По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода (O) и кремния (Si)), на его долю приходится около 8,8% массы земной коры. Алюминий входит в огромное число минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты, базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов -- главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты и нефелины. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, -- некоторые плауны, моллюски.

Получение

Промышленное получение: при промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния (Si), железа (Fe) и других элементов. В результате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al 2 O 3 -- основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al 2 O 3 очень высока (более 2000°C), использовать его расплав для электролиза не удается.

Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит Na 3 AlF 6 (температура расплава немного ниже 1000°C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al 2 О 3 (до 10% по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:

2Al 2 О 3 = 4Al + 3О 2 .

Так как анодом при электролизе служит графит, то выделяющийся на аноде кислород (O) реагирует с графитом и образуется углекислый газ СО 2 .

При электролизе получают металл с содержанием алюминия около 99,7%. В технике применяют и значительно более чистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99,999% и более.

Применение

По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа (Fe)и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами -- ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов -- дуралюмина (94% -- алюминий, 4% медь (Cu), по 0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина (85-90% -- алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (Na)) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди (Cu), магния (Mg),железа (Fe), >никеля (Ni) и др.

Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония (Zr) -- циркалой -- широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.

Особо следует отметить окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемые электрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминий называют анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему виду напоминающему золото (Au), изготовляют различную бижутерию.

При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу и она приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-таки нежелательно.

Алюминий был выделен в ходе эксперимента по воздействию калиевых соединений ртути на природные бокситы. Учитывая всю сложность процесса, алюминий на протяжении нескольких десятилетий оставался самым дорогим металлом на земле.

Научные изыскания привели к открытию относительно дешевого способа получения алюминия по методу поэтапного электролиза с дальнейшей очисткой и осаждением металла. Повсеместное распространение этого метода позволило получать чистый алюминий в промышленных масштабах. Текущие показатели среднесуточного производства этого металла превышают 130 тысяч тонн.

Основные характеристики

Легкий парамагнитный металл серебристого цвета с мутноватой поверхностью. Хорошо поддается формовке и ковке, практически не подвержен коррозии. На открытом воздухе покрывается естественным защитных слоем из окислов, что предотвращает дальнейшие реакции между алюминием и атмосферным кислородом. Имеет относительно малую прочность на излом, быстро накапливает усталость, что ограничивает его использование в чистом виде.

Хорошо проводит электричество и тепловую энергию, уступая по этим показателям лишь меди и металлам платиновой подгруппы. Относительная дешевизна алюминия обеспечили ему широкое распространение в качестве конструкционного металла и универсального диэлектрика.

Физические свойства

Металл пластичный, со сравнительно низкой плотностью при высоких конструкционных показателях (высокая тепло- и электропроводимость, устойчивость к коррозионному воздействию). Основные физические свойства алюминия можно выделить в виде следующего списка:

• Плотность — 2,7 г/см 3 ;
• Температура плавления — 659 0 С;
• Коэффициент пластичности — 50%;
• Коэффициент электропроводности — 32*10 6 См/м;
• Средний показатель теплопроводности — 204 Вт/м;

В отличие от таких металлов, как свинец или медь, при нагревании до отметки в 600 градусов Цельсия алюминий становится хрупким, разбивается на отдельные гранулы или зерна. Отлично проводит тепло, легко нагревается и также легко остывает без каких-либо последствий для кристаллической решетки металла.

Алюминий — довольно активный метал, легко сплавляется с другими металлами и неметаллами, образуя равномерную кристаллическую решетку с высокими конструктивными качествами.

Химические свойства

Химически активный амфотерный элемент:

• Реагирует с хлором, бромом и другими галогенами, образуя соответствующие соли;
• Вступает в реакции с неметаллами;
• Растворяется в сильных кислотах;
• Обладает свойством восстанавливать другие металлы, что используется при очистке железа и хрома;

Все вышеперечисленные реакции требуют наличия дополнительных катализаторов и проводятся при нагревании.

Относительное содержание алюминия определено в пределах от 7% до 8% (в среднем — 7,5% по массе). Количественная оценка включает в себя все минералы и соли алюминия. Металл входит в состав огромного количества природных соединений. Основным промышленным сырьем для получения чистого алюминия являются бокситы, алюмосиликаты и другие природные минералы, содержащие оксид алюминия.

Сфера применения

Сочетание низкой стоимости, устойчивости к коррозии и высокой реактивной способности вывели алюминий в лидеры среди всех металлов, используемых современной промышленностью. Алюминий — самая распространенная легирующая добавка для изготовления сплавов на основе меди, магния, титана и никеля. Повышает показатели упругости и прочности, придает сплаву антикоррозионные свойства.

Алюминий несильно уступает меди по электропроводности, при этом имеет в 4-5 раз меньшую стоимость и значительно более легкий процесс очистки, что объясняет его распространение для изготовления проводниковых элементов, конденсаторов и электронных компонентов.

Также алюминий используется в качестве химического катализатора (в составе комбинированных соединений), при производстве зеркал и взрывчатых веществ. Нейтральность алюминия позволяет использовать его в пищевой промышленности для изготовления упаковочных материалов и посуды.

Алюминий - наиболее распространенный металл на Земле, а по распространенности всех элементов в земной коре он занимает третье место. На его долю приходится 8% состава земной коры.

Из-за большого сродства к кислороду алюминий не встречается в природе в виде свободного металла. Он широко распространен в форме гидратированных силикатов алюминия в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты. Кроме того, алюминий обнаруживается в виде бокситной руды. Боксит содержит гидратированный оксид алюминия , где принимает значения от 1 до 3. Боксит образуется в результате выветривания глин. В этом процессе происходит выщелачивание силикатов и образуется богатый глиноземом остаток.

Боксит. Боксит получил свое название от города Ле Бокс на юге Франции, где в 1821 г. был обнаружен образец красной глинистой породы. Сначала полагали, что боксит представляет собой новый минерал. Однако последующие анализы показали, что минералогический состав этой руды, ее физические свойства и характер залегания чрезвычайно разнообразны. Термин боксшппая руда применяется к любым месторождениям, в которых содержится не менее 45% одной или нескольких разновидностей гидратированного оксида алюминия, но не более 20% оксида железа(III) и 5% кремнезема. Наиболее важными минералами в бокситных месторождениях являются гиббсит, диаспор и бёмит.

Бокситная руда в настоящее время повсеместно является главным сырьем для получения алюминия. Ежегодно в мире добывают от 80 до 90 млн. т бокситной руды. Почти 30% этого количества добывают в Австралии и еще 15% на Ямайке. Для получения 1 т алюминия расходуется приблизительно 5 т бокситной руды. При

нынешнем уровне мирового производства алюминия разведанных на Земле запасов боксита достаточно, чтобы обеспечивать потребности в алюминии еще несколько сотен лет. Получение алюминия из бокситной руды осуществляется в две стадии.

Стадия 1: Процесс Байера для очистки бокситной руды и получения глинозема.

Неочищенная бокситная руда содержит оксид железа(III), кремнезем и другие примеси. Она может считаться экономически выгодным сырьем для получения алюминия, если содержит не меньше 45% алюминия и не больше 5% кремнезема.

В процессе Байера бокситную руду сначала размалывают, а затем смешивают с раствором гидроксида натрия (едкого натра). Эту смесь нагревают в автоклаве под высоким давлением, в результате чего образуется натрия (см. уравнение 1 на с. 186). Оксид железа удаляют из раствора после того, как он осядет и образует «красный шлам». Затем раствор профильтровывают и перекачивают в осадительный бак, где его затравливают кристалликами гидроксида алюминия. После затравливания водный раствор натрия разлагается с образованием гидроксида алюминия, который вырастает в большие кристаллы на затравочных кристалликах. Этот процесс протекает по уравнению затравка

Гидроксид натрия, образующийся в этом процессе, возвращают в новый цикл процесса. Кристаллы гидроксида алюминия отфильтровывают, промывают водой, а

Рис. 15.3. Электролизер для получения алюминия из бокситной руды.

затем прокаливают во вращающейся печи при температуре порядка 1000°С. В результате образуется глинозем:

Глинозем имеет температуру плавления 2045 °С. Поэтому использование чистого расплавленного глинозема в качестве электролита для получения алюминия трудно осуществимо практически и не оправдано с экономической точки зрения. Для снижения температуры плавления используется эвтектическая смесь (см. разд. 6.2), состоящая из 5%-ного раствора глинозема в расплавленном криолите. Эта смесь имеет температуру плавления 970 °С. Криолит представляет собой алюминиевую руду, которая имеет формулу Природный криолит добывают в Гренландии, однако большие количества этого вещества получают синтетически.

Стадия 2: Электролитическое восстановление глинозема. Электролиз проводится в электролизере Холла-Хирауля (Hall-Heroult) (рис. 15.3). Жидкий алюминий образуется на графитовом катоде и по мере накопления сливается из нижней части электролизера. Его чистота превышает 99%. Расплавленный криолит не расходуется в процессе электролиза, и поэтому в него по мере необходимости добавляют новые порции глинозема. На графитовом аноде образуется кислород, что приводит к постепенному сгоранию анода с образованием оксида углерода и небольшого количества диоксида углерода. Каждые 20 дней анод приходится заменять новым.

Электродные реакции описываются уравнениями:

В этом процессе потребляется большое количество электрической энергии. В нем используется постоянный ток силой более 100000 А при напряжении порядка 5 В. Для получения 1 т алюминия расходуется 13-17 тысяч киловатт-часов энергии. Такой процесс экономически оправдан только при наличии дешевой электроэнергии, например от гидроэлектростанции. Другой проблемой, которая возникает в связи с его проведением, является загрязнение фтором окружающей среды вблизи алюминиевых заводов из-за потерь криолита.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

История

Само название металла «Алюминий» произошло от латинского «aluminium», которое в свою очередь произошло от латинского слова «alumen». Так в древности назвали квасцы, представляющие собой сульфат калия и алюминия, химическая формула которых имеет вид KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O. Эти квасцы долгое время использовались в качестве вспомогательного средства для выделки и обработки кожи, а также в качестве вяжущего средства.

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

Алюминий как металл люди сумели получить лишь в 1825 году. Первооткрывателем в данной сфере стал датский ученый-физик Х. К. Эрстед. Он обработал сплавом калия и ртути (в химии данная смесь называется амальгамой натрия) вещество AlCl 3 , т.е. хлорид алюминия. Такое вещество можно было получить из обыкновенного глинозема. По завершении эксперимента Эрстед просто осуществил отгонку ртути, после чего удалось выделить порошок алюминия, имеющий серый оттенок.

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

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

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

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

Нахождение в природе

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

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

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

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

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

Исключительно редко встречается очень твердый минерал корунд, уступающий по твердости лишь алмазу. Минерал представляет собой кристаллический оксид, имеет химическую формулу Al 2 O 3 , часто он бывает окрашен за счет примесей других элементов в различные цвета. Существует синяя разновидность данного минерала, которая получила свою окраску по причине наличия примесей железа и титана, это всем известный драгоценный камень сапфир. Корунд с красной примесью называют рубином, он получил такой цвет за счет примеси хрома. Различные примеси могут окрасить так называемый благородный минерал корунд и в другие цвета, среди которых зеленый, желтый, фиолетовый, оранжевый, а также другие самые разные цвета и оттенки.

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

Применение

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

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

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

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

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

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

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

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

Производство

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

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

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

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

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

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

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

Физические свойства

С точки зрения общих физических свойств алюминий представляет собой типичный металл. Его кристаллическая решетка является кубической, гранецентрированной. Параметр металла а равен 0,40403 нм. Температура плавления алюминия в чистом виде составляет 660 градусов по Цельсию, температура кипения металла равна 2450 градусам по Цельсию, плотность вещества составляет 2,6989 грамм на метр кубический. У рассматриваемого металла температурный коэффициент линейного расширения равен примерно 2,5·10 -5 К -1 . Алюминий обладает стандартным электронным потенциалом, который можно представить как Al 3+ /Al-1,663В.

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

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

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

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

Кроме всего прочего алюминий имеет очень низкую подверженность коррозийным воздействиям внешней среды.
Алюминий и его сплавы по способу получения можно разделить на три вида:

• - деформируемые;
• - подвергаемые обработке давлением;
• - литейные, которые используются в виде фасонного литья.

Сплавы алюминия можно разделить и по применению термообработки:

• - термически не упрочняемые;
• - термически упрочняемые.

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

Химические свойства

Алюминий - довольно активный металл. Антикоррозийные свойства алюминия обусловлены тем, что на воздухе он покрывается толстой оксидной пленкой Al 2 О 3 , препятствующей дальнейшему проникновению кислорода. Пленка также образуется, если металл поместить в концентрат азотной кислоты.

Степень окисления, характерная алюминию равна +3. Но алюминий способен образовывать и донорно-акцепторные связи за счет незаполненных 3d- и 3р-орбиталей. Именно поэтому такой ион, как Al3+ склонен к комплексообразованию, и образует анионные и катионные комплексы: AlF 6 3- , AlCl 4 - , Al(OH) 4 - ,Al(OH) 6 3- и многие другие. Существуют и комплексы с органическими соединениями.

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

Благодаря своей плотной связи с кислородом, алюминий может буквально «отнимать» кислород у оксидов других металлов. Например, термитная смесь. При ее горении выделяется так много тепла, что при этом полученное железо начинает плавиться 8Al + 3Fe 3 O 4 -> 4Al 2 O 3 + 9Fe. Данным методом восстанавливаются до металлов CoO, Fe 2 O 3 , NiO, V 2 O 5 , MoO 3 и ряд других оксидов. Однако при алюминотермии оксидов Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 теплоты реакции не хватает для достижения температуры плавления продуктов реакции.

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

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

Алюминий вступает в бурную реакцию с галогенами. Если в 1 мл брома поместить тонкую проволоку из алюминия, она через какое-то время ярко загорится. Если смешать порошки алюминия и йода, реакцию можно инициировать каплей воды, после чего можно заметить яркое пламя и фиолетовый дым от йода. Галогены алюминия всегда имеют кислую реакцию AlCl 3 + H 2 O -> Al(OH)Cl 2 + HCl, что обусловлено гидролизом.

С азотом алюминий вступает в реакцию лишь при температуре 800°С, при этом образуется нитрид AlN, с фосфором при температуре 500° С, при этом образуется фосфид AlP. С серой реакция начинается при достижении 200°С, при этом образуется сульфид Al 2 S 3 . Бориды AlB 2 и AlB 12 образуются при добавлении бора в расплавленный алюминий.

В земной коре алюминия очень много: 8,6% по массе. Он занимает первое место среди всех металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых! Как писал более 100 лет назад в своем классическом учебнике Основы химии Д.И.Менделеев , из всех металлов «алюминий есть самый распространенный в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине».

Важнейший минерал алюминия – боксит, смесь основного оксида AlO(OH) и гидроксида Al(OH) 3 . Крупнейшие месторождения боксита находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; промышленная добыча ведется и в других странах. Богаты алюминием также алунит (квасцовый камень) (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH) 3 , нефелин (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 . Всего же известно более 250 минералов, в состав которых входит алюминий; большинство из них – алюмосиликаты, из которых и образована в основном земная кора. При их выветривании образуется глина, основу которой составляет минерал каолинит Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина – каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.

Изредка встречается исключительно твердый (уступает лишь алмазу) минерал корунд – кристаллический оксид Al 2 O 3 , часто окрашенный примесями в разные цвета. Его синяя разновидность (примесь титана и железа) называется сапфиром, красная (примесь хрома) – рубином. Разные примеси могут окрашивать так называемый благородный корунд также в зеленый, желтый, оранжевый, фиолетовый и другие цвета и оттенки.

Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978 в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий – в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. Известно, что при нагревании галогенидов алюминия – хлорида, бромида, фторида они могут с большей или меньшей легкостью испаряться (так, AlCl 3 возгоняется уже при 180° C). При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть – восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.

Название алюминия происходит от латинского alumen (род. падеж aluminis). Так называли квасцы, двойной сульфат калия-алюминия KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O), которые использовали как протраву при крашении тканей. Латинское название, вероятно, восходит к греческому «халмэ» – рассол, соляной раствор. Любопытно, что в Англии алюминий – это aluminium, а в США – aluminum.

Во многих популярных книгах по химии приводится легенда о том, что некий изобретатель, имя которого история не сохранила, принес императору Тиберию, правившему Римом в 14–27 н.э., чашу из металла, напоминающего цветом серебро, но более легкого. Этот подарок стоил жизни мастеру: Тиберий приказал казнить его, а мастерскую уничтожить, поскольку боялся, что новый металл может обесценить серебро в императорской сокровищнице.

Эта легенда основана на рассказе Плиния Старшего , римского писателя и ученого, автора Естественной истории – энциклопедии естественнонаучных знаний античных времен. Согласно Плинию, новый металл был получен из «глинистой земли». А ведь глина действительно содержит алюминий.

Современные авторы почти всегда делают оговорку, что вся эта история – не более чем красивая сказка. И это не удивительно: алюминий в горных породах чрезвычайно прочно связан с кислородом, и для его выделения необходимо затратить очень много энергии. Однако в последнее время появились новые данные о принципиальной возможности получения металлического алюминия в древности. Как показал спектральный анализ, украшения на гробнице китайского полководца Чжоу-Чжу, умершего в начале III в. н.э., сделаны из сплава, на 85% состоящего из алюминия. Могли ли древние получить свободный алюминий? Все известные способы (электролиз, восстановление металлическим натрием или калием) отпадают автоматически. Могли ли в древности найти самородный алюминий, как, например, самородки золота, серебра, меди? Это тоже исключено: самородный алюминий – редчайший минерал, который встречается в ничтожных количествах, так что древние мастера никак не могли найти и собрать в нужном количестве такие самородки.

Однако возможно и другое объяснение рассказа Плиния. Алюминий можно восстановить из руд не только с помощью электричества и щелочных металлов. Существует доступный и широко используемый с древних времен восстановитель – это уголь, с помощью которого оксиды многих металлов при нагревании восстанавливаются до свободных металлов. В конце 1970-х немецкие химики решили проверить, могли ли в древности получить алюминий восстановлением углем. Они нагрели в глиняном тигле до красного каления смесь глины с угольным порошком и поваренной солью или поташом (карбонатом калия). Соль была получена из морской воды, а поташ – из золы растений, чтобы использовать только те вещества и методы, которые были доступны в древности. Через некоторое время на поверхности тигля всплыл шлак с шариками алюминия! Выход металла был мал, но не исключено, что именно этим путем древние металлурги могли получить «металл 20 века».

Свойства алюминия.

По цвету чистый алюминий напоминает серебро, это очень легкий металл: его плотность всего 2,7 г/см 3 . Легче алюминия только щелочные и щелочноземельные металлы (кроме бария), бериллий и магний. Плавится алюминий тоже легко – при 600° С (тонкую алюминиевую проволоку можно расплавить на обычной кухонной конфорке), зато кипит лишь при 2452° С. По электропроводности алюминий – на 4-м месте, уступая лишь серебру (оно на первом месте), меди и золоту, что при дешевизне алюминия имеет огромное практическое значение. В таком же порядке изменяется и теплопроводность металлов. В высокой теплопроводности алюминия легко убедиться, опустив алюминиевую ложечку в горячий чай. И еще одно замечательное свойство у этого металла: его ровная блестящая поверхность прекрасно отражает свет: от 80 до 93% в видимой области спектра в зависимости от длины волны. В ультрафиолетовой области алюминию в этом отношении вообще нет равных, и лишь в красной области он немного уступает серебру (в ультрафиолете серебро имеет очень низкую отражательную способность).

Чистый алюминий – довольно мягкий металл – почти втрое мягче меди, поэтому даже сравнительно толстые алюминиевые пластинки и стержни легко согнуть, но когда алюминий образует сплавы (их известно огромное множество), его твердость может возрасти в десятки раз.

Характерная степень окисления алюминия +3, но благодаря наличию незаполненных 3р - и 3d -орбиталей атомы алюминия могут образовывать дополнительные донорно-акцепторные связи. Поэтому ион Al 3+ с небольшим радиусом весьма склонен к комплексообразованию, образуя разнообразные катионные и анионные комплексы: AlCl 4 – , AlF 6 3– , 3+ , Al(OH) 4 – , Al(OH) 6 3– , AlH 4 – и многие другие. Известны комплексы и с органическими соединениями.

Химическая активность алюминия весьма высока; в ряду электродных потенциалов он стоит сразу за магнием. На первый взгляд такое утверждение может показаться странным: ведь алюминиевая кастрюля или ложка вполне устойчивы на воздухе, не разрушаются и в кипящей воде. Алюминий, в отличие от железа, не ржавеет. Оказывается, на воздухе металл покрывается бесцветной тонкой, но прочной «броней» из оксида, которая защищает металл от окисления. Так, если внести в пламя горелки толстую алюминиевую проволоку или пластинку толщиной 0,5–1 мм, то металл плавится, но алюминий не течет, так как остается в мешочке из его оксида. Если лишить алюминий защитной пленки или сделать ее рыхлой (например, погружением в раствор ртутных солей), алюминий тут же проявит свою истинную сущность: уже при комнатной температуре начнет энергично реагировать с водой с выделением водорода: 2Al + 6H 2 O ® 2Al(OH) 3 + 3H 2 . На воздухе лишенный защитной пленки алюминий прямо на глазах превращается в рыхлый порошок оксида: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 . Особенно активен алюминий в мелкораздробленном состоянии; алюминиевая пыль при вдувании в пламя моментально сгорает. Если смешать на керамической пластинке алюминиевую пыль с пероксидом натрия и капнуть на смесь водой, алюминий также вспыхивает и сгорает белым пламенем.

Очень высокое сродство алюминия к кислороду позволяет ему «отнимать» кислород от оксидов ряда других металлов, восстанавливая их (метод алюминотермии). Самый известный пример – термитная смесь, при горении которой выделяется так много тепла, что полученное железо расплавляется: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Эта реакция была открыта в 1856 Н.Н.Бекетовым. Таким способом можно восстановить до металлов Fe 2 O 3 , CoO, NiO, MoO 3 , V 2 O 5 , SnO 2 , CuO, ряд других оксидов. При восстановлении же алюминием Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 теплоты реакции недостаточно для нагрева продуктов реакции выше их температуры плавления.

Алюминий легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах с образованием солей. Концентрированная азотная кислота, окисляя поверхность алюминия, способствует утолщению и упрочнению оксидной пленки (так называемая пассивация металла). Обработанный таким образом алюминий не реагирует даже с соляной кислотой. С помощью электрохимического анодного окисления (анодирования) на поверхности алюминия можно создать толстую пленку, которую нетрудно окрасить в разные цвета.

Вытеснение алюминием из растворов солей менее активных металлов часто затруднено защитной пленкой на поверхности алюминия. Эта пленка быстро разрушается хлоридом меди, поэтому легко идет реакция 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu, которая сопровождается сильным разогревом. В крепких растворах щелочей алюминий легко растворяется с выделением водорода: 2Al + 6NaOH + 6Н 2 О ® 2Na 3 + 3H 2 (образуются и другие анионные гидроксо-комплексы). Амфотерный характер соединений алюминия проявляется также в легком растворении в щелочах его свежеосажденного оксида и гидроксида. Кристаллический оксид (корунд) весьма устойчив к действию кислот и щелочей. При сплавлении со щелочами образуются безводные алюминаты: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. Алюминат магния Mg(AlO 2) 2 – полудрагоценный камень шпинель, обычно окрашенный примесями в самые разнообразные цвета.

Бурно протекает реакция алюминия с галогенами. Если в пробирку с 1 мл брома внести тонкую алюминиевую проволоку, то через короткое время алюминий загорается и горит ярким пламенем. Реакция смеси порошков алюминия и иода инициируется каплей воды (вода с иодом образует кислоту, которая разрушает оксидную пленку), после чего появляется яркое пламя с клубами фиолетовых паров иода. Галогениды алюминия в водных растворах имеют кислую реакцию из-за гидролиза: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Реакция алюминия с азотом идет только выше 800° С с образованием нитрида AlN, с серой – при 200° С (образуется сульфид Al 2 S 3), с фосфором – при 500° С (образуется фосфид AlP). При внесении в расплавленный алюминий бора образуются бориды состава AlB 2 и AlB 12 – тугоплавкие соединения, устойчивые к действию кислот. Гидрид (AlH) х (х = 1,2) образуется только в вакууме при низких температурах в реакции атомарного водорода с парами алюминия. Устойчивый в отсутствие влаги при комнатной температуре гидрид AlH 3 получают в растворе безводного эфира: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. При избытке LiH образуется солеобразный алюмогидрид лития LiAlH 4 – очень сильный восстановитель, применяющийся в органических синтезах. Водой он мгновенно разлагается: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al(OH) 3 + 4H 2 .

Получение алюминия.

Документально зафиксированное открытие алюминия произошло в 1825. Впервые этот металл получил датский физик Ганс Христиан Эрстед , когда выделил его при действии амальгамы калия на безводный хлорид алюминия (полученный при пропускании хлора через раскаленную смесь оксида алюминия с углем). Отогнав ртуть, Эрстед получил алюминий, правда, загрязненный примесями. В 1827 немецкий химик Фридрих Вёлер получил алюминий в виде порошка восстановлением гексафторалюмината калием:

Na 3 AlF 6 + 3K ® Al + 3NaF + 3KF. Позднее ему удалось получить алюминий в виде блестящих металлических шариков. В 1854 французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девилль разработал первый промышленный способ получения алюминия – восстановлением расплава тетрахлоралюминиата натрием: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Тем не менее, алюминий продолжал оставаться чрезвычайно редким и дорогим металлом; он стоил ненамного дешевле золота и в 1500 раз дороже железа (сейчас – только втрое). Из золота, алюминия и драгоценных камней была сделана в 1850-х погремушка для сына французского императора Наполеона III . Когда в 1855 на Всемирной выставке в Париже был выставлен большой слиток алюминия, полученный новым способом, на него смотрели, как на драгоценность. Из драгоценного алюминия сделали верхнюю часть (в виде пирамидки) памятника Вашингтону в столице США. В то время алюминий был ненамного дешевле серебра: в США, например, в 1856 он продавался по цене 12 долл. за фунт (454 г), а серебро – по 15 долл. В изданном в 1890 1-м томе знаменитого Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона говорилось, что «алюминий до сих пор служит преимущественно для выделки... предметов роскоши». К тому времени во всем мире ежегодно добывалось всего 2,5 т. металла. Лишь к концу 19 в., когда был разработан электролитический способ получения алюминия, его ежегодное производство начало исчисляться тысячами тонн, а в 20 в. – млн. тонн. Это сделало алюминий из полудрагоценного широко доступным металлом.

Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарлзом Мартином Холлом . Химией он увлекся еще в детстве. Найдя старый учебник химии своего отца, он начал усердно штудировать его, а также ставить опыты, однажды даже получил нагоняй от матери за порчу обеденной скатерти. А спустя 10 лет он сделал выдающееся открытие, прославившее его на весь мир.

Став в 16 лет студентом, Холл услышал от своего преподавателя, Ф.Ф.Джуэтта, что если кому-нибудь удастся разработать дешевый способ получения алюминия, то этот человек не только окажет огромную услугу человечеству, но и заработает огромное состояние. Джуэтт знал, что говорил: ранее он стажировался в Германии, работал у Вёлера, обсуждал с ним проблемы получения алюминия. С собой в Америку Джуэтт привез и образец редкого металла, который показал ученикам. Неожиданно Холл заявил во всеуслышание: «Я получу этот металл!»

Шесть лет продолжалась упорная работа. Холл пытался получать алюминий разными методами, но безуспешно. Наконец, он попробовал извлечь этот металл электролизом. В то время электростанций не было, ток приходилось получать с помощью больших самодельных батарей из угля, цинка, азотной и серной кислот. Холл работал в сарае, где устроил маленькую лабораторию. Ему помогала сестра Джулия, которая очень интересовалась опытами брата. Она сохранила все его письма и рабочие журналы, которые позволяют буквально по дням проследить историю открытия. Вот выдержка из ее воспоминаний:

«Чарлз всегда был в хорошем настроении, и даже в самые плохие дни был способен посмеяться над судьбой незадачливых изобретателей. В часы неудач он находил утешение за нашим стареньким пианино. В своей домашней лаборатории он работал по-многу часов без перерыва; а когда он мог ненадолго оставить установку, то мчался через весь наш длинный дом, чтобы немного поиграть... Я знала, что, играя с таким обаянием и чувством, он постоянно думает о своей работе. И музыка ему в этом помогала.»

Самым трудным было подобрать электролит и защитить алюминий от окисления. Через шесть месяцев изнурительного труда в тигле, наконец, появилось несколько маленьких серебристых шариков. Холл немедленно побежал к своему бывшему преподавателю, чтобы рассказать об успехе. «Профессор, я получил его!», – воскликнул он, протягивая руку: на ладони лежал десяток маленьких алюминиевых шариков. Это произошло 23 февраля 1886. А спустя ровно два месяца, 23 апреля того же года, француз Поль Эру взял патент на аналогичное изобретение, которое он сделал независимо и почти одновременно (поразительны и два других совпадения: и Холл, и Эру родились в 1863 и умерли в 1914).

Сейчас первые шарики алюминия, полученные Холлом, хранятся в Американской Алюминиевой компании в Питтсбурге как национальная реликвия, а в его колледже стоит памятник Холлу, отлитый из алюминия. Впоследствии Джуэтт писал: «Моим самым важным открытием было открытие человека. Это был Чарлз М.Холл, который в возрасте 21 года открыл способ восстановления алюминия из руды, и таким образом сделал алюминий тем замечательным металлом, которым теперь широко пользуются во всем мире». Пророчество Джуэтта сбылось: Холл получил широкое признание, стал почетным членом многих научных обществ. Но личная жизнь ему не удалась: невеста не хотела смириться с тем, что ее жених все время проводит в лаборатории, и расторгла помолвку. Холл нашел утешение в родном колледже, где он проработал до конца жизни. Как писал брат Чарлза, «колледж был для него и женой, и детьми, и всем остальным – всю его жизнь». Колледжу Холл завещал и б?льшую часть своего наследства – 5 млн. долл. Умер Холл от лейкемии в возрасте 51 года.

Метод Холла позволил получать с помощью электричества сравнительно недорогой алюминий в больших масштабах. Если с 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, то за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28 000 т этого металла! К 1930 мировое ежегодное производство алюминия достигло 300 тыс. тонн. Сейчас же ежегодно получают более 15 млн. т. алюминия. В специальных ваннах при температуре 960–970° С подвергают электролизу раствор глинозема (технический Al 2 O 3) в расплавленном криолите Na 3 AlF 6 , который частично добывают в виде минерала, а частично специально синтезируют. Жидкий алюминий накапливается на дне ванны (катод), кислород выделяется на угольных анодах, которые постепенно обгорают. При низком напряжении (около 4,5 В) электролизеры потребляют огромные токи – до 250 000 А! За сутки один электролизер дает около тонны алюминия. Производство требует больших затрат электроэнергии: на получение 1 тонны металла затрачивается 15000 киловатт-часов электроэнергии. Такое количество электричества потребляет большой 150-квартирный дом в течение целого месяца. Производство алюминия экологически опасно, так как атмосферный воздух загрязняется летучими соединениями фтора.

Применение алюминия.

Еще Д.И.Менделеев писал, что «металлический алюминий, обладая большою легкостью и прочностью и малою изменчивостью на воздухе, очень пригоден для некоторых изделий». Алюминий – один из самых распространенных и дешевых металлов. Без него трудно представить себе современную жизнь. Недаром алюминий называют металлом 20 века. Он хорошо поддается обработке: ковке, штамповке, прокату, волочению, прессованию. Чистый алюминий – довольно мягкий металл; из него делают электрические провода, детали конструкций, фольгу для пищевых продуктов, кухонную утварь и «серебряную» краску. Этот красивый и легкий металл широко используют в строительстве и авиационной технике. Алюминий очень хорошо отражает свет. Поэтому его используют для изготовления зеркал – методом напыления металла в вакууме.

В авиа- и машиностроении, при изготовлении строительных конструкций, используют значительно более твердые сплавы алюминия. Один из самых известных – сплав алюминия с медью и магнием (дуралюмин, или просто «дюраль»; название происходит от немецкого города Дюрена). Этот сплав после закалки приобретает особую твёрдость и становится примерно в 7 раз прочнее чистого алюминия. В то же время он почти втрое легче железа. Его получают, сплавляя алюминий с небольшими добавками меди, магния, марганца, кремния и железа. Широко распространены силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием. Производятся также высокопрочные, криогенные (устойчивые к морозам) и жаропрочные сплавы. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Легкость и прочность алюминиевых сплавов особенно пригодились в авиационной технике. Например, из сплава алюминия, магния и кремния делают винты вертолетов. Сравнительно дешевая алюминиевая бронза (до 11% Al) обладает высокими механическими свойствами, она устойчива в морской воде и даже в разбавленной соляной кислоте. Из алюминиевой бронзы в СССР с 1926 по 1957 чеканились монеты достоинством 1, 2, 3 и 5 копеек.

В настоящее время четвертая часть всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% – в электротехнике.

Алюминий содержат также многие горючие и взрывчатые смеси. Алюмотол, литая смесь тринитротолуола с порошком алюминия, – одно из самых мощных промышленных взрывчатых веществ. Аммонал – взрывчатое вещество, состоящее из аммиачной селитры, тринитротолуола и порошка алюминия. Зажигательные составы содержат алюминий и окислитель – нитрат, перхлорат. Пиротехнические составы «Звездочки» также содержат порошкообразный алюминий.

Смесь порошка алюминия с оксидами металлов (термит) применяют для получения некоторых металлов и сплавов, для сварки рельсов, в зажигательных боеприпасах.

Алюминий нашел также практическое применение в качестве ракетного топлива. Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сгорании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Идею использования алюминия в качестве горючего еще в 1924 предложил отечественный ученый и изобретатель Ф.А.Цандер. По его замыслу можно использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время твердых ракетных топлив содержат металлический алюминий в виде тонкоизмельченного порошка. Добавление 15% алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя – главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия.

Широкое применение находят и соединения алюминия. Оксид алюминия – огнеупорный и абразивный (наждак) материал, сырье для получения керамики. Из него также делают лазерные материалы, подшипники для часов, ювелирные камни (искусственные рубины). Прокаленный оксид алюминия – адсорбент для очистки газов и жидкостей и катализатор ряда органических реакций. Безводный хлорид алюминия – катализатор в органическом синтезе (реакция Фриделя – Крафтса), исходное вещество для получения алюминия высокой чистоты. Сульфат алюминия применяют для очистки воды; реагируя с содержащимся в ней гидрокарбонатом кальция:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O, он образует хлопья оксида-гидроксида, которые, оседая, захватывают, а также сорбируют на поверхности находящиеся в воде взвешенные примеси и даже микроорганизмы. Кроме того, сульфат алюминия применяют как протраву при крашении тканей, для дубления кожи, консервирования древесины, проклеивания бумаги. Алюминат кальция – компонент вяжущих материалов, в том числе портландцемента. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) YAlO 3 – лазерный материал. Нитрид алюминия – огнеупорный материал для электропечей. Синтетические цеолиты (они относятся к алюмосиликатам) – адсорбенты в хроматографии и катализаторы. Алюминийорганические соединения (например, триэтилалюминий) – компоненты катализаторов Циглера – Натты, которые используются для синтеза полимеров, в том числе синтетического каучука высокого качества.

Илья Леенсон

Литература:

Тихонов В.Н. Аналитическая химия алюминия . М., «Наука», 1971
Популярная библиотека химических элементов . М., «Наука», 1983
Craig N.C. Charles Martin Hall and his Metall. J.Chem.Educ . 1986, vol. 63, № 7
Kumar V., Milewski L. Charles Martin Hall and the Great Aluminium Revolution . J.Chem.Educ., 1987, vol. 64, № 8