Алюминий – общая характеристика элемента, химические свойства

История открытия

В 16 веке знаменитый Парацельс сделал первый шаг к добыче алюминия. Из квасцов он выделил «квасцовую землю», которая содержала оксид неизвестного тогда металла. В 18 веке к этому эксперименту вернулся немецкий химик Андреас Маргграф. Оксид алюминия он назвал «alumina», что на латинском языке означает «вяжущий». На тот момент металл не пользовался популярностью, так как не был найден в чистом виде.
Долгие годы выделить чистый алюминий пытались английские, датские и немецкие учёные. В 1855 году в Париже на Всемирной выставке металл алюминий произвёл фурор. Из него делали только предметы роскоши и ювелирные украшения, так как металл был достаточно дорогим. В конце 19 века появился более современный и дешёвый метод получения алюминия. В 1911 году в Дюрене выпустили первую партию дюралюминия, названного в честь города. В 1919 из этого материала был создан первый самолёт.

Распространенность в природе

По степени распространенности в земле алюминий занимает лидирующую позицию среди всех металлов и третью между элементами периодической таблицы. По исследованиям разных ученых его концентрация в почве колеблется от 7,4 до 8,1%. Молярная масса атома — 26,9815386 г/моль. У вещества высокая химическая активность, поэтому чаще всего оно встречается в виде соединений.

К природным минералам алюминия относятся:

• хризоберилл или александрит;
• бокситы;
• берилл, аквамарин, изумруд;
• нефелины;
• каолинит;
• алуниты;
• полевые шпаты;
• глиноземы — смесь каолинов с песком, магнезитом или известняком.

Но в специфических условиях — жерлах вулканов, например, есть незначительное количество самородного металла белого цвета. Содержат его и природные воды, но вещество приобретает вид малотоксичных соединений. Тип аниона или катиона зависит только от кислотности окружающей среды.

В составе алюминия есть радиоактивные изотопы, которые распадаются за 720 000 лет. Образуются они при расщеплении высокоэнергичными космическими лучами ядер аргона.

Строение атома

Алюминий – это 13 элемент периодической таблицы. Он находится в третьем периоде, III группе, главной подгруппе.

Свойства и применение алюминия связаны с его электронным строением. Атом алюминия имеет положительно заряженное ядро (+13) и 13 отрицательно заряженных электронов, располагающихся на трёх энергетических уровнях. Электронная конфигурация атома – 1s22s22p63s23p1.

На внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с веществами алюминий переходит в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и другие активные металлы, алюминий является мощным восстановителем.

Рис. 1. Строение атома алюминия.

Алюминий – амфотерный металл, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. В зависимости от условий соединения проявляют кислотные или основные свойства.

Месторождения и методы добычи

Главное сырье для получения алюминия – бокситы. Их залежи сосредоточены в тропиках и субтропиках.

Россия богата нефелиновыми рудами, источник которых – север страны (Кольский полуостров и Кемеровская область).

Мировые запасы сырья исчисляются миллионами тонн.

Добыча ведется открытым либо закрытым способом.

Химические свойства

Алюминий — серебристо-белый легкий металл, технический состав плавится при температуре 658 градусов, чистый — при 660, а закипает он при 2518, 8. К физическим свойствам относится и пластичность. Она у вещества очень высокая: 35% и 50% у промышленного и природного сплава соответственно. Его можно раскатать до состояния фольги или тонкого листа.

Модуль Юнга у алюминия составляет 70 ГПа, коэффициент Пуассона — 0,34. Он отлично отражает свет, проводит тепло и электричество. Вещество может взаимодействовать практически со всеми металлами, образует сплавы с кремнием, магнием, медью.

В нормальных условиях алюминий покрыт прочной тонкой оксидной пленкой, поэтому на него не действуют обычные окислители. Но он реагирует на разбавленные серные растворы.

Металлу не опасна коррозия, благодаря чему он нашел широкое применение в промышленности.

Но если пленка разрушилась — ее могут повредить соли аммония, горячие щелочи или амальгамирование, то вещество превращается в восстановитель. Галий, олово и индий не дают ей образоваться, при этом поверхность металла нужно покрыть легкоплавкими эвтектиками.

Перечень того, с чем реагирует алюминий:

• кислородом;
• галогенами;
• неметаллами;
• водой и ее парами;
• щелочами;
• соляной, азотной и серной кислотами.

При реакции с кислородом образуется оксид алюминия, его формула — 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Фторид вещества: 2Al + 3F2 = 2AlF3. Сульфид образуется при взаимодействии с серой: 2Al + 3S = Al2S3, 2Al + N2 = 2AlN — это нитрид металла, 4Al + 3C = Al4C3 — карбид после реакции с углеродом.

Характерная степень окисления алюминия — плюс три, но его атомы могут образовывать дополнительные связи. При взаимодействии со щелочами образуется тетрагидроксоалюминат (или другие алюминаты): 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na (Al (OH)4) + 3H2. Металл можно растворить в разбавленной серной кислоте: 2Al + 3H2SO4 = Al2 (SO 4)3 + 3H2.

Интересна реакция алюминия с водой. Для нее необходимо удалить защитную пленку с помощью раствора горячей щелочи или амальгамы: 2Al + 6H2O = 2Al (OH3) + 3H2. При взаимодействии с окислителями происходит разложение вещества: 2Al + 6H2SO4 = Al2 (SO4)3 + 3SO2 + 6H2O — растворимые соли, уравнение реакций. Химические свойства алюминия включают восстановление металлов из оксидов, реакцию с парами воды.

Физическое описание

Алюминий обладает:

• лёгкостью (плотность 2,7 г/см3);
• серебристо-серым цветом;
• высокой электропроводностью;
• ковкостью;
• пластичностью;
• температурой плавления – 658°C;
• температурой кипения – 2518,8°C.

Из металла делают жестяные ёмкости, фольгу, проволоку, сплавы. Алюминий используют при изготовлении микросхем, зеркал, композитных материалов.

Рис. 2. Жестяные ёмкости.

Алюминий – парамагнетик. Металл притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля.

Получение

Алюминий находится на первом месте среди металлов и на третьем среди всех элементов по распространённости в земной коре. Приблизительно 8% массы земной коры составляет именно этот металл. Алюминий содержится в тканях животных и растений в качестве микроэлемента. В природе он встречается в связанном виде в форме горных пород, минералов.  Каменная оболочка земли, находящаяся в основе континентов, формируется именно алюмосиликатами и силикатами.

Алюмосиликаты – это минералы, образовавшиеся в результате вулканических процессов в соответствующих условиях высоких температур. При разрушении алюмосиликатов первичного происхождения (полевые шпаты) сформировались разнообразные вторичные породы с более высоким содержанием алюминия (алуниты, каолины, бокситы, нефелины). В состав вторичных пород алюминий входит в виде гидроокисей или гидросиликатов. Однако не каждая алюминийсодержащая порода может быть сырьём для глинозёма – продукта, из которого при помощи метода электролиза получают алюминий.

Наиболее часто алюминий получают из бокситов. Залежи этого минерала распространены в странах тропического и субтропического пояса. В России также применяются нефелиновые руды, месторождения которых располагаются в Кемеровской области и на Кольском полуострове. При добыче алюминия из нефелинов попутно также получают поташ, кальцинированную соду, цемент и удобрения.

В бокситах содержится 40-60% глинозёма. Также в составе имеются оксид железа, диоксид титана, кремнезём. Для выделения чистого глинозёма используют процесс Байера. В автоклаве руду нагревают с едким натром, охлаждают, отделяют от жидкости «красный шлам» (твёрдый осадок). После осаждают гидроокись алюминия из полученного раствора и прокаливают её для получения чистого глинозёма. Глинозём должен соответствовать высоким стандартам по чистоте и размеру частиц.

Из добытой и обогащённой руды извлекают глинозём (оксид алюминия). Затем методом электролиза глинозём превращают в алюминий. Заключительным этапом является восстановление процессом Холла-Эру. Процесс заключается в следующем: при электролизе раствора глинозёма в расплавленном криолите происходит выделение алюминия. Катодом служит дно электролизной ванны, а анодом – угольные бруски, находящиеся в криолите. Расплавленный алюминий осаждается под раствором криолита с 3-5% глинозёма. Температура процесса поднимается до 950°С, что намного превышает температуру плавления самого алюминия (660°С). Глубокую очистку алюминия проводят зонной плавкой или дистилляцией его через субфторид.

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:

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO4 + 6CO2 + 2H2O, 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) YAlO3 – 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.

Рассмотрим, как используют различные изделия из алюминия

Алюминиевая лента представляет собой тонкую алюминиевую полосу толщиной 0,3-2 мм, шириной 50-1250 мм, которая поставляется в рулонах. Используется лента в пищевой, лёгкой, холодильной промышленности для изготовления охлаждающих элементов и радиаторов.

Круглая алюминиевая проволока применяется для изготовления кабелей и проводов для электротехнических целей, а прямоугольная для обмоточных проводов.

Алюминиевые трубы отличаются долговечностью и стойкостью в условиях сельских и городских промышленных районов. Применяются они в отделочных работах, дорожном строительстве, конструкции автомобилей, самолётов и судов, производстве радиаторов, трубопроводов и бензобаков, монтаже систем отопления, магистральных трубопроводов, газопроводов, водопроводов.

Алюминиевые втулки характеризуются простотой в обработке, монтаже и эксплуатации. Используются они для концевого соединения металлических тросов.

Алюминиевый круг — это сплошной профиль круглого сечения. Используется это изделие для изготовления различных конструкций.

Алюминиевый пруток применяется для изготовления гаек, болтов, валов, крепежных элементов и шпинделей.
Около 3 мг алюминия каждый день поступает в организм человека с продуктами питания. Больше всего металла в овсянке, горохе, пшенице, рисе. Учёными установлено, что он способствует процессам регенерации, стимулирует развитие и рост тканей, оказывает влияние на активность пищеварительных желёз и ферментов.

Алюминиевая проволока

При использовании алюминиевой посуды в быту необходимо помнить, что хранить и нагревать в ней можно исключительно нейтральные жидкости. Если же в такой посуде готовить, к примеру, кислые щи, то алюминий поступит в еду, и она будет иметь неприятный «металлический» привкус.

Алюминий входит в состав лекарственных препаратов, используемых при заболеваниях почек и желудочно-кишечного тракта.

Отличия алюминиевых сплавов

Сплавы АД1 представляют собой технический алюминий, содержат до 0,7% примесей, среди которых главная роль принадлежит кремнию и железу. Они стойкие к воздействиям химических веществ. Подходят в качестве материалов для резервуаров, прокладок, шайб. АД31 склонен к упрочнению при термической обработке, содержит: Al, Mg, Si. Имеет высокую пластичность, не подвержен ржавчине. Из него получаются сложные по форме полуфабрикаты. Он прост в обработке, хорошо поддается окрашиванию. Из него получают профили, емкости для перевозки азотной кислоты, продуктов питания. Также он является материалом для фляг, консервных банок, пробок бутылок.

В сплаве В95, помимо Al, присутствует цинк, магний и медь. Самый прочный среди всех разновидностей, поэтому востребован в конструкциях с высокой нагрузкой. Из него выпускают плиты, ленты, профили. Под точечной нагрузкой склонен к коррозийному разрушению.

Д16 очень распространен, представляет алюминиевый сплав с медью и магнием. Его можно деформировать в холодном и горячем состоянии. Не предназначен для сваривания. Сплав Д16т – дюралюминий, востребованный в авиа и судостроении. В три раза легче стали, не подвержен микроскопической деформации. Хорошо обрабатывается на токарных станках. Буква Т обозначает, что он искусственно состаренный. В таком состоянии он очень прочный, не подвержен коррозийному влиянию.

Под обозначением АМГ следует понимать алюминиево-магниевые сплавы. Не упрочняются термической обработкой. Незаменимы в технологиях глубокой штамповки. Морозоустойчивы, пластичны. Цифры, следующие за буквенными обозначениями, указывают на количество магния.

Сплав А5 – первичный алюминий, из которого делают проволоку, фольгу, слитки.

АМЦ содержит алюминий и марганец. Пластичный, но малопрочный. Среди достоинств таких сплавов – стойкость к коррозии, способность без труда свариваться контактной, газовой, атомно-водородной сваркой. Склонны к деформации как в холодном, так и в горячем состоянии в пределах 320-470 ° C.

Предостережение

Алюминий не заложен изначально в биологические организмы. Но человек получает его микродозы ежедневно – с пищей.

Им богаты горох, пшеница, рис, овсяный «геркулес». Доказана польза алюминия как стимулятора регенерации, развития тканей, работы ЖКТ, ферментов.

Однако его переизбыток (откладывается в костях, мозге, печени, почках) чреват тяжелыми расстройствами нервной системы.

По стандартам РФ, в литре питьевой воды не должно быть более 0,2 мг алюминия.

Алюминиевой посудой пользоваться можно, но ограниченно. Безопасны готовка, подогрев, хранение продуктов с нейтральными характеристиками. Приготовление кислых блюд (щи, томат, компот) опасно. Алюминий поступит в еду, создавая избыточную дозу при попадании в организм, плюс «железный» привкус.

Ваша оценка?

Петр Иваныч

Возможно этот человек ответит на ваши вопросы

Задать вопрос