Алюминий ( Al)

1. Алюминий (Al) Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементовД. 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 (послекислорода и кремния). Простое веществоалюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитныйметалл 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.

3. История • Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамыкалия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от лат.aluminis — квасцы. Ганс Эрстед

4. Получение • Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминияAl2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовыхэлектродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке. • Для производства 1 т алюминия чернового требуется 1,920 т глинозёма, 0,065 т криолита, 0,035 т фторида алюминия, 0,600 т анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.

5. 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,удельная теплота плавления — 390 кДж/кг,температура кипения — 2500 °C,удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг,временное сопротивление литого алюминия — 10…12 кг/мм², деформируемого — 18…25 кг/мм², сплавов — 38…42 кг/мм². • Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм²,высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.Модуль Юнга — 70 ГПа. • Алюминий обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм·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 2,7×10−8K−1. • Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

6. Нахождение в природе • Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al со следами 26Al, 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. • В природе алюминий в связи с высокой химической активностью встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из них: • Бокситы — Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3) • Нефелины — KNa3[AlSiO4]4 • Алуниты — (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3 • Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3) • Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al2O3 • Полевые шпаты — (K,Na)2O·Al2O3·6SiO2, Ca[Al2Si2O8] • Каолинит — Al2O3·2SiO2 · 2H2O • Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al2О3 · 6SiO2 • Хризоберилл (александрит) — BeAl2O4. • Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях возможно образование самородного алюминия. • 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.

7. Увеличенный алюминий

8. Алюминий под увеличением Гранулировный алюминий

9. 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 аммонияNH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. • Легко реагирует с простыми веществами: • с кислородом, образуя оксид алюминия: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: • Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S­Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4­Со сложными веществами: • с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2­ • со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2­2(NaOH•H2O) + 2Al = 2NaAlO2 + 3H2 • Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2­2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2 • При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:2Al + 6H2SO4(конц) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2OAl + 6HNO3(конц) = Al(NO3)3 + 3NO2­ + 3H2O • восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

10. Кристаллическая решетка алюминия

11. Производство • Одна красивая, но, вероятно, неправдоподобная легенда из «Historianaturalis» 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 обесценитьзолото и серебро, приказал на всякий случай отрубить чело­веку голову. Очевидно, данная легенда весьма 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 Ханс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 годуФридрих Вёлерсмог 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 годуАнри 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, основываясь на технологии, предложенной русским ученым Николаем Бекетовым, был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме. 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 с1854 по 1890 год. • Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом во Франции и Полем Эру в США в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.

12. 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: • Китай (в 2007 году произвёл 12,60 млн т, а в 2008 — 13,50 млн т), • Россия (3,96/4,20), • Канада (3,09/3,10), • США (2,55/2,64), • Австралия (1,96/1,96), • Бразилия (1,66/1,66), • Индия (1,22/1,30), • Норвегия (1,30/1,10), • ОАЭ (0,89/0,92), • Бахрейн (0,87/0,87), • ЮАР (0,90/0,85), • Исландия (0,40/0,79), • Германия (0,55/0,59), • Венесуэла (0,61/0,55), • Мозамбик (0,56/0,55), • Таджикистан (0,42/0,42). • См. также более полный Список стран по выплавке алюминия. • В России монополистом по производству алюминия является компания «Российский алюминий», на которую приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма. • 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.

13. 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 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 вмикроэлектронике 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. • Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал. • В производстве строительных материалов как газообразующий агент. • Алитированием 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.

14. В качестве восстановителя 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). • Как компонент термита, смесей для алюмотермии • Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов. 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 производствебижутерии. В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя серебро.

15. Украшение из алюминия Стекловарение В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия. Пищевая промышленность Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

16. 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.

17. 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) • Алюминиевый прокат • Алюминиево-магниевыеAl-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-марганцевыеAl-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-медныеAl-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.

18. Производство алюминия

19. Алюминий в мировой культуре • Поэт Андрей Вознесенский написал в 1959 году стихотворение «Осень», в котором использовал алюминий в качестве художественного образа: • …А за окошком в юном инеележат поля из алюминия… • Виктор Цой написал песню «Алюминиевые огурцы» с припевом: • Я сажаю алюминиевые огурцыНа 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 Генри 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.

20. 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): • ацетат алюминия — 0,2-0,4; • гидроксид алюминия — 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, но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался

21. Тест • 1. Элемент главной подгруппы III группы имеет следующую электронную структуру атома 1) 2; 8; 3 3) 2; 5 • 2. Характерная степень окисления алюминия 1)+1 2) +2 3) +3 4) +4 • 3. Реакция взаимодействия алюминия с серой 1) Проходит при комнатной температуре 2) Не идет 3) Необходимо первоначальное нагревание 4) Необходимо нагревание в течение всей реакции • 4. Сплав на основе алюминия называется 1) Бронза 2) Дуралюмин 3) Мельхиор 4) Латунь

22. 5. Неправильно записана реакция