Алюміній

Кодовий символ вказує що алюміній може бути вдруге перероблений

Алюміній - елемент головної підгрупи третьої групи третього періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 13. Позначається символом Al ( лат. Aluminium ). Відноситься до групи легких металів. Найбільш поширений метал і третій за поширеністю хімічний елемент в земній корі (після кисню і кремнію).

Проста речовина алюміній ( CAS-номер : 7429-90-5) - легкий, парамагнітний метал сріблясто-білого кольору, що легко піддається формуванню, литтю, механічній обробці. Алюміній має високу тепло-і електропровідність, стійкістю до корозії за рахунок швидкого освіти міцних оксидних плівок, що захищають поверхню від подальшої взаємодії.

1. Історія

Вперше алюміній був отриманий датським фізиком Гансом Ерстед в 1825 дією амальгами калію на хлорид алюмінію з наступною відгоном ртуті. Назва елемента утворено від лат. aluminis - галун.

2. Отримання

Сучасний метод отримання був розроблений незалежно американцем Чарльзом Холом і французом Полем Еру в 1886 році. Він полягає в розчиненні оксиду алюмінію Al ₂ O ₃ в розплаві кріоліту Na ₃ AlF ₆ з подальшим електролізом з використанням витрачаються коксових або графітових електродів. Такий метод отримання вимагає великих витрат електроенергії, і тому виявився затребуваний тільки в XX столітті.

Для виробництва 1 т алюмінію чорнового потрібно 1,920 т глинозему, 0,065 т кріоліту, 0,035 т фториду алюмінію, 0,600 т анодної маси і 17 тис. кВт год електроенергії постійного струму ^[2].

3. Фізичні властивості

Мікроструктура алюмінію на протравлене поверхні злитка, чистотою 99,9998%, розмір видимого сектора близько 55 37 мм.

Метал сріблясто-білого кольору, легкий,
щільність - 2,7 г / см ,
температура плавлення у технічного алюмінію - 658 C, в алюмінію високої чистоти - 660 C,
питома теплота плавлення - 390 кДж / кг,
температура кипіння - 2500 C,
питома теплота випаровування - 10,53 МДж / кг,
тимчасовий опір литого алюмінію - 10 ... 12 кг / мм , що деформується - 18 ... 25 кг / мм , сплавів - 38 ... 42 кг / мм .

Твердість по Бринеллю - 24 ... 32 кгс / мм ,
висока пластичність: у технічного - 35%, у чистого - 50%, прокочується в тонкий лист і навіть фольгу.
Модуль Юнга - 70 ГПа.

Алюміній має високу електропровідністю (0,0265 мкОм м) і теплопровідністю (203,5 Вт / (м К)), 65% від електропровідності міді, має високу світловідбивними здатністю.
Слабкий парамагнетик.
Температурний коефіцієнт лінійного розширення 24,58 10 ^-6 К ^-1 (20 ... 200 C).
Температурний коефіцієнт електричного опору 2,7 10 ^-8 K ^-1.

Алюміній утворює сплави майже з усіма металами. Найбільш відомі сплави з міддю і магнієм ( дюралюміній) і кремнієм ( силумін).

4. Знаходження в природі

Природний алюміній складається практично повністю з єдиного стабільного ізотопу ²⁷ Al зі слідами ²⁶ Al, радіоактивного ізотопу з періодом напіврозпаду 720 тис. років, що утворюється в атмосфері при бомбардуванні ядер аргону протонами космічних променів.

За поширеністю в земній корі Землі займає 1-е серед металів і 3-е місце серед елементів, поступаючись тільки кисню і кремнію. Відсоток вмісту алюмінію в земній корі за даними різних дослідників становить від 7,45 до 8,14% від маси земної кори ^[3].

У природі алюміній у зв'язку з високою хімічною активністю зустрічається майже виключно у вигляді сполук. Деякі з них:

• Боксити - Al ₂ O ₃ H ₂ O (з домішками SiO _2, Fe ₂ O _3, CaCO ₃₎
• Нефеліни - KNa ₃ [AlSiO _{4] 4}
• Алуніти - (Na, K) ₂ SO ₄ Al ₂ (SO _{4) 3} 4Al (OH) ₃
• Глиноземи (суміші каолінів з піском SiO _2, вапняком CaCO _3, магнезитом MgCO ₃₎
• Корунд ( сапфір, рубін, наждак) - Al ₂ O ₃
• Польові шпати - (K, Na) ₂ O Al ₂ O ₃ 6SiO _2, Ca [Al ₂ Si ₂ O _8]
• Каолинит - Al ₂ O ₃ 2SiO ₂ 2H ₂ O
• Берил ( смарагд, аквамарин) - 3ВеО Al ₂ О ₃ 6SiO ₂
• Хризоберил ( олександрит) - BeAl ₂ O _4.

Тим не менш, в деяких специфічних відновних умовах можливе утворення самородного алюмінію ^[4].

У природних водах алюміній міститься у вигляді малотоксичних хімічних сполук, наприклад, фториду алюмінію. Вид катіона або аніона залежить, в першу чергу, від кислотності водного середовища. Концентрації алюмінію в поверхневих водних об'єктах Росії коливаються від 0,001 до 10 мг / л, в морській воді 0,01 мг / л ^[5].

5. Хімічні властивості

Гідроксид алюмінію

При нормальних умовах алюміній покритий тонкою і міцною оксидної плівкою і тому не реагує з класичними окислювачами : з H ₂ O (t ); O _2, HNO ₃ (без нагрівання). Завдяки цьому алюміній практично не схильний корозії і тому широко затребуваний сучасною індустрією. Однак при руйнуванні оксидної плівки (наприклад, при контакті з розчинами солей амонію NH ₄ ^+, гарячими лугами або внаслідок амальгамирования), алюміній виступає як активний метал-відновник.

Легко реагує з простими речовинами:

• з киснем, утворюючи оксид алюмінію :

  4Al + 3O ₂ = 2Al ₂ O ₃

• з галогенами (крім фтору) ^[6], утворюючи хлорид, бромід або йодид алюмінію :

  2Al + 3Hal ₂ = 2AlHal ₃ (Hal = Cl, Br, I)

• з іншими неметалами реагує при нагріванні:
  • з фтором, утворюючи фторид алюмінію :

    2Al + 3F ₂ = 2AlF ₃

  • з сірої, утворюючи сульфід алюмінію :

    2Al + 3S = Al ₂ S ₃

  • з азотом, утворюючи нітрид алюмінію :

    2Al + N ₂ = 2AlN

  • з вуглецем, утворюючи карбід алюмінію :

    4Al + 3С = Al ₄ С ₃

Сульфід і карбід алюмінію повністю гідролізуються:

Al ₂ S ₃ + 6H ₂ O = 2Al (OH) ₃ + 3H ₂ S

Al ₄ C ₃ + 12H ₂ O = 4Al (OH) ₃ + 3CH ₄

Зі складними речовинами:

• з водою (після видалення захисної оксидної плівки, наприклад, амальгамуванням або розчинами гарячої лугу):

  2Al + 6H ₂ O = 2Al (OH) ₃ + 3H ₂

• з лугами (з утворенням тетрагідроксоалюмінатов та інших алюмінатів):

  2Al + 2NaOH + 6H ₂ O = 2Na [Al (OH) _4] + 3H ₂

  2 (NaOH H ₂ O) + 2Al = 2NaAlO ₂ + 3H ₂

• Легко розчиняється в соляній і розведеної сірчаної кислотах:

  2Al + 6HCl = 2AlCl ₃ + 3H ₂

  2Al + 3H ₂ SO ₄ (розбій) = Al ₂ (SO _{4) 3} + 3H ₂

• При нагріванні розчиняється в кислотах - окислювачах, що утворюють розчинні солі алюмінію:

  2Al + 6H ₂ SO ₄ (конц) = Al ₂ (SO _{4) 3} + 3SO ₂ + 6H ₂ O

  Al + 6HNO ₃ (конц) = Al (NO _{3) 3} + 3NO ₂ + 3H ₂ O

• відновлює метали з їх оксидів ( алюминотермия):

  8Al + 3Fe ₃ O ₄ = 4Al ₂ O ₃ + 9Fe

  2Al + Cr ₂ O ₃ = Al ₂ O ₃ + 2Cr

6. Виробництво

виробництво алюмінію

Одна гарна, але, ймовірно, неправдоподібна легенда з " Historia naturalis "говорить, що одного разу до римського імператора Тиберію (42 рік до н. е.. - 37 рік н. е..) прийшов ювелір з металевою, не б'ється обідньої тарілкою, виготовленої, нібито з глинозему - Al ₂ O _3. Тарілка була дуже світлою і блищала, як срібло. За всіма ознаками вона повинна бути алюмінієвою. При цьому ювелір стверджував, що тільки він і боги знають, як отримати цей метал з глини. Тіберій, побоюючись, що метал з легкодоступною глини може знецінити золото і срібло, наказав на всякий випадок відрубати людині голову. Очевидно, дана легенда вельми сумнівна, так як самородний алюміній в природі не зустрічається в силу своєї високої активності і за часів Римської імперії не могло бути технічних засобів, які дозволили б отримати алюміній з глинозему.

Лише майже через 2000 років після Тиберія - в 1825, данський фізик Ханс Християн Ерстед отримав кілька міліграмів металевого алюмінію, а в 1827 Фрідріх Велер зміг виділити крупинки алюмінію, які, проте, на повітрі негайно покривалися найтоншою плівкою оксиду алюмінію.

До кінця XIX століття алюміній в промислових масштабах не проводився.

Тільки в 1854 Анрі Сент-Клер Девіль (його дослідження фінансував Наполеон III, розраховуючи, що алюміній нагоді його армії ^{[7] [8]}) винайшов перший спосіб промислового виробництва алюмінію, заснований на витіснення алюмінію металевим натрієм з подвійного хлориду натрію і алюмінію NaCl AlCl _3. У 1855 році був отриманий перший зливок металу масою 6-8 кг. За 36 років застосування, з 1855 по 1890, способом Сент-Клер Девіль було отримано 200 тонн металевого алюмінію. В 1856 він же отримав алюміній електролізом розплаву хлориду натрію-алюмінію.

В 1885, грунтуючись на технології, запропонованої російським ученим Миколою Бекетовим, був побудований завод з виробництва алюмінію в німецькому місті Гмелінгеме. Технологія Бекетова мало чим відрізнялася від способу Девіль, але була простіше і полягала у взаємодії між кріоліту (Na ₃ AlF ₆₎ і магнієм. За п'ять років на цьому заводі було отримано близько 58 т алюмінію - понад чверть всього світового виробництва металу хімічним шляхом у період з 1854 по 1890.

Метод, винайдений майже одночасно Чарльзом Холом під Франції і Полем Еру в США в 1886 і заснований на отриманні алюмінію електролізом глинозему, розчиненого в розплавленому кріоліті, поклав початок сучасному способу виробництва алюмінію. З тих пір, у зв'язку з удосконаленням електротехніки, виробництво алюмінію удосконалювалося. Помітний внесок у розвиток виробництва глинозему внесли російські вчені К. І. Байєр, Д. А. Пеняк, А. Н. Кузнецов, Є. І. Жуковський, А. А. Яковкін та ін

Перший алюмінієвий завод в Росії був побудований в 1932 в Волхові. Металургійна промисловість СРСР в 1939 році виробляла 47,7 тис.тонн алюмінію, ще 2,2 тис.тонн імпортувалося.

Друга світова війна значно стимулювала виробництво алюмінію. Так, в 1939 загальносвітове його виробництво, без урахування СРСР, становила 620 тис. т, але вже до 1943 зросла до 1,9 млн т.

До 1956 в світі вироблялося 3,4 млн т первинного алюмінію, в 1965 - 5,4 млн т, в 1980 - 16,1 млн т, в 1990 - 18 млн т.

В 2007 в світі було вироблено 38 млн т первинного алюмінію, а в 2008 - 39,7 млн т. Лідерами виробництва були:

1. Китай (у 2007 році виробив 12,60 млн т, а в 2008 - 13,50 млн т),
2. Росія (3,96 / 4,20),
3. Канада (3,09 / 3,10),
4. США (2,55 / 2,64),
5. Австралія (1,96 / 1,96),
6. Бразилія (1,66 / 1,66),
7. Індія (1,22 / 1,30),
8. Норвегія (1,30 / 1,10),
9. ОАЕ (0,89 / 0,92),
10. Бахрейн (0,87 / 0,87),
11. ПАР (0,90 / 0,85),
12. Ісландія (0,40 / 0,79),
13. Німеччина (0,55 / 0,59),
14. Венесуела (0,61 / 0,55),
15. Мозамбік (0,56 / 0,55),
16. Таджикистан (0,42 / 0,42) ^[9].

.

У Росії монополістом з виробництва алюмінію є компанія " Російський алюміній ", на яку припадає близько 13% світового ринку алюмінію і 16% глинозему ^[10].

Світові запаси бокситів практично безмежні, тобто неспівмірні з динамікою попиту. Існуючі потужності можуть виробляти до 44,3 млн т первинного алюмінію в рік. Слід також враховувати, що в майбутньому деякі з застосувань алюмінію можуть бути переорієнтовані на використання, наприклад, композитних матеріалів.

7. Застосування

Шматок алюмінію

Широко застосовується як конструкційний матеріал. Основні переваги алюмінію в цій якості - легкість, податливість штампування, корозійна стійкість (на повітрі алюміній покривається миттєво міцною плівкою Al ₂ O _3, яка перешкоджає його подальшому окисленню), висока теплопровідність, неотруйні його сполук. Зокрема, ці властивості зробили алюміній надзвичайно популярним при виробництві кухонного посуду, алюмінієвої фольги в харчовій промисловості та для упаковки.

Основний недолік алюмінію як конструкційного матеріалу - мала міцність, тому його зазвичай сплавляють з невеликою кількістю міді і магнію (сплав називається дюралюміній).

Електропровідність алюмінію всього в 1,7 рази менше, ніж у міді, при цьому алюміній приблизно в 4 рази дешевше ^[11] за кілограм, але, за рахунок в 3,3 рази меншої щільності, для отримання рівного опору його потрібно приблизно в 2 рази менше за вагою. Тому він широко застосовується в електротехніці для виготовлення проводів, їх екранування і навіть у мікроелектроніці при виготовленні провідників у чіпах. Меншу електропровідність алюмінію (37 1/ом) в порівнянні з міддю (63 1/ом) компенсують збільшенням перетину алюмінієвих провідників. Недоліком алюмінію як електротехнічного матеріалу є наявність міцної оксидної плівки, що утрудняє пайку.

• Завдяки комплексу властивостей широко поширений в тепловому обладнанні.
• Алюміній і його сплави зберігають міцність при наднизьких температурах. Завдяки цьому він широко використовується в кріогенної техніки.
• Високий коефіцієнт відбиття в поєднанні з дешевизною і легкістю напилення робить алюміній ідеальним матеріалом для виготовлення дзеркал.
• У виробництві будівельних матеріалів як газоутворюючі агент.
• Алітірованіе надають корозійну і окаліностойкость сталевим і інших сплавів, наприклад клапанів поршневих ДВС, лопаток турбін, нафтовим платформам, теплообмінної апаратури, а також замінюють цинкування.
• Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
• Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

7.1. В качестве восстановителя

• Как компонент термита, смесей для алюмотермии
• Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

7.2. 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 Al ₃ Mg ₂ 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 3035 %. 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.

7.3. 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).

7.4. Ювелірні вироби

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.

7.5. Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

7.6. Харчова промисловість

Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

7.7. 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:

• Порошковый алюминий как горючее в твердых ракетных топливах. Применяется также в виде порошка и суспензий в углеводородах.
• Гидрид алюминия.
• Боранат алюминия.
• Триметилалюминий.
• Триэтилалюминий.
• Трипропилалюминий.

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

8. Алюміній у світовій культурі

Поет Андрій Вознесенський написав в 1959 році вірш "Осінь" ^[12], в якому використовував алюміній як художнього образу:

... А за віконцем у юному інеї
лежать поля з алюмінію ...

Віктор Цой написав пісню "Алюмінієві огірки" з приспівом:

Я саджу алюмінієві огірки
На брезентовому поле

У ленінградської рок-групи "Народне ополчення" в альбомі "Брежнєв живий" 1989 року є пісня "Алюмінієвий дім".

Важливу роль алюміній грає в історико-містичної трилогії Андрія Валентинова та Генрі Олді "Алюмен".

8.1. У творах епохи знайомства людства з алюмінієм

• У повісті Н. Г. Чернишевського " Що робити? "( 1862 - 1863) один з головних героїв повісті в своєму листі іншому пише, що йому довелося побачити злиток металу, "який називається алюмініум", і що, враховуючи властивості алюмінію, він упевнений, що за алюмінієм велике майбутнє (за часів Н. Г. Чернишевського алюміній ще тільки починали відкривати).
• У повісті Герберта Уеллса " Війна світів "( 1897) марсіани, покинувши один зі своїх таборів, залишили (кинули) в ньому кілька аркушів алюмінію.

9. Токсичність

Відрізняється незначним токсичною дією, але багато розчинні у воді неорганічні сполуки алюмінію зберігаються в розчиненому стані тривалий час і можуть мати шкідливий вплив на людину і теплокровних тварин через питну воду. Найбільш отруйні хлориди, нітрати, ацетати, сульфати та ін Для людини токсичну дію при попаданні всередину надають такі дози сполук алюмінію (мг / кг маси тіла):

• ацетат алюмінію - 0,2-0,4;
• гідроксид алюмінію - 3,7-7,3;
• алюмінієві галун - 2,9.

У першу чергу діє на нервову систему (накопичується в нервовій тканині, призводячи до важких розладів функції ЦНС). Однак властивість нейротоксичності алюмінію стали вивчати з середини 1960-х років, так як накопичення металу в організмі людини перешкоджає механізм його виведення. У звичайних умовах з сечею може виділятися до 15 мг елемента в добу. Відповідно, найбільший негативний ефект спостерігається у людей з порушеною функцією виділення нирок.

Норматив вмісту алюмінію у воді господарсько-питного використання становить 0,2 мг / л. При цьому дана ГДК може бути збільшена до 0,5 мг / л головним державним санітарним лікарем по відповідній території для конкретної системи водопостачання.

За деякими біологічним дослідженням надходження алюмінію в організм людини було визнано фактором у розвитку хвороби Альцгеймера ^{[13] [14]}, але ці дослідження були пізніше розкритиковані і висновок про зв'язок одного з іншим спростовувався ^{[15] [16] [17]}.

Примітки