Алюміній
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Алюміній

Алюміній (лат. Aluminium), Al, хімічний елемент III групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 13, атомна маса 26,9815; сріблисто-білий легкий метал. Складається з одного стабільного ізотопу 27 Al.

  Історична довідка. Назва А. походить від латинського alumen — так ще за 500 років до н.е.(наша ера) називалися алюмінієвий галун, які застосовувалися як протрава при фарбуванні тканин і для дублення шкіри. Данський учений Х. К. Ерстед в 1825, діючи амальгамою калія на безводий Alcl 3 і потім відганяючи ртуть, отримав відносно чистий А. Первий промисловий спосіб виробництва А. запропонував в 1854 французький хімік А. Е. Сент-Клер Девіль: спосіб полягав у відновленні подвійного хлориду А. і натрію Na 3 Aici 6 металевим натрієм. Схожий за кольором на срібло, А. на перших порах цінувався дуже дорого. З 1855 по 1890 було отримано всього 200 т А. Современний спосіб здобуття А. електролізом кріоліто-гліноземного розплаву розроблений в 1886 одночасно і незалежно один від одного Ч. Холлом в США і П. Еру у Франції.

загрузка...

  Поширеність в природі. По поширеності в природі А. займає 3-е місце після кисню і кремнію і 1-і — серед металів. Його вміст в земній корі складає по масі 8,80%. У вільному вигляді А. через свою хімічну активність не зустрічається. Відомо декілька сотень мінералів А., переважно алюмосилікатов . Промислове значення мають боксит, алуніт і нефелін . Нефелінові породи бідніші бокситів глиноземом, але при їх комплексному використанні виходять важливі побічні продукти: сода, поташ, сірчана кислота. У СРСР розроблений метод комплексного використання нефелінов. Нефелінові руди в СРСР утворюють, на відміну від бокситів, вельми крупні родовища і створюють практично необмежені можливості для розвитку алюмінієвій промисловості .

  Фізичні і хімічні властивості. А. поєднує вельми коштовний комплекс властивостей: малу щільність, високі теплопровідність і електричну провідність, високу пластичність і хорошу корозійну стійкість. Він легко піддається куванню, штампуванню, плющенню, волочінню. А. добре зварюється газовою, контактною і ін. видами зварки. Грати А. кубічна гранецентрована з параметром а = 4,0413 . Властивості А., як і всіх металів, в значній мірі залежать від його чистоти. Властивості А. особливої чистоти (99,996% ): щільність (при 20°С) 2698,9 кг/м 3 , t пл 660,24°С; t кіп біля 2500°С: коефіцієнт термічного розширення (від 20° до 100°С) 23,86•10 -6 ; теплопровідність (при 190°С) 343 Вт/м-код До (0,82 кал/см сік °С ) , питома теплоємність (при 100°С) 931,98 дж/кг До (0,2226• кал/г •°С) ; електропровідність по відношенню до міді (при 20°С) 65,5%. А. володіє невисокою міцністю (межа міцності 50—60 Мн/м 2 ) , твердістю (170 Мн/м 2 по Брінеллю) і високою пластичністю (до 50% ). При холодному плющенні межа міцності А. зростає до 115 Мн/м 2 , твердість — до 270 Мн/м 2 , відносне подовження знижується до 5% (1 Мн/м 2 » 0,1 кгс/мм 2 ) . А. добре полірується, анодується і володіє високою відбивною здатністю, близькою до срібла (він відображає до 90% падаючої світлової енергії). Володіючи великою спорідненістю до кисню, А. на повітрі покривається тонкою, але дуже міцною плівкою окислу Al 2 O 3 , що захищає метал від подальшого окислення і обумовлює його високі антикорозійні властивості. Міцність окисної плівки і захисна дія її сильно убувають в присутності домішок ртуті, натрію, магнію, міді і ін. А. стійок до дії атмосферної корозії, морської і прісної води, практично не взаємодіє з концентрованою або сильно розбавленою азотною кислотою, з органічними кислотами, харчовими продуктами.

  Зовнішня електронна оболонка атома А. складається з 3 електронів і має будову 3 s 2 3р. В звичайних умовах А. у з'єднаннях 3-валентний, але при високих температурах може бути одновалентним, утворюючи т.з. субз'єднання. Субгалогеніди А., AIF і Alcl, стійкі лише в газоподібному стані, у вакуумі або в інертній атмосфері, при пониженні температури розпадаються (диспропорціонують) на чистий Al і Alf 3 або Alcl 3 і тому можуть бути використані для здобуття надчистого А. Прі розжарюванні мелкоізмельченний або порошкоподібний А. енергійно згорає на повітрі. Спалюванням А. у струмі кисню досягається температура вище 3000°С. Властивістю А. активно взаємодіяти з киснем користуються для відновлення металів з їх оксидів (див. Алюмінотермія ) . При темно-червоному калінні фтор енергійно взаємодіє з А., утворюючи Aif 3 (див. Алюмінію фторид ) . Хлор і рідкий бром реагують з А. при кімнатній температурі, йод — при нагріванні (див. Алюмінію хлорид ) . При високій температурі А. з'єднується з азотом, вуглецем і сіркою, утворюючи відповідно нітрид AIN, карбід Al 4 C 3 і сульфід Al 2 S 3 . З воднем А. не взаємодіє; гідрид А. (Alh 3 )x отриманий непрямим дорогою. Великий інтерес представляють подвійні гідриди А. і елементів l і II груп періодичної системи складу Meh n -nAlH 3 , т.з. алюмогидріди (див. Алюмінію гідрид ) . А. легко розчиняється в лугах, виділяючи водень і утворюючи алюмінати . Більшість солей А. добре розчинно у воді. Розчини солей А. унаслідок гідролізу показують кислую реакцію (див. Алюмінію сульфат, Алюмінію нітрат ).

  Здобуття. У промисловості А. отримують електролізом глинозему Al 2 O 3 (див. Алюмінію окисел ) , розчиненого в розплавленому кріоліті Na 3 Alf 6 при температурі біля 950°С. Використовуються електролізери трьох основних конструкцій: 1) електролізери з безперервними анодами, що самообжігающиміся, і бічним підведенням струму, 2) то ж, але з верхнім підведенням струму і 3) електролізери з обпаленими анодами. Електролітна ванна є залізним кожухом, футерованим усередині тепло- і електроізолюючим матеріалом — вогнетривкою цеглиною, і викладений вугільними плитами і блоками. Робочий об'єм заповнюється розплавленим електролітом, що складається з 6—8% глинозему і 94—92% кріоліту (зазвичай з добавкою Alf 6 і близько 5—6% суміші фторидів калія і магнію). Катодом служить подіна ванни, анодом — занурені в електроліт вугільні обпалені блоки або ж набивні електроди, що самообжігающиеся. При проходженні струму на катоді виділяється розплавлений А., який накопичується на подіне, а на аноді — кисень, створюючий з вугільним анодом CO і Co 2 . До глинозему, основному матеріалу, що витрачається, пред'являються високі вимоги по чистоті і розмірам часток. Присутність в нім оксидів більш електропозитивних елементів, ніж А., веде до забруднення А. Прі достатньому вмісті глинозему ванна працює нормально при електричній напрузі порядка 4—4,5 ст Ванни приєднують до джерела постійного струму послідовно (серіями з 150—160 ванн). Сучасні електролізери працюють при силі струму до 150 но. З ванн А. витягують зазвичай за допомогою вакууму-ковша. Розплавлений А. чистотою 99,7% розливають у форми. А. високої чистоти (99,9965%) отримують електролітичним рафінуванням первинного А. з допомогою т.з. тришарового способу, що знижує вміст домішок Fe, Si і Cu. Дослідження процесу електролітичного рафінування А. із застосуванням органічних електролітів показали принципову можливість здобуття А. чистотою 99,999% при відносно низькій витраті енергії, але доки цей метод володіє низькою продуктивністю. Для глибокого очищення А. застосовують зонну плавку або дистиляцію його через субфторид.

  При електролітичному виробництві А. можливі поразки електричним струмом, високою температурою і шкідливими газами. Для уникнення нещасних випадків ванни надійно ізолюють, робітники користуються сухими валянками, відповідним спецодягом. Здорова атмосфера підтримується ефективною вентиляцією. При постійному вдиханні пилу металевого А. і його окислу може виникнути алюміноз легенів (див. Пневмоконіози ) . У робітників, зайнятих у виробництві А., части катари верхніх дихальних доріг ( риніти, фарингіти, ларингіт ) . Гранично допустима концентрація в повітрі пилу металевого А., його окислу і сплавів 2 міліграма / м 3 .

  Вживання. Поєднання фізичних, механічних і хімічних властивостей А. визначає його широке вживання практично у всіх областях техніки, особливо у вигляді його сплавів з ін. металами (див. Алюмінієві сплави ) . В електротехніці А. успішно замінює мідь, особливо у виробництві масивних провідників, наприклад в повітряних лініях, високовольтних кабелях, шинах розподільних пристроїв, трансформаторах (електрична провідність А. досягає 65,5% електричної провідності міді, і він більш ніж в три рази легше за мідь; при поперечному перетині, що забезпечує одну і ту ж провідність, маса дротів з А. удвічі менше мідних). Надчистий А. вживають у виробництві електричних конденсаторів і випрямлячів дія яких заснована на здатності окисної плівки А. пропускати електричний струм лише в одному напрямі. Надчистий А., очищений зонною плавкою, застосовується для синтезу напівпровідникових з'єднань типа A III B V , вживаних для виробництва напівпровідникових приладів. Чистий А. використовують у виробництві різного роду дзеркал відбивачів. А. високої чистоти застосовують для оберігання металевих поверхонь від дії атмосферної корозії (плакированіє, алюмінієва фарба). Володіючи відносно низьким перетином поглинання нейтронів, А. застосовується як конструкційний матеріал в ядерних реакторах.

  В алюмінієвих резервуарах великої ємкості зберігають і транспортують рідкі гази (метан, кисень, водень і т. д.), азотну і оцетову кислоти, чисту воду, перекис водню і харчові масла. А. широко застосовують в устаткуванні і апаратах харчової промисловості, для упаковки харчових продуктів (у вигляді фольги), для виробництва різного роду побутових виробів. Різко зріс вжиток А. для обробки будівель, архітектурних, транспортних і спортивних споруд.

  В металургії А.. (окрім сплавів на його основі) — одна з найпоширеніших легуючих добавок в сплавах на основі Cu, Mg, Ti, Ni, Zn і Fe. Застосовують А. також для розкислювання стали перед заливкою її у форму, а також в процесах здобуття деяких металів методом алюмінотермії. На основі А. методом порошкової металургії створений САП (спечений алюмінієвий порошок), що володіє при температурах вище 300°С великою жароміцністю.

  А. використовують у виробництві вибухових речовин (амонал, алюмотол). Широко застосовують різні з'єднання А.

  Виробництво і вжиток А. безперервно зростає, значно випереджаючи по темпах зростання виробництво стали, міді, свинцю, цинку.

  Літ.: Беляєв А. І., Вольфсон Р. Е., Лазарев Р. І..Фірсанова Л. А., Здобуття чистого алюмінію, [М.], 1967; Беляєв А. І., Рапнопорт Н.. Би., Фірсанова Л. А., Електрометалургія алюмінію, М., 1953; Беляєв А. І., Історія алюмінію, в збірці: Праці інституту історії природознавства і техніки, т. 20, М., 1959; Фрідляндер І. Н., Алюміній і його сплави, М., 1965.

  Ю. І. Романьков.

  Геохімія А. Геохимічеськие межі А. визначаються його великою спорідненістю до кисню (у мінералах А. входить в кисневі октаедри і тетраедри), постійною валентністю (3), слабкою розчинністю більшості природних з'єднань. У ендогенних процесах при застиганні магми і формуванні вивержених порід А. входить в кристалічну решітку польових шпатів, слюди і ін. мінералів — алюмосилікатов. У біосфері А. — слабкий міграт, його мало в організмах і гідросфері. У вологому кліматі, де залишки рясної рослинності, що розкладаються, утворюють багато органічних кислот, А. мігрує в грунтах і водах у вигляді органо-мінеральніх колоїдних з'єднань; А. адсорбується колоїдами і осідає в нижній частині грунтів. Зв'язок А. з кремнієм частково порушується і місцями в тропіках утворюються мінерали — гидроокисли А. — беміт, діаспорів, гидраргилліт. Велика ж частина А. входить до складу алюмосилікатов — каолініту, бейделіту і ін. глинистих мінералів. Слабка рухливість визначає залишкове накопичення А. у корі вивітрювання вологих тропіків. В результаті утворюються елювіальні боксити. У минулі геологічні епохи боксити накопичувалися також в озерах і прибережній зоні Морея тропічних областей (наприклад, осадові боксити Казахстану). У степах і пустелях, де жива речовини мало, а води нейтральні і лужні, А. майже не мігрує. Найбільш енергійна міграція А. у вулканічних областях, де спостерігаються сильнокислиє річкові і підземні води, багаті А. У місцях змішення кислих вод з лужними — морськими (у гирлах річок і ін.), А. осідає з утворенням бокситових родовищ.

  А. І. Перельман.

  Алюміній в організмі. А. входить до складу тканин тварин і рослин; у органах ссавців тварин виявлено від 10 -3 до 10 -5 % А. (на сиру речовину). А. накопичується в печінці, підшлунковій і щитовидною залозах. У рослинних продуктах вміст А. вагається від 4 міліграма на 1 кг сухої речовини (картопля) до 46 міліграм   (жовта ріпа), в продуктах тваринного походження — від 4 міліграма   (мед) до 72 міліграм на 1кг сухої речовини (яловичина). У добовому раціоні людини вміст А. досягає 35—40 міліграма. Відомі організми — концентратори А., наприклад плавуни (Lycopodiaceae), що містять в золі до 5,3% А., молюски (Helix і Lithorina), у золі яких 0,2—0,8% А. Образуя нерозчинні з'єднання з фосфатами, А. порушує живлення рослин (поглинання фосфатів корінням) і тварин (всмоктування фосфатів в кишечнику).

  Літ.: Войнар А. О., Біологічна роль мікроелементів в організмі тварин і людини, 2 видавництва, М., 1960, с. 73—77.

  В.В. Ковальський.