Алюміній – елемент третього періоду періодичної таблиці Менделєєва, з атомним номером 13. За поширеністю є першим серед металів і третім серед хімічних елементів земної кори (після кисню і кремнію). Давайте дізнаємося більше детально, що таке алюміній і якими властивостями він володіє.
Загальна характеристика
Отже, що таке алюміній? Насамперед, це легкий парамагнітний метал біло-сріблястого кольору, який дуже податливий для обробки (лиття, формування, механічна обробка та інше). Хімічна формула алюмінію відома всім зі шкільного курсу хімії – Al. Він володіє високою електро – і теплопровідністю, а також стійкістю до корозійних процесів. Остання властивість обумовлюється здатністю алюмінію до швидкого утворення оксидних плівок, які захищають його поверхню.
Історична довідка
Світова громадськість дізналася, що таке алюміній, в 1825 році, завдяки данському фізику Гансу Эрстеду. Вчений провів взаємодія амальгами калію з хлоридом алюмінію, з подальшим вилученням ртуті. Свою назву хімічний елемент отримав від латинського слова ” alumen, яке перекладається як «галун».
До того як був відкритий промисловий метод отримання алюмінію, даний метал цінувався більше, ніж золото. В 1889 році, бажаючи вшанувати розкішним подарунком Д. І. Менделєєва, британці вручили йому ваги, зроблені з золота й алюмінію.
Отримання
Метал утворює міцну зв’язок з киснем – оксид алюмінію. У порівнянні з іншими відомими металами, його відновлення з руди більш трудомістко. Причина тому криється у високій реакційній здатності та високої температури плавлення алюмінію, а точніше його руд. Метод прямого відновлення вуглецем не застосовується, так як у цього металу відновна здатність вище, ніж у вуглецю. Непряме відновлення можливо. Воно передбачає отримання проміжного продукту Al4C3, піддається при температурі близько 2000°С розкладання з утворенням алюмінію. Поки що це метод знаходиться в розробці, але вже відомо, що він буде вимагати менше енерговитрат, ніж спосіб Холу – Еру.
Методика Холу – Еру, яка на сьогоднішній день є найбільш широко використовуваною, була розроблена в 1886 році паралельно двома вченими – американцем Ч. Холом і французом П. Еру. Її суть полягає в розчиненні Al2O3 (оксиду алюмінію) в Na3AlF6 (розплав кріоліту) і подальшому електролізі із застосуванням анодних електродів (коксових або графітових). Так як цей метод є досить витратним, він отримав широке застосування лише у двадцятому столітті.
На виробництво однієї тонни чорнового алюмінію витрачається 1,92 т глинозему, 0,6 т електродів, 0,065 т кріоліту, 0,035 т фториду алюмінію і порядку 61 ГДж електроенергії.
Що стосується лабораторного методу одержання алюмінію, то він був придуманий в 1827 році Фрідріхом Велером. Суть методу полягає у відновленні безводного хлориду алюмінію металічним калієм. Реакція проходить при нагріванні без доступу повітря.
Місце в природі
Масова концентрація цієї речовини у земній корі оцінюється в 7,45-8,14%. За цим показником алюміній посідає перше місце серед металів і третє серед хімічних елементів в цілому.
У природі, у зв’язку з хімічною активністю металу, він зустрічається в основному у вигляді сполук. Основні мінерали алюмінію: боксити, корунд, нефеліни, глинозем, алуніти, польові шпати, берил, каолініт і хризоберил. В жерлах вулканів, в яких створені специфічні відновлювальні умови, були знайдені малі кількості самородного металу.
У природних водах алюміній представлений у вигляді малотоксичних сполук, наприклад фториду. На вигляд катіони або аніони впливає головним чином кислотність середовища. У прісній воді концентрація розчину алюмінію може становити від 0,001 до 10 мг/л, а в солоній – близько 0,01 мг/л.
У складі природного алюмінію переважає стабільний ізотоп 27Al і спостерігаються незначні сліди 26Al.
Фізичні властивості
Основні фізичні властивості матеріалу:
Алюміній може утворювати сплави практично з усіма металами. Найбільше поширення отримали дюралюміній (сплав з міддю і магнієм) і силумін (сплав з кремнієм).
Хімічні властивості
В нормальних умовах цей метал покритий тонкою, але дуже міцною оксидною плівкою, що обумовлює його стійкість до дії стандартних окислювачів: води, кисню, а також азотної і сірчаної кислот. Разом з тим, алюміній реагує з соляною кислотою. Завдяки цим властивостям, метал не піддається корозії і дуже затребуваний в промисловості.
При руйнуванні плівки алюміній може виступити в ролі активного металу-відновника. Щоб уникнути утворення плівки, до нього додають галій, олово або індій.
Розглянемо основні рівняння алюмінію.
З простими речовинами цей метал утворює такі сполуки:
Сульфіди і карбіди алюмінію можуть повністю гидролизоваться.
Реакції алюмінію зі складними речовинами виглядають таким чином:
Виробництво
До кінця 19-го століття алюміній не проводився в промислових масштабах. Анрі Сент-Клер Девіль, роботу якого фінансував Наполеон Третій (він розраховував на використання матеріалу для потреб армії), винайшов перший метод промислового отримання металу лише в 1854 році. Суть методу полягала у витісненні алюмінію з подвійного натрієво-алюмінієвого хлориду за допомогою металевого натрію. У 1855 році був проведений перший злиток, маса якого становила близько 7 кг. За наступні 36 років за цим методом було вироблено 200 тонн алюмінію. Це при тому, що вже 1856 році той же вчений розробив новий спосіб, оснований на електролізі розплаву зазначеного вище хлориду.
У 1885 році в місті Гмелингеме (Німеччина) був побудований завод по виробництву алюмінію за технологією Миколи Бекетова. Це спосіб мало відрізнявся від того, що розробив Девіль, але був дещо простіше. Він базувався на взаємодії між криолитом і магнієм. За п’ять років роботи завод виробив 58 тонн алюмінію – більш 25% від світового виробництва за 1854-1890 роки.
Метод Холу – Еру поклав початок більш технологічному та сучасному отримання металу. З тих пір, з розвитком електротехніки, розвивалися і технології виробництва алюмінію. Помітний внесок у розвиток цього напрямку внесли в тому числі і російські вчені: Байєр, Пеняков, Кузнєцов, Жуковський, Яковкин і багато інших.
У Росії перше підприємство з виробництва алюмінію було побудовано в місті Волхові в 1932 році. У 1939 металургійна промисловість СРСР виробляла майже 50 тисяч тонн цього металу в рік.
Друга світова війна стала стимулом для випуску багатьох матеріалів, в тому числі і алюмінію. Так, до 1943 році світове виробництво склало майже 2 млн тонн. З кожним роком, навіть після закінчення війни, цей показник зростав. У 1980-му році він склав 16 млн т, у 1990-му – 18 млн т, в 2008-му – вже близько 40 млн т., а в 2016-му – майже 60 млн т.
Рейтинг країн, масово випускають алюміній, виглядає наступним чином:
Світовий запас бокситів практично безмежний і непорівнянний з динамікою попиту. У майбутньому багато з ліній по виробництву алюмінію можуть бути переорієнтовані на випуск, наприклад, композитних матеріалів. Ціна даного металу на торгах всесвітніх сировинних бірж за останні десять років коливалася в межах 1250-3300 доларів за тонну.
Використання
Алюміній широко використовується в якості конструкційного матеріалу. Його основні переваги – легкість, корозійна стійкість, податливість штампуванні, висока тепловодность і нешкідливість. Останні властивості зробили матеріал дуже популярним у виробництві кухонного начиння і харчової плівки. Завдяки першим трьом властивостям, алюміній став основною сировиною космічної та авіаційної промисловості. Головним недоліком даного конструктивного матеріалу є його мала міцність. Для зміцнення його зазвичай використовують у сплавах з малими кількостями міді і магнію (дюралюміній).
По електропровідності алюміній в 1,7 разів поступається міді, але за рахунок того, що його щільність в 3,3 рази менше, для одержання приблизно рівного опору його потрібно в два рази менше по вазі. Крім того, алюміній приблизно в 4 рази дешевше, ніж мідь. Цим зумовлене широке застосування даного матеріалу в електротехніці (виготовлення та екранування провідників) і мікроелектроніці (напилення провідників на поверхню мікросхем). Головним недоліком алюмінію як матеріалу для електротехніки є утворення міцної діелектричної плівки на його поверхні. Вона утрудняє пайку і викликає нагрівання в місцях з’єднань, що знижує якість контакту і надійність ізоляції. Щоб нівелювати цю особливість, використовують алюмінієві провідники великого перерізу.
Крім того, алюміній використовують у таких напрямках:
В якості відновника алюміній використовується в таких областях:
Використання сплавів
В якості конструктивного матеріалу часто використовують не чистий алюміній, а сплави на його основі.
Алюмінієво-магнієві сплави. Характеризуються поєднанням високої пластичності, задовільною міцності, корозійної стійкості, хорошою зварюваності і високою вібростійкості. Найчастіше в промисловості використовують сплави, в яких вміст магнію коливається в межах 1-5%. Чим більше цей показник, тим надійніше сплав. Кожен відсоток дає додаткові 30 МПа до межі міцності.
Сплави, які містять за масою до 3% магнію, відрізняються структурною стабільністю при нормальній і підвищеній температурі, навіть в нагартованому стані. З ростом вмісту магнію стабільність знижується. При збільшенні його кількості до 6% погіршується корозійна стійкість сплаву. Тому для подальшого підвищення міцнісних характеристик, системи алюміній-магній легують титаном, марганцем, хромом, ванадієм або кремнієм. Попадання міді і заліза в такі сплави небажано. Воно призводить до зниження зварюваності і корозійної стійкості.
Алюмінієво-марганцеві сплави. Володіють високими показниками міцності, пластичності, технологічності, корозійної стійкості і зварюваності. У системах алюміній-марганець основними домішками є залізо і кремній. Ці елементи знижують ступінь розчинності марганцю в алюмінії. Щоб отримати дрібнозернисту структуру, такі сплави легують титаном. Достатня кількість марганцю забезпечує стабільну структуру нагартованного металу, при будь-якій температурі.
Алюмінієво-мідні сплави. По своїх механічних властивостях у термоупрочненном стані, ця система може обійти низьковуглецеві сталі. Такі сплави дуже технологічні. Їх єдиний недолік – низька корозійна стійкість. З цією проблемою борються шляхом використання захисних покриттів.
В якості легуючих добавок використовують залізо, магній, марганець і кремній. Сильніше всього на властивості сплаву впливає магній, помітно підвищуючи межі текучості і міцності системи. Кремній підвищує здатність сплаву до штучному старінню, а залізо з нікелем – його жароміцність. Нагартовка цих систем після гарту призводить до прискорення штучного старіння, а також збільшує їх опір корозії і міцність.
Сплави системи алюміній-цинк, марганець. Цінуються за високі показники міцності і технологічності. Висока зміцнення досягається завдяки хорошій розчинності компонентів при підвищених температурах, яка різко зменшується при охолодженні. Головним і дуже істотним недоліком таких систем є їх низький опір корозії. Для підвищення цього показника застосовують легування міддю. Також ще в 60-ті роки минулого століття було виявлено, що присутність літію в системах алюміній-цинк, марганець дозволяє уповільнити природне і прискорити штучне старіння. Крім того, літій зменшує вагу сплаву і збільшує його модуль міцності.
У промисловості використовуються також силуміни (алюмінієво-кремнієві сплави), з яких відливають корпусу всіляких механізмів, і комплексні сплави (авіалі).
Токсичність
Відповідаючи на питання про те, що таке алюміній, варто згадати про токсичність цього металу. Незважаючи на широке розповсюдження в природі, алюміній є мертвим речовиною, тобто не використовується живими істотами в метаболізмі. Сам по собі метал має незначне токсичну дію, проте багато з його неорганічних сполук, розчинних у воді, можуть зробити шкідливий вплив на теплокровних жуйних і людини. Для людини токсичну дію надають такі дози сполук металу (мг/кг маси тіла):
При попаданні в організм з водою сполуки алюмінію діють на нервову систему, що може призвести до важких розладів. Позитивним є той факт, що накопичення металу в організмі перешкоджає механізм виведення. За добу з сечею може бути виведено до 15 мг елемента. Таким чином, негативний ефект від сполук алюмінію може торкнутися тільки людей, які страждають порушенням видільної функції нирок.
