Алюминий является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 13 и условным обозначением Al. Алюминий при нормальных условиях в чистом виде представляет собой мягкий немагнитный пластичный серебристо-белый металл.
Открытие
История алюминия сформировалась благодаря использованию квасцов. Первое письменное упоминание о квасцах, сделанное греческим историком Геродотом, относится к V веку до нашей эры. Известно, что древние греки использовали квасцы в качестве протравы для окрашивания и для защиты города. После крестовых походов квасцы стали незаменимым товаром в европейской тканевой промышленности и предметом международной торговли. Он был импортирован в Европу из восточного Средиземноморья еще до середины 15 века.
В 1782 году Лавуазье первым предпрложил, что квасцы представляют собой оксид ранее неизвестного химического элемента. Датскому химику Гансу Христиану Эрстеду наконец удалось получить образец в 1825 году путем реакции хлорида алюминия (AlCl3) с амальгамой калия, причем калий служил восстановителем:
4AlCl3 + 3K → Al + 3KAlCl4
Этот процесс не позволял получить достаточные объемы для удовлетворения коммерческого спроса. На выходе получалось слишком малое количество алюминия, из-за чего его цена превышала цену золота.
Только в 1889 году Карл Йозеф Байер разработал названный в его честь процесс Байера для выделения чистого оксида алюминия из бокситов. Этот метод позволил удовлетворить коммерческий спрос и многие производители до сих пор используют данный принцип.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 660,2 ° С |
| Точка кипения | 2470 °С |
| Плотность при Н.У. | 2,6989 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 2,75 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 10,7 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 284,1 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 24,2 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 10 · 10 -6 м 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 13 |
| Атомная масса | 26.9815 |
| Электронная конфигурация | 3s²3p¹ |
| Радиус атома | 125 пм |
| Ковалентный радиус | 121 пм |
| Степени окисления | 0, +3 |
| Радиус иона | 51 пм |
| Электроотрицательность | 1.61 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 577,5 кДж/моль |
| Изотопы | ²⁵Al; ²⁶Al; ²⁷Al; ²⁸Al; ²⁹Al |
Интересное:
Добыча и производство
Алюминий является металлом, ежегодное производство которого превышает 50 милллионов тонн. Лидерами по добыче алюминия являются Китай(30 млн тонн), Индия (3,5 млн тонн), Россия (3 млн тонн) и Канада (2.5 млн тонн). Главной коммерческой рудой для производства данного химического элемента является боксит, который содержит в своем составе от 30 до 60% оксида алюминия (Al2O3).
Чистый алюминий наиболее часто получают с помощью так называемого процесса Байера, которому уже более 100 лет. Процесс Байера заключается в том, что смесь оксида алюминия и гидроксида алюминия, содержащаяся в бокситной руде, сначала переваривается каустической содой чтобы освободить ее от посторонних компонентов, таких как оксид железа и кремния, а затем используется в системах с псевдоожиженным слоем во вращающихся печах, которые впоследствие сгорают до достаточно чистого оксида алюминия (Al2O3).
Металлический алюминий производят на специализированных заводах плавильным электролизом оксида алюминия по криолито-глиноземному процессу, который известен как процесс Холла-Эру. Для снижения температуры плавления оксид алюминия плавят вместе с криолитом. Во время электролиза на катоде, который образует дно сосуда, скапливается жидкий алюминий, а на аноде образуется кислород, который реагирует химически с углеродом на аноде с образованием диоксида углерода и монооксида углерода. Графитовые блоки, образующие анод, сгорают медленно и время от времени заменяются. Графитовый катод, который представляет собой дно сосуда, инертен по отношению к алюминию. Жидкий алюминий, скапливающийся внизу, высасывается с помощью всасывающей трубы и после остывания получается чистый химический элемент.
Интересное:
Применение
Применение такого химического элемента как алюминий очень разнообразно. Его использование напрямую зависит от чистоты, которая делится на три вида:
- чистота до 92%;
- чистота от 92% до 99,9%;
- чистота 99,9%.
Основными областями применения металлического алюминия являются:
- Транспорт (автомобили, самолеты, грузовики , железнодорожные вагоны , морские суда, велосипеды, космические корабли и т.д.). Алюминий используется как конструкционный материал из-за его низкой плотности, легкости и прочности;
- Упаковка ( банки , фольга, рамка и т.д.). Алюминий используется потому, что он нетоксичен, неадсорбционен и устойчив к осколкам;
- Строительство и строительство (окна, двери, сайдинг, строительная проволока, обшивка, кровля и т.д. ). Поскольку сталь дешевле, алюминий используется, когда важны легкость, устойчивость к коррозии или другие технические характеристики;
- Использование, связанное с электричеством (проводниковые сплавы, двигатели и генераторы, трансформаторы, конденсаторы и т. д. ). Алюминий используется потому, что он относительно дешев, обладает высокой проводимостью, имеет достаточную механическую прочность, низкую плотность и устойчив к коррозии;
- Широкий ассортимент товаров для дома от кухонной утвари до мебели. Низкая плотность, хороший внешний вид, простота изготовления и долговечность являются ключевыми факторами использования алюминия;
- Машины и оборудование (технологическое оборудование, трубы, инструменты). Алюминий используется из-за его коррозионной стойкости, непирофорности и механической прочности.
В большинстве случаев алюминий применяется в составе сплавов и других соединений.
В целом алюминиевые сплавы делятся на две большие группы деформируемых и литейных сплавов:
- Литые алюминиевые сплавы обычно содержат кремний в качестве основного легирующего элемента (AlSi), иногда также медь или магний.
- Деформируемые алюминиевые сплавы составляют около 75% от общего объема и в свою очередь подразделяются в зависимости от основного легирующего элемента:
- Сплавы алюминия и меди (AlCu): имеют среднюю и высокую прочность, закаливаются, но подвержены коррозии и их трудно сваривать. Они могут содержать добавленный магний или марганец.
- Алюминий-марганцевые сплавы (AlMn): имеют прочность от низкой до средней, устойчивы к коррозии и легко поддаются обработке
- Алюминиево-магниевые сплавы (AlMg, без AlMgSi): имеют среднюю прочность, не подвержены старению, устойчивы к коррозии, легко поддаются формовке и сварке. Большинство сортов также содержат марганец (AlMg(Mn)).
- Сплавы алюминия, магния и кремния (AlMgSi): имеют среднюю и высокую прочность, легко обрабатываются сваркой и экструзией, закаливаются и устойчивы к коррозии.
- Сплавы алюминия, цинка и магния (AlZnMg). Не содержащие меди сплавы имеют среднюю и высокую прочность и легко поддаются сварке. Марки, содержащие медь (AlZnMg(Cu)) обладают высокой прочностью — в случае 7075 более 500 МПа — не поддаются обработке сваркой плавлением , но легко поддаются механической обработке (фрезеровке, сверлению).
- Специальные сплавы, например алюминиево-литиевые сплавы с особенно низкой плотностью или автоматные сплавы, которые особенно легко поддаются механической обработке.
Кроме всех вышеперечисленных применений многие соединения алюминия имеют нишевые применения:
- Ацетат алюминия в растворах используется как вяжущее средство;
- Фосфат алюминия используется в производстве стекла, керамики, целлюлозно-бумажных изделий, косметики, красок, лаков , а также в стоматологическом цементе;
- Гидроксид алюминия используется как антацидное и протравливающее средство, а также при очистке воды, производстве стекла и керамики и гидроизоляции тканей;
- Литийалюминийгидрид преставляет собой мощный восстановитель, который часто используется в органической химии;
- Алюмоорганические соединения используются в качестве кислот и сокатализаторов;
- Метилалюмоксан является сокатализатором полимеризации олефинов Циглера-Натта с получением виниловых полимеров, таких как полиэтилен;
- Водные ионы алюминия используются для лечения рыбных паразитов;
- Во многих вакцинах определенные соли алюминия служат иммунным адъювантом (усилителем иммунного ответа), позволяя белку в вакцине достичь достаточной эффективности в качестве иммуностимулятора.
Все вышеперечисленные применения составляют далеко не полный список из всех возможных, но обширность его почти не имеет границ.
Интересное:
Безопасность
Алюминий не относится к числу незаменимых микроэлементов и токсичность существенно зависит от массового количества. Содержание 10 мкг/л алюминия в крови считается нормальным, а значения более 60 мкг/л указывают на чрезмерное внешнее воздействие, а более 200 мкг/л в крови считается токсичным. Исследования на животных с использованием 26Al показывают, что концентрация алюминия в сыворотке крови увеличивается всего на несколько человек на тысячу в результате адъювантной вакцинации (примерно с 5,00 мкг/л до 5,04 мкг/л).
У больных с нарушением функции почек и диализных больных прием алюминия приводит к прогрессирующей энцефалопатии (нарушения памяти и речи, вялость и агрессивность) вследствие разрушения клеток головного мозга и прогрессирующей деменции, к остеопорозу ( артриту ) с переломами костей и к анемия (поскольку алюминий занимает те же запасные белки, что и железо). Это наблюдалось в 1970-х годах у пациентов, длительно находящихся на гемодиализе из-за большого потребления алюминия («синдром диализной энцефалопатии»). Влияние алюминия на здоровье исследуется конкретно в связи с его использованием в дезодорантах, антиперспирантах и пищевых добавках. На данный момент сведений о токсичности этого химического элемента не много.