Алюминий

13 МагнийАлюминийКремний
B

Al

Ga
Внешний вид простого вещества
Алюминий
Мягкий, лёгкий металл серебристо-белого цвета.
Свойства атома
Имя, символ, номер

Алюминий/ Aluminium (Al), 13

Группа, период, блок

13, 3

,
Атомная масса
(молярная масса)

26, 981539 а. е. м. (г/моль

)
Электронная конфигурация

[Ne] 3s2 3p1

Электроны по оболочкам

2, 8, 3

Радиус атома

143 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

118 пм

Радиус Ван-дер-Ваальса

140 пм

Радиус иона

51 (+3e) пм

Электроотрицательность

1, 61 (шкала Полинга

)
Электродный потенциал

-1, 66 в

Степени окисления

3

Энергия ионизации

1-я: 577, 2 (5, 98) кДж/моль (эВ)
2-я: 577, 2 (5, 98) кДж/моль (эВ

)
Термодинамические свойства простого вещества
Термодинамическая фаза

Твёрдое

Плотность (при н. у.)

2, 6989 г/см³

Температура плавления

660 °C, 933, 5 K

Температура кипения

2518, 82 °C, 2792 K

Теплота плавления

10, 75 кДж/моль

Теплота испарения

284, 1 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

24, 35[1] Дж/(K·моль

)
Молярный объём

10, 0 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая гранецентрированая

Параметры решётки

4, 050 Å

Температура Дебая

394 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 237 Вт/(м·К

)
Скорость звука

5200 м/с

Кодовый символ указывающий что алюминий может быть вторично переработан
13
Алюминий
Al
26, 982
3s23p1

Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (латAluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния

).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия

.

Содержание

История

Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от латaluminis — квасцы

.

Получение

Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке

.

Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.[2]

В лабораторных условиях

Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году. AlCl3+3K → 3KCl + Al (реакция протекает при нагревании

)

Физические свойства

Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99, 9998 %, размер видимого сектора около 55×37 мм

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

).

Нахождение в природе

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al со следами 26Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей

.

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7, 45 до 8, 14 % от массы земной коры[3]

.

В природе алюминий в связи с высокой химической активностью встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из них

:

Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях возможно образование самородного алюминия[4]

.

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, Например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в поверхностных водных объектах России колеблются от 0, 001 до 10 мг/л, в морской воде 0, 01 мг/л[5]

.

Химические свойства

Гидроксид алюминия

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 индустрией. 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

.

Легко реагирует с простыми веществами

:

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются

:
Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4­

Со сложными веществами

:
  • с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):
    2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H
  • со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):
    2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H
    2(NaOH•H2O) + 2Al = 2NaAlO2 + 3H2
  • Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:
    2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H
    2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2
  • При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:
    8Al + 15H2SO4(конц) = 4Al2(SO4)3 + 3H2S + 12H2O
    Al + 6HNO3(конц) = Al(NO3)3 + 3NO + 3H2O
  • восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):
    8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe
    2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

Производство

производство алюминия

Легенда из «Historia naturalis» гласит, что однажды к римскому императору Тиберию (42 год до н. э. — 37 год н. э.) пришёл ювелир с металлической, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной якобы из глинозёма — Al2O3. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опасаясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал на всякий случай отрубить ювелиру голову. Данная легенда сомнительна, так как самородный алюминий в природе не встречается в силу своей высокой активности и во времена Римской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюминий из глинозёма

.

Лишь почти через 2000 лет после Тиберия, в 1825 году, датский физик Ганс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида алюминия

.

До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился

.

Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль (его исследования финансировал Наполеон III, рассчитывая, что алюминий пригодится его армии[7][8]) изобрёл первый способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl3. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6—8 кг. За 36 лет применения, с 1855 по 1890 год, способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 году он же получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия

.

В 1885 году был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме, работающий по технологии, предложенной Николаем Бекетовым. Технология Бекетова мало чем отличалась от способа Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом (Na3AlF6) и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890 год

.

Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции (1886 год) и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с улучшением электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские учёные К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др

.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове. Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47, 7 тыс.тонн алюминия, ещё 2, 2 тыс.тонн импортировалось

.

Вторая мировая война значительно стимулировала производство алюминия. Так, в 1939 году общемировое его производство, без учёта СССР, составляло 620 тыс. т, но уже к 1943 году выросло до 1, 9 млн т

.

К 1956 году в мире производилось 3, 4 млн т первичного алюминия, в 1965 году — 5, 4 млн т, в 1980 году — 16, 1 млн т, в 1990 году — 18 млн т

.

В 2007 году в мире было произведено 38 млн т первичного алюминия, а в 2008 — 39, 7 млн т. Лидерами производства являлись

:
  1. Flag of the People's Republic of China.svg КНР (в 2007 году произвёл 12, 60 млн т, а в 2008 — 13, 50 млн т)
  2. Flag of Russia.svg Россия (3, 96/4, 20)
  3. Flag of Canada.svg Канада (3, 09/3, 10)
  4. Flag of the United States.svg США (2, 55/2, 64)
  5. Flag of Australia.svg Австралия (1, 96/1, 96)
  6. Flag of Brazil.svg Бразилия (1, 66/1, 66)
  7. Flag of India.svg Индия (1, 22/1, 30)
  8. Flag of Norway.svg Норвегия (1, 30/1, 10)
  9. Flag of the United Arab Emirates.svg ОАЭ (0, 89/0, 92)
  10. Flag of Bahrain.svg Бахрейн (0, 87/0, 87)
  11. Flag of South Africa.svg ЮАР (0, 90/0, 85)
  12. Flag of Iceland.svg Исландия (0, 40/0, 79)
  13. Flag of Germany.svg Германия (0, 55/0, 59)
  14. Flag of Venezuela (state).svg Венесуэла (0, 61/0, 55)
  15. Flag of Mozambique.svg Мозамбик (0, 56/0, 55)
  16. Flag of Tajikistan.svg Таджикистан (0, 42/0, 42)[9]

В России монополистом по производству алюминия является компания «Российский алюминий», на которую приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма.[10]

Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44, 3 млн т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов

.

Применение

Кусок алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки

.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий

).

Электропроводность алюминия всего в 1, 7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле[11] за килограмм, но, за счёт в 3, 3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку

.

В качестве восстановителя

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе. Нумерация серий сплавов в данной статье приведена для США (стандарт маркировки компании Alcoa

)
Алюминиевый прокат
  • Алюминиево-магниевые Al-Mg (серия 5ххх). Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.

В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая система соединения Al3Mg2 c твердым раствором на основе алюминия. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %

.

Рост содержания Mg в сплаве существенно увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести — на 20 МПа. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30…35 %

.

Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в нагартованном состоянии структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава

.

Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость

.
  • Алюминиево-марганцевые Al-Mn (серия 3ххх). Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Основными примесями в сплавах системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном

.

Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах

.
  • Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg) (серия 2ххх). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток — низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

В качестве легирующих добавок могут встречаться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает последний: легирование магнием заметно повышает предел прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии

.

Нагартовка этих сплавов после закалки ускоряет искусственное старение, а также повышает прочность и сопротивление коррозии под напряжением

.
  • Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu) (серия 7ххх). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы — сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17, 4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

Однако существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов под напряжением можно легированием медью

.

Нельзя не отметить открытой в 60-е годы закономерности: присутствие лития в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития уменьшает удельный вес сплава и существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li

.
  • Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
  • Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
  • Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1, 2 кельвина.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al

).

Ювелирные изделия

Алюминиевое украшение для японских причёсок

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии

.

В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя серебро

.

Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия

.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173

.

Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее

:

Триэтилалюминий (обычно, совместно с триэтилбором) используется также для химического зажигания (то есть, как пусковое горючее) в ракетных двигателях, так как самовоспламеняется в газообразном кислороде

.
Окислитель Удельная тяга
(Р1, сек)
Температура
сгорания, °С
Плотность
топлива, г/см³
Прирост скорости,
ΔVид, 25, м/с
Весовое содерж.
горючего,  %
Фтор 348, 4 5009 1, 504 5328 25
Тетрафторгидразин 327, 4 4758 1, 193 4434 19
ClF3 287, 7 4402 1, 764 4762 20
ClF5 303, 7 4604 1, 691 4922 20
Перхлорилфторид 293, 7 3788 1, 589 4617 47
Фторид кислорода 326, 5 4067 1, 511 5004 38, 5
Кислород 310, 8 4028 1, 312 4428 56
Перекись водорода 318, 4 3561 1, 466 4806 52
N2O4 300, 5 3906 1, 467 4537 47
Азотная кислота 301, 3 3720 1, 496 4595 49

Алюминий в мировой культуре

Поэт Андрей Вознесенский написал в 1959 году стихотворение «Осень»[12], в котором использовал алюминий в качестве художественного образа

:

…А за окошком в юном инее
лежат поля из алюминия…

Виктор Цой написал песню «Алюминиевые огурцы» с припевом

:

Я сажаю алюминиевые огурцы
На брезентовом поле

У ленинградской рок-группы «Народное ополчение» в альбоме «Брежнев жив» 1989 года есть песня «Алюминиевый дом»

.

Важную роль алюминий играет в историко-мистической трилогии Андрея Валентинова и Олди «Алюмен»

.

В произведениях эпохи знакомства человечества с алюминием

Токсичность

Отличается незначительным токсическим действием, но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела

):

В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек

.

Норматив содержания алюминия в воде хозяйственно-питьевого использования составляет 0, 2 мг/л. При этом данная ПДК может быть увеличена до 0, 5 мг/л главным государственным санитарным врачом по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения

.

По некоторым биологическим исследованиям поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера[13][14], но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался[15][16][17]

.

См. также

Примечания

  1. Химическая энциклопедия. В 5-ти т/ Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 116. — 623 с. — 100 000 экз.
  2. Краткая химическая энциклопедия. Т. 1 (А—Е). — М.: Советская энциклопедия. 1961
  3. Н. В. Короновский, А. Ф. Якушова. Основы геологии
  4. Олейников Б. В. и др. Алюминий — новый минерал класса самородных элементов//Записки ВМО. — 1984, ч. CXIII, вып. 2, с. 210—215. [1]
  5. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  6. Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Реакции неорганических веществ: справочник/ Под ред. Р. А. Лидина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Дрофа, 2007. — С. 16. — 637 с. — ISBN 978-5-358-01303-2
  7. Энциклопедия: драгоценности, ювелирные изделия, ювелирные камни. Драгоценные металлы. Драгоценный алюминий
  8. «Серебро» из глины
  9. MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2009
  10. Производство первичного алюминия в мире и в России
  11. Kitco — Base Metals — Industrial metals — Copper, Aluminum, Nickel, Zinc, Lead — Charts, Prices, Graphs, Quotes, Cu, Ni, Zn, Al, Pb
  12. А. Вознесенский. Осень
  13. Shcherbatykh I, Carpenter DO (May 2007). The role of metals in the etiology of Alzheimer’s disease// J. Alzheimers Dis. 11 (2): 191—205.
  14. Rondeau V, Commenges D, Jacqmin-Gadda H, Dartigues JF (July 2000). Relation between aluminum concentrations in drinking water and Alzheimer’s disease: an 8-year follow-up study// Am. J. Epidemiol. 152 (1): 59-66
  15. Rondeau V (2002). A review of epidemiologic studies on aluminum and silica in relation to Alzheimer’s disease and associated disorders// Rev Environ Health 17 (2): 107-21.
  16. Martyn CN, Coggon DN, Inskip H, Lacey RF, Young WF (May 1997). Aluminum concentrations in drinking water and risk of Alzheimer’s disease// Epidemiology 8 (3): 281-6.
  17. Graves AB, Rosner D, Echeverria D, Mortimer JA, Larson EB (September 1998). Occupational exposures to solvents and aluminium and estimated risk of Alzheimer’s disease// Occup Environ Med 55 (9): 627-33.

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.