Какой цвет имеет металл алюминий 11 букв

АЛЮМИНИЙ

АЛЮМИНИЙ, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, относительная атомная масса 26,98. В природе представлен лишь одним стабильным нуклидом 27 Al. Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов алюминия, наиболее долгоживущий – 26 Al имеет период полураспада 720 тысяч лет.

Алюминий в природе.

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)₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃, нефелин (Na,K)₂O·Al₂O₃·2SiO₂. 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 Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина – каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий. См. также БОКСИТЫ.

Изредка встречается исключительно твердый (уступает лишь алмазу) минерал корунд – кристаллический оксид Al₂O₃, 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, AlCl₃ 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 + AlCl₃. 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(SO₄)₂·12H₂O), 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: AlCl₄ – , AlF₆ 3– , [Al(H₂O)₆] 3+ , Al(OH)₄ – , Al(OH)₆ 3– , AlH₄ – 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 + 6H₂O ® 2Al(OH)₃ + 3H₂. На воздухе лишенный защитной пленки алюминий прямо на глазах превращается в рыхлый порошок оксида: 2Al + 3O₂ ® 2Al₂O₃. 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 + 3Fe₃O₄ ® 4Al₂O₃ + 9Fe. Эта реакция была открыта в 1856 Н.Н.Бекетовым. Таким способом можно восстановить до металлов Fe₂O₃, CoO, NiO, MoO₃, V₂O₅, SnO₂, CuO, ряд других оксидов. При восстановлении же алюминием Cr₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, B₂O₃ 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 3CuCl₂ + 2Al ® 2AlCl₃ + 3Cu, которая сопровождается сильным разогревом. В крепких растворах щелочей алюминий легко растворяется с выделением водорода: 2Al + 6NaOH + 6Н₂О ® 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂ (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: Al₂O₃ + 2NaOH ® 2NaAlO₂ + H₂O. Алюминат магния Mg(AlO₂)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: AlCl₃ + H₂O Al(OH)Cl₂ + HCl.

Реакция алюминия с азотом идет только выше 800° С с образованием нитрида AlN, с серой – при 200° С (образуется сульфид Al₂S₃), с фосфором – при 500° С (образуется фосфид AlP). При внесении в расплавленный алюминий бора образуются бориды состава AlB₂ и AlB₁₂ – 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 AlH₃ получают в растворе безводного эфира: AlCl₃ + LiH ® AlH₃ + 3LiCl. При избытке LiH образуется солеобразный алюмогидрид лития LiAlH₄ – очень сильный восстановитель, применяющийся в органических синтезах. Водой он мгновенно разлагается: LiAlH₄ + 4H₂O ® LiOH + Al(OH)₃ + 4H₂.

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:

Na₃AlF₆ + 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: NaAlCl₄ + 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 Al₂O₃) в расплавленном криолите Na₃AlF₆, 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:

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.

Что такое алюминий? Его характеристики, свойства

Алюминий: история, характеристики, типы, свойства и применение

Алюминий является одним из самых распространенных металлов, используемых сегодня в мире. Он обладает несколькими желательными свойствами, такими как: превосходная прочность, пластичность, отношение прочности к весу и коррозионная стойкость.

Хотя алюминий и его различные соли и оксиды использовались со времен Римской империи, этот металл не был официально открыт до 1808 года Гемфри Дэви, и не производился рафинированием и массовым производством, как это известно сегодня, до 1888 года.

Сегодня алюминий используется в широком диапазоне применений и отраслей промышленности, включая: банки из-под газировки, кухонную фольгу, фюзеляж самолетов и автомобильные рамы.

В этой статье дается определение алюминия, делается обзор его истории, описываются его характеристики и свойства, а также обсуждаются различные области применения этого универсального металла.

Что такое алюминий?

Алюминий — серебристо-белый, легкий, устойчивый к коррозии, немагнитный и пластичный материал. Это самый распространенный металл на Земле.

Он составляет более 8% вещества земной коры, уступая только кислороду и кремнию. Алюминий является наиболее производимым и очищаемым цветным металлом из-за его свойств и распространенности.

Он широко используется в ряде отраслей, включая транспорт, строительство, упаковку, машиностроение и товары народного потребления.

История алюминия?

Хотя алюминий использовался на протяжении веков, человечество в значительной степени не знало об этом металле, поскольку он редко встречается в чистом виде.

Он часто встречается в горных породах, минералах и глинах. С древних времен вплоть до промышленной революции квасцы, соль на основе алюминия, были наиболее распространенной формой, в которой использовался алюминий. Его часто использовали в качестве антипирена, в красках и лекарствах, а также в гончарном деле.

В 1807 году Хамфри Дэви описал существование неизвестного металла в квасцах и безуспешно пытался выделить его с помощью электролиза.

В 1825 году Ганс Кристиан Эрстед успешно выделил алюминий восстановлением хлорида алюминия. В 1854 году Анри Сент-Клер Девиль усовершенствовал процесс восстановления алюминия для получения большего количества металла.

В 1886 году Шарль Мартин Холл и Поль Луи Туссен-Эру одновременно разработали процесс плавки алюминия, который используется до сих пор. В результате доступности более эффективного процесса рафинирования использование алюминия резко возросло в 20 веке.

• Алюминий в периодической таблице — «Al».
• Атомный номер алюминия — 13. Это первый постпереходный металл в периодической таблице. Алюминий находится в 3-м периоде (строка) и в 13-й группе (столбец).
• Атомный вес алюминия составляет 26,98 а.е.м. (атомные единицы массы). 1 а.е.м. эквивалентна 1/12 размера нейтрального атома углерода.

Из чего состоит алюминий?

Алюминий встречается в природе в виде квасцов (сульфатов) и оксидов. Материалы, из которых можно получить чистый алюминий, перечислены ниже:

1. Бокситы
2. Глина
3. Сланец
4. Сланец
5. Гранит
6. Анортозит

Каковы характеристики алюминия?

Некоторые из основных характеристик алюминия описаны ниже:

1. Он легкий, с плотностью около одной трети плотности стали.
2. Имеет высокое соотношение прочности к весу.
3. Он естественно устойчив к коррозии из-за образования на его поверхности плотно прилегающего оксидного слоя.
4. Он очень пластичен.
5. Имеет блестящий, серебристо-белый цвет.
6. Обладает отличной тепло- и электропроводностью.

Какого цвета алюминий?

Чистый алюминий, алюминиевые сплавы и обработанный алюминий имеют серебристо-белый цвет.

Как выглядит алюминий?

Пример чистого алюминия показан на рисунке 1 ниже:

В природе алюминий чаще всего встречается в виде оксидов в бокситовых рудах. По внешнему виду боксит представляет собой желтовато-коричневую красноватую породу с тусклым блеском, напоминающую глину.

После очистки и обработки бокситовой руды чистый алюминий выглядит примерно так, как показано на изображении выше. Это серебристо-белый блестящий материал.

Какова плотность алюминия?

Плотность алюминия 2,71 г/см3.

Какие бывают виды алюминия?

Различные типы алюминия описаны ниже:

1. Чистый алюминий

Чистый алюминий не содержит легирующих элементов и имеет низкий уровень примесей. Он почти не встречается в природе и получается путем переработки добытых полезных ископаемых и руд, таких как бокситы.

Он мягкий, пластичный, устойчивый к коррозии и электропроводный. Чистый алюминий часто используется для ненесущих изделий, таких как провода, кабели и фольга.

2. Алюминиевые сплавы

Алюминиевый сплав представляет собой материал, состоящий из чистого алюминия и легирующих элементов. Дополнительные элементы в структуре чистого алюминия делают алюминий прочнее.

Алюминиевые сплавы изготавливаются путем плавления и смешивания чистого алюминия с легирующим элементом (элементами) и охлаждения смеси.

Алюминиевые сплавы тверже и прочнее чистого алюминия, но при этом легкие, пластичные, устойчивые к коррозии и электропроводящие.

Алюминиевые сплавы часто используются для изготовления автомобильных двигателей и шасси, крыльев самолетов и потребительских товаров.

3. Литой алюминий

Литые алюминиевые изделия изготавливаются из алюминиевых сплавов, которые плавятся, а затем заливаются в формы для создания окончательных форм.

Литье алюминия — это экономичный способ производства больших партий деталей. Однако литые алюминиевые детали имеют более низкую прочность на растяжение и более низкую пластичность, чем детали из кованого алюминия. Литье используется для деталей двигателей и протезов.

4. Кованый алюминий

Кованый алюминий и алюминиевые сплавы формуются с использованием таких процессов формования, как экструзия, прокатка или ковка.

Эти процессы используются для формирования заготовок, стержней и слитков для других производственных процессов, таких как механическая обработка.

Он используется для обработки и производства листового металла для изготовления деталей для автомобильной, аэрокосмической, медицинской и потребительской промышленности.

5. Анодированный алюминий

Анодированный алюминий — это алюминий или алюминиевый сплав, поверхность которого стала более твердой и прочной в результате электрохимических реакций. Анодирование также может быть использовано для создания матовых или блестящих поверхностей разного цвета.

Анодированный алюминий часто используется в: строительных и архитектурных изделиях, таких как оконные рамы и вывески; детали салона самолетов и поездов; и привлекательные поверхности для потребительских товаров, таких как электроника и кухонная техника.

6. Плакированный алюминий

Плакированный алюминий, также известный как Alclad, представляет собой алюминиевый сплав, изготовленный путем нанесения дополнительных слоев чистого алюминия или алюминиевого сплава на подложку из алюминиевого сплава для дальнейшего повышения его коррозионной стойкости.

Плакированный алюминиевый сплав является анодным и электрохимически защищает подложку от коррозии. Alclad обычно используется в аэрокосмической промышленности и изготавливается путем прокатки сплава на подложке и нагревания композитного материала до высоких температур.

Какой тип металла алюминий?

Алюминий является постпереходным металлом в группе 13 или группе бора периодической таблицы. Он имеет тенденцию образовывать химические соединения со степенью окисления +3 из-за своего катиона +3.

Это позволяет алюминию легко связываться с другими элементами, в первую очередь с кислородом и любым анионом, имеющим состояние -3.

Свойства алюминия?

Алюминий обладает несколькими желательными физическими и химическими свойствами, включая хорошую электрическую и теплопроводность. Его заметные физические и химические свойства показаны в таблицах 1 и 2 ниже:

Алюминий

Мягкий, лёгкий металл серебристо-белого цвета.

Алюминий / Aluminium (Al), 13

1,61 (шкала Полинга)

Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат.  Aluminium ). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Содержание

История

Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от лат.  aluminis  — квасцы.

Получение

Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока. [2]

В лабораторных условиях

Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году. AlCl₃+3K → 3KCl + Al (реакция протекает при нагревании)

Физические свойства

• Металл серебристо-белого цвета, лёгкий
• плотность — 2,7 г/см³
• температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C  — 390 кДж/кг
• температура кипения — 2500 °C  — 10,53 МДж/кг
• временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм²

по Бринеллю — 24…32 кгс/мм²
• высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу  — 70 ГПа

• Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·10 6 См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.
• Слабый парамагнетик.
• Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10 −6 К −1 (20…200 °C).
• Температурный коэффициент электрического сопротивления 2,7·10 −8 K −1 .

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Нахождение в природе

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27 Al со следами 26 Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей.

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры [3] .

В природе алюминий в связи с высокой химической активностью встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из них:

 — Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)  — KNa₃[AlSiO₄]₄  — (Na,K)₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃ (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)  (сапфир, рубин, наждак) — Al₂O₃  — (K,Na)₂O·Al₂O₃·6SiO₂, Ca[Al₂Si₂O₈]  — Al₂O₃·2SiO₂ · 2H₂O  (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al₂О₃ · 6SiO₂ (александрит) — BeAl₂O₄.

Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях возможно образование самородного алюминия [4] .

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в поверхностных водных объектах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л, в морской воде 0,01 мг/л [5] .

Химические свойства

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°);O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH₄ + , горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

• с кислородом, образуя оксид алюминия(если Al находится в виде пыли или амальгамы): 4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃
• с галогенами (кроме фтора) [6] , образуя хлорид, бромид или иодид алюминия: 2Al + 3Hal₂ = 2AlHal₃ (Hal = Cl, Br, I)
• с другими неметаллами реагирует при нагревании:
  • с фтором, образуя фторид алюминия: 2Al + 3F₂ = 2AlF₃
  • с серой, образуя сульфид алюминия: 2Al + 3S = Al₂S₃
  • с азотом, образуя нитрид алюминия: 2Al + N₂ = 2AlN
  • с углеродом, образуя карбид алюминия: 4Al + 3С = Al₄С₃

  Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

  Со сложными веществами:

  • с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи): 2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H_2­
  • со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов): 2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H_2­ 2(NaOH•H₂O) + 2Al = 2NaAlO₂ + 3H₂
  • Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах: 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H_2­ 2Al + 3H₂SO₄(разб) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂
  • При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия: 8Al + 15H₂SO₄(конц) = 4Al₂(SO₄)₃ + 3H₂S + 12H₂O Al + 6HNO₃(конц) = Al(NO₃)₃ + 3NO_2­ + 3H₂O
  • восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия): 8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe 2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr

  Производство

  

  Легенда из «Historia naturalis» гласит, что однажды к римскому императору Тиберию (42 год до н. э. — 37 год н. э.) пришёл ювелир с металлической, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной якобы из глинозёма — Al₂O₃. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опасаясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал на всякий случай отрубить ювелиру голову. Данная легенда сомнительна, так как самородный алюминий в природе не встречается в силу своей высокой активности и во времена Римской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюминий из глинозёма.

  Лишь почти через 2000 лет после Тиберия, в 1825 году, датский физик Ганс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида алюминия.

  До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился.

  Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль (его исследования финансировал Наполеон III, рассчитывая, что алюминий пригодится его армии [7] [8] ) изобрёл первый способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl₃. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6—8 кг. За 36 лет применения, с 1855 по 1890 год, способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 году он же получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия.

  В 1885 году был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме, работающий по технологии, предложенной Николаем Бекетовым. Технология Бекетова мало чем отличалась от способа Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом (Na₃AlF₆) и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890 год.

  Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции (1886 год) и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с улучшением электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские учёные К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.

  Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове. Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47,7 тыс.тонн алюминия, ещё 2,2 тыс.тонн импортировалось.

  Вторая мировая война значительно стимулировала производство алюминия. Так, в 1939 году общемировое его производство, без учёта СССР, составляло 620 тыс. т, но уже к 1943 году выросло до 1,9 млн т.

  К 1956 году в мире производилось 3,4 млн т первичного алюминия, в 1965 году — 5,4 млн т, в 1980 году — 16,1 млн т, в 1990 году — 18 млн т.

  В 2007 году в мире было произведено 38 млн т первичного алюминия, а в 2008 — 39,7 млн т. Лидерами производства являлись:

  В России монополистом по производству алюминия является компания «Российский алюминий», на которую приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма. [10]

  Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44,3 млн т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов.

  Применение

  

  

  Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

  Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

  Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле [11] за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

  • Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
  • Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике. Присутствие даже малейших следов меди охрупчивает алюминий при криогенных температурах.
  • Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.
  • В производстве строительных материалов как газообразующий агент. придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
  • Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
  • Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

  В качестве восстановителя

  • Как компонент термита, смесей для алюмотермии
  • В пиротехнике.
  • Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.
  • Ограничено применяется как протектор при анодной защите.

  Сплавы на основе алюминия

  В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе. Нумерация серий сплавов в данной статье приведена для США (стандарт маркировки компании Alcoa)

  

  

  • Алюминиево-магниевые Al-Mg (серия 5ххх). Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.

  В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая система соединения Al₃Mg₂ c твердым раствором на основе алюминия. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %.

  Рост содержания Mg в сплаве существенно увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести — на 20 МПа. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30…35 %.

  Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в нагартованном состоянии структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава.

  Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость.

  • Алюминиево-марганцевые Al-Mn (серия 3ххх). Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

  Основными примесями в сплавах системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном.

  Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах.

  • Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg) (серия 2ххх). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток — низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

  В качестве легирующих добавок могут встречаться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает последний: легирование магнием заметно повышает предел прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии.

  Нагартовка этих сплавов после закалки ускоряет искусственное старение, а также повышает прочность и сопротивление коррозии под напряжением.

  • Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu) (серия 7ххх). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы — сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17,4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

  Однако существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов под напряжением можно легированием медью.

  Нельзя не отметить открытой в 60-е годы закономерности: присутствие лития в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития уменьшает удельный вес сплава и существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li.

  • Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
  • Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
  • Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

  Алюминий как добавка в другие сплавы

  Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

  Ювелирные изделия

  

  

  Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

  В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя серебро.

  Стекловарение

  В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

  Пищевая промышленность

  Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

  Алюминий и его соединения в ракетной технике

  Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

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

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

  Окислитель	Удельная тяга (Р1, сек)	Температура сгорания, °С	Плотность топлива, г/см³	Прирост скорости, ΔVид, 25, м/с	Весовое содерж. горючего, %
  Фтор	348,4	5009	1,504	5328	25
  Тетрафторгидразин	327,4	4758	1,193	4434	19
  ClF3	287,7	4402	1,764	4762	20
  ClF5	303,7	4604	1,691	4922	20
  Перхлорилфторид	293,7	3788	1,589	4617	47
  Фторид кислорода	326,5	4067	1,511	5004	38,5
  Кислород	310,8	4028	1,312	4428	56
  Перекись водорода	318,4	3561	1,466	4806	52
  N2O4	300,5	3906	1,467	4537	47
  Азотная кислота	301,3	3720	1,496	4595	49

  Алюминий в мировой культуре

  Поэт Андрей Вознесенский написал в 1959 году стихотворение «Осень» [12] , в котором использовал алюминий в качестве художественного образа:

  …А за окошком в юном инее
  лежат поля из алюминия…

  Виктор Цой написал песню «Алюминиевые огурцы» с припевом:

  Я сажаю алюминиевые огурцы
  На брезентовом поле

  У ленинградской рок-группы «Народное ополчение» в альбоме «Брежнев жив» 1989 года есть песня «Алюминиевый дом».

  Важную роль алюминий играет в историко-мистической трилогии Андрея Валентинова и Олди «Алюмен».

  В произведениях эпохи знакомства человечества с алюминием

  • В повести Н. Г. Чернышевского «Что делать?» (1862—1863) один из главных героев повести в своём письме другому пишет, что ему довелось увидеть слиток металла, «который называется алюминиум», и что, учитывая свойства алюминия, он уверен, что за алюминием большое будущее (во времена Н. Г. Чернышевского алюминий ещё только начинали открывать).
  • В повести Герберта Уэллса «Война миров» (1897 год) марсиане, покинув один из своих лагерей, оставили (бросили) в нём несколько листов алюминия.

  Токсичность

  Отличается незначительным токсическим действием, но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела):

   — 0,2-0,4;  — 3,7-7,3;
  • алюминиевые квасцы — 2,9.

  В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек.

  Норматив содержания алюминия в воде хозяйственно-питьевого использования составляет 0,2 мг/л. При этом данная ПДК может быть увеличена до 0,5 мг/л главным государственным санитарным врачом по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения.

  По некоторым биологическим исследованиям поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера [13] [14] , но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался [15] [16] [17] .

  АЛЮМИНИЙ — дороги, которые он выбирает

  Металл алюминий — мечта многих производств. Коррозия ему не страшна, он прекрасно проводит электрический ток, цветной металл легче железа почти в три раза, отличается прочностью. Не магнитится, легко образует сплавы с металлами.

  Второе имя алюминия — крылатый металл. Появление чистого алюминия открыло человеку дорогу в небо.

  

  Как искали неизвестный алюминий

  История открытия алюминия вяло тянулась с античности. Плиний пишет о квасцах (Alumen). Но под квасцами понимались разные вещества. Это антимоний, тартар, щелочь, гипс.

  Лавуазье высказал здравую мысль: алюмина является окислом неизвестного металла. Тут химики оживились и стали пытаться «выцепить» незнакомца. Попыток было много, но только в 1825 году датчанин Эрстед извлек-таки неизвестный металл, напоминающий олово. Назвали его алюминием.

  Свойства крылатого металла

  Алюминий (Aluminium) имеет несчастливый 13 номер в периодической таблице Менделеева. Однако на счастливую судьбу металла это не повлияло.

  

  Этот легкий серебристый металл послушно поддается механической обработке и литью, имеет большую тягучесть.

  Редкая способность — быстро образовывать окисные пленки на поверхности чистого металла. Но эти пленки не слишком хорошо защищают от коррозии. Надежнее химическое и электрохимическое оксидирование. Формула оксидной пленки А12Оз.

  Химические и физические характеристики алюминия:

  • плотность 2,7 г/см3;
  • температура плавления 660°С;
  • кипит цветной металл при температуре 2518°С;
  • строение кристаллической решетки гранецентрированное, кубическое;
  • степени окисления 0; +3.

  С помощью металлического алюминия (его взаимодействия с оксидами металлов) получают трудновосстанавливаемые металлы. Этот метод называется алюминотермия.

  Алюминий имеет один стабильный изотоп, 27Al.

  

  Неправда, но хорошо придумано

  В печатных изданиях, а сейчас и в интернете гуляет история о крестьянине, который вел «крамольные беседы о полете на Луну». Крестьянина (или мещанина), по одним сведениям Петрова, по другим Никифорова, сослали в киргизский поселок Байконур» Якобы известие о факте напечатано был в Московских губернских новостях», в 1848 году. Сейчас, когда с космодрома Байконура ушли в космос не один десяток спутников и станций, этот факт выглядит пророческим и мистическим.

  Алюминиевые сплавы, плюсы и минусы

  

  Чистый алюминий в строительных конструкциях применять нецелесообразно. Прочностные характеристики у него «так себе». А вот алюминиевые сплавы — другое дело. Сейчас известны и используются около 60 сплавов. Можно выбрать для любых нужд, на любой вкус.

  Классификация сплавов проводится по составу, свойствам, по способности к термической обработке.

  Добавки меди, магния и марганца, цинка существенно улучшают характеристики сплава в сравнении с чистым металлом. Этими металлами чаще всего легируют алюминий. Титан, литий, ванадий, церий, скандий, некоторые редкоземельные элементы для легирования применяются реже, но свойства этих сплавов также востребованы в промышленности.

  Дюраль

  Дюралюмины — сплавы алюминия с медью (4%), магнием (0,5%) и небольшого количества железа, марганца, кремния. Недостаток дюралей — подверженность коррозии; с ней справляются, применяя анодирование, плакировку, авиационную грунтовку, окрашивание.

  Востребованные свойства сплава: хорошая статическая и усталостная прочность, высокая вязкость разрушения.

  Широко применяется в деталях и конструкциях, где большую роль играет масса изделия. Главные потребители сплава — авиация, судостроение, космонавтика.

  Сплав 7075

  Разрабатывался компанией Sumitomo Metal Corporation (Япония) в строжайшей тайне.

  Представляет соединение алюминия с цинком (до 6%), магния (2-2,5%), меди (до 1,5%). В тот же сплав добавлены титан, кремний, марганец, хром, железо. Добавки эти составляют не более 0,5%, но свой вклад в свойства сплава вносят.

  • 7075-0;
  • 7075-06;
  • 7075-Т651;
  • 7075-Т7;
  • 7075-АСР.

  Сплавы устойчивы к коррозии, хорошо полируются.

  

  Применяются в производстве винтовок для армии и граждан. Промышленности автомобильная, авиационная, морская активно используют сплав. Его минус — достаточно высокая цена.

  Сплавов разных много

  В России довольно много сплавов с разными свойствами:

  • D1, D16, 1161, 1163 — алюминий, магний, медь;
  • АМГ1 — АМГ6, сплав алюминия и магния;
  • AD31, AD33, AD35, AB — алюминий, кремний, магний. Список легко продолжить.

  Старость в радость

  Не всегда старость — это плохо. Металл — как человек или вино; с возрастом свойства алюминия меняются; он становится лучше, крепче, сильнее.

  Естественное старение металла происходит при нормальных условиях; можно сказать, что металл «дозревает».

  Искусственное старение проходит при термообработке и пластическом деформировании.

  Термическая обработка бывает разных видов. Выбор зависит от назначения будущего сплава.

  Вид термообработки	Что дает термообработка
  Закалка с полным искусственным старением	Высокая прочность сплава, но некоторое снижение пластичности
  Закалка со стабилизирующим старением	Хорошая прочность, довольно высокая стабильность структуры
  Закалка с последующим смягчающим отпуском	Хорошая пластичность, но снижение прочности сплава
  Искусственное старение	Повышает прочность сплава, улучшает возможность обработки резанием
  Отжиг	Повышение пластичности, уменьшение остаточных напряжений металла
  Закалка	Улучшает прочностные характеристики
  Закалка и неполное искусственное старение	Повышает прочность при сохранении пластичности

  Минералы, месторождения…а самородный алюминий?

  Запасы алюминия в природе огромны. Среди металлов он держит первое место по распространенности. Но «общительность», активность элемента привела к тому, что в чистом виде металл практически отсутствует.

  

  Минералов, содержащих алюминий, много:

  • бокситы;
  • глиноземы;
  • полевые шпаты;
  • нефелины;
  • корунды.

  Так что добыча алюминиевого сырья не составляет большого труда.

  Если все запасы на Земле истощатся (что сомнительно), то алюминий можно добывать из морской воды. Там его содержание составляет 0,01 мг/л.

  Кто захочет увидеть самородный алюминий, тому придется опускаться в жерла вулканов.

  Происхождением такой металл из самых глубин нашей планеты.

  Как производят крылатый металл

  Производство металла можно разделить на две стадии.

  • Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
  • Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.

  Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.

  Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.

  Бывает технический и сверхчистый

  Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.

  Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.

  Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.

  Металл для крыльев

  Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.

  Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.

  Где применяется

  Применение легкого и прочного металла необходимо не только в авиации.

  

  В пуленепробиваемых и бронированные стеклах, экранчиках смартфонов присутствует сапфир. У таких стекол высокая прочность на сжатие.

  Из алюминия делают фольгу, которую используют в электрических конденсаторов. Домохозяйки с удовольствием запекают в фольге вкусняшки для домашних. Кастрюли, сковородки, другие изделия для домашнего хозяйства производят из «крылатого металла».

  

  Тонко молотый порошок металла используют для производства прочной краски.

  Вы удивитесь, но алюминиевая кастрюлька в кухне, самолет и перстень с сапфиром — родня. В каждом есть наш герой.

  Оксид алюминия — это корунд. А к ним относятся сапфиры, рубины, изумруды — все эти короли драгоценных камней содержат алюминий. Сам корунд используют как наждак.

  Купить металл

  Стоимость металла на бирже 148 USD за тонну (на 05.05.2020).

  

  Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

  Похожие публикации:

  1. Что является обязательной составной частью электрической установки
  2. Aca на мультиметре что это
  3. Как стелить линолеум в коридоре буквой г
  4. Если трансформатор повышает напряжение в 10 раз то как он изменяет силу тока