Alumínio

O alumínio é o metal mais abundante da crosta terrestre, mas está preso em óxidos que nem o fogo nem o carvão vegetal conseguem quebrar. Desde 1886 obtém-se refinando a bauxite em alumina, dissolvendo a alumina em criolite fundida e decompondo-a com uma forte corrente contínua.

O que é

O alumínio é um metal leve e prateado, com cerca de um terço da densidade do aço. Constitui perto de 8 % da massa da crosta terrestre, mais do que qualquer outro metal, e no entanto quase nunca aparece em estado nativo. Está ligado ao oxigénio nas argilas, nos feldspatos e na maior parte das rochas comuns, e essa ligação resiste ao fogo de carvão vegetal que liberta o ferro ou o cobre.

O seu minério é a bauxite, uma rocha avermelhada formada pela meteorização tropical. Uma refinaria transforma-a em alumina, um pó branco de óxido, e uma fábrica de eletrólise decompõe essa alumina com corrente na cuba Hall-Héroult da prancha. Continua a ser a única via industrial para produzir alumínio novo.

Como funciona

Do minério ao metal: duas a três toneladas de bauxite dão uma tonelada de alumina, e duas toneladas de alumina uma de alumínio.

Da bauxite à alumina. No processo Bayer, a bauxite moída é atacada sob pressão por soda cáustica quente, entre 140 e 280 °C conforme o minério. Os minerais de alumínio dissolvem-se; os óxidos de ferro e a areia depositam-se como um resíduo vermelho. Arrefecido e semeado com cristais de uma carga anterior, o licor deixa crescer hidróxido de alumínio, que é calcinado até cerca de 1100 °C e se torna alumina.

Da alumina ao metal. A alumina funde acima de 2000 °C, mas um banho de criolite fundida, um fluoreto de sódio e alumínio, com fluoreto de alumínio adicionado, dissolve-a por volta de 950–980 °C. A cuba é uma caixa de aço revestida de blocos de carbono, que formam o elétrodo negativo. Os ânodos de carbono mergulham no banho, suspensos por hastes presas a um pesado barramento.

A corrente contínua passa dos ânodos para o revestimento através do banho e decompõe a alumina dissolvida. O alumínio, mais denso do que o banho, junta-se líquido no fundo. O oxigénio vai para os ânodos e queima o seu carbono em dióxido de carbono, 0,4 a 0,5 kg de carbono por quilograma de metal, pelo que os ânodos gastos são substituídos à vez. Uma crosta de banho solidificado e alumina guarda o calor. Por ela junta-se alumina, e o metal é aspirado a intervalos.

A corrente também mantém o banho fundido. As cubas estão ligadas em série e cada uma leva bem mais de cem mil amperes a apenas quatro ou cinco volts. Cada átomo de alumínio exige três eletrões, por isso a cuba gasta cerca de 13 a 15 quilowatts-hora por quilograma, e menos de metade vai para a reação propriamente dita. A eletricidade é o maior custo, e as fábricas instalam-se onde ela é barata, junto às barragens do Canadá, da Noruega ou da Islândia ou perto de grandes centrais, com transformadores e retificadores para obter corrente contínua.

Ao ar, forma-se logo sobre o metal uma película de óxido com poucos nanómetros, que trava a corrosão e se refaz quando riscada. Alguns por cento de cobre, magnésio, silício ou zinco tornam-no resistente o bastante para a aviação. A reciclagem só tem de refundir sucata: 8,3 gigajoules por tonelada contra 186 do metal novo em 2019, uma poupança de cerca de 95 %.

Como se constrói

Não produza nem funda alumínio em casa. O banho liberta fumos fluorados tóxicos e trabalha perto de 1000 °C, e uma gota de água presa sob o metal líquido transforma-se de repente em vapor e projeta o metal; latas fundidas juntam os fumos de tintas e vernizes. Uma oficina pode separar o metal, trabalhá-lo a frio e mostrar a eletrólise com poucos volts.

O íman agarra-se à lata de aço e ignora a lata de alumínio.

Separar. Um íman atrai o aço, não o alumínio. Para o distinguir de outros metais não magnéticos, pese um pedaço e meça a água que desloca: o alumínio dá cerca de 2,7 gramas por centímetro cúbico, o cobre e o latão mais de 8. Passe por água os restos de comida e ponha à parte as peças pintadas ou plastificadas.

Dobrar e furar. As ligas macias dobram-se a frio num torno entre calços de madeira dura; as duras racham numa dobra viva, por isso curvam-se em torno de um bloco arredondado. Para furar, marque com um punção, prenda a chapa sobre madeira e use uma broca afiada com uma gota de óleo: uma chapa segura à mão pode prender e rodar.

Unir a frio. O alumínio solda-se mal: o seu óxido funde acima de 2000 °C, o metal a 660 °C, e não fica rubro antes de ceder. Une-se com rebites, parafusos ou cola estrutural, de preferência com fixações de alumínio. Com humidade, e sobretudo junto ao mar, o alumínio corrói-se em contacto com cobre, aço e até aço inoxidável; separe-os com anilhas de plástico ou uma demão de tinta.

Mostrar o princípio. Ponha duas minas de lápis num copo de água com uma colher de chá de carbonato de sódio (cristais de soda) e ligue-as a uma pilha de 9 volts. Na mina negativa borbulha hidrogénio e na positiva oxigénio: a corrente decompõe a água como a cuba decompõe a alumina.

Segurança. Nada de metal fundido nem de eletrólise de sais fundidos fora de uma fábrica. A chapa cortada fere: use luvas para a manusear e rebarbe cada corte, mas tire-as antes de usar o berbequim, e proteja os olhos. O carbonato de sódio irrita a pele e os olhos, por isso use óculos. Nunca use sal de cozinha na demonstração, porque liberta cloro; mantenha o hidrogénio longe de chamas e use só uma pilha pequena, nunca a rede elétrica.

História e evolução

Em 1825, Hans Christian Ørsted obteve a partir do cloreto de alumínio uma amostra minúscula e impura. Friedrich Wöhler preparou um pó em 1827 e pequenas esferas em 1845.

Talheres de alumínio do Segundo Império, quando o metal valia tanto como a prata.

Em França, Henri Sainte-Claire Deville reduziu o cloreto com sódio e apresentou um lingote na Exposição Universal de Paris de 1855. Napoleão III apoiou-o e, segundo se conta, reservava talheres de alumínio para os convidados mais importantes. Em dezembro de 1884, uma pirâmide de alumínio de 100 onças coroou o Monumento a Washington, a 1,10 dólares a onça, mais ou menos o preço da prata.

Em 1886, dois homens de 22 anos chegaram à mesma solução. A 23 de fevereiro, em Oberlin, no Ohio, Charles Martin Hall, com pilhas feitas em casa, obteve glóbulos de alumínio a partir de alumina dissolvida em criolite. Paul Héroult, que gastara a herança num dínamo, registou uma patente francesa a 23 de abril. A empresa de Hall em Pittsburgh, a futura Alcoa, começou a produzir em 1888; o processo de Héroult arrancou em Neuhausen, junto às quedas do Reno. Karl Josef Bayer patenteou em 1887 a precipitação da alumina com cristais de semente e em 1892 o ataque da bauxite sob pressão; juntos tornaram barata a alumina pura.

Uma libra custava cerca de 4,86 dólares em 1888 e menos de um dólar no início da década de 1890. O motor dos irmãos Wright, em 1903, tinha o cárter em alumínio; ligas tratadas termicamente como o duralumínio, vendidas a partir de cerca de 1909, passaram para os dirigíveis e depois para os aviões. Em 2025, as fábricas de eletrólise produziram cerca de 74 milhões de toneladas de metal novo.