Алюминий – металл, содержание которого в природе самое большое среди всех известных. Позднее начало его применения вызвано тем, что, поскольку он обладает высокой химической активностью, то находится в земной коре только в составе различных химических соединений. Восстановление чистого металла сопряжено с рядом трудностей, преодолеть которые стало возможным только с развитием технологий добычи металлов.
Чистый алюминий – мягкий ковкий металл серебристо-белого цвета. Это один из легчайших металлов, который, к тому же, хорошо поддается разнообразной механической обработке, штамповке, прокатке, литью. На открытом воздухе практически моментально покрывается тонкой и прочной пленкой окисла, которая противодействует дальнейшему окислению.
Механические свойства алюминия, такие как мягкость, податливость штамповке, легкость в обработке, послужили широкому распространению во многих отраслях промышленности. Особенно часто алюминия используется в составе сплавов с другими металлами.
Физические и химические свойства сплавов алюминия послужили поводом к широкому использованию их в качестве конструкционных материалов, снижающих общий вес конструкции без ухудшения прочностных качеств.
Физические свойства
Алюминий не имеет каких-либо уникальных физических свойств, но их сочетание делает металл одним из самых широко востребованных.
Твердость чистого алюминия по шкале Мооса равняется трем, что значительно ниже, чем у большинства металлов. Данный факт является практически единственным препятствием для использования чистого металла.
Если внимательно рассмотреть таблицу физических свойств алюминия, то можно выделить такие качества, как:
- Малую плотность (2.7 г/см 3);
- Высокую пластичность;
- Низкое удельное электрическое сопротивление (0,027 Ом·мм 2 /м);
- Высокую теплопроводность (203.5 Вт/(м·К));
- Высокую светоотражательная способность;
- Низкую температуру плавления (660°С).
Такие физические свойства алюминия, как высокая пластичность, низкая температура плавления, отличные литейные качества, позволяют использовать данный металл в чистом виде и в составе сплавов на его основе для производства изделий любой самой сложной конфигурации.
Вместе с этим, это один из немногих металлов, хрупкость которого не возрастает при охлаждении до сверхнизких температур. Данное свойство определило одну из областей применения в конструктивных элементах криогенной техники и аппаратуры.
Существенно более высокую прочность, сравнимую с прочностью некоторых сортов стали, имеют сплавы на основе алюминия. Наибольшее распространение получили сплавы с добавлением магния, меди и марганца – дюралюминиевые сплавы и с добавлением кремния – силумины. Первая группа отличается высокой прочностью, а последняя одними из самых лучших литейных качеств.
Невысокая температура плавления снижает затраты на производство и себестоимость технологических процессов при производстве конструкционных материалов на основе алюминия и его сплавов.
Для изготовления зеркал используется такое качество, как высокий коэффициент отражения, сравнимый с показателем серебра, легкость и технологичность вакуумного напыления алюминиевых пленок на различные несущие поверхности (пластики, металл, стекло).
При плавке алюминия и выполнения литья особое внимание обращается на способность расплава поглощать водород. Не оказывая действий на химическом уровне, водород способствует уменьшению плотности и прочности за счет образования микроскопических пор при застывании расплава.
Благодаря низкой плотности и малому электрическому сопротивлению (ненамного выше меди), провода из чистого алюминия находят преимущественное применение при передаче электроэнергии в линиях электропередач, всего диапазона токов и напряжений в электротехнике, как альтернатива медным силовым и обмоточным проводам. Сопротивление меди несколько меньше, поэтому провода из алюминия необходимо использовать большего сечения, но итоговая масса изделия и его себестоимость оказываются в несколько раз меньше. Ограничением служит только несколько меньшая прочность алюминия и высокая сопротивляемость пайке из-за пленки окислов на поверхности. Большую роль играет наличие сильного электрохимического потенциала при контакте с таким металлом, как медь. В результате, в месте механического контакта меди и алюминия образуется прочная пленка окисла, имеющего высокое электрическое сопротивление. Это явление приводит к нагреву места соединения вплоть до расплавления проводников. Существуют жесткие ограничения и рекомендации по применению алюминия в электротехнике.
Высокая пластичность позволяет изготавливать тонкую фольгу, которая используется в производстве конденсаторов высокой емкости.
Легкость алюминия и его сплавов стали основополагающими при использовании в авиакосмической отрасли при изготовлении большинства элементов конструкции летательных аппаратов: от несущих конструкций, до элементов обшивки, корпусов приборов и оборудования.
Химические свойства
Являясь довольно химически активным металлом, алюминий активно сопротивляется коррозии. Это происходит благодаря образованию на его внешней поверхности очень прочной оксидной пленки под действием кислорода.
Прочная пленка оксида хорошо защищает поверхность даже от таких сильных кислот, как азотная и серная. Это качество нашло распространение в химии и промышленности для транспортировки концентрированной азотной кислоты.
Разрушить пленку можно сильно разбавленной азотной кислотой, щелочами при нагреве или при контакте с ртутью, когда на поверхности образуется амальгама. В перечисленных случаях оксидная пленка не является защитным фактором и алюминий активно взаимодействует с кислотами, щелочами и окислителями. Оксидная пленка также легко разрушается в присутствии галогенов (хлор, бром). Таким образом, соляная кислота HCl, хорошо взаимодействует с алюминием при любых условиях.
Химические свойства алюминия зависят от чистоты металла. Использование состава легирующих присадок некоторых металлов, в частности марганца, позволяет увеличить прочность защитной пленки, повысив, таким образом, коррозионную устойчивость алюминия. Некоторые металлы, к примеру, никель и железо, способствуют снижению коррозионную стойкость, но повышают жароустойчивость сплавов.
Оксидная пленка на поверхности алюминиевых изделий играет отрицательную роль при проведении сварочных работ. Мгновенное окисление ванны расплавленного металла при сварке не позволяет сформировать сварочный шов, поскольку окись алюминия имеет очень высокую температуру плавления. Для сварки алюминия используют специальные сварочные аппараты с неплавящимся электродом (вольфрам). Сам процесс ведется в среде инертного газа – аргона. При отсутствии процесса окисления сварочный шов получается прочным, монолитным. Некоторые легирующие добавки в сплавы дополнительно улучшают сварочные свойства алюминия.
Чистый алюминий практически не образует ядовитых соединений, поэтому активно используется в пищевой промышленности при производстве кухонной посуды, упаковки пищевых продуктов, тары для напитков. Оказывать негативное действие могут лишь некоторые неорганические соединения. Исследованиями также установлено, что алюминий не используется в метаболизме живых существ, его роль в жизнедеятельности ничтожна.
Впервые алюминий был получен лишь в начале XIX века. Cделал это физик Ганс Эрстед. Свой эксперимент он проводил с амальгамой калия, хлоридом алюминия и .
Кстати, название этого серебристого материала произошло от латинского слова «квасцы», потому что именно из них добывается этот элемент.
КвасцыКвасцы – это природные минералы на основе металлов, которые объединяют в своем составе соли серной кислоты.
Раньше считался драгоценным металлом и стоил на порядок дороже, чем золото. Объяснялось это тем, что металл было довольно сложно отделить от примесей. Так что позволить себе украшения из алюминия могли только богатые и влиятельные люди.
Японское украшение из алюминия
Но в 1886 году Чарльз Холл придумал метод по добыче алюминия в промышленном масштабе, что резко удешевило этот металл и позволило применять его в металлургическом производстве. Промышленный метод заключался в электролизе расплава криолита, в котором растворен оксид алюминия.
Алюминий - очень востребованный металл, ведь именно из него изготавливаются многие вещи, которыми человек пользуется в быту.
Применение алюминия
Благодаря ковкости и легкости, а также защищенности от коррозии, алюминий является ценным металлом в современной промышленности. Из алюминия изготавливают не только кухонную посуду - он широко используется в авто- и авиастроительстве.
Также алюминий является одним из самых недорогих и экономичных материалов, так как его можно использовать бесконечно, переплавляя ненужные алюминиевые предметы, например, банки.
Алюминиевые банки
Металлический алюминий безопасен, но его соединения могут оказывать токсическое действие на человека и животных (особенно хлорид, ацетат и сульфат алюминия).
Физические свойства алюминия
Алюминий - достаточно легкий металл серебристого цвета, который может образовывать сплавы с большинством металлов, особенно с медью, и кремнием. Также он весьма пластичен, его без труда можно превратить в тонкую пластинку или же фольгу. Температура плавления алюминия = 660 °C, а температура кипения - 2470 °C.
Химические свойства алюминия
При комнатной температуре металл покрывается прочной пленкой оксида алюминия Al₂O₃, которая защищает его от коррозии.
С окислителями алюминий практически не реагирует из-за защищающей его оксидной пленки. Однако ее можно легко разрушить, чтобы металл проявил активные восстановительные свойства. Разрушить оксидную пленку алюминия можно раствором или расплавом щелочей, кислотами или же с помощью хлорида ртути.
Благодаря восстановительным свойствам алюминий нашел применение в промышленности - для получения других металлов. Этот процесс называется алюмотермией. Такая особенность алюминия заключается во взаимодействии с оксидами других металлов.
Алюмотермическая реакция с участием оксида железа (III)
Например, рассмотрим реакцию с оксидом хрома:
Cr₂O₃ + Al = Al₂O₃ + Cr.
Алюминий хорошо вступает в реакцию с простыми веществами. Например, с галогенами (за исключением фтора) алюминий может образовать иодид, хлорид, или бромид алюминия:
2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃
С другими неметаллами, такими как фтор, сера, азот, углерод и т.д. алюминий может реагировать только при нагревании.
Также серебристый металл вступает в реакцию и со сложными химическими веществами. Например, с щелочами он образует алюминаты, то есть комплексные соединения, которые активно используются в бумажной и текстильной промышленности. Причем в реакцию вступает как гидроксид алюминия
Al(ОН)₃ + NaOH = Na),
так и металлический алюминий или же оксид алюминия:
2Al + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na + ЗН₂.
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na
С агрессивными кислотами (например, с серной и соляной) алюминий реагирует довольно спокойно, без воспламенения.
Если опустить кусочек металла в соляную кислоту, то пойдет медленная реакция - сначала будет растворяться оксидная пленка - но затем она ускорится. Алюминий растворяется в соляной кислоте с выделением ртути на протяжении двух минут, а затем хорошо его промыть. В результате получится амальгама, сплав ртути и алюминия:
3HgCI₂ + 2Al = 2AlCI₃ + 3Hg
Причем она не удерживается на поверхности металла. Теперь, опустив очищенный металл в воду, можно наблюдать медленную реакцию, которая сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида алюминия:
2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂.
Каждый химический элемент можно рассмотреть с точки зрения трех наук: физики, химии и биологии. И в этой статье мы постараемся как можно точнее дать характеристику алюминию. Это химический элемент, находящийся в третьей группе и третьем периоде, согласно таблице Менделеева. Алюминий - металл, который обладает средней химической активностью. Также в его соединениях можно наблюдать амфотерные свойства. Атомная масса алюминия составляет двадцать шесть грамм на моль.
Физическая характеристика алюминия
При нормальных условиях он представляет собой твердое вещество. Формула алюминия очень проста. Он состоит из атомов (не объединятся в молекулы), которые выстроены с помощью кристаллической решетки в сплошное вещество. Цвет алюминия - серебристо-белый. Кроме того, он обладает металлическим блеском, как и все другие вещества данной группы. Цвет алюминия, используемого в промышленности, может быть различным в связи с присутствием в сплаве примесей. Это достаточно легкий металл.
Его плотность равняется 2,7 г/см3, то есть он приблизительно в три раза легче, чем железо. В этом он может уступить разве что магнию, который еще легче рассматриваемого металла. Твердость алюминия довольно низкая. В ней он уступает большинству металлов. Твердость алюминия составляет всего два по Поэтому для ее усиления в сплавы на основе данного металла добавляют более твердые.
Плавление алюминия происходит при температуре всего в 660 градусов по шкале Цельсия. А закипает он при нагревании до температуры две тысячи четыреста пятьдесят два градуса по Цельсию. Это очень пластичный и легкоплавкий металл. На этом физическая характеристика алюминия не заканчивается. Еще хотелось бы отметить, что данный металл обладает самой лучшей после меди и серебра электропроводностью.
Распространенность в природе
Алюминий, технические характеристики которого мы только что рассмотрели, достаточно часто встречается в окружающей среде. Его можно наблюдать в составе многих минералов. Элемент алюминий - четвертый среди всех по распространенности в природе. Его в земной коре составляет почти девять процентов. Основные минералы, в составе которых присутствуют его атомы, это боксит, корунд, криолит. Первый - это горная порода, которая состоит из оксидов железа, кремния и рассматриваемого металла, также в структуре присутствуют молекулы воды. Он имеет неоднородную окраску: фрагменты серого, красновато-коричневого и других цветов, которые зависят от наличия различных примесей. От тридцати до шестидесяти процентов данной породы - алюминий, фото которого можно увидеть выше. Кроме того, очень распространенным в природе минералом является корунд.
Это оксид алюминия. Его химическая формула - Al2O3. Он может обладать красным, желтым, голубым либо коричневым цветом. Его твердость по шкале Мооса составляет девять единиц. К разновидностям корунда относятся всем известные сапфиры и рубины, лейкосапфиры, а также падпараджа (желтый сапфир).
Криолит - это минерал, имеющий более сложную химическую формулу. Он состоит из фторидов алюминия и натрия - AlF3.3NaF. Выглядит как бесцветный или сероватый камень, обладающий низкой твердостью - всего три по шкале Мооса. В современном мире его синтезируют искусственно в лабораторных условиях. Он применяется в металлургии.
Также алюминий можно встретить в природе в составе глин, основным компонентов которых являются оксиды кремния и рассматриваемого металла, связанные с молекулами воды. Кроме того, данный химический элемент можно наблюдать в составе нефелинов, химическая формула которых выглядит следующим образом: KNa34.
Получение
Характеристика алюминия предусматривает рассмотрение способов его синтеза. Существует несколько методов. Производство алюминия первым способом происходит в три этапа. Последним из них является процедура электролиза на катоде и угольном аноде. Для проведения подобного процесса необходим оксид алюминия, а также такие вспомогательные вещества, как криолит (формула - Na3AlF6) и фторид кальция (CaF2). Для того чтобы произошел процесс разложения растворенного в воде оксида алюминия, нужно его вместе с расплавленным криолитом и кальция фторидом нагреть до температуры минимум в девятьсот пятьдесят градусов по шкале Цельсия, а затем пропустить сквозь эти вещества ток силой в восемьдесят тысяч ампер и напряжением в пять-восемь вольт. Таким образом, вследствие данного процесса на катоде осядет алюминий, а на аноде будут собираться молекулы кислорода, которые, в свою очередь, окисляют анод и превращают его в углекислый газ. Перед проведением данной процедуры боксит, в виде которого добывается алюминия оксид, предварительно очищается от примесей, а также проходит процесс его обезвоживания.
Производство алюминия способом, описанным выше, является очень распространенным в металлургии. Также существует метод, изобретенный в 1827 году Ф. Велером. Он заключается в том, что алюминий можно добыть с помощью химической реакции между его хлоридом и калием. Осуществить подобный процесс можно, только создав специальные условия в виде очень высокой температуры и вакуума. Так, из одного моль хлорида и такого же объема калия можно получить один моль алюминия и три моль как побочного продукта. Данную реакцию можно записать в виде такого уравнения: АІСІ3 + 3К = АІ + 3КСІ. Указанный метод не приобрел большой популярности в металлургии.
Характеристика алюминия с точки зрения химии
Как уже было сказано выше, это простое вещество, которое состоит из атомов, не объединенных в молекулы. Подобные структуры формируют почти все металлы. Алюминий обладает достаточно высокой химической активностью и сильными восстановительными свойствами. Химическая характеристика алюминия начнется с описания его реакций с другими простыми веществами, а далее будут описаны взаимодействия со сложными неорганическими соединениями.
Алюминий и простые вещества
К таковым относится, в первую очередь, кислород - самое распространенное соединение на планете. Из него на двадцать один процент состоит атмосфера Земли. Реакции данного вещества с любыми другими называются окислением, или горением. Оно обычно происходит при высоких температурах. Но в случае с алюминием возможно окисление в нормальных условиях - так образуется пленка оксида. Если же данный металл измельчить, он будет гореть, выделяя при этом большое количество энергии в виде тепла. Для проведения реакции между алюминием и кислородом нужны эти компоненты в молярном соотношении 4:3, в результате чего получим две части оксида.
Данное химическое взаимодействие выражается в виде следующего уравнения: 4АІ + 3О2 = 2АІО3. Также возможны реакции алюминия с галогенами, к которым относятся фтор, йод, бром и хлор. Названия данных процессов происходят от названий соответствующих галогенов: фторирование, йодирование, бромирование и хлорирование. Это типичные реакции присоединения.
Для примера приведем взаимодействие алюминия с хлором. Такого рода процесс может произойти только на холоде.
Так, взяв два моль алюминия и три моль хлора, получим в результате два моль хлорида рассматриваемого металла. Уравнение этой реакции выглядит следующим образом: 2АІ + 3СІ = 2АІСІ3. Таким же способом можно получить фторид алюминия, его бромид и йодид.
С серой рассматриваемое вещество реагирует только при нагревании. Для проведения взаимодействия между этими двумя соединениями нужно взять их в молярных пропорциях два к трем, и образуется одна часть сульфида алюминия. Уравнение реакции имеет такой вид: 2Al + 3S = Al2S3.
Кроме того, при высоких температурах алюминий взаимодействует и с карбоном, образуя карбид, и с азотом, образуя нитрид. Можно привести в пример следующие уравнения химических реакций: 4АІ + 3С = АІ4С3; 2Al + N2 = 2AlN.
Взаимодействие со сложными веществами
К ним относятся вода, соли, кислоты, основания, оксиды. Со всеми этими химическими соединениями алюминий реагирует по-разному. Давайте разберем подробнее каждый случай.
Реакция с водой
С самым распространенным на Земле сложным веществом алюминий взаимодействует при нагревании. Происходит это только в случае предварительного снятия пленки из оксида. В результате взаимодействия образуется амфотерный гидроксид, а также в воздух выделяется водород. Взяв две части алюминия и шесть частей воды, получим гидроксид и водород в молярных пропорциях два к трем. Записывается уравнение этой реакции так: 2АІ + 6Н2О = 2АІ(ОН)3 + 3Н2.
Взаимодействие с кислотами, основаниями и оксидами
Как и другие активные металлы, алюминий способен вступать в реакцию замещения. При этом он может вытеснить водород из кислоты либо катион более пассивного металла из его соли. В результате таких взаимодействий образуется соль алюминия, а также выделяется водород (в случае с кислотой) либо выпадает в осадок чистый металл (тот, который менее активен, чем рассматриваемый). Во втором случае и проявляются восстановительные свойства, которые упоминались выше. В пример можно привести взаимодействие алюминия с при котором образуется хлорид алюминия и выделяется в воздух водород. Подобного рода реакция выражается в виде следующего уравнения: 2АІ + 6НСІ = 2АІСІ3 + 3Н2.
Примером взаимодействия алюминия с солью может служить его реакция с Взяв эти два компонента, в итоге мы получим и чистую медь, которая выпадет в виде осадка. С такими кислотами, как серная и азотная, алюминий реагирует своеобразно. К примеру, при добавлении алюминия в разбавленный раствор нитратной кислоты в молярном соотношении восемь частей к тридцати образуется восемь частей нитрата рассматриваемого металла, три части оксида азота и пятнадцать - воды. Уравнение данной реакции записывают таким образом: 8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O. Указанный процесс происходит только при наличии высокой температуры.
Если же смешать алюминий и слабый раствор сульфатной кислоты в молярных пропорциях два к трем, то получим сульфат рассматриваемого металла и водород в соотношении один к трем. То есть произойдет обыкновенная реакция замещения, как и в случае с другими кислотами. Для наглядности приведем уравнение: 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2. Однако с концентрированным раствором этой же кислоты все сложнее. Здесь так же, как и в случае с нитратной, образуется побочный продукт, но уже не в виде оксида, а в виде серы, и вода. Если мы возьмем два необходимых нам компонента в молярном соотношении два к четырем, то в результате получим по одной части соли рассматриваемого металла и серы, а также четыре - воды. Данное химическое взаимодействие можно выразить с помощью следующего уравнения: 2Al + 4H2SO4 = Al2(SO4)3 + S + 4H2O.
Кроме того, алюминий способен реагировать с растворами щелочей. Для проведения подобного химического взаимодействия нужно взять два моль рассматриваемого металла, столько же или калия, а также шесть моль воды. В результате образуются такие вещества, как тетрагидроксоалюминат натрия либо калия, а также водород, который выделяется в виде газа с резким запахом в молярных пропорциях два к трем. Данную химическую реакцию можно представить в виде следующего уравнения: 2АІ + 2КОН + 6Н2О = 2К[АІ(ОН)4] + 3Н2.
И последнее, что нужно рассмотреть, это закономерности взаимодействия алюминия с некоторыми оксидами. Самый распространенный и используемый случай - реакция Бекетова. Она, так же, как и многие другие из рассмотренных выше, происходит только при высоких температурах. Итак, для ее осуществления необходимо взять два моль алюминия и один моль оксида феррума. В результате взаимодействия этих двух веществ получим оксид алюминия и свободное железо в количестве один и два моль соответственно.
Использование рассматриваемого металла в промышленности
Отметим, что применение алюминия - очень частое явление. Прежде всего, в нем нуждается авиационная отрасль. Наряду со здесь используются и сплавы на основе рассматриваемого металла. Можно сказать, что среднестатистический самолет на 50% состоит из сплавов алюминия, а его двигатель - на 25%. Также применение алюминия осуществляется в процессе изготовления проводов и кабелей благодаря его отличной электропроводности. Кроме того, данный металл и его сплавы широко применяются в автомобилестроении. Из этих материалов состоят корпусы автомобилей, автобусов, троллейбусов, некоторых трамваев, а также вагонов обычных и электропоездов.
Также его используют и в менее масштабных целях, например, для производства упаковок для пищевых и других продуктов, посуды. Для того чтобы изготовить серебристую краску, необходим порошок рассматриваемого металла. Такая краска нужна для того, чтобы защитить железо от коррозии. Можно сказать, что алюминий - второй по частоте использования в промышленности металл после феррума. Его соединения и он сам часто применяются в химической промышленности. Это объясняется особыми химическими качествами алюминия, в том числе его восстановительными свойствами и амфотерностью его соединений. Гидроксид рассматриваемого химического элемента необходим для очистки воды. Кроме того, он используется в медицине в процессе производства вакцин. Также его можно найти в составе некоторых видов пластика и других материалов.
Роль в природе
Как уже было написано выше, алюминий в большом количестве содержится в земной коре. Он особенно важен для живых организмов. Алюминий участвует в регуляции процессов роста, формирует соединительные ткани, такие, как костная, связочная и другие. Благодаря данному микроэлементу быстрее осуществляются процессы регенерации тканей организма. Его нехватка характеризуется следующими симптомами: нарушения развития и роста у детей, у взрослых - хроническая усталость, пониженная работоспособность, нарушение координации движений, снижение темпов регенерации тканей, ослабевание мышц, особенно в конечностях. Такое явление может возникнуть, если вы употребляете слишком мало продуктов с содержанием данного микроэлемента.
Однако более частой проблемой является избыток алюминия в организме. При этом нередко наблюдаются такие симптомы: нервозность, депрессия, нарушения сна, снижение памяти, стрессоустойчивости, размягчение опорно-двигательного аппарата, что может привести к частым переломам и растяжениям. При длительном избытке алюминия в организме часто возникают проблемы в работе практически каждой системы органов.
К такому явлению может привести целый ряд причин. В первую очередь это Учеными уже давно доказано, что посуда, изготовленная из рассматриваемого металла, непригодна для приготовления в ней пищи, так как при высокой температуре часть алюминия попадает в пищу, и вследствие этого вы употребляете намного больше этого микроэлемента, чем нужно организму.
Вторая причина - регулярное применение косметических средств с содержанием рассматриваемого металла или его солей. Перед применением любого продукта нужно внимательно читать его состав. Не исключением являются и косметические средства.
Третья причина - прием препаратов, в которых содержится много алюминия, на протяжении длительного времени. А также неправильное употребление витаминов и пищевых добавок, в состав которых входит данный микроэлемент.
Теперь давайте разберемся, в каких продуктах содержится алюминий, чтобы регулировать свой рацион и организовывать меню правильно. В первую очередь это морковь, плавленые сыры, пшеница, квасцы, картофель. Из фруктов рекомендуются авокадо и персики. Кроме того, богаты алюминием белокочанная капуста, рис, многие лечебные травы. Также катионы рассматриваемого металла могут содержаться в питьевой воде. Чтобы избежать повышенного или пониженного содержания алюминия в организме (впрочем, так же, как и любого другого микроэлемента), нужно тщательным образом следить за своим питанием и стараться сделать его как можно более сбалансированным.
Алюминий-серебристо-белый металл, обладающий высокой электропроводностью и теплопроводностью. (Теплопроводность алюминия в 1,8 раз больше, чем у меди, и в 9 раз больше, чем у нержавеющей стали.) Он имеет невысокую плотность - приблизительно втрое меньше, чем у железа, меди и цинка. И все же это очень прочный металл.
Три электрона из внешней оболочки атома алюминия делокализованы по кристаллической решетке металлического алюминия. Эта решетка имеет грансцентрированную кубическую структуру, подобную решетке олова и золота (см. разд. 3.2). Поэтому алюминий обладает хорошей ковкостью.
Химические свойства
Алюминий образует соединения ионного и ковалентного типа. Он характеризуется высокой энергией ионизации (табл. 15.1). Плотность заряда (отношение заряда к радиусу) для иона очень велика по сравнению с катионами других металлов того же периода (см. табл. 15.2).
Рис. 15.2. Гидратированный ион алюминия.
Таблица 15.2. Отношение заряда к радиусу катионов
Поскольку ион имеет высокую плотность заряда, он обладает большой поляризующей способностью. Этим объясняется то, что изолированный ион обнаруживается лишь в очень немногих соединениях, например в безводном фториде алюминия и оксиде алюминия, причем даже эти соединения обнаруживают заметный ковалентный характер. В водном растворе ион поляризует молекулы воды, которые вследствие этого гидратируют катион (см. рис. 15.2). Эта гидратация характеризуется большой экзотермичностью:
Стандартный окислительно-восстановительный потенциал алюминия равен - 1,66 В:
Поэтому в электрохимическом ряду элементов алюминий расположен довольно высоко (см. разд. 10.5). Это заставляет предположить, что алюминий должен легко реагировать с кислородом и разбавленными минеральными кислотами. Однако, когда алюминий реагирует с кислородом, на его поверхности образуется тонкий непористый слой оксида. Этот слой предохраняет алюминий от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Оксидный слой можно удалить с поверхности алюминия, натирая ее ртутью. После этого алюминий способен соединяться непосредственно с кислородом и другими неметаллами, например серой и азотом. Взаимодействие с кислородом приводит к реакции
Анодирование. Алюминий и легкие алюминиевые сплавы можно защитить еще больше, сделав толще естественный оксидный слой при помощи процесса, который называется анодированием. В этом процессе алюминиевый предмет помещают в качестве анода в электролизер, где в качестве электролита используется хромовая кислота либо серная кислота.
Алюминий реагирует с горячими разбавленными соляной и серной кислотами, образуя водород:
Сначала эта реакция протекает медленно из-за наличия оксидного слоя. Однако по мере того, как он удаляется, реакция становится все более интенсивной.
Концентрированная и разбавленная азотная кислота, а также концентрированная серная кислота делают алюминий пассивным. Это означает, что он не реагирует с указанными кислотами. Такая пассивность объясняется образованием тонкого слоя оксида на поверхности алюминия.
Растворы гидроксида натрия и других щелочей взаимодействуют с алюминием, образуя тетрагидроксоалюминат(III)-ионы и водород:
Если оксидный слой удален с поверхности, алюминий может выступать в роли восстановителя в окислительно-восстановительных реакциях (см. разд. 10.2). Он вытесняет металлы, расположенные ниже его в электрохимическом ряду, из их растворов. Например
Наглядным примером восстановительной способности алюминия является алюмотермитная реакция. Так называется реакция между порошкообразным алюминием и
оксидом В лабораторных условиях ее обычно инициируют, используя в качестве запала ленточку магния. Эта реакция протекает очень бурно, и в ней выделяется такое количество энергии, которого достаточно, чтобы расплавить образующееся железо:
Алюмотермитную реакцию используют для проведения алюмотермитной сварки; например, таким способом соединяют рельсы.
Оксид алюминия Оксид алюминия, или, как его часто называют, глинозем, представляет собой соединение, которое обладает как ионными, так и ковалентными свойствами. Он имеет температуру плавления и в расплавленном состоянии представляет собой электролит. По этой причине его часто считают ионным соединением. Однако в твердом состоянии оксид алюминия имеет каркасную кристаллическую структуру.
Корунд. Безводные формы оксида алюминия образуют в природных условиях минералы группы корундов. Корунд-это очень твердая кристаллическая форма оксида алюминия. Он используется в качестве абразивного материала, так как по твердости уступает только алмазу. Крупные и прозрачные, нередко окрашенные, кристаллы корундов ценятся как драгоценные камни. Чистый корунд бесцветен, однако наличие в нем небольшого количества примесей оксидов -металлов придает драгоценным корундам характерную окраску. Например, окраска рубина обусловлена наличием в корунде ионов а окраска сапфиров - наличием ионов кобальта Фиолетовая окраска аметиста обусловлена наличием в нем примеси марганца. Сплавляя глинозем с оксидами различных -металлов, можно получать искусственные драгоценные камни (см. также табл. 14.6 и 14.7).
Оксид алюминия нерастворим в воде и обладает амфотерными свойствами, вступая в реакцию как с разбавленными кислотами, так и с разбавленными щелочами. Реакция с кислотами описывается общим уравнением:
Реакция со щелочами приводит к образованию -иона:
Галогениды алюминия. Строение и химическая связь в галогенидах алюминия описаны в разд. 16.2.
Хлорид алюминия можно получать, пропуская сухой хлор либо сухой хлороводород над нагретым алюминием. Например
За исключением фторида алюминия, все остальные галогениды алюминия гидролизуются водой:
По этой причине галогениды алюминия в контакте с влажным воздухом «дымят».
Ионы алюминия. Мы уже указывали выше, что ион гидратируется в воде. При растворении солей алюминия в воде устанавливается следующее равновесие:
В этой реакции вода выступает в роли основания, так как она акцептирует протон, а гидратированный ион алюминия выступает в роли кислоты, так как он донирует протон. По этой причине соли алюминия обладают кислотными свойствами. Если в
(по Полингу)
Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 13. Обозначается символом Al (Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.
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.
По некоторым биологическим исследованиям поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера, но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался.
История
Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.
Получение
Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру . Он заключается в растворении оксида алюминия Al 2 O 3 в расплаве криолита Na 3 AlF 6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов . Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке .
Для производства 1 т алюминия чернового требуется 1,920 т глинозёма, 0,065 т криолита, 0,035 т фторида алюминия, 0,600 т анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.
Физические свойства
Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность — 2,7 г/см³, температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C, удельная теплота плавления — 390 кДж/кг, температура кипения — 2500 °C, удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг, временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм².
Твёрдость по Бринеллю — 24-32 кгс/мм², высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.
Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.
Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами.
Нахождение в природе
Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27 Al со следами 26 Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей.
По распространённости в природе 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.
В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах). Некоторые из них:
- Бокситы — Al 2 O 3 . H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3)
- Нефелины — KNa 3 4
- Алуниты — KAl(SO 4) 2 . 2Al(OH) 3
- Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2 , известняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3)
- Корунд — Al 2 O 3
- Полевой шпат (ортоклаз) — K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2
- Каолинит — Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O
- Алунит — (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3
- Берилл — 3ВеО. Al 2 О 3 . 6SiO 2
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.
Химические свойства
Гидроксид алюминия
При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями : с H 2 O (t°);O 2 , HNO 3 (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 NH 4 + , горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.
Легко реагирует с простыми веществами:
- с кислородом : 4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
- с галогенами : 2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3
- с другими неметаллами реагирует при нагревании:
- с серой , образуя сульфид алюминия : 2Al + 3S = Al 2 S 3
- с азотом , образуя нитрид алюминия : 2Al + N 2 = 2AlN
- с углеродом , образуя карбид алюминия : 4Al + 3С = Al 4 С 3
Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом во Франции и Полем Эру в США в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники , производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые 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.
В России фактическим монополистом по производству алюминия является ОАО «Русский алюминий », на который приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма.
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 и американская монетка.
Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al 2 O 3 , 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 его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния - сплав дюралюминий.
Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 2 раза дешевле. 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 прочная оксидная плёнка, затрудняющая спаивание .
- Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
- Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.
- Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал .
- В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
- Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин , нефтяным платформам , теплообменной аппаратуре , а также заменяют цинкование.
- Сульфид алюминия используется для производства сероводорода .
- Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.
В качестве восстановителя
- Как компонент термита, смесей для алюмотермии
- Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.
Сплавы на основе алюминия
В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.
— Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов.
— Алюминиево-марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым.
— Алюминиево-медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками. Сплав с бо́льшим содержанием меди по цвету внешне очень похож на золото , и его иногда применяют для имитации последнего.
— 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
Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.
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:
— Алюминий: горючее в ракетных топливах. Применяется в виде порошка и суспензий в углеводородах и др
— Гидрид алюминия
— Боранат алюминия
— Триметилалюминий
— Триэтилалюминий
— Трипропилалюминий
Теоретические характеристики топлив, образованных гидридом алюминия с различными окислителями.
| Окислитель | Удельная тяга (Р1, сек) | Температура сгорания °С | Плотность топлива, г/см³ | Прирост скорости, ΔV ид, 25, м/с | Весовое содерж. горючего, % |
|---|---|---|---|---|---|
| Фтор | 348,4 | 5009 | 1,504 | 5328 | 25 |
| Тетрафторгидразин | 327,4 | 4758 | 1,193 | 4434 | 19 |
| ClF 3 | 287,7 | 4402 | 1,764 | 4762 | 20 |
| ClF 5 | 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 |
| N 2 O 4 | 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», 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:
Сажаю алюминиевые огурцы
На брезентовом поле
Я сажаю алюминиевые огурцы
На брезентовом поле
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): ацетат алюминия — 0,2-0,4; гидроксид алюминия — 3,7-7,3; алюминиевые квасцы — 2,9. 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.
Дополнительная информация
— Гидроксид алюминия
— Энциклопедия об алюминии
— Соединения алюминия
— Международный институт алюминия
Алюминий, Aluminium, Al (13)
Вяжущие вещества, содержащие алюминий, известны с глубокой древности. Однако под квасцами (лат. Alumen или Alumin, нем. Alaun), о которых говорится, в частности, у Плиния, в древности и в средние века понимали различные вещества. В «Алхимическом словаре» Руланда слово Alumen с добавлением различных определений приводится в 34 значениях. В частности, оно означало антимоний, Alumen alafuri — алкалическую соль, Alumen Alcori — нитрум или алкалические квасцы, Alumen creptum — тартар (винный камень) хорошего вина, Alumen fascioli — щелочь, Alumen odig — нашатырь, Alumen scoriole — гипс и т. д. Лемери, автор известного «Словаря простых аптекарских товаров» (1716), также приводит большой перечень разновидностей квасцов.
До XVIII в. соединения алюминия (квасцы и окись) не умели отличать от других, похожих по внешнему виду соединений. Лемери следующим образом описывает квасцы: «В 1754 r. Маргграф выделил из раствора квасцов (действием щелочи) осадок окиси алюминия, названной им »квасцовой землей» (Alaunerde), и установил ее отличие от других земель. Вскоре квасцовая земля получила название алюмина (Alumina или Alumine). В 1782 г. Лавуазье высказал мысль, что алюмина представляет собой окисел неизвестного элемента. В «Таблице простых тел» Лавуазье поместил алюмину (Alumine) среди «простых тел, солеобразующих, землистых«. Здесь же приведены синонимы названия алюмина: аргила (Argile), квасцовая. земля, основание квасцов. Слово аргила, или аргилла, как указывает Лемери в своем словаре, происходит от греч. горшечная глина. Дальтон в своей »Новой системе химической философии» приводит специальный знак для алюмины и дает сложную структурную (!) формулу квасцов.
После открытия с помощью гальванического электричества щелочных металлов Дэви и Берцелиус безуспешно пытались выделить тем же путем металлический алюминий из глинозема. Лишь в 1825 г. задача была решена датским физиком Эрстедом химическим способом. Он пропускал хлор через раскаленную смесь глинозема с углем, и полученный безводный хлористый алюминий нагревал с амальгамой калия. После испарения ртути, пишет Эрстед, получался металл, похожий по внешнему виду на олово. Наконец, в 1827 г. Велер выделил металлический алюминий более эффективным способом — нагреванием безводного хлористого алюминия с металлическим калием.
Около 1807 г. Дэви, пытавшийся осуществить электролиз глинозема, дал название предполагаемому в нем металлу алюмиум (Alumium) или алюминум (Aluminum). Последнее название с тех пор ужилось в США, в то время как в Англии и других странах принято предложенное впоследствии тем же Дэви название алюминиум (Aluminium). Вполне ясно, что все эти названия произошли от латинского слова квасцы (Alumen), насчет происхождения которого существуют разные мнения, базирующиеся на свидетельствах различных авторов, начиная с древности.
А. М. Васильев, отмечая неясное происхождение этого слова, приводит мнение некоего Исидора (очевидно Исидора Севильского, епископа, жившего в 560 — 636 гг.,- энциклопедиста, занимавшегося, в частности, этимологическими исследованиями): «Alumen называют a lumen, так как он придает краскам lumen (свет, яркость), будучи добавлен при крашении«. Однако это, хотя и очень давнее, объяснение не доказывает, что слово alumen имеет именно такие истоки. Здесь вполне вероятна лишь случайная тавтология. Лемери (1716) в свою очередь указывает, что слово alumen связано с греческим (халми), означающим соленость, соляной раствор, рассол и пр.
Русские названия алюминия в первые десятилетия XIX в. довольно разнообразны. Каждый из авторов книг по химии этого периода, очевидно, стремился предложить свое название. Так, Захаров именует алюминий глиноземом (1810), Гизе — алумием (1813), Страхов — квасцом (1825), Иовский — глинистостью, Щеглов — глиноземием (1830). В »Магазине Двигубского» (1822 — 1830) глинозем называется алюмин, алюмина, алумин (например, фосфорно-кисловатая алюмина), а металл — алуминий и алюминий (1824). Гесс в первом издании «Оснований чистой химии» (1831) употребляет название глиноземий (Aluminium), а в пятом издании (1840) — глиний. Однако названия для солей он образует на основе термина глинозем, например сернокислый глинозем. Менделеев в первом издании »Основ химии" (1871) пользуется названиями алюминий и глиний. В дальнейших изданиях слово глиний уже не встречается.
