en els primers moments del Sistema Solar (4.550 milers de milions d’anys). Sigui com sigui, més del 99,9% dels àtoms d’alumini corresponen a l’isòtop estable 27Al. En el Sistema Solar, l’abundància atòmica de 27Al és de 3 ppm (58 ppm en termes de massa). Per cada deu àtoms de silici, doncs, amb prou feines hi ha un àtom d’alumini. Tot i amb tot, l’alumini és més abundant que cinc elements més lleugers (sodi, fluor, liti, bor, beril•li). Dels elements més pesants, superen en abundància atòmica a l’alumini quatre (a banda del silici, el ferro, el sofre i l’argó).

En els planetes rocallosos hi ha un enriquiment relatiu d’alumini. A la Terra, l’abundància atòmica de l’alumini és de 1,53% (tan sols superada per quatre elements: oxigen, magnesi, silici i ferro). En termes de massa, l’alumini suposa un 1,59% de la Terra (en aquest cas, a més dels quatre grans, també el superen el níquel i el calci).

Dins del planeta Terra, l’alumini es troba enriquit en l’escorça, degut a la seva natura litòfila. L’alumini és el tercer element més abundant de la litosfera, de la qual suposa, en termes de massa, el 8,1%. Aquest percentatge puja, en termes generals, en les capes superiors i continentals de la litosfera.

Estructura química de l’aurin-tricarboxilat d’amoni. Aquesta substància, coneguda com a aluminon és emprada en química analítica per a la detecció de Al3+ en solucions aquoses.

La presència de metall alumini nadiu és rara, limitada a entorns molt reductors. La immensa majoria de l’alumini de l’escorça terrestre es troba en compostos. S’han descrit vora 270 minerals diferents que contenen alumini. La producció mundial anual és d’uns 45 milions de tones, bàsicament extrets de la bauxita (alumini primari). Els costos energètics de la producció d’alumini a partir de la bauxita i d’altres minerals han estimulat el reciclatge (alumini secundari).

La producció mundial d’alumini ha seguit un augment exponencial, amb alguna interrupció, durant el darrer segle. La principal font d’alumini és la bauxita. L’òxid d’alumini o alúmina (Al2O3) és extret de la bauxita, a través del procés dissenyat originàriament per Carl Josef Bayer en el 1887. L’elevada energia de l’enllaç Al-O és la responsable dels elevats costos energètics de la producció d’alumini metàl•lic (54 MJ/kg d’alumini). El procés Hall-Héroult és el més emprat i consisteix en dissoldre l’alúmina en fluorur de calci (Na3AlF6, històricament criolita mineral, però actualment sintètica), i electrolitzar l’amalgama a temperatures de 1220-1250 K. El procés Hall-Héroult genera alumini amb una puresa de més del 99%, però amb el procés ulterior patentat per William Hoopes en el 1925 arriba fins el 99,99%.

La bauxita és constituïda majoritàriament per gibbsita [Al(OH)3], boehmita [γ-AlO(OH)] i diàspor [α-AlO(OH)], amb presència de goethita [FeO(OH)], hematita (Fe2O3), caolinita [Al2O3•2SiO2•2H2O] i quantitats menors d’anatasa [TiO2].

Corindó blau

El corindó és la forma cristal•lina de l’alúmina (Al2O3), amb traces de ferro, titani i crom. L’alúmina és transparent i, efectivament, hi ha espècimens transparents de corindó. La coloració es deguda a les impureses. El corindó vermell, degut sobretot a la presència de crom, rep el nom de robí oriental. El corindó blau, el de safir oriental; el corindó violeta, ametista oriental; el corindó verd, maragda oriental; el groc, topazi oriental. A banda de l’ús com a pedres precioses, alguns corindons són emprats, esmicolats, com a agents abrasius (l’escala de Mohs del Al2O3 és de 9). El coneixement de la natura química d’aquestes pedres precioses va fer que hom dissenyés processos químics per preparar-les a partir de l’alúmina, tal com va fer Marc Antoine Gaudin amb el rubí (1837, amb la fusió a alta temperatura d’alúmina amb petites quantitats de crom) o Jacques-Joseph Ebelmen amb el safir (1847, amb la fusió d’alúmina en àcid bòric).

En química orgànica, hom empra l’hidrur de liti i alumini (LiAlH4) com a agent reductor i és rellevant en moltes reaccions de síntesi orgànica. L’estudi dels compostos organoalumínics va rebre un gran impuls gràcies a les recerques de Karl Waldemar Ziegler (1898-1973).

L’abundància relativa de l’alumini en l’oceà és limitada (0,002 ppm, en termes de massa) i encara ho és més en l’atmosfera. En les aigües continentals, els valors són variables, condicionats per la composició i acidesa del context geològic on es formen.

L’alumini és implicat en cap funció biològica coneguda. En el cos humà, l’abundància típica és de 0,87 ppm en termes de massa, i de 0,15 ppm en termes atòmics. Els cations Al3+ són relativament poc tòxics de forma aguda, i una exposició excessiva pot tractar amb mesilat de deferoxamina. La producció i utilització massives de l’alumini en la vida quotidiana han suposat però una major exposició crònica a Al3+. Cal no oblidar els casos de persones al•lèrgiques a l’alumini, i que es manifesten en dermatitis i en trastorns digestius. Més enllà de les al•lèrgies, hom ha assenyalat que els cations Al3+ competeixen amb el Ca2+ en el tub digestiu per ésser absorbits. La presència de valors elevats d’alumini en lesions del teixit cerebral associades a malaltia d’Alzheimer ha conduït a una intensa recerca sobre una possible relació causal, que encara no ha quedat aclarida.

Més clars són els impactes negatius de l’alumini en plantes. La major biodisponibilitat de cations Al3+ en sòls àcids és de fet un dels factors principals que limita el creixement de moltes espècies vegetals en ambients amb pH elevat. En canvi, l’alumini és ben tolerat en sòls neutres, on és molt menys absorbible pels teixits vegetals. Algunes plantes toleren l’alumini en sòls àcids a través de l’alliberament de compostos orgànics quelants, com és el cas d’algunes poàcies (Magalhaes et al., 2004).

El caràcter biològicament inert de l’alumini no impedeix que s’hagin descrit espècies que ataquen l’alumini metàl•lic. El fong ascomicet Geotrichum candidum és capaç de colonitzar piles de discs compactes a través d’aquests atacs (Garcia-Guinea et al., 2001). La transformació de l’alumini permet a aquests microorganismes colonitzar aquests ambients.

Metal•listeria d’alumini

La difusió de l’alumini en usos històricament reservats a la fusta s’ha plasmat en la difusió del terme “fusteria d’alumini” per designar els establiments que fabriquen i comercialitzen productes d’alumini, especialment dedicades als treballs de portes, reixes, mampares, tancaments, escales, baranes, finestres, marquesines, etc. Molts establiments, però, opten pel terme “metal•listeria”.

L’alumini i els seus aliatges són, de fet, els materials metàl•lics no ferrosos més emprats. La producció mundial d’alumini no és superada per cap altre metall, tret del ferro (si bé, en termes de massa, la producció de ferro és encara 20 vegades superior a la de l’alumini). Els aliatges d’alumini contenen típicament més del 90% d’alumini, però l’addició de coure, zinc, magnesi, manganès o silici, millora les propietats mecàniques que presentaria l’alumini a una puresa del 99% o superior. El duralumini, per exemple, desenvolupat per Alfred Wilm (1869-1937) a partir del 1903, pot contindre, per pes, un 93,5% d’alumini, un 4,4% de coure, un 1,5% de magnesi i un 0,6% de manganès. Si l’alumini pur és resisteix pressions de 7-11 MPa, hom cerca que els aliats d’alumini resisteixen pressions de 200-600 MPa. Per contra, l’alumini pur és més resistent a la corrosió i més dúctil i mal•leable que no pas aquests aliatges.

L’alumini és, doncs, pràcticament ubicu:
– estructures de mitjans de transport (automòbils, avions, naus, ferrocarrils, bicicletes), en forma de planxes, tubs, etc.
– envasos i embalatges.
– construcció (revestiments, finestres, portes).
– atuells de cuina.
– instruments musicals.
– carcasses d’electrodomèstics.
– en confecció de monedes, freqüentment en aliatges d’alumini-coure.
– pols d’alumini, emprada en la confecció de combustibles, en pirotècnica o en pintura.
– en forma de gran puresa (99,98-99,999%) en la confecció de dispositius electrònics.
– en aliatges per a aimants, com l’acer MKM (desenvolupat per Tokuhichi Mishima en el 1931) o l’Alnico (Fe, 15-26% Ni, 8-12% Al, 5-24% Co, 0-6% Cu, 0-1% Ti).
– en forma metàl•lica, com a generador d’hidrogen a través de la reacció amb àcids (HCl) o bases (NaOH).

Un 90% de la producció d’alúmina es destina a l’obtenció d’alumini. El 10% es destina a altres usos: agent absorbent, catàlisi industrial (directament, com en el procés de Claus, d’obtenció de sofre a partir d’àcid sulfhídric; o indirectament, com a superfície per a catalitzadors com el platí).

Un ús alternatiu de minerals d’alumini és l’obtenció d’hidròxid d’alumini (Al(OH)3) que, combinat amb l’àcid sulfúric dóna lloc a sulfat d’alumini [Al2(SO4)3•6H2O]. La producció anual de sulfat d’alumini és de l’ordre de milers de tones anuals, i vora la meitat es destina al tractament d’aigües; altres usos són el mordant en la confecció de tintes, additiu alimentari.

Per a les aplicacions estructurals, hom disposa d’un ventall d’aliatges d’alumini. A banda de la composició de l’aliatge, el tractament tèrmic durant el procés de fabricació determina les propietats de l’aliatge. Això suposa una variabilitat, agreujada pel fet que els aliatges d’alumini no presenten el límit de fatiga clar dels acers.

Entre les conseqüències ambientals de l’explotació de la bauxita per obtindre alumini primari hi ha la generació de llacs i fangs d’alta acidesa, com aquest llac vermell de Kashipur (Orissa, Índia). Iniciatives com Red Mud Project volen donar una sortida econòmica a aquests residus.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: