Химические свойства соединения алюминия. Свойства и применение алюминия

Алюминий обладает многими ценными свойствами:

• небольшой плотностью – около 2,7 г/см 3 ,
• высокой теплопроводностью и высокой электропроводностью 13,8 107 Ом/м,
• хорошей пластичностью и достаточной механической прочностью.

Алюминий образует сплавы со многими элементами . В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии Al жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке.

Сродство алюминия к кислороду очень большое . При его окислении выделяется большое количество тепла (~ 1670000Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при: нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Al соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной ~ 0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому Al стоек против коррозии. Поверхность Al хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии.

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины . В состав дюралюминия, кроме Al, входят 3,4-4% меди, 0,5% Mn и 0,5% Mg, допускается не более 0,8% Fe и 0,8% Si . Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали (плотность дюралюминия 2,85 г/см 3 ).

Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработки и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147-216 МПа до 353 – 412 МПа, а твердость по Бринелю с 490-588 до 880-980 МПа. При этом относительное удлинение дюралюминия почти не изменяется и остается достаточно высоким (18-24 %).

Силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.

Применение

Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др . Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энергетике и электронике. Многие части искусственных спутников нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов.

Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в черной металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др .). По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место после железа.

Алюми́ний – элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов, третьего периода, с атомным номером 13. Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий – лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белогоцвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- иэлектропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Современный метод получения, процесс Холла-Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых илиграфитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

Лабораторный способ получения алюминия: восстановлением металлическим калием безводного хлорида алюминия (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность – 2,7 г/см³, температура плавления у технического алюминия – 658 °C, у алюминия высокой чистоты – 660 °C, высокая пластичность: у технического – 35 %, у чистого – 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу. Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·106 См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 %, обладает высокой светоотражательной способностью.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием(силумин).

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре по данным различных исследователей оценивается от 7,45 до 8,14 %. В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений.

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al с ничтожными следами 26Al, наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при расщеплении ядер аргона 40Ar протонами космических лучей с высокими энергиями.

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°), O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Не допустить образования оксидной пленки можно, добавляя к алюминию такие металлы как галлий,индий или олово. При этом поверхность алюминия смачивают легкоплавкие эвтектики на основе этих металлов.

Легко реагирует с простыми веществами:

с кислородом, образуя оксид алюминия:

с галогенами (кроме фтора), образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:

с другими неметаллами реагирует при нагревании:

со фтором, образуя фторид алюминия:

с серой, образуя сульфид алюминия:

с азотом, образуя нитрид алюминия:

с углеродом, образуя карбид алюминия:

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Со сложными веществами:

с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

При нагревании растворяется в кислотах – окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

44.Соединения алюминия, их амфотерные свойства

Электронная конфигурация внешнего уровня алюминия … 3s23p1.

В возбужденном состоянии один из s-электронов переходит на свободную ячейку p-подуровня, такое состояние отвечает валентности III и степени окисления +3. Во внешнем электронном слое атома алюминия существуют свободные d-подуровни.

Важнейшие природные соединения – алюмосиликаты:

белая глина Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O, полевой шпат K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2, слюда K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2 ∙ H2O

Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют бокситы А12Оз ∙ nН2О, минералы корунд А12Оз и криолит А1Fз ∙3NaF.

Легкий, серебристо-белый, пластичный металл, хорошо проводит электрический ток и тепло.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид.

Оксид алюминия А12О3

Белое твердое вещество, нерастворимое в воде, температура плавления 20500С.

Природный А12О3 – минерал корунд. Прозрачные окрашенные кристаллы корунда – красный рубин – содержит примесь хрома – и синий сапфир – примесь титана и железа – драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п.

Химические свойства

Оксид алюминия проявляет амфотерные свойства

1. взаимодействие с кислотами

А12О3 +6HCl = 2AlCl3 + 3H2O

2. взаимодействие со щелочами

А12О3 + 2NaOH – 2NaAlO2 + H2O

Al2O3 + 2NaOH + 5H2O = 2Na

3. при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Мп, V, W и др.) в свободном состоянии

2А1 + WO3 = А12Оз + W

4. взаимодействие с солями, имеющими сильнощелочную среду, вследствие гидролиза

Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2

Гидроксид алюминия А1(ОН)3

А1(ОН)3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер.

Получают гидроксид алюминия реакцией обмена растворимых солей алюминия со щелочами

AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl

Al3+ + 3OH- = Al(OH)3↓

Данную реакцию можно использовать как качественную на ион Al3+

Химические свойства

1. взаимодействие с кислотами

Al(OH)3 +3HCl = 2AlCl3 + 3H2O

2. при взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + А1(ОН)з = Na

3. термическое разложение

2Al(OH)3 = Al2О3 + 3H2O

Соли алюминияподвергаются гидролизу по катиону, среда кислая (рН < 7)

Al3+ + Н+ОН- ↔ AlОН2+ + Н+

Al(NO3)3 + H2O↔ AlOH(NO3)2 + HNO3

Растворимые соли алюминия и слабых кислот подвергаются полному (необратимому гидролизу)

Al2S3+ 3H2O = 2Al(OH)3 +3H2S

Оксид алюминия Al2O3 – входит в состав некоторых антацидных средств (например, Almagel), используется при повышенной кислотности желудочного сока.

КAl(SO4)3 12H2О – алюмокалиевые квасцы применяются в медицине для лечения кожных заболеваний, как кровоостанавливающие средство. А также используют как дубильное вещество в кожевенной промышленности.

(CH3COO)3Al – Жидкость Бурова- 8% раствор ацетата алюминия оказывает вяжущее и противовоспалительное действие, в больших концентрациях обладает умеренными антисептическими свойствами. Применяется в разведенном виде для полоскания, примочек, при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек.

AlCl3 – применяется в качестве катализатора в органическом синтезе.

Al2(SO4)3 · 18 H20 – применяется при очистки воды.

Общие сведения и методы получения

Алюминий(А1) – серебристо-белый металл; при обычных условиях по­крыт тонкой пленкой оксидов. Название алюминий происходит от ла­тинского alumen (алюминиевые квасцы). Впервые алюминий в свобод­ном виде получил в 1825 г. датский ученый Эрстед, воздействуя амальгамой калия на хлорид алюминия. Двумя годами позже, в 1827 г., не­мецкий химик Ф. Вёлер также получил алюминий, заменив амальгаму калия металдическим калием. Первый промышленный способ производ­ства алюминия предложен в 1854 г. французским ученым Сенг-Клер-Девилем. В 1865 г. русский физико-химик Н. Н. Бекетов предложил способ получения алюминия путем вытеснения его магнием из рас­плавленного криолита. В 1886 г, Эру во Франции и Холл в США не­зависимо друг от друга предложили способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном кри­олите.

По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов. Его содержание в земной коре 8,8 % (по массе). Алю­миний входит в состав бокситов, нефелинов, алунитов, каолинов и дру­гих горных пород. Наиболее ценная алюминиевая руда – бокситы, в них содержится около 50 % оксида алюминия.

Производство алюминия состоит из трех технологических процессов:

1) получение из алюминиевых руд глинозема (АI 2 0 3);

2) получение первичного алюминия электролизом глинозема, раство­ренного в расплавленном криолите;

3) рафинирование первичного алюминия.

Глинозем получают из руд щелочным, кислотным, электротермиче­ским или комбинированным методами. Выбор метода зависит от состава и характера примесей, входящих в состав алюминиевой руды.

Металлический алюминий получают электролизом глинозема (АI 2 0 3), растворенного в криолите (Na 3 AIF 6) ; в состав электролита входят не­большие добавки других солей CaF 2 , MgF 2 , NaCl, которые повышают эффективность работы электролизера. В электролите содержится обычно 6-8 % глинозема; после того как в процессе электролиза коли-.чество глинозема уменьшается до 1,5-2 %. вводят очередную его пор­цию. Электролиз ведут при температуре около 950 °С и напряжении “4,0-4,5 В. Расход электроэнергии иа 1 т алюминия составляет,~ 15000 кВт “Ч. Катодом служит подина ванны, анодом – погруженные в распаав угольные обожженные блоки или набивные самообжигаю-тциеся электроды. Черновой алюминий содержит ряд примесей, поэтому его очищают продувкой хлором при 750-770°С в течение 10-15 мин, а затем разливают в чушки. Таким путем получают алюминий чистотой 99,7-99,5 %. При условии применения очень чистых исходных материалов удается получить первичный алюминий марок А85 и А8

Для получения алюминия высокой чистоты (А995-А95) первичный алюминий технической чистоты дополнительно электролитически рафи­нируют по трехслойному способу в расплавленных солях. Алюминий особой чистоты (А999) получают илн зонной плавкой, или дистилля­цией через субгалогениды электрически рафинированного алюминия.

Первичный алюминий поставляют в форме чушек, слитков, катанки, ленты и т. д.

Алюминий особой чистоты марки А999 контролируют по величине остаточного электрического сопротивления при температуре жидкою гелия, которое ие должно превышать 4*10 -12 Ом-м.

Допускается контроль чистоты алюминия марки А999 по величине затухания ультразвука, характеризуемого временем звучания, которое не должно превышать 500 мкс.

В алюминии марок А5Е и А7Е, предназначенных для изготовления проводов и других кабельных изделий, ограничивается содержание ти­тана, ванадия, марганца, хрома, так как они наиболее сильно снижают электропроводность.

Удельное электрическое сопротивление р при 20 °С проволоки, изго­товленной из алюминия марок А7Е и А5Е и отожженной при 350± ±20°С в течение 3 ч, должно быть не более 0,0277 мкОм-м для марки А7Е и 0,0280 мкОм-м для марки А5Е.

Алюминий технической чистоты для производства деформируемых полуфабрикатов поставляется в чушках с отношением примесей железа к кремнию не менее 1,2: 1,0, а в слитках -не менее 1,0: 1,0. Для про­изводства деформируемых сплавов системы алюминий-магний алюми­ний высокой и технической чистоты поставляют с содержанием натрия s£ 0,002 %.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 13, атомная масса 26,981 а. е. м., атомный объем 10,0*10 -6 м 3 /моль, атомный радиус 0,143 нм, ионный радиус АI 3 + 0,057 нм. Электронная конфигурация внешней оболочки атома алюминия 3s 2 3p. Электроотрнцательиость 1,5. Значения потенциалов ионизации 7(эВ): 5,984, 18,82, 28,44. Алюминий состоит из одного стабильного изотопа 27 AI. Установлено существова­ние нескольких радиоактивных изотопов алюминия с массовыми числа­ми 24, 25, 26, 28, 29 с периодами полураспада соответственно равными: 2,1; 7,6; 6,7; 138; 394 с.

Алюминий имеет г. ц. к. решетку с периодом (при 298 К) 0,404958 нм для алюминия чистотой 99,9998 % и 0,404947 нм для алюминия 99,99 %. Величина параметра решетки алюминия сильно зависит от температуры (данные для алюминия чистотой 99,99 %):

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции А1-Зе^=А1 3+ ф 0 = -1,66 В. Электрохимический эквивалент равен 0,09316 мг/Кл

Во всех устойчивых соединениях алюминий имеет степень окисления + 3, при высоких температурах он может проявлять степень окисления + 1 и значительно реже +2.

Алюминий имеет высокую химическую активность, в ряду напряже­ний он расположен среди наиболее электроотрицательных элементов.

Алюминий восстанавливает большинство металлических оксидов до металла, энергично реагирует с галогенами, а при высоких температу­рах – с серой, азотом и фосфором В щелочах алюминий растворяется, образуя алюминаты. При нагревании алюминий легко растворяется в

разведенных азотной и серной кислотах, но холодная азотная кислота его пассивирует.

Обладая большим сродством к кислороду, алюминий на воздухе быстро покрывается сплошной тонкой очень прочной и беспористой ок­сидной пленкой. Слой оксидов образуется в сухой атмосфере в течение нескольких минут, достигая при комнатной температуре толщины 5- 10 нм. Если этот слой повредить, то немедленно возникает новый (са­мозащита). Пленка имеет высокое электрическое сопротивление (на­пряжение пробоя превышает 500 В) и в отличие от органических изо­ляторов выдерживает высокие температуры.

Окисление алюминия ускоряется выше температуры его плавле­ния; мелко раздробленный алюминий при нагревании на воздухе сго­рает. Присутствие примесей магния, натрия, меди, кремния усиливает окисление алюминия.

При температурах выше 100 “С алюминий образует с хлором соеди­нение А1С1 3 . Прн атмосферном давлении хлорид алюминия возгоняется, не плавясь, при 183 °С. Металлический алюминий образует с хлористым алюминием при нагреве в вакууме выше 1000 °С субхлорид алюминия А1С1; при охлаждении до 800 °С субхлорид алюминия вновь распада­ется на алюминий и нормальный хлорид алюминия.

С фотором алюминий образует соединение, которое возгоняется, не плавясь, при температурах 1000-1100°С и атмосферном давлении.

При температуре выше 1000 °С алюминий образует с серой сульфид A1 2 S 3 , имеющий температуру плавления 1100″С. Сульфид алюминия полностью разлагается водой с образованием сероводорода.

Карбид алюминия АЦСз образуется при нагреве на воздухе до 2000°С; в вакууме -при 1000-1200°С. При нагреве выше 2000°С А1 4 С Э распадается с выделением графита.

С азотом алюминий начинает соединяться при 700 °С с образова­нием нитрида A1N; наиболее энергично взаимодействие алюминия с азо­том протекает при 830 °С. Нитрид алюминия легко гидролизуется: A1N+3H 2 0-WU(0H) 3 +NH 3 .

При нагревании алюминий реагирует с фосфором (500°С), образуя соединение А1Р. Фосфид алюминия очень гигроскопичен, поэтому его применяют в качестве осушающего вещества.

При взаимодействии алюминия с молекулярным водородом гидриды не образуются. Однако водород – единственный газ, заметно растворя­ющийся и в жидком, и в твердом алюминии.

Растворимость водорода в алюминии (см 3 /Ю0 г):

Вследствие резкого уменьшения растворимости водорода при перехо­де металла из жидкого состояния в твердое происходит выделение ею из алюминия, что приводит к пористости отливок и развитию дефектов (расслоений) при их последующей деформации. Присутствие в алюми­нии легирующих присадок сильно сказывается на растворимости в нем водорода, особенно в жидком состоянии. Установлено, что медь, крем-

иий, олово снижают растворимость водорода в алюминии, а марганец, хром, железо, церий и магний повышают.

Все металлы ограниченно растворяются в твердом алюминии; мак­симальной растворимостью в твердом состоянии обладают магний, медь, цинк, серебро, галлий, германий; ряд элементов (К, Na , Rb , Cs , In , TI , Pb , Bi) имеет ограниченную растворимость в жидком состоянии и прак­тически не растворяется в твердом состоянии.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью, что связа­но с его способностью легко пассивироваться. Наличие оксидной пленки на поверхности алюминия создает существенную разницу между ста­ционарным потенциалом алюминия в кислых и нейтральных средах и стандартным электродным потенциалом алюминия. Коррозионная стой­кость алюминия различных сортов определяется главным образом со­держанием железа; и меньшей степени влияет кремний при содержании до 0,3 %, так как в отсутствие железа ои находится в твердом раство­ре. Влияние железа зависит от рН среды. В кислой среде, где процесс идет с водородной деполяризацией, железо сильно снижает коррозион­ную стойкость алюминия; в нейтральной и щелочной средах содержание железа до 0,5 % практически не влияет на коррозионную стойкость.

Области применения

Благодаря хорошему сочетанию физических, механических и технологи­ческих свойств алюминий широко применяется в различных областях народного хозяйства.

Широко используются алюминиевые сплавы в строительстве для из­готовления ограждающих и несущих конструкций, строительства мосюв, силосных башен, бассейнов и т. д.

Свариваемые, коррозионностойкие алюминиевые сплавы (АД1, АМц, АМгЗ, АМг5; АМгб и др.) применяют в судостроении для изготовления корпусов судов и их надстроек, трубопроводов, различного судового оборудования. Применение алюминиевых сплавов позволяет значитель­но облегчить судно, что приводит к повышению его грузоподъемности или улучшению технических характеристик (повышение скорости).

Алюминиевые сплавы системы Al – Mg и Al – Zn – Mg применяют в железнодорожном и автомобильном транспорте для изготовления гру­зовых пассажирских вагонов, цистерн, кузовов автомашин, что связано с высокой удельной прочностью сплавов, позволяющей снизить массу, и, следовательно, уменьшить расход горючего, высокой коррозионной стойкостью и сопротивлением истиранию сыпучими грузами.

В нефтяной и химической промышленности алюминий и его сплавы иашли широкое применение в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей нефтепромыслового оборудования (буриль­ные трубы, буровые вышки), аппаратуры для переработки нефти и хи­мических процессов (конденсаторы, емкости, колонны). К достоинствам алюминия и его сплавов в этом случае относится образование продук­тов коррозии, не окрашивающих среду, не способных к ценообразова­нию, отсутствие воздействия ча жизнедеятельность микроорганизмов.

Высокая электропроводность алюминия позволяет использовать его для изготовления проводов, кабелей, электротехнических шин и т. д. Относительно низкое сечение захвата тепловых нейтронов и малая чув­ствительность структуры и свойств к радиационным воздействиям, хо­рошая коррозионная стойкость в средах-теплоносителях позволяют использовать алюминий и некоторые его сплавы в атомном реакторо-строении для изготовления защитных оболочек тепловыделяющих эле­ментов, трубопроводов и т. д. Наиболее часто используют технический алюминий в реакторах с водяным охлаждением при температурах до 130 “С. С середины 20-х годов началось широкое применение алюми­ния и его сплавов в авиастроении. Чистый алюминий применяют глав­ным образом в виде фольги для сотовых конструкций. Высокопрочные сплавы систем Al -Си- Mg и Al – Zn – Mg -Си используют для сило­вых элементов планера и крыльев самолетов. Ковочные и жаропрочные сплавы используют для изготовления шасси, лопастей воздушных вин­тов, шпангоутов, а также для различных деталей двигателей. Около 70 % материалов, применяемых в современных дозвуковых самолетах, приходится на алюминиевые сплавы.

Успешно применяют алюминиевые сплавы в военной технике для корпусов и баков горючего ракет, для брони бронетранспортеров и легких танков и т. д

В металлургии алюминий используют для раскисления стали, полу­чения некоторых металлов методом алюмотермии.

Особенно широко алюминии и его малолегированные сплавы при­меняют для изготовления предметов широкого потребления: посуда и домашняя утварь; бытовые электроприборы, мебель и спортивный ин­вентарь; тара ДЛя хранения и транспортировки пищевых продуктов. В последнее время большим спросом пользуется алюминиевая посуда с отделкой наружной поверхности цветным эмалированием и антипригарным покрытием рабочей поверхности. Для упаковочных материалов применяют алюминиевую фольгу, а использование алюминиевых кон­сервных банок позволяет уменьшить потребление дефицитного в на­стоящее время олова.

ЧТО ТАКОЕ АЛЮМИНИЙ

Лёгкий, прочный, стойкий к коррозии и функциональный – именно это сочетание качеств сделало алюминий главным конструкционным материалом нашего времени. Алюминий есть в домах, в которых мы живем, автомобилях, поездах и самолетах, на которых мы преодолеваем расстояния, в мобильных телефонах и компьютерах, на полках холодильников и в современных интерьерах. А ведь еще 200 лет назад об этом металле мало что было известно.

«То, что казалось несбыточным на протяжении веков, что вчера было лишь дерзновенной мечтой, сегодня становится реальной задачей, а завтра – свершением».

Сергей Павлович Королев
учёный, конструктор, основоположник практической космонавтики

Алюминий – серебристо-белый металл, 13-й элемент периодической таблицы Менделеева. Невероятно, но факт: алюминий – самый распространенный металл на Земле, на него приходится более 8% всей массы земной коры, и это третий по распространенности химический элемент на нашей планете после кислорода и кремния.

При этом алюминий не встречается в природе в чистом виде из-за своей высокой химической активности. Вот почему мы узнали о нем относительно недавно. Формально алюминий был получен лишь в 1824 году, и прошло еще полвека, прежде чем началось его промышленное производство.

Чаще всего в природе алюминий встречается в составе квасцов . Это минералы, объединяющие в себе две соли серной кислоты: одну на основе щелочного металла (лития, натрия, калия, рубидия или цезия), а другую – на основе металла третьей группы таблицы Менделеева, преимущественно алюминия.

Квасцы и сегодня применяют при очистке воды, в кулинарии, медицине, косметологии, в химической и других отраслях промышленности. Кстати, свое имя алюминий получил как раз благодаря квасцам, которые на латыни назывались alumen.

Корунд

Рубины, сапфиры, изумруды и аквамарин являются минералами алюминия.
Первые два относятся к корундам – это оксид алюминия (Al 2 O 3) в кристаллической форме. Он обладает природной прозрачностью, а по прочности уступает только алмазам. Пуленепробиваемые стекла, иллюминаторы в самолетах, экраны смартфонов производятся именно с применением сапфира.
А один из менее ценных минералов корунда – наждак используется как абразивный материал, в том числе для создания наждачной бумаги.

На сегодняшний день известно почти 300 различных соединений и минералов алюминия – от полевого шпата, являющегося основным породообразующим минералом на Земле, до рубина, сапфира или изумруда, уже не столь распространенных.

Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) – датский физик, почетный член Петербургской академии наук (1830). Родился в городе Рудкёрбинге в семье аптекаря. В 1797 году окончил Копенгагенский университет, в 1806 – стал профессором.

Но каким бы распространенным ни был алюминий, его открытие стало возможным только, когда в распоряжении ученых появился новый инструмент, позволяющий расщеплять сложные вещества на простые, – электрический ток .

И в 1824 году с помощью процесса электролиза датский физик Ханс Кристиан Эрстед получил алюминий. Он был загрязнен примесями калия и ртути, задействованных в химических реакциях, однако это был первый случай получения алюминия.

Используя электролиз, алюминий производят и в наши дни.

Сырьем для производства алюминия сегодня служит еще одна распространенная в природе алюминиевая руда – бокситы . Это глинистая горная порода, состоящая из разнообразных модификаций гидроксида алюминия с примесью оксидов железа, кремния, титана, серы, галлия, хрома, ванадия, карбонатных солей кальция, железа и магния – чуть ли не половины таблицы Менделеева. В среднем из 4-5 тонн бокситов производится 1 тонна алюминия.

Бокситы

Бокситы в 1821 году открыл геолог Пьер Бертье на юге Франции. Порода получила свое название в честь местности Ле-Бо (Les Baux), где была найдена. Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – в Гвинее, Австралии, Вьетнаме, Бразилии, Индии и на Ямайке.

Из бокситов получают глинозем . Это оксид алюминия Al 2 O 3 , который имеет форму белого порошка и из которого путем электролиза на алюминиевых заводах производят металл.

Производство алюминия требует огромного количества электроэнергии. Для производства одной тонны металла необходимо около 15 МВт*ч энергии – столько потребляет 100-квартирный дом в течение целого месяца.Поэтому разумнее всего строить алюминиевые заводы поблизости от мощных и возобновляемых источников энергии. Самое оптимальное решение – гидроэлектростанции , представляющие самый мощный из всех видов «зеленой энергетики».

Свойства алюминия

Алюминий имеет редкое сочетание ценных свойств. Это один из самых легких металлов в природе: он почти в три раза легче железа, но при этом прочен, чрезвычайно пластичен и не подвержен коррозии, так как его поверхность всегда покрыта тончайшей, но очень прочной оксидной пленкой. Он не магнитится, отлично проводит электрический ток и образует сплавы практически со всеми металлами.

Легкий

В три раза легче железа

Прочный

Сравним по прочности со сталью

Пластичный

Поддается всем видам механической обработки

Нет коррозии

Тонкая оксидная пленка защищает от коррозии

Алюминий легко обрабатывается давлением, причем как в горячем, так и в холодном состоянии. Он поддается прокатке, волочению, штамповке. Алюминий не горит, не требует специальной окраски и не токсичен в отличие от пластика.

Очень высока ковкость алюминия: из него можно изготовить листы толщиной всего 4 микрона и тончайшую проволоку. А сверхтонкая алюминиевая фольга втрое тоньше человеческого волоса. Кроме того, по сравнению с другими металлами и материалами он более экономичен.

Высокая способность к образованию соединений с различными химическими элементами породила множество сплавов алюминия. Даже незначительная доля примесей существенно меняет характеристики металла и открывает новые сферы для его применения. Например, сочетание алюминия с кремнием и магнием в повседневной жизни можно встретить буквально на дороге – в форме литых колесных дисков, двигателей, в элементах шасси и других частей современного автомобиля. А если добавить в алюминиевый сплав цинк, то, возможно, вы сейчас держите его в руках, ведь именно этот сплав используется при производстве корпусов мобильных телефонов и планшетов. Тем временем ученые продолжают изобретать новые и новые алюминиевые сплавы.
Запасы алюминия
Около 75% алюминия, выпущенного за все время существования отрасли, используется до сих пор.

В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.