Алюминий — «серебро из глины»

Представить современную жизнь без этого металла невозможно. Упаковка таблеток, тара для напитков, начинка холодильника и многое другое – все это алюминий.

Алюминий металл

Что представляет собой

элемент алюминийАлюминий – это металл, элемент периодической системы Д. И. Менделеева №13. Простое вещество с формулой из одного символа – Al.

Международное обозначение – Al (Aluminium).

Структура решетки – куб, центрированный по граням.

Цвет изначально белый, но на воздухе создается серебристо-матовая пленка-оксид.

По классификации цветных металлов причислен к группе легких (вместе с титаном и магнием).

Алюминий – самый распространенный в земной коре среди металлов и третий среди химических элементов, вслед за кислородом и кремнием.

Как был открыт

Бокситы и глинозем известны людям веками. С алюминием как металлом они познакомились только к середине XIX века.

Мировой опыт

История открытия – это опыты ученых-одиночек:

  • Первую попытку предпринял Парацельс (XVI век). Он выделил из квасцов «квасцовую землю», содержащую оксид неизвестного металла (алюминия).
  • Два века спустя процесс повторил немецкий химик Андреас Маргграф. Тоже получил оксид металла, которому присвоил название alumina («вяжущий»).
  • Первые миллиграммы металла выделил датчанин Ганс Эрстед. Физик-практик выбрал исходником хлорид алюминия. Нагревая и воздействуя калийной амальгамой, получил чистый металл.
  • Чистый калий, а не амальгаму использовал Фридрих Велер. Восстановив металл (получилось несколько крупинок), описал его свойства.
  • Еще дальше пошел француз Сент-Клер Девиль. Он изготовил слиток металла, использовав метод Велера. Но вместо калия взял натрий. Девиль предъявил слиток публике на Всемирной выставке в Париже (1855 год), сотворив сенсацию. Спустя год получил металл методом электролиза. Такой успех объясним: ученого спонсировал сам Наполеон III, рассчитывавший приспособить металл для военных нужд.

Получение металла промышленными партиями – заслуга американца Чарльза Холла и француза Поля Эру. Независимо друг от друга они к 1886 году разработали методику расплава глинозема в криолите электролизом.

Металл в России

С глиноземом экспериментировали и русские ученые. Метод, предложенный К.И.Байером, стал классическим для алюминиевой промышленности мира.

Первый алюминиевый завод – Волховский – ввели в строй во времена СССР (1932 год).

Производство сырья исчислялось тысячами тонн. Эта отрасль была на особом счету: ее продукт обеспечивал обороноспособность государства.

Сегодня монополист по добыче и переработке сырья – компания «Русал» («Русский Алюминий»).

Новое «золото»

Первый алюминий был дороже золота:

  • Европейская знать использовала алюминиевые столовые приборы (гостям попроще выдавались серебряные или золотые). Моду задал своим указом император Франции Наполеон III.
  • Ювелиры изготавливали украшения класса люкс.
  • Бесценный подарок сделали англичане русскому гению Дмитрию Менделееву – весы с чашами из золота и алюминия.

Дешевый метод появился к началу ХХ века. В 1911 году во французском Дюрене выпустили первую партию металла. Его назвали в честь этого города. А алюминий перешел в разряд бижутерии.

История названия

Латинский термин восходит к корню alumen. Так назывались квасцы, издревле используемые лекарями.

В России металл именовали «серебром из глины», поскольку глинозем – главный компонент глины.

Металл в природе

7,4-8,1% земной коры – это алюминий. В природе представлен горными породами и минералами, формирующими земную кору.

Почти всегда это соединения алюминия:

  • Бокситы (оксиды с примесью кремния, кальция, железа).
  • Глиноземы (каолиново-песчаная либо известковая, магнезиальная смесь).
  • Нефелины (с калием).
  • Каолиниты.
  • Корунды.

В сегменте корундов соседствуют «суровый» наждак и ювелирные минералы: сапфир, рубин. Строение их решеток идентично.

«Алюминиевые» самоцветы: сапфир, рубин, изумруд, аквамарин, александрит.

Соединения алюминия найдены в воде рек, морей, океанов. В чистом виде – только в жерлах вулканов.

Месторождения и методы добычи

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

Добыча алюминия
Добыча алюминия

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.

Физико-химические характеристики

Для практических целей важны следующие свойства алюминия:

  • Теплопроводность (выше только у меди и серебра).
  • Легкость, пластичность.
  • Электропроводность (впереди только медь, золото и серебро).
  • Неуязвимость к коррозии. Это свойство обеспечивает прочная пленка-оксид, которой на воздухе покрывается металл. Дальше он не окисляется. Взаимодействие с металлами, кислотами, водой нулевое. При удалении пленки химическая активность восстанавливается.
  • Холодостойкость (на морозе не становится хрупким).
Свойства атома
Название, символ, номер Алюминий / Aluminium (Al), 13
Группа, период, блок 13, 3,
Атомная масса
(молярная масса)
26,9815386(8) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Ne] 3s2 3p1
Электроны по оболочкам 2, 8, 3
Радиус атома 143 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 121 ± 4 пм
Радиус Ван-дер-Ваальса 184 пм
Радиус иона 51 (+3e) пм
Электроотрицательность 1,61 (шкала Полинга)
Электродный потенциал −1,66 В
Степени окисления 0; +3
Энергия ионизации 1‑я: 577,5 (5,984) кДж/моль (эВ)

2‑я: 1816,7 (18,828) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Термодинамическая фаза Твёрдое вещество
Плотность (при н. у.) 2,6989 г/см³
Температура плавления 660 °C, 933,5 K
Температура кипения 2518,82 °C, 2792 K
Уд. теплота плавления 10,75 кДж/моль
Уд. теплота испарения 284,1 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 24,35 24,2 Дж/(K·моль)
Молярный объём 10,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическая гранецентрированая
Параметры решётки 4,050 Å
Температура Дебая 394 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 237 Вт/(м·К)
Скорость звука 5200 м/с
Номер CAS 7429-90-5

Наконец, с ним легко работается. Металл подходит для любого вида обработки (штамповка, волочение, ковка, прокат, полировка).

Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %
Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %

Способы получения

Бокситная руда – это глинозем (45-58%) плюс соединения железа, титана, кремнезем. Ее транспортируют на обогатительную фабрику.

Для очистки глинозема применяют процесс К.И.Байера:

  1. Руду загружают в автоклав, где нагревают с едким натром, охлаждают.
  2. Отделяют твердый осадок.
  3. Гидроокись осаждают, прокаливают.

На выходе получают оксид алюминия, то есть чистый глинозем. Его тестируют на калибровку и чистоту, затем превращают в алюминий.

Свойства алюминия делают невозможным применение классических для металлов способов восстановления.

металл алюминий

Сегодня металл высвобождают способом, придуманным в конце XIX века (метод Холла-Эру).

Изучается возможность производства металлического алюминия через частичное  восстановление. Образуется карбид алюминия, который разлагают при 1950°С. По расчетам, он рентабельнее классического.

Из нефелинов попутно получают кальцинированную соду, поташ, цемент, удобрения.

Алюминий vs медь

Эти металлы – соперники на рынке. У каждого свои достоинства и недостатки.

Главные конкурентные преимущества алюминия – легкость, пластичность, дешевизна (втрое по сравнению с медью).

Медь отличается более высокой тепло- и электропроводностью.

Где используется

Характеристики алюминия обусловили его применение во всех отраслях хозяйства – от ракетостроения до производства пищевой фольги.

Применения алюминия

По степени чистоты металла различают два вида: технический и высокой чистоты.

Промышленность

Металл используют как конструкционный материал и восстановитель.

Например, трубы из него долговечны, надежны. Кроме магистральных газо-, водопроводов, радиаторов отопления, это элементы бензобаков, автомобилей, самолетов, судов. Их используют декораторы и укладчики дорог.

использования алюминия

Металлургия

Металл применяется как базис для сплавов. В отличие от природных примесей, сплавы создаются людьми. Их искусственное происхождение обнуляет природные недостатки материала. Например, медь и магний повышают порог прочности.

Алюминиевых сплавов сотни, самые известные:

  • дюралюминий – плюс медь, магний;
  • силумин – плюс кремний.

Другие легирующие элементы – железо, никель.

Как мощный раскислитель задействован в производстве сталей. Благодаря ему исключена пористость отливок и слитков.

Им восстанавливают редкие металлы из их соединений.

Электротехника

Это оптимальный материал для ассортимента изделий:

  • Провода, кабели, тепловое оборудование.
  • Холодильные, другие криогенные системы.
  • Клапаны двигателей внутреннего сгорания, нефтяных платформ, турбин.

Алюминий заменяет затратный процесс цинкования.

Энергетика

Металл выступает универсальным вторичным энергоносителем для выработки тепла, производства водорода, электричества для электрохимических генераторов.

Применяется в теплообменниках, радиаторах охлаждения.

Строительство

Газообразующий агент, благодаря которому возможно получение пористого строительного материала.

Технологи работают над созданием пенистого алюминия – сверхлегкого, сверхпрочного материала нового поколения.

ВПК, авиация и космонавтика

Из алюминия сделан первый самолет (1919 год). Сегодня это сырье номер один в авиа- и ракетостроении. Он есть в корпусах самолетов, ракет, спутников.

Алюминий и его соединения – основа либо компонент топлива для ракет.

Дешевый легкий металл приспособили для производства автоматов, гранатометов, пистолетов, взрывчатки.

Другие отрасли

Металл популярен в «мирных» сегментах.

Пищевая промышленность

В пищепроме это упаковка продуктов питания, фольга для кулинарных целей (например, запекания в духовке).

фольга из алюминия

Алюминий – это пищевая добавка Е173.

Столовые приборы для общепита, армии (котелки, фляги), пенитенциарных заведений тоже алюминиевые.

Медицина

Алюмогель – основа препаратов при проблемах желудочно-кишечного тракта. Самые известные – Маалокс, Альмагель.

Ювелирное дело

Ювелиры любили алюминий: его легко обрабатывать, а пленка на поверхности придает сходства с благородной патиной.

Но эти времена прошли. Сегодня металл в почете только у японцев. Мастера выполняют традиционные украшения для причесок, одежды. Они проходят как бижутерия, заменяя элитарное серебро.

Мода прихотлива: сегодня появились украшения класса люкс из бетона как оправы. Так что всплеск популярности ювелирного алюминия не исключен.

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.

Цены

На 2021 год стоимость тонны сырья на мировых рынках превышает $2000. За последние три года она колебалась, достигая максимума ($2300, май 2018) и минимума (в коронакризисс — $1500, апрель 2020 года).

Рейтинг автора
Автор статьи
Петрова Вероника Александровна
Мне 36 и я специалист в области минералогии. Сейчас я в декрете и всё свободное время посвящаю самоцветам. В этом блоге я делюсь информацией про камни и их свойства — присоединяйтесь, задавайте вопросы и пишите комментарии!
Написано статей
410
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:


Adblock
detector