Алюминий


Само название металла «алюминий» произошло от латинского слова «Аluminium». Химический символ рассматриваемого элемента является набором из двух первых букв названия - «Al», в периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева он находится в третьей группе, имеет атомный номер тринадцать и атомную массу 26,9815.

Давайте рассмотрим основные химические свойства элемента. Алюминий представляет собой легкий, мягкий металл бело-серебристого цвета. Он довольно быстро окисляется, обладает удельной плотностью 2,7 г/ см³ и температурой плавления равной 660 градусам по Цельсию.

Алюминий является самым распространенным в земной коре металлом и находится на третьем месте по распространенности среди всех атомов после таких веществ, как кислород и кремний. В природе рассматриваемый химический элемент представлен одним лишь стабильным нуклидом «27Al». Искусственным путем были получены различные радиоактивные изотопы алюминия, из которых самым долгоживущим является «26Al», период его полураспада составляет целых 720 тысяч лет.

Как уже было отмечено выше, алюминий является самым распространенным металлом в земной коре нашей планеты и занимает третье место среди всех известных химических элементов земной коры. Хотелось бы заметить, что на долю данного металла приходится около восьми процентов состава вообще всей земной коры.

В настоящее время промышленная добыча алюминия в основной своей части проводится методом переработки бокситной руды. На всем земном шаре каждый год добывается от восьмидесяти до девяноста миллионов тонн бакситной руды. Не многим меньше тридцати процентов от мирового объема добычи приходится на Австралию, а пятнадцать процентов разведанных мировых запасов бокситной руды приходится на Ямайку. При сохранении нынешнего уровня международного потребления и производства алюминия, существующих разведанных запасов металла будет вполне достаточно для удовлетворения потребностей человечества на несколько сотен лет.

Если рассмотреть все существующие на сегодняшний день металлы, можно заметить, что алюминий имеет наиболее разностороннее применение в самых разных отраслях  промышленности. Давайте рассмотрим подробно, в каких производствах наиболее часто используют алюминий как металл.

Довольно широко алюминий используется в машиностроительной отрасли. Всем известно, что из данного металла изготавливают самолеты, кроме того металл используют в производстве автомобилей, морских и речных судов, изготовлении деталей для других машин и оборудования.

В химической отрасли промышленности алюминий используется в качестве так называемого восстановителя. В строительной сфере данный металл широко применяется при изготовлении оконных рам, а также входных и межкомнатных дверей, элементов отделки, других элементов.

Алюминий используется и в пищевой отрасли промышленности в качестве вспомогательного материала при изготовлении упаковочных изделий. Кроме всего прочего алюминий широко используется при изготовлении товаров для быта, например, алюминиевые столовые приборы (ложки, вилки, кухонные ножи), или алюминиевая фольга, предназначенная для хранения продуктов питания и другие товары.

История


Само название металла «Алюминий» произошло от латинского «aluminium», которое в свою очередь произошло от латинского слова «alumen». Так в древности назвали квасцы, представляющие собой сульфат калия и алюминия, химическая формула которых имеет вид KAl(SO4)2·12H2O. Эти квасцы долгое время использовались в качестве вспомогательного средства для выделки и обработки кожи, а также в качестве вяжущего средства.

Алюминий обладает высокой химической активностью, именно поэтому для того, чтобы отрыть и выделить чистый алюминий понадобилось примерно около ста лет. Еще в конце восемнадцатого века, в 1754 году немецкий ученый-химик А. Маргграф сделал вывод о том, что из квасцов может быть получено твердое тугоплавкое вещество, другими словами оксид алюминия. Маргграф описывал это немного другими словами, оно говорил, что вполне реально получить из квасцов «землю» (в то время так и называли твердое тугоплавкое вещество). Немного позднее стало известно, что точь-в-точь такая же «земля» может быть получена и из самой обыкновенной глины, в результате чего эту «землю» начали называть глиноземом.  

Алюминий как металл люди сумели получить лишь в 1825 году. Первооткрывателем в данной сфере стал датский ученый-физик Х. К. Эрстед. Он обработал сплавом калия и ртути (в химии данная смесь называется амальгамой натрия) вещество AlCl3, т.е. хлорид алюминия. Такое вещество можно было получить из обыкновенного глинозема. По завершении эксперимента Эрстед просто осуществил отгонку ртути, после чего удалось выделить порошок алюминия, имеющий серый оттенок.

Более четверти века данный способ был единственно возможным в мире методом получения металлического алюминия, но чуть позже удалось его модернизировать. В 1854 году французский ученый-химик А. Э. Сент-Клер Девиль предложил собственный метод получения алюминия как металла. При выделении алюминия он использовал металлический натрий, из которого удавалось получать совершенно новый металл, так и появились первые в истории слитки настоящего металлического алюминия. В то время алюминий стоил очень дорого, данный металл считался драгоценным и из него изготавливали различные ювелирные украшения и дорогие аксессуары.

Промышленное получение алюминия началось еще позже, лишь в самом конце 19 века. В 1886 году французский ученый П. Эру и американский ученый Ч. Холл независимо друг от друга разработали и предложили промышленный метод производства алюминия как металла путем процесса электролиза расплава сложных химических смесей, включающих в себя фторид и оксид алюминия, а также другие вещества.

Но в конце девятнадцатого века электричество еще не использовалось настолько широко, чтобы позволить развернуться алюминиевой промышленности во весь размах, ведь процесс производства алюминия требует огромных затрат электроэнергии. Именно этот фактор стал причиной оттягивания широкого индустриального производства алюминия еще на несколько десятков лет. На промышленном уровне алюминий начали получать только в двадцатом веке.

На нашей родине Алюминий начали добывать немного позже, чем на Западе. Произошло это во времена сталинского режима и промышленного прогресса экономики Советского Союза. 14 мая 1932 года впервые в СССР был промышленным путем получен первый индустриальный алюминий. Произошло это знаменательное событие на Волховском алюминиевом комбинате, который был построен прямо возле Волховской гидроэлектростанции. С тех пор алюминий широко производится во многих странах мира и не менее широко используется в самых разных сферах жизни современного общества.


Нахождение в природе


Алюминий является одним из самых распространенных веществ на нашей планете. Среди всех известных на сегодняшний день металлов, находящихся в земной коре, он находится на первом месте, а среди всех химических элементов земной коры он занимает третье место, уступая лишь кислороду и кремнию. На долю алюминия приходится примерно 8,8 процентов от общей массы земной коры.

Алюминия на Земле в два раза больше чем железа, в триста пятьдесят раз больше чем вместе взятых меди, хрома, цинка, свинца и олова. Алюминий входит в состав огромнейшего количества самых разных минералов, основную часть из которых составляют алюмосиликаты и горные породы. Соединения алюминия как химического элемента содержат глины, базальты, а также граниты, полевые шпаты и другие природные образования.

При всем многообразии пород и минералов, в которых содержится алюминий, главным сырьем для промышленного уровня производства алюминия являются лишь бокситы, месторождения которых встречаются очень и очень редко. На территории Российской Федерации подобные месторождения можно найти только в Сибири и на Урале. Кроме того, промышленное значение имеют нефелины и алуниты.

Важнейшим на сегодня минералом алюминия является боксит, представляющий собой смесь основного оксида, химическая формула которого AlO(OH) с гидроксидом, химическая формула Al(OH)3. Самые крупные месторождения бокситов располагаются в таких странах, как Австралия (около 30% мировых запасов), Ямайка, Бразилия и Гвинея. Промышленная добыча бокситов ведется и в других странах мира.

Довольно богат алюминием алунит (так называемый квасцовый камень), химическая формула которого выглядит следующим образом (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH), а также нефелин химическая формула (Na,K)2O·Al2O3·2SiO2. Но известно еще более двухсот пятидесяти минералов, в составе которых присутствует алюминий. Большинство этих минералов составляют алюмосиликаты, из которых в большей степени и образована земная кора нашей планеты. При выветривании данных минералов образуется глина, в основе которой содержится минерал каолинит, химическая формула которого имеет вид Al2O3·2SiO2·2H2O. В глине обычно присутствуют примеси железа, которые придают ей буроватый цвет, но иногда встречается и чистая белая глина, которая называется каолин. Такая глина широко применяется при изготовлении различных изделий из фарфора, а также фаянсовых изделий.

Исключительно редко встречается очень твердый минерал корунд, уступающий по твердости лишь алмазу. Минерал представляет собой кристаллический оксид, имеет химическую формулу Al2O3, часто он бывает окрашен за счет примесей других элементов в различные цвета. Существует синяя разновидность данного минерала, которая получила свою окраску по причине наличия примесей железа и титана, это всем известный драгоценный камень сапфир. Корунд с красной примесью называют рубином, он получил такой цвет за счет примеси хрома. Различные примеси могут окрасить так называемый благородный минерал корунд и в другие цвета, среди которых зеленый, желтый, фиолетовый, оранжевый, а также другие самые разные цвета и оттенки.

Алюминий как микроэлемент может присутствовать в тканях жителей нашей планеты: растений и животных. В природе встречаются существа с организмами-концентраторами алюминия, они накапливают металл в некоторых своих органам. К таким организмам можно отнести плаунов и некоторых моллюсков.


Применение


Алюминий и его сплавы занимают второе место по применению, уступая лишь железу и его сплавам. Широкое применение алюминия в различных сферах во многом связано с его уникальными свойствами: малая плотность, коррозийная стойкость в воздухе, высокая электро- и теплопроводность, а также сравнительно высокая прочность. Алюминий легко поддается обработке: штамповка, ковка, прокатка и т.д.

Электропроводность алюминия довольно высока (65,5% электропроводности меди) высокая прочность, поэтому из чистого алюминия изготавливают проволоку и фольгу для упаковки. Но основную часть алюминия расходуют для изготовления сплавов. Сплавы алюминия имеют высокую плотность, хорошую коррозийную стойкость, тепло- и электропроводность, пластичность, жаропрочность. На поверхность таких сплавов можно легко нанести декоративные или защитные покрытия.

Разнообразие сплавов из алюминия обусловлено различными добавками, образующими с ним интерметаллические соединения или растворы. Основная часть алюминия используется при изготовлении легких сплавов: силумина, дуралюмина и др. Такой сплав после закалки становится около 7 раз прочнее чистого алюминия и легче железа в три раза. Его производят путем сплава алюминия с медью, магнием, марганцем, кремнием и железом.

Широко используются силумины, т.е. сплавы алюминия с кремнием. Также производятся жаропрочные и криогенные сплавы. Необыкновенная легкость и прочность сплавов из алюминия очень пригодилась при производстве летательных аппаратов. К примеру, из сплава алюминия с магнием и кремнием делают вертолетные винты. Алюминиевая бронза (11% алюминия) обладает высокой устойчивостью не только в морской воде, но и в соляной кислоте. В Советском Союзе с 26 по 57 гг. из такого сплава чеканили монеты достоинством от 1 до 5 копеек. В металлургии алюминий применяют как основу для сплавов, а также как легирующую добавку в сплавах на основе магния, железа, меди, никеля и т.д.

Алюминиевые сплавы широко применяются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении, автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Из сплава алюминия был изготовлен первый на Земле искусственный спутник. Циркалой – сплав алюминия циркония – широко применяется в ядерном ракетостроении. Алюминий применяют и при производстве взрывчатки. Литая смесь из тринитротолуола и алюминиевого порошка, т.е. алюмотол, является одним из самых мощных взрывчатых промышленных веществ. Зажигательные составы кроме алюминия содержат окислитель перхлорат, нитрат. Пиротехнический состав «Звездочки» также включает в себя алюминий. Термит, т.е. смесь алюминиевого порошка с оксидами других металлов, применяется для получения различных сплавов и металлов, в зажигательных боеприпасах, для сварки рельс.

Стоит отметить возможность окрашивания оксидной пленки алюминия на поверхности металла, которые получают электрохимическим способом. Такой алюминий называют анодированным. Анодированный алюминий напоминающий внешне золото и служит материалом для изготовления бижутерии.

Применяя изделия из алюминия в быту нужно понимать, что хранить в алюминиевой посуде или нагревать в ней можно только жидкости с нейтральной кислотностью, например воду. Если же в алюминиевой кастрюле сварить кислые щи, пища приобретет малоприятный металлический привкус. Поэтому использование посуды из алюминия не желательно.

Около четверти всего производимого в мире алюминия приходится на строительство, столько же на транспортное машиностроение, около 15% идет на изготовление упаковочных материалов, и десятая часть расходуется в радиоэлектронике.


Производство


Чарльз Мартин Холл еще в 1886 году открыл современный способ производства алюминия. В возрасте16-ти лет он услышал, как его учитель Ф.Ф.Джуэтт сказал, что человек, открывший дешевый способ производства алюминия станет не только безумно богатым, но и сделает огромную услугу всему человечеству. Джуэтт показал своим ученикам небольшой образец ербристого металла, после чего Чарлз Мартин Холл заявил, что найдет способ его получения.

На протяжении шести лет Холл работал с алюминием, перепробовав все способы, но безрезультатно. Наконец он решил воспользоваться электролизом. Электростанций в то далекое время еще не было, поэтому электрический ток получали из огромных угольно-цинковых батарей с серной и азотной кислотами. Холл устроил в своем сарае небольшую лабораторию. Его сестра Джулия всячески помогала брату, ей удалось сохранить все его записи, благодаря которым открытие можно проследить по дням.

Самым трудным в работе был подбор электролита, а также защита алюминия от окисления. Спустя полгода изнурительной работы наконец-таки удалось добыть несколько шариков металла. Под действием эмоций Холл немедленно прибежал к своему уже бывшему преподавателю и показал ему серебристые шарики со словами «Я получил его!». Этот случай произошел 23.02.1886г. Как бы это ни показалось странным, но француз Поль Эру через два месяца после этой даты взял патент на изобретение. На самом деле они не зависимо друг от друга практически одновременно открыли способ получения алюминия. Что интересно, года рождения и смерти этих ученых также совпадают.

Тот первый десяток шариков, которые удалось произвести Холлу, хранится в Питтсбурге в Американской Алюминиевой компании. Данный предмет считается национальной реликвией. В Питтсбургском колледже стоит памятник холлу, отлитый из алюминия.

21-летний ученый, как и предсказывал его учитель, получил всемирное признание, стал знаменитым и богатым человеком. Все у него было хорошо, только не в личном плане. Невеста Холла не могла смириться с тем, что ее жених все время проводит в лаборатории, и в последствии расторгнута помолвку, так и не выйдя замуж. После этого Холл вернулся в родной колледж, где работал вплоть до конца жизни. Говорили, что колледж для Холла был и матерью, и женой, и детьми. Чарльз Мартин Холл завещал родному колледжу большую половину своего наследства, а именно 5000000 долларов (в то время это была просто космическая сумма). Холл умер от лейкемии, когда ему был 51 год.

Метод, разработанный Холлом и Эру, позволил получать огромное количество алюминия при помощи электричества. Сравнительно недорогой метод довольно скоро вышел на промышленный уровень. Если сравнить, сколько алюминия было получено до и после открытия, все сразу станет ясно. С 1855 по 1890 год было произведено всего 200 тонн метала, тогда как с 1890 до 1900 по методу Чарльза Мартина Холла во всем мире получили уже 28000 тонн металла. К началу 30-х годов ХХ века мировое производство алюминия за год достигало цифры 300 тысяч тонн. На сегодняшний день каждый год производится около 15 миллионов тонн алюминия.

В специально предназначенных ваннах при температуре около 965 °С технический Al2O3 (раствор глинозема) подвергают электролизу в Na3AlF6, т.е. расплавленном криолите, который синтезируют частично или добывают в виде минерала. На дне ванны накапливается жидкий алюминий (катод), а на внутренних анодах, которые постепенно обгорают, выделяется кислород. Если напряжение будет низким и составит около 4,5 В, потребление тока будет равно примерно 250 тысячам А. Для получения 1 тонны алюминия требуется 1 сутки и 15 тысяч кВ/ч электричества. Для сравнения, трехподъездному девятиэтажному дому этой энергии хватило бы более чем на месяц. На производстве алюминия образуются летучие соединения, поэтому получение металла считается экологически опасным производством.


Физические свойства


С точки зрения общих физических свойств алюминий представляет собой типичный металл. Его кристаллическая решетка является кубической, гранецентрированной. Параметр металла а равен 0,40403 нм. Температура плавления алюминия в чистом виде составляет 660 градусов по Цельсию, температура кипения металла равна 2450 градусам по Цельсию, плотность вещества составляет 2,6989 грамм на метр кубический. У рассматриваемого металла температурный коэффициент линейного расширения равен примерно 2,5·10-5 К-1. Алюминий обладает стандартным электронным потенциалом, который можно представить как Al3+/Al–1,663В.

Исходя из массы металла, можно заявить, что алюминий является одним из самых легких металлических веществ на планете. Легче его только такие металлы, как магний и бериллий, а также щелочноземельные и щелочные металлы, за вычетом бария. Расплавить алюминий довольно просто, для этого необходимо нагреть металл до температуры 660 градусов по Цельсию. К примеру, тонкую алюминиевую проволоку можно расплавить на обыкновенной конфорке простой домашней газовой плиты. Но вот достичь температуры кипения намного сложнее, алюминий начинает закипать лишь при достижении 2452 градусов Цельсия.

По своим электропроводящим свойствам алюминий занимает четвертое место среди всех остальных металлов. Он уступает серебру, которое, к стати, находится на первом месте, а также уступает меди и золоту. Данный факт обуславливает широкое практическое применение металла, что во многом обусловлено его относительной дешевизной. В точно таком же порядке меняется и теплопроводность вышеописанных металлов. В способности алюминия быстро проводить тепло довольно легко убедиться на практике, для этого достаточно просто опустить в горячий чай или кофе алюминиевую ложку, при этом Вы сразу почувствуете, насколько быстро ложка нагрелась.

Еще одним редким, а во многом и уникальным свойством алюминия является его отражающая способность. Ровная отполированная блестящая поверхность металла отлично отражает световые лучи. Отражается от восьмидесяти до девяноста процентов света в видимой области спектра, точная цифра во многом зависит от длины самой волны. В области ультрафиолетового излучения алюминию вообще нет равных среди других металлов, здесь его отражающие способности просто уникальны. К примеру, серебро, именно в ультрафиолете обладает очень низкой отражательной способностью. А вот в ультракрасной области алюминий по своим отражающим способностям уступает серебру.

Чистый алюминий, лишенный всяческих примесей, является довольно мягким металлом. Хотелось бы отметить, что он примерно втрое мягче той же меди. Именно поэтому довольно толстые алюминиевые стержни или планки удивительно легко сгибаются без применения особых усилий. Но это лишь в чистом виде, в некоторых из десятков известных сплавов алюминия твердость металла возрастает в разы и даже в десятки раз.

Кроме всего прочего алюминий имеет очень низкую подверженность коррозийным воздействиям внешней среды.
Алюминий и его сплавы по способу получения можно разделить на три вида:
  • - деформируемые;
  • - подвергаемые обработке давлением;
  • - литейные, которые используются в виде фасонного литья.
Сплавы алюминия можно разделить и по применению термообработки:
  • - термически не упрочняемые;
  • - термически упрочняемые.

За вычетом вышеописанных классификаций сплавы алюминия можно разделить и по системам легирования.


Химические свойства


Алюминий – довольно активный металл. Антикоррозийные свойства алюминия обусловлены тем, что на воздухе он покрывается толстой оксидной пленкой Al2О3, препятствующей дальнейшему проникновению кислорода. Пленка также образуется, если металл поместить в концентрат азотной кислоты.

Степень окисления, характерная алюминию равна +3. Но алюминий способен образовывать и донорно-акцепторные связи за счет незаполненных 3d- и 3р-орбиталей. Именно поэтому такой ион, как Al3+ склонен к комплексообразованию, и образует анионные и катионные комплексы: AlF63-, AlCl4-, Al(OH)4-,Al(OH)63- и многие другие. Существуют и комплексы с органическими соединениями.

По своей химической активности алюминий находится сразу за магнием. Это может показаться странным, ведь изделия из алюминия не разрушаются ни на воздухе, ни в кипящей воде, в отличие от железа алюминий не ржавеет. Но все это обусловлено наличием защитной оксидной оболочки алюминия. Если на горелке начать нагревать тонкую до 1мм пластинку металла, он будет плавиться, но течь не станет, т.к. всегда находится в оксидной оболочке. Но если лишить алюминий его защитной «брони», чего можно достичь путем погружения в раствор из ртутных солей, он сразу начинает проявлять свою «слабость». Даже при комнатной температуре он энергично реагирует с водой, выделяя водород 2Al + 6H2O -> 2Al(OH)3 + 3H2. А, находясь на воздухе, алюминий, лишенный защитной пленки, просто превращается в порошок 2Al + 3O2 -> 2Al2O3. В раздробленном состоянии алюминий особенно активен, пыль металла моментально сгорает на огне. Если взять и смешать пыль алюминия с пероксидом натрия, а затем капнуть водяную смесь, алюминий легко вспыхнет и сгорит белым пламенем.

Благодаря своей плотной связи с кислородом, алюминий может буквально «отнимать» кислород у оксидов других металлов. Например, термитная смесь. При ее горении выделяется так много тепла, что при этом полученное железо начинает плавиться 8Al + 3Fe3O4 -> 4Al2O3 + 9Fe. Данным методом восстанавливаются до металлов CoO, Fe2O3, NiO, V2O5, MoO3 и ряд других оксидов. Однако при алюминотермии оксидов Cr2O3, Nb2O5, Ta2O5, SiO2, TiO2, ZrO2, B2O3 теплоты реакции не хватает для достижения температуры плавления продуктов реакции.

Алюминий может легко растворяться в минеральных кислотах, образуя соли. Концентрат азотной кислоты способствует утолщению пленки из оксида металла, после такой обработки алюминий перестает реагировать даже на воздействие соляной кислоты. При помощи анодирования на поверхности металла образуется толстая пленка, которую можно легко окрасить в различные цвета.

Реакция 3CuCl2 + 2Al -> 2AlCl3 + 3Cu проходит довольно легко, в результате образуется много тепла, все это обусловлено быстрым разрушением защитной пленки за счет хлорида меди. При сплавлении металла со щелочами, образуются так называемые безводные алюминаты: Al2O3 + 2NaOH -> 2NaAlO2 + H2O. Существует и полудрагоценный алюминат Mg(AlO2)2, это камень шпинель.

Алюминий вступает в бурную реакцию с галогенами. Если в 1 мл брома поместить тонкую проволоку из алюминия, она через какое-то время ярко загорится. Если смешать порошки алюминия и йода, реакцию можно инициировать каплей воды, после чего можно заметить яркое пламя и фиолетовый дым от йода. Галогены алюминия всегда имеют кислую реакцию AlCl3 + H2O -> Al(OH)Cl2 + HCl, что обусловлено гидролизом.

С азотом алюминий вступает в реакцию лишь при температуре 800°С, при этом образуется нитрид AlN, с фосфором при температуре 500° С, при этом образуется фосфид AlP. С серой реакция начинается при достижении 200°С, при этом образуется сульфид Al2S3. Бориды AlB2и AlB12 образуются при добавлении бора в расплавленный алюминий.