Podstawa aluminiowa. Aluminium

3s 2 3p 1 Właściwości chemiczne Promień kowalencyjny 23:00 Promień jonów 51 (+3e) godz Elektroujemność
(według Paulinga) 1,61 Potencjał elektrody -1,66 V Stany utlenienia 3 Właściwości termodynamiczne prostej substancji Gęstość 2,6989 /cm3 Molowa pojemność cieplna 24,35 J/(mol) Przewodność cieplna 237 W/( ·) Temperatura topnienia 933,5 Ciepło topnienia 10,75 kJ/mol Temperatura wrzenia 2792 Ciepło parowania 284,1 kJ/mol Objętość molowa 10,0 cm3/mol Sieć krystaliczna prostej substancji Struktura kratowa sześcienny, skupiony na twarzy Parametry sieci 4,050 stosunek c/a — Temperatura Debye’a 394

Aluminium- element głównej podgrupy trzeciej grupy trzeciego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych D.I. Mendelejewa, liczba atomowa 13. Oznaczony symbolem Al (aluminium). Należy do grupy metali lekkich. Najpopularniejszy metal i trzeci pod względem liczebności (po tlenie i krzemie) pierwiastek chemiczny w skorupie ziemskiej.

Prosta substancja aluminium (numer CAS: 7429-90-5) to lekki, paramagnetyczny srebrnobiały metal, który można łatwo formować, odlewać i obrabiać. Aluminium ma wysoką przewodność cieplną i elektryczną oraz odporność na korozję dzięki szybkiemu tworzeniu się silnych filmów tlenkowych, które chronią powierzchnię przed dalszą interakcją.

Według niektórych badań biologicznych spożycie glinu w organizmie człowieka uznano za czynnik wywołujący chorobę Alzheimera, jednak badania te zostały później skrytykowane i odrzucono wniosek o powiązaniu jednego z drugim.

Fabuła

Aluminium zostało po raz pierwszy otrzymane przez Hansa Oersteda w 1825 roku w wyniku działania amalgamatu potasu na chlorek glinu, a następnie destylacji rtęci.

Paragon

Nowoczesną metodę produkcji opracowali niezależnie Amerykanin Charles Hall i Francuz Paul Héroult. Polega na rozpuszczeniu tlenku glinu Al 2 O 3 w stopionym kriolicie Na 3 AlF 6, a następnie elektrolizie przy użyciu elektrod grafitowych. Ta metoda produkcji wymaga dużej ilości energii elektrycznej, dlatego stała się popularna dopiero w XX wieku.

Do wyprodukowania 1 tony surowego aluminium potrzeba 1,920 ton tlenku glinu, 0,065 tony kriolitu, 0,035 tony fluorku glinu, 0,600 tony masy anodowej i 17 tys. kWh energii elektrycznej prądu stałego.

Właściwości fizyczne

Metal ma barwę srebrzystobiałą, jest lekki, gęstość - 2,7 g/cm3, temperatura topnienia dla aluminium technicznego - 658°C, dla aluminium o wysokiej czystości - 660°C, ciepło właściwe topnienia - 390 kJ/kg, temperatura wrzenia - 2500°C, ciepło właściwe parowania - 10,53 MJ/kg, chwilowa wytrzymałość odlewów aluminiowych - 10-12 kg/mm², odkształcalność - 18-25 kg/mm², stopy - 38-42 kg/mm².

Twardość Brinella wynosi 24-32 kgf/mm², wysoka ciągliwość: techniczna - 35%, czysta - 50%, walcowana na cienkie arkusze, a nawet folię.

Aluminium ma wysoką przewodność elektryczną i cieplną, stanowiącą 65% przewodności elektrycznej miedzi i ma wysoki współczynnik odbicia światła.

Aluminium tworzy stopy z prawie wszystkimi metalami.

Będąc w naturze

Naturalne aluminium składa się prawie wyłącznie z jednego stabilnego izotopu 27Al ze śladami 26Al, radioaktywnego izotopu o okresie półtrwania wynoszącego 720 000 lat, wytwarzanego w atmosferze w wyniku bombardowania jąder argon protony promieniowania kosmicznego.

Pod względem rozpowszechnienia w przyrodzie zajmuje 1. miejsce wśród metali i 3. wśród pierwiastków, ustępując jedynie tlenowi i krzemowi. Według różnych badaczy zawartość glinu w skorupie ziemskiej waha się od 7,45 do 8,14% masy skorupy ziemskiej.

W naturze aluminium występuje wyłącznie w związkach (minerałach). Niektórzy z nich:

Boksyt - Al 2 O 3. H 2 O (z zanieczyszczeniami SiO 2, Fe 2 O 3, CaCO 3)
Nefeliny - KNa 3 4
Alunity - KAl(SO 4) 2. 2Al(OH) 3
Tlenek glinu (mieszaniny kaolinów z piaskiem SiO 2, wapieniem CaCO 3, magnezytem MgCO 3)
Korund - Al 2 O 3
Skaleń (ortoklaz) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2
Kaolinit - Al 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O
Alunit - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3
Beryl - 3BeO. Al2O3. 6SiO2

Wody naturalne zawierają glin w postaci niskotoksycznych związków chemicznych, np. fluorku glinu. Rodzaj kationu lub anionu zależy przede wszystkim od kwasowości środowiska wodnego. Stężenia glinu w wodach powierzchniowych w Rosji wahają się od 0,001 do 10 mg/l.

Właściwości chemiczne

Wodorotlenek glinu

W normalnych warunkach aluminium pokryte jest cienką i trwałą warstwą tlenku, dlatego nie reaguje z klasycznymi utleniaczami: z H 2 O (t°), O 2, HNO 3 (bez ogrzewania). Dzięki temu aluminium praktycznie nie ulega korozji i dlatego jest szeroko poszukiwane w nowoczesnym przemyśle. Jednakże, gdy warstwa tlenku zostanie zniszczona (na przykład w kontakcie z roztworami soli amonowych NH 4 +, gorącymi zasadami lub w wyniku amalgamacji), aluminium działa jako aktywny metal redukujący.

Łatwo reaguje z prostymi substancjami:

z tlenem: 4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
z halogenami: 2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3
reaguje z innymi niemetalami po podgrzaniu:
- z siarką, tworząc siarczek glinu: 2Al + 3S = Al 2 S 3
- z azotem, tworząc azotek glinu: 2Al + N 2 = 2AlN
- z węglem, tworząc węglik glinu: 4Al + 3C = Al 4 C 3

Metoda, wynaleziona niemal jednocześnie przez Charlesa Halla we Francji i Paula Héroux w USA w 1886 roku i oparta na produkcji aluminium poprzez elektrolizę tlenku glinu rozpuszczonego w roztopionym kriolicie, położyła podwaliny pod nowoczesną metodę produkcji aluminium. Od tego czasu, dzięki udoskonaleniom w elektrotechnice, poprawiła się produkcja aluminium. Znaczący wkład w rozwój produkcji tlenku glinu wnieśli rosyjscy naukowcy K. I. Bayer, D. A. Penyakov, A. N. Kuzniecow, E. I. Żukowski, A. A. Jakowkin i inni.

Pierwszą hutę aluminium w Rosji zbudowano w 1932 roku we Wołchowie. Przemysł metalurgiczny ZSRR w 1939 r. wyprodukował 47,7 tys. ton aluminium, kolejne 2,2 tys. ton sprowadzono z importu.

W Rosji de facto monopolistą w produkcji aluminium jest Russian Aluminium OJSC, posiadająca około 13% światowego rynku aluminium i 16% tlenku glinu.

Światowe zasoby boksytu są praktycznie nieograniczone, czyli niewspółmierne do dynamiki popytu. Istniejące zakłady mogą wyprodukować do 44,3 mln ton aluminium pierwotnego rocznie. Należy także wziąć pod uwagę, że w przyszłości część zastosowań aluminium może zostać przeorientowana na zastosowanie np. materiałów kompozytowych.

Aplikacja

Kawałek aluminium i amerykańska moneta.

Szeroko stosowany jako materiał konstrukcyjny. Głównymi zaletami aluminium tej jakości są lekkość, plastyczność przy tłoczeniu, odporność na korozję (w powietrzu aluminium natychmiast pokrywa się trwałą powłoką Al 2 O 3, co zapobiega jego dalszemu utlenianiu), wysoka przewodność cieplna i nietoksyczność jego związków. W szczególności te właściwości sprawiły, że aluminium jest niezwykle popularne w produkcji naczyń kuchennych, folii aluminiowej w przemyśle spożywczym oraz do opakowań.

Główną wadą aluminium jako materiału konstrukcyjnego jest jego niska wytrzymałość, dlatego zwykle jest ono stopowane z niewielką ilością miedzi i magnezu - stop duraluminium.

Przewodność elektryczna aluminium jest tylko 1,7 razy mniejsza niż miedzi, podczas gdy aluminium jest około 2 razy tańsze. Dlatego jest szeroko stosowany w elektrotechnice do produkcji drutów, ich ekranowania, a nawet w mikroelektronice do produkcji przewodników w chipach. Niższa przewodność elektryczna aluminium (37 1/ohm) w porównaniu z miedzią (63 1/ohm) jest kompensowana poprzez zwiększenie przekroju poprzecznego przewodów aluminiowych. Wadą aluminium jako materiału elektrycznego jest jego mocny film tlenkowy, który utrudnia lutowanie.

Ze względu na swoje kompleksowe właściwości znajduje szerokie zastosowanie w urządzeniach grzewczych.
Aluminium i jego stopy zachowują wytrzymałość w bardzo niskich temperaturach. Z tego powodu jest szeroko stosowany w technologii kriogenicznej.
Wysoki współczynnik odbicia w połączeniu z niskim kosztem i łatwością osadzania sprawia, że aluminium jest idealnym materiałem do produkcji luster.
W produkcji materiałów budowlanych jako czynnik gazotwórczy.
Aluminiowanie zapewnia odporność na korozję i kamień stali i innych stopów, takich jak zawory tłokowych silników spalinowych, łopatki turbin, platformy wiertnicze, sprzęt do wymiany ciepła, a także zastępuje cynkowanie.
Siarczek glinu służy do produkcji siarkowodoru.
Trwają badania nad opracowaniem spienionego aluminium jako materiału szczególnie wytrzymałego i lekkiego.

Jako środek redukujący

Jako składnik termitu, mieszaniny do glinotermii
Aluminium służy do odzyskiwania metali rzadkich z ich tlenków lub halogenków.

Stopy aluminium

Zwykle stosowanym materiałem konstrukcyjnym nie jest czyste aluminium, ale różne stopy na jego bazie.

— Stopy aluminiowo-magnezowe mają wysoką odporność na korozję i są dobrze spawane; Wykorzystuje się je na przykład do produkcji kadłubów statków szybkich.

— Stopy aluminiowo-manganowe są pod wieloma względami podobne do stopów aluminiowo-magnezowych.

— Stopy aluminiowo-miedziowe (w szczególności duraluminium) można poddawać obróbce cieplnej, co znacznie zwiększa ich wytrzymałość. Niestety materiałów poddanych obróbce cieplnej nie można spawać, dlatego części samolotów nadal łączone są nitami. Stop o większej zawartości miedzi ma bardzo podobny kolor do złota i czasami jest używany do jego imitacji.

— Do odlewania najlepiej nadają się stopy aluminiowo-krzemowe (siluminy). Często odlewane są z nich obudowy różnych mechanizmów.

— Stopy złożone na bazie aluminium: ptasie.

— Aluminium przechodzi w stan nadprzewodzący w temperaturze 1,2 Kelwina.

Aluminium jako dodatek do innych stopów

Aluminium jest ważnym składnikiem wielu stopów. Na przykład w brązach aluminiowych głównymi składnikami są miedź i aluminium. W stopach magnezu jako dodatek najczęściej stosuje się aluminium. Do produkcji spiral w elektrycznych urządzeniach grzewczych stosuje się fechral (Fe, Cr, Al) (wraz z innymi stopami).

Biżuteria

Kiedy aluminium było bardzo drogie, wytwarzano z niego różnorodną biżuterię. Moda na nie minęła natychmiast, gdy pojawiły się nowe technologie ich produkcji, co wielokrotnie obniżyło koszty. Obecnie aluminium jest czasami wykorzystywane do produkcji biżuterii kostiumowej.

Produkcja szkła

W produkcji szkła stosuje się fluor, fosforan i tlenek glinu.

Przemysł spożywczy

Aluminium jest zarejestrowane jako dodatek do żywności E173.

Aluminium i jego związki w technologii rakietowej

Aluminium i jego związki stosuje się jako wysoce wydajny materiał pędny w dwumateriałowych paliwach rakietowych oraz jako składnik palny w stałych paliwach rakietowych. Następujące związki glinu mają największe praktyczne znaczenie jako paliwo rakietowe:

— Aluminium: paliwo w paliwach rakietowych. Stosowany w postaci proszku i zawiesin w węglowodorach itp.
— Wodorek glinu
— Boran glinu
— Trójmetyloglin
— Trietyloglin
— Trójpropyloglin

Teoretyczna charakterystyka paliw utworzonych z wodorku glinu z różnymi utleniaczami.

Utleniacz	Ciąg właściwy (P1, s)	Temperatura spalania °C	Gęstość paliwa, g/cm3	Wzrost prędkości, ΔV id, 25, m/s	Zawartość wagowa paliwo,%
Fluor	348,4	5009	1,504	5328	25
Tetrafluorohydrazyna	327,4	4758	1,193	4434	19
CIF 3	287,7	4402	1,764	4762	20
ClF5	303,7	4604	1,691	4922	20
Fluorek perchlorylu	293,7	3788	1,589	4617	47
Fluorek tlenu	326,5	4067	1,511	5004	38,5
Tlen	310,8	4028	1,312	4428	56
Nadtlenek wodoru	318,4	3561	1,466	4806	52
N2O4	300,5	3906	1,467	4537	47
Kwas azotowy	301,3	3720	1,496	4595	49

Aluminium w kulturze światowej

Poeta Andrei Voznesensky napisał wiersz „Jesień” w 1959 roku, w którym wykorzystał aluminium jako obraz artystyczny:
...A za oknem młody mróz
są pola aluminium...

Viktor Tsoi napisał piosenkę „Aluminium Cucumbers” z refrenem:
Sadzenie ogórków aluminiowych
Na polu plandekowym
Sadzę ogórki aluminiowe
Na polu plandekowym

Toksyczność

Ma lekko toksyczne działanie, ale wiele rozpuszczalnych w wodzie nieorganicznych związków glinu pozostaje przez długi czas w stanie rozpuszczonym i może mieć szkodliwy wpływ na ludzi i stałocieplne zwierzęta poprzez wodę pitną. Najbardziej toksyczne są chlorki, azotany, octany, siarczany itp. Dla człowieka następujące dawki związków glinu (mg/kg masy ciała) mają działanie toksyczne po spożyciu: octan glinu – 0,2-0,4; wodorotlenek glinu - 3,7-7,3; ałun glinowy - 2,9. Działa przede wszystkim na układ nerwowy (kumuluje się w tkance nerwowej, powodując poważne zaburzenia ośrodkowego układu nerwowego). Jednakże neurotoksyczność aluminium bada się od połowy lat 60. XX wieku, ponieważ mechanizm jego eliminacji zapobiega gromadzeniu się metalu w organizmie człowieka. W normalnych warunkach z moczem może zostać wydalone do 15 mg pierwiastka dziennie. W związku z tym największy negatywny efekt obserwuje się u osób z zaburzeniami czynności wydalniczej nerek.

Dodatkowe informacje

— Wodorotlenek glinu
— Encyklopedia o aluminium
— Połączenia aluminiowe
— Międzynarodowy Instytut Aluminium

Aluminium, Aluminium, Al (13)

Spoiwa zawierające aluminium znane są od czasów starożytnych. Natomiast ałun (łac. Alumen lub Alumin, niem. Alaun), o którym wspomina zwłaszcza Pliniusz, był rozumiany w starożytności i w średniowieczu jako różne substancje. W Słowniku Alchemicznym Rulanda słowo Alumen, z dodatkiem różnych definicji, ma 34 znaczenia. W szczególności oznaczało to antymon, Alumen alafuri – sól alkaliczna, Alumen Alcori – nitrum lub ałun alkaliczny, Alumen creptum – kamień nazębny (kamień nazębny) dobrego wina, Alumen fascioli – alkalia, Alumen odig – amoniak, Alumen scoriole – gips itp. Lemery , autor słynnego „Słownika prostych produktów farmaceutycznych” (1716), podaje również obszerną listę odmian ałunu.

Aż do XVIII wieku związków glinu (ałun i tlenek) nie można było odróżnić od innych związków o podobnym wyglądzie. Lemery tak opisuje ałun: „W 1754 r. Marggraf wyizolował z roztworu ałunu (działaniem zasad) osad tlenku glinu, który nazwał „ziemia ałunową” (Alaunerde) i ustalił jego różnicę w stosunku do innych ziem. Wkrótce ziemia ałunowa otrzymała nazwę tlenku glinu (tlenek glinu lub aluminium). W 1782 roku Lavoisier wyraził pogląd, że aluminium jest tlenkiem nieznanego pierwiastka. W swojej Tabeli ciał prostych Lavoisier umieścił glin wśród „ciał prostych, tworzących sól, ziemistych”. Oto synonimy nazwy tlenku glinu: argile, ałun. ziemia, fundament z ałunu. Słowo argilla, czyli argila, jak wskazuje Lemery w swoim słowniku, pochodzi z języka greckiego. glina ceramiczna. Dalton w swoim „Nowym systemie filozofii chemicznej” podaje specjalny znak dla aluminium i podaje złożoną strukturalną (!) formułę ałunu.

Po odkryciu metali alkalicznych za pomocą elektryczności galwanicznej Davy i Berzelius bezskutecznie próbowali w ten sam sposób odizolować metaliczne aluminium od tlenku glinu. Dopiero w 1825 roku duński fizyk Oersted rozwiązał problem metodą chemiczną. Przepuścił chlor przez gorącą mieszaninę tlenku glinu i węgla, a powstały bezwodny chlorek glinu ogrzano z amalgamatem potasowym. Po odparowaniu rtęci – pisze Oersted – otrzymano metal przypominający wyglądem cynę. Wreszcie w 1827 roku Wöhler wyizolował metaliczne aluminium w bardziej efektywny sposób - poprzez ogrzewanie bezwodnego chlorku glinu z metalicznym potasem.

Około 1807 roku Davy, który próbował przeprowadzić elektrolizę tlenku glinu, nadał nazwę metalowi, który miał go zawierać aluminium (Alumium) lub aluminium (Aluminum). Ta ostatnia nazwa stała się od tego czasu powszechna w USA, natomiast w Anglii i innych krajach przyjęto nazwę Aluminium, zaproponowaną później przez tego samego Davy'ego. Jest całkiem jasne, że wszystkie te nazwy pochodzą od łacińskiego słowa ałun (alumen), o pochodzeniu którego istnieją różne opinie, oparte na świadectwach różnych autorów, sięgające starożytności.

A. M. Wasiliew, zwracając uwagę na niejasne pochodzenie tego słowa, przytacza opinię niejakiego Izydora (oczywiście Izydora z Sewilli, biskupa żyjącego w latach 560 - 636, encyklopedysty zajmującego się zwłaszcza badaniami etymologicznymi): „Alumen to zwany lumenem, a więc w jaki sposób nadaje światło (światło, jasność) farbom, gdy jest dodawany podczas barwienia. Jednakże to wyjaśnienie, choć bardzo stare, nie dowodzi, że słowo alumen ma dokładnie takie pochodzenie. Tutaj całkiem prawdopodobna jest tylko przypadkowa tautologia. Lemery (1716) z kolei zwraca uwagę, że słowo alumen jest spokrewnione z greką (halmi), oznaczającą zasolenie, solankę, solankę itp.

Rosyjskie nazwy aluminium w pierwszych dekadach XIX wieku. dość zróżnicowane. Każdy z autorów książek o chemii tego okresu starał się oczywiście zaproponować własny tytuł. Tak więc Zacharow nazywa tlenek glinu (1810), Giese - aluminium (1813), Strachow - ałun (1825), Iovsky - glinę, Szczegłow - tlenek glinu (1830). W sklepie Dvigubsky (1822–1830) tlenek glinu nazywany jest tlenkiem glinu, tlenkiem glinu, tlenkiem glinu (na przykład tlenkiem glinu kwasu fosforowego), a metal nazywany jest aluminium i aluminium (1824). Hess w pierwszym wydaniu „Podstaw czystej chemii” (1831) używa nazwy tlenek glinu (Aluminium), a w wydaniu piątym (1840) – glina. Tworzy jednak nazwy soli w oparciu o termin tlenek glinu, na przykład siarczan tlenku glinu. Mendelejew w pierwszym wydaniu „Podstaw chemii” (1871) używa nazw aluminium i glina, w kolejnych wydaniach słowo glina już nie występuje.

Jako najlżejszy i najbardziej ciągliwy metal ma szerokie zastosowanie. Jest odporny na korozję, ma wysoką przewodność elektryczną i z łatwością wytrzymuje nagłe wahania temperatury. Kolejną cechą jest to, że w kontakcie z powietrzem na jego powierzchni pojawia się specjalny film, który chroni metal.

Wszystko to, a także inne funkcje, przyczyniły się do jego aktywnego wykorzystania. Dowiedzmy się więc bardziej szczegółowo, jakie są zastosowania aluminium.

Ten metal konstrukcyjny jest szeroko stosowany. W szczególności przy jego użyciu rozpoczęła się produkcja samolotów, nauka o rakietach, przemysł spożywczy i produkcja zastaw stołowych. Aluminium dzięki swoim właściwościom pozwala na lepszą manewrowość statków ze względu na mniejszą masę.

Konstrukcje aluminiowe są średnio o 50% lżejsze od podobnych produktów stalowych.

Osobno warto wspomnieć o zdolności metalu do przewodzenia prądu. Ta cecha pozwoliła mu stać się jego głównym konkurentem. Jest aktywnie wykorzystywany w produkcji mikroukładów i ogólnie w dziedzinie mikroelektroniki.

Do najpopularniejszych obszarów zastosowań należą:

Produkcja samolotów: pompy, silniki, obudowy i inne elementy;
Nauka o rakietach: jako palny składnik paliwa rakietowego;
Przemysł stoczniowy: kadłuby i nadbudówki pokładowe;
Elektronika: przewody, kable, prostowniki;
Produkcja obronna: karabiny maszynowe, czołgi, samoloty, różne instalacje;
Konstrukcja: schody, ościeżnice, wykończenie;
Obszar kolejowy: zbiorniki na produkty naftowe, części, ramy do samochodów;
Przemysł motoryzacyjny: zderzaki, chłodnice;
Gospodarstwo domowe: folie, naczynia, lustra, drobny sprzęt AGD;

Jego szeroką dystrybucję tłumaczy się zaletami metalu, ale ma też znaczną wadę - niską wytrzymałość. Aby go zminimalizować, do metalu dodaje się również magnez.

Jak już rozumiesz, aluminium i jego związki znajdują zastosowanie głównie w elektrotechnice (i po prostu technologii), życiu codziennym, przemyśle, budowie maszyn i lotnictwie. Teraz porozmawiamy o zastosowaniu aluminium w budownictwie.

W tym filmie dowiesz się o zastosowaniu aluminium i jego stopów:

Zastosowanie w budownictwie

O zastosowaniu aluminium przez człowieka w budownictwie decyduje jego odporność na korozję. Umożliwia to wykonanie z niego konstrukcji, które mają być stosowane w środowiskach agresywnych, a także na zewnątrz.

Materiały dachowe

Aluminium jest aktywnie wykorzystywane. Ten materiał arkuszowy, oprócz dobrych właściwości dekoracyjnych, nośnych i zamykających, ma również przystępną cenę w porównaniu z innymi materiałami dachowymi. Co więcej, taki dach nie wymaga przeglądów zapobiegawczych ani napraw, a jego żywotność przekracza wiele istniejących materiałów.

Dodając inne metale do czystego aluminium, można uzyskać absolutnie dowolne cechy dekoracyjne. Zadaszenie to pozwala na uzyskanie szerokiej gamy kolorów, które idealnie pasują do ogólnego stylu.

Skrzydła okienne

Aluminium można znaleźć wśród latarni i ram okiennych. Używany do podobnego celu okaże się materiałem zawodnym i krótkotrwałym.

Stal szybko pokryje się korozją, będzie miała duży ciężar wiązania i będzie niewygodna w otwieraniu. Z kolei konstrukcje aluminiowe nie mają takich wad.

Poniższy film opowie Ci o właściwościach i zastosowaniu aluminium:

panele ścienne

Panele aluminiowe wykonane są ze stopów tego metalu i służą do dekoracji zewnętrznej domów. Mogą mieć formę zwykłych tłoczonych arkuszy lub gotowych paneli osłonowych składających się z arkuszy, izolacji i okładziny. W każdym razie zatrzymują ciepło w domu w jak największym stopniu, a ponieważ są lekkie, nie przenoszą obciążenia na fundament.

Każdy pierwiastek chemiczny można rozpatrywać z punktu widzenia trzech nauk: fizyki, chemii i biologii. W tym artykule postaramy się jak najdokładniej scharakteryzować aluminium. Jest to pierwiastek chemiczny, który według układu okresowego należy do trzeciej grupy i trzeciego okresu. Aluminium jest metalem o średniej reaktywności chemicznej. Właściwości amfoteryczne można zaobserwować także w jego związkach. Masa atomowa aluminium wynosi dwadzieścia sześć gramów na mol.

Właściwości fizyczne aluminium

W normalnych warunkach jest ciałem stałym. Formuła aluminium jest bardzo prosta. Składa się z atomów (niepołączonych w cząsteczki), które za pomocą sieci krystalicznej ułożone są w substancję stałą. Kolor aluminium jest srebrno-biały. Ponadto ma metaliczny połysk, jak wszystkie inne substancje z tej grupy. Kolor aluminium stosowanego w przemyśle może się różnić ze względu na obecność zanieczyszczeń w stopie. To dość lekki metal.

Jego gęstość wynosi 2,7 g/cm3, czyli jest około trzy razy lżejszy od żelaza. Pod tym względem może być jedynie gorszy od magnezu, który jest nawet lżejszy od danego metalu. Twardość aluminium jest dość niska. W nim jest gorszy od większości metali. Twardość aluminium wynosi tylko dwa, dlatego aby go wzmocnić, do stopów na bazie tego metalu dodaje się twardsze.

Aluminium topi się w temperaturze zaledwie 660 stopni Celsjusza. I wrze po podgrzaniu do temperatury dwóch tysięcy czterystu pięćdziesięciu dwóch stopni Celsjusza. Jest to metal bardzo plastyczny i topliwy. Na tym nie kończą się właściwości fizyczne aluminium. Chciałbym również zauważyć, że metal ten ma najlepszą przewodność elektryczną po miedzi i srebrze.

Występowanie w przyrodzie

Aluminium, którego właściwości techniczne właśnie sprawdziliśmy, jest dość powszechne w środowisku. Można to zaobserwować w składzie wielu minerałów. Pierwiastek aluminium jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w przyrodzie. W skorupie ziemskiej występuje prawie w dziewięciu procentach. Głównymi minerałami zawierającymi jego atomy są boksyt, korund i kriolit. Pierwsza to skała składająca się z tlenków żelaza, krzemu i danego metalu, a w jej strukturze obecne są również cząsteczki wody. Ma niejednorodną barwę: fragmenty szarości, czerwonawo-brązowego i inne kolory, zależne od obecności różnych zanieczyszczeń. Od trzydziestu do sześćdziesięciu procent tej skały stanowi aluminium, którego zdjęcie widać powyżej. Ponadto korund jest bardzo powszechnym minerałem w przyrodzie.

To jest tlenek glinu. Jego wzór chemiczny to Al2O3. Może być czerwony, żółty, niebieski lub brązowy. Jego twardość w skali Mohsa wynosi dziewięć. Odmiany korundu obejmują dobrze znane szafiry i rubiny, leukozafiry, a także padparadscha (żółty szafir).

Kriolit to minerał o bardziej złożonym wzorze chemicznym. W jego skład wchodzą fluorki glinu i sodu – AlF3.3NaF. Wygląda jak bezbarwny lub szarawy kamień o niskiej twardości wynoszącej zaledwie trzy w skali Mohsa. We współczesnym świecie syntetyzuje się go sztucznie w warunkach laboratoryjnych. Jest stosowany w metalurgii.

Aluminium występuje w przyrodzie również w glinach, których głównymi składnikami są tlenki krzemu i omawiany metal, związany z cząsteczkami wody. Ponadto ten pierwiastek chemiczny można zaobserwować w składzie nefelin, których wzór chemiczny jest następujący: KNa34.

Paragon

Charakterystyka aluminium obejmuje rozważenie metod jego syntezy. Istnieje kilka metod. Produkcja aluminium pierwszą metodą przebiega w trzech etapach. Ostatnim z nich jest procedura elektrolizy na katodzie i anodzie węglowej. Do przeprowadzenia takiego procesu niezbędny jest tlenek glinu oraz substancje pomocnicze takie jak kriolit (wzór - Na3AlF6) i fluorek wapnia (CaF2). Aby nastąpił proces rozkładu tlenku glinu rozpuszczonego w wodzie, należy go podgrzać wraz ze stopionym kriolitem i fluorkiem wapnia do temperatury co najmniej dziewięćset pięćdziesiąt stopni Celsjusza, a następnie przepuścić prąd o wartości osiemdziesiąt tysięcy amperów i napięcie przez te substancje pięć, osiem woltów. Zatem w wyniku tego procesu na katodzie będzie osadzać się aluminium, a na anodzie gromadzą się cząsteczki tlenu, które z kolei utleniają anodę i przekształcają ją w dwutlenek węgla. Przed tym zabiegiem boksyt, w postaci którego wydobywa się tlenek glinu, jest najpierw oczyszczany z zanieczyszczeń, a także poddawany procesowi odwodnienia.

Produkcja aluminium opisaną powyżej metodą jest bardzo powszechna w metalurgii. Istnieje również metoda wynaleziona w 1827 roku przez F. Wöhlera. Polega na tym, że aluminium można ekstrahować w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy jego chlorkiem i potasem. Taki proces można przeprowadzić jedynie poprzez stworzenie specjalnych warunków w postaci bardzo wysokiej temperatury i próżni. Zatem z jednego mola chlorku i tej samej objętości potasu można otrzymać jeden mol glinu i trzy mole jako produkt uboczny. Reakcję tę można zapisać w postaci równania: АІСІ3 + 3К = АІ + 3КІ. Metoda ta nie zyskała dużej popularności w metalurgii.

Charakterystyka aluminium z chemicznego punktu widzenia

Jak wspomniano powyżej, jest to prosta substancja składająca się z atomów, które nie są połączone w cząsteczki. Prawie wszystkie metale tworzą podobne struktury. Aluminium ma dość wysoką aktywność chemiczną i silne właściwości redukujące. Charakterystyka chemiczna aluminium rozpocznie się od opisu jego reakcji z innymi prostymi substancjami, a następnie zostaną opisane interakcje ze złożonymi związkami nieorganicznymi.

Aluminium i substancje proste

Należą do nich przede wszystkim tlen – najpowszechniejszy związek na planecie. Składa się z niego dwadzieścia jeden procent ziemskiej atmosfery. Reakcja danej substancji z jakąkolwiek inną nazywa się utlenianiem lub spalaniem. Zwykle ma to miejsce w wysokich temperaturach. Ale w przypadku aluminium w normalnych warunkach możliwe jest utlenianie - w ten sposób powstaje film tlenkowy. Jeśli metal ten zostanie zmiażdżony, spali się, uwalniając dużą ilość energii w postaci ciepła. Aby przeprowadzić reakcję aluminium z tlenem, składniki te są potrzebne w stosunku molowym 4:3, co daje dwie części tlenku.

To oddziaływanie chemiczne wyraża się w postaci następującego równania: 4АІ + 3О2 = 2АІО3. Możliwe są również reakcje aluminium z halogenami, do których należą fluor, jod, brom i chlor. Nazwy tych procesów pochodzą od nazw odpowiednich halogenów: fluorowanie, jodowanie, bromowanie i chlorowanie. Są to typowe reakcje addycji.

Jako przykład rozważmy interakcję aluminium z chlorem. Ten rodzaj procesu może zachodzić tylko na zimno.

Zatem biorąc dwa mole glinu i trzy mole chloru, otrzymujemy dwa mole chlorku danego metalu. Równanie tej reakcji jest następujące: 2АІ + 3СІ = 2АІСІ3. W ten sam sposób można otrzymać fluorek glinu, jego bromek i jodek.

Dana substancja reaguje z siarką dopiero po podgrzaniu. Aby przeprowadzić reakcję między tymi dwoma związkami, należy je przyjąć w proporcjach molowych od dwóch do trzech i powstaje jedna część siarczku glinu. Równanie reakcji wygląda następująco: 2Al + 3S = Al2S3.

Ponadto w wysokich temperaturach aluminium reaguje zarówno z węglem, tworząc węglik, jak i z azotem, tworząc azotek. Jako przykład można podać następujące równania reakcji chemicznych: 4АІ + 3С = АІ4С3; 2Al + N2 = 2AlN.

Interakcja z substancjami złożonymi

Należą do nich woda, sole, kwasy, zasady, tlenki. Aluminium reaguje inaczej ze wszystkimi tymi związkami chemicznymi. Przyjrzyjmy się bliżej każdemu przypadkowi.

Reakcja z wodą

Aluminium reaguje po podgrzaniu z najpowszechniejszą złożoną substancją na Ziemi. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy najpierw usunie się warstwę tlenku. W wyniku interakcji powstaje amfoteryczny wodorotlenek, a do powietrza uwalniany jest także wodór. Biorąc dwie części aluminium i sześć części wody, otrzymujemy wodorotlenek i wodór w proporcjach molowych od dwóch do trzech. Równanie tej reakcji zapisano w następujący sposób: 2AI + 6H2O = 2AI(OH)3 + 3H2.

Oddziaływanie z kwasami, zasadami i tlenkami

Podobnie jak inne metale aktywne, aluminium może ulegać reakcjom podstawienia. W ten sposób może wyprzeć wodór z kwasu lub kation bardziej pasywnego metalu z jego soli. W wyniku takich oddziaływań powstaje sól glinu, wydziela się także wodór (w przypadku kwasu) lub wytrąca się czysty metal (mniej aktywny od omawianego). W drugim przypadku pojawiają się wspomniane powyżej właściwości regeneracyjne. Przykładem jest oddziaływanie aluminium, z którym tworzy się chlorek glinu i wodór uwalniany do powietrza. Ten rodzaj reakcji wyraża się w postaci równania: 2АІ + 6НІ = 2АІСІ3 + 3Н2.

Przykładem oddziaływania aluminium z solą jest jego reakcja z. Biorąc te dwa składniki ostatecznie otrzymamy czystą miedź, która będzie się wytrącać. Aluminium w wyjątkowy sposób reaguje z kwasami, takimi jak siarkowy i azotowy. Na przykład, gdy glin zostanie dodany do rozcieńczonego roztworu kwasu azotanowego w stosunku molowym od ośmiu części do trzydziestu, powstaje osiem części azotanu danego metalu, trzy części tlenku azotu i piętnaście części wody. Równanie tej reakcji zapisuje się następująco: 8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O. Proces ten zachodzi tylko w obecności wysokiej temperatury.

Jeśli zmieszamy glin i słaby roztwór kwasu siarczanowego w proporcjach molowych od dwóch do trzech, otrzymamy siarczan danego metalu i wodór w stosunku od jednego do trzech. Oznacza to, że nastąpi zwykła reakcja podstawienia, podobnie jak w przypadku innych kwasów. Dla przejrzystości podajemy równanie: 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2. Jednak przy stężonym roztworze tego samego kwasu wszystko jest bardziej skomplikowane. Tutaj, podobnie jak w przypadku azotanów, powstaje produkt uboczny, ale nie w postaci tlenku, ale w postaci siarki i wody. Jeśli weźmiemy dwa potrzebne składniki w stosunku molowym od dwóch do czterech, wówczas otrzymamy po jednej części soli danego metalu i siarki, a także cztery części wody. Tę interakcję chemiczną można wyrazić za pomocą następującego równania: 2Al + 4H2SO4 = Al2(SO4)3 + S + 4H2O.

Ponadto aluminium może reagować z roztworami alkalicznymi. Aby przeprowadzić taką interakcję chemiczną, należy wziąć dwa mole danego metalu, taką samą ilość potasu, a także sześć moli wody. W rezultacie powstają takie substancje, jak tetrahydroksyglinian sodu lub potasu, a także wodór, który uwalnia się w postaci gazu o ostrym zapachu w proporcjach molowych od dwóch do trzech. Tę reakcję chemiczną można przedstawić w postaci następującego równania: 2АІ + 2КОН + 6Н2О = 2К[АІ(ОН)4] + 3Н2.

Ostatnią rzeczą, którą należy wziąć pod uwagę, są wzorce interakcji aluminium z określonymi tlenkami. Najbardziej powszechnym i używanym przypadkiem jest reakcja Beketowa. Podobnie jak wiele innych omówionych powyżej, zachodzi tylko w wysokich temperaturach. Aby to wdrożyć, musisz wziąć dwa mole aluminium i jeden mol tlenku żelaza. W wyniku oddziaływania tych dwóch substancji otrzymujemy tlenek glinu i wolne żelazo w ilościach odpowiednio jednego i dwóch moli.

Zastosowanie danego metalu w przemyśle

Należy pamiętać, że użycie aluminium jest zjawiskiem bardzo powszechnym. Przede wszystkim potrzebuje tego przemysł lotniczy. Oprócz tego stosowane są również stopy na bazie danego metalu. Można powiedzieć, że przeciętny samolot składa się w 50% ze stopów aluminium, a jego silnik w 25%. Aluminium jest również wykorzystywane do produkcji drutów i kabli ze względu na doskonałą przewodność elektryczną. Ponadto metal ten i jego stopy są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. Z tych materiałów wykonywane są nadwozia samochodów osobowych, autobusów, trolejbusów, niektórych tramwajów, a także wagonów kolejowych konwencjonalnych i elektrycznych.

Wykorzystywany jest także na mniejszą skalę, np. do produkcji opakowań do żywności i innych produktów oraz naczyń. Aby wykonać srebrną farbę, potrzebujesz proszku danego metalu. Ta farba jest potrzebna do ochrony żelaza przed korozją. Można powiedzieć, że aluminium jest drugim po żelazie najczęściej używanym metalem w przemyśle. Jego związki i on sam są często wykorzystywane w przemyśle chemicznym. Wyjaśnia to specjalne właściwości chemiczne aluminium, w tym jego właściwości redukujące i właściwości amfoteryczne jego związków. Wodorotlenek danego pierwiastka chemicznego jest niezbędny do oczyszczania wody. Ponadto wykorzystuje się go w medycynie w procesie produkcji szczepionek. Można go również znaleźć w niektórych rodzajach tworzyw sztucznych i innych materiałów.

Rola w przyrodzie

Jak już napisano powyżej, aluminium występuje w dużych ilościach w skorupie ziemskiej. Jest to szczególnie ważne dla organizmów żywych. Aluminium bierze udział w regulacji procesów wzrostu, tworzy tkanki łączne takie jak kości, więzadła i inne. Dzięki temu mikroelementowi procesy regeneracji tkanek organizmu przebiegają szybciej. Jej niedobór objawia się następującymi objawami: u dzieci zaburzenia rozwoju i wzrostu, u dorosłych chroniczne zmęczenie, obniżona wydajność, zaburzenia koordynacji ruchów, zmniejszone tempo regeneracji tkanek, osłabienie mięśni, szczególnie kończyn. Zjawisko to może wystąpić w przypadku spożywania zbyt małej ilości pokarmów zawierających ten mikroelement.

Jednak częstszym problemem jest nadmiar aluminium w organizmie. W tym przypadku często obserwuje się następujące objawy: nerwowość, depresja, zaburzenia snu, zmniejszona pamięć, odporność na stres, rozmiękanie układu mięśniowo-szkieletowego, co może prowadzić do częstych złamań i skręceń. Przy długotrwałym nadmiarze aluminium w organizmie często pojawiają się problemy w funkcjonowaniu niemal każdego układu narządów.

Do tego zjawiska może prowadzić wiele przyczyn. Przede wszystkim naukowcy od dawna udowodnili, że naczynia wykonane z tego metalu nie nadają się do gotowania w nich jedzenia, ponieważ w wysokich temperaturach część aluminium przedostaje się do żywności, w wyniku czego zużywa się znacznie więcej tego mikroelementu niż ciało potrzebuje.

Drugim powodem jest regularne stosowanie kosmetyków zawierających dany metal lub jego sole. Przed użyciem jakiegokolwiek produktu należy dokładnie zapoznać się z jego składem. Kosmetyki nie są wyjątkiem.

Trzecim powodem jest długotrwałe przyjmowanie leków zawierających dużo aluminium. Jak również niewłaściwe stosowanie witamin i dodatków do żywności zawierających ten mikroelement.

Teraz zastanówmy się, jakie produkty zawierają aluminium, aby uregulować dietę i prawidłowo uporządkować menu. Przede wszystkim są to marchew, sery topione, pszenica, ałun, ziemniaki. Polecanymi owocami są awokado i brzoskwinie. Ponadto biała kapusta, ryż i wiele ziół leczniczych są bogate w aluminium. Również kationy danego metalu mogą być zawarte w wodzie pitnej. Aby uniknąć wysokiego lub niskiego poziomu aluminium w organizmie (a także innych pierwiastków śladowych), należy uważnie monitorować swoją dietę i starać się, aby była jak najbardziej zbilansowana.

W skorupie ziemskiej znajduje się dużo aluminium: 8,6% wagowo. Zajmuje pierwsze miejsce wśród wszystkich metali i trzecie wśród pozostałych pierwiastków (po tlenie i krzemie). Jest dwa razy więcej aluminium niż żelaza i 350 razy więcej niż miedzi, cynku, chromu, cyny i ołowiu razem wziętych! Jak napisał ponad 100 lat temu w swoim klasycznym podręczniku Podstawy chemii D.I. Mendelejew ze wszystkich metali „aluminium występuje najczęściej w przyrodzie; Wystarczy wskazać, że jest on częścią gliny, aby wyjaśnić powszechne rozmieszczenie glinu w skorupie ziemskiej. Aluminium lub metal ałunowy (alumen) nazywany jest również gliną, ponieważ występuje w glinie.

Najważniejszym minerałem glinu jest boksyt, mieszanina zasadowego tlenku AlO(OH) i wodorotlenku Al(OH) 3. Największe złoża boksytów znajdują się w Australii, Brazylii, Gwinei i Jamajce; produkcja przemysłowa prowadzona jest także w innych krajach. Alunit (kamień ałunowy) (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH) 3 i nefelina (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 są również bogate w glin. W sumie znanych jest ponad 250 minerałów zawierających glin; większość z nich to glinokrzemiany, z których głównie zbudowana jest skorupa ziemska. Podczas wietrzenia tworzy się glina, której podstawą jest minerał kaolinit Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O. Domieszki żelaza zwykle zabarwiają glinę na brązowo, ale występuje też glinka biała – kaolin, z której wyrabia się glinę wyroby porcelanowe i ceramiczne.

Czasami spotyka się wyjątkowo twardy (po diamentze) korund mineralny - krystaliczny tlenek Al 2 O 3, często zabarwiony zanieczyszczeniami na różne kolory. Jego niebieska odmiana (domieszka tytanu i żelaza) nazywana jest szafirem, czerwona (domieszka chromu) nazywana jest rubinem. Różne zanieczyszczenia mogą również zabarwić tzw. korund szlachetny na zielono, żółto, pomarańczowo, fioletowo i inne kolory i odcienie.

Do niedawna uważano, że aluminium, jako metal wysoce aktywny, nie może występować w przyrodzie w stanie wolnym, jednak w 1978 roku w skałach Platformy Syberyjskiej odkryto aluminium rodzime – wyłącznie w postaci nitkowatych kryształów Długość 0,5 mm (przy grubości gwintu kilku mikrometrów). Rodzime aluminium odkryto także w księżycowej glebie sprowadzonej na Ziemię z regionów Mórz Kryzysu i Obfitości. Uważa się, że metaliczny aluminium można utworzyć w wyniku kondensacji z gazu. Wiadomo, że po podgrzaniu halogenki glinu - chlorek, bromek, fluorek - mogą odparować z większą lub mniejszą łatwością (na przykład AlCl 3 sublimuje już w 180 ° C). Przy silnym wzroście temperatury halogenki glinu rozkładają się, przechodząc w stan o niższej wartościowości metalu, na przykład AlCl. Kiedy taki związek skrapla się wraz ze spadkiem temperatury i brakiem tlenu, w fazie stałej zachodzi reakcja dysproporcjonowania: część atomów glinu utlenia się i przechodzi do zwykłego stanu trójwartościowego, a część ulega redukcji. Jednowartościowe aluminium można zredukować jedynie do metalu: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . Założenie to potwierdza także nitkowaty kształt rodzimych kryształów aluminium. Zazwyczaj kryształy o tej strukturze powstają w wyniku szybkiego wzrostu z fazy gazowej. Jest prawdopodobne, że mikroskopijne bryłki aluminium w glebie księżycowej powstały w podobny sposób.

Nazwa aluminium pochodzi od łacińskiego słowa alumen (rodzaj aluminis). Tak nazywał się ałun, podwójny siarczan potasowo-glinowy KAl(SO 4) 2 · 12H 2 O), który był używany jako zaprawa do barwienia tkanin. Nazwa łacińska prawdopodobnie wywodzi się od greckiego „halme” – solanka, roztwór soli. Ciekawe, że w Anglii aluminium to aluminium, a w USA to aluminium.

W wielu popularnych książkach o chemii zawarta jest legenda, że pewien wynalazca, którego imię nie zostało zachowane w historii, przywiózł cesarzowi Tyberiuszowi, rządzącemu Rzymem w latach 14–27 n.e., misę wykonaną z metalu przypominającego kolorem srebro, ale zapalniczka. Dar ten kosztował mistrza życie: Tyberiusz nakazał jego egzekucję i zniszczenie warsztatu, gdyż obawiał się, że nowy kruszec może obniżyć wartość srebra w skarbcu cesarskim.

Legenda ta opiera się na opowiadaniu Pliniusza Starszego, rzymskiego pisarza i uczonego, autora Historia naturalna– encyklopedia wiedzy przyrodniczej czasów starożytnych. Według Pliniusza nowy metal uzyskano z „ziemi ilastej”. Ale glina zawiera aluminium.

Współcześni autorzy prawie zawsze zastrzegają, że cała ta historia to nic innego jak piękna bajka. I nie jest to zaskakujące: aluminium w skałach jest niezwykle ściśle związane z tlenem, a aby go uwolnić, trzeba wydać dużo energii. Jednak ostatnio pojawiły się nowe dane na temat zasadniczej możliwości otrzymywania metalicznego aluminium w starożytności. Jak wykazała analiza spektralna, dekoracje na grobie chińskiego dowódcy Zhou-Zhu, zmarłego na początku III wieku. AD, wykonane są ze stopu składającego się w 85% z aluminium. Czy starożytni mogli uzyskać darmowe aluminium? Wszystkie znane metody (elektroliza, redukcja metalicznym sodem lub potasem) są automatycznie eliminowane. Czy w starożytności można było znaleźć rodzime aluminium, na przykład bryłki złota, srebra i miedzi? Jest to również wykluczone: rodzime aluminium jest rzadkim minerałem występującym w niewielkich ilościach, więc starożytni rzemieślnicy nie mogli znaleźć i zebrać takich bryłek w wymaganej ilości.

Możliwe jest jednak inne wyjaśnienie historii Pliniusza. Aluminium można odzyskiwać z rud nie tylko za pomocą prądu i metali alkalicznych. Istnieje dostępny i szeroko stosowany od czasów starożytnych środek redukujący – węgiel, za pomocą którego tlenki wielu metali po podgrzaniu ulegają redukcji do wolnych metali. Pod koniec lat 70. niemieccy chemicy postanowili sprawdzić, czy w starożytności można było wytwarzać aluminium w drodze redukcji za pomocą węgla. Podgrzali mieszaninę gliny z pyłem węglowym i solą kuchenną lub potasem (węglanem potasu) w glinianym tyglu do czerwonego ciepła. Sól pozyskiwano z wody morskiej, a potas z popiołów roślinnych, aby stosować wyłącznie te substancje i metody, które były dostępne w starożytności. Po pewnym czasie na powierzchnię tygla wypłynął żużel z kulkami aluminiowymi! Uzysk metalu był niewielki, ale możliwe, że w ten sposób starożytni hutnicy uzyskiwali „metal XX wieku”.

Właściwości aluminium.

Czyste aluminium ma barwę przypominającą srebro, jest metalem bardzo lekkim: jego gęstość wynosi zaledwie 2,7 g/cm 3 . Jedynymi metalami lżejszymi od aluminium są metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych (z wyjątkiem baru), beryl i magnez. Aluminium też łatwo się topi – w temperaturze 600°C (cienki drut aluminiowy można stopić na zwykłym kuchennym palniku), ale wrze dopiero w temperaturze 2452°C. Pod względem przewodności elektrycznej aluminium zajmuje 4. miejsce, ustępując jedynie srebrowi (jest jest na pierwszym miejscu), miedź i złoto, co ze względu na taniość aluminium ma ogromne znaczenie praktyczne. Przewodność cieplna metali zmienia się w tej samej kolejności. Łatwo jest sprawdzić wysoką przewodność cieplną aluminium, zanurzając aluminiową łyżkę w gorącej herbacie. I jeszcze jedna niezwykła właściwość tego metalu: jego gładka, błyszcząca powierzchnia doskonale odbija światło: od 80 do 93% w widzialnym obszarze widma, w zależności od długości fali. W obszarze ultrafioletu aluminium nie ma sobie równych pod tym względem i tylko w obszarze czerwonym jest nieco gorsze od srebra (w ultrafiolecie srebro ma bardzo niski współczynnik odbicia).

Czyste aluminium jest dość miękkim metalem - prawie trzy razy bardziej miękkim od miedzi, więc nawet stosunkowo grube aluminiowe płyty i pręty łatwo się wyginają, ale gdy aluminium tworzy stopy (jest ich ogromna liczba), jego twardość może wzrosnąć dziesięciokrotnie.

Charakterystyczny stopień utlenienia aluminium wynosi +3, ale ze względu na obecność niewypełnionego 3 R- i 3 D-orbitale, atomy glinu mogą tworzyć dodatkowe wiązania donor-akceptor. Dlatego jon Al 3+ o małym promieniu jest bardzo podatny na tworzenie kompleksów, tworząc różnorodne kompleksy kationowe i anionowe: AlCl 4 –, AlF 6 3–, 3+, Al(OH) 4 –, Al(OH) 6 3–, AlH 4 – i wiele innych. Znane są także kompleksy ze związkami organicznymi.

Aktywność chemiczna aluminium jest bardzo wysoka; w szeregu potencjałów elektrod stoi bezpośrednio za magnezem. Na pierwszy rzut oka takie stwierdzenie może wydawać się dziwne: w końcu aluminiowa patelnia lub łyżka jest dość stabilna w powietrzu i nie zapada się we wrzącej wodzie. Aluminium w przeciwieństwie do żelaza nie rdzewieje. Okazuje się, że metal pod wpływem powietrza pokryty jest bezbarwną, cienką, ale trwałą „zbroją” tlenkową, która chroni metal przed utlenianiem. Tak więc, jeśli do płomienia palnika wprowadzisz gruby drut lub płytkę aluminiową o grubości 0,5–1 mm, metal topi się, ale aluminium nie płynie, ponieważ pozostaje w worku tlenku. Jeśli pozbawimy aluminium warstwy ochronnej lub je poluzujemy (np. zanurzając w roztworze soli rtęci), aluminium natychmiast ujawni swoją prawdziwą istotę: już w temperaturze pokojowej zacznie energicznie reagować z wodą, wydzielając wodór : 2Al + 6H2O® 2Al(OH)3 + 3H2. W powietrzu pozbawione warstwy ochronnej aluminium na naszych oczach zamienia się w sypki proszek tlenkowy: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 . Aluminium jest szczególnie aktywne w stanie drobno pokruszonym; Wdmuchnięty w płomień pył aluminiowy pali się natychmiast. Jeśli zmieszasz pył aluminiowy z nadtlenkiem sodu na płytce ceramicznej i upuścisz na tę mieszaninę wodę, aluminium również zapłonie i spali się białym płomieniem.

Bardzo duże powinowactwo aluminium do tlenu pozwala mu „odbierać” tlen z tlenków wielu innych metali, redukując je (metoda aluminotermiczna). Najbardziej znanym przykładem jest mieszanina termitów, która podczas spalania uwalnia tyle ciepła, że powstałe żelazo topi się: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Reakcję tę odkrył w 1856 roku N.N. Beketow. W ten sposób Fe 2 O 3, CoO, NiO, MoO 3, V 2 O 5, SnO 2, CuO i szereg innych tlenków można zredukować do metali. Podczas redukcji Cr 2 O 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, B 2 O 3 za pomocą aluminium ciepło reakcji nie jest wystarczające, aby ogrzać produkty reakcji powyżej ich temperatury topnienia.

Aluminium łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach mineralnych, tworząc sole. Stężony kwas azotowy, utleniający powierzchnię aluminium, sprzyja pogrubieniu i wzmocnieniu filmu tlenkowego (tzw. pasywacja metalu). Tak obrobione aluminium nie reaguje nawet z kwasem solnym. Stosując elektrochemiczne utlenianie anodowe (anodowanie), na powierzchni aluminium można utworzyć grubą warstwę, którą można łatwo pomalować na różne kolory.

Wypieranie metali mniej aktywnych przez aluminium z roztworów soli jest często utrudniane przez warstwę ochronną na powierzchni aluminium. Powłoka ta jest szybko niszczona przez chlorek miedzi, dlatego łatwo zachodzi reakcja 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu, której towarzyszy silne ogrzewanie. W mocnych roztworach alkalicznych aluminium łatwo rozpuszcza się z wydzieleniem wodoru: 2Al + 6NaOH + 6H 2 O ® 2Na 3 + 3H 2 (powstają również inne anionowe kompleksy hydroksylowe). Amfoteryczny charakter związków glinu objawia się także łatwym rozpuszczaniem świeżo wytrąconych tlenków i wodorotlenków w alkaliach. Krystaliczny tlenek (korund) jest bardzo odporny na kwasy i zasady. Po stopieniu z zasadami powstają bezwodne gliniany: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. Glinian magnezu Mg(AlO 2) 2 to półszlachetny kamień spinelowy, zwykle barwiony domieszkami w szerokiej gamie kolorów .

Reakcja aluminium z halogenami zachodzi szybko. Jeżeli do probówki z 1 ml bromu włoży się cienki drut aluminiowy, to po krótkim czasie aluminium zapali się i zacznie palić jasnym płomieniem. Reakcję mieszaniny proszków glinu i jodu inicjuje kropla wody (woda z jodem tworzy kwas, który niszczy warstwę tlenkową), po czym pojawia się jasny płomień z chmurami fioletowych par jodu. Halogenki glinu w roztworach wodnych mają odczyn kwaśny w wyniku hydrolizy: AlCl3 + H2O Al(OH)Cl2 + HCl.

Reakcja aluminium z azotem zachodzi dopiero powyżej 800 ° C z utworzeniem azotku AlN, z siarką - w 200 ° C (powstaje siarczek Al 2 S 3), z fosforem - w 500 ° C (powstaje fosforek AlP). Po dodaniu boru do stopionego aluminium powstają borki o składzie AlB 2 i AlB 12 - związki ogniotrwałe odporne na kwasy. Wodorek (AlH) x (x = 1,2) powstaje wyłącznie w próżni, w niskich temperaturach, w reakcji wodoru atomowego z parami aluminium. Wodorek AlH 3, trwały w nieobecności wilgoci w temperaturze pokojowej, otrzymuje się w roztworze bezwodnego eteru: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. Z nadmiarem LiH tworzy się solony wodorek litowo-glinowy LiAlH 4 – bardzo silny reduktor stosowany w syntezach organicznych. Natychmiast rozkłada się z wodą: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al(OH) 3 + 4H 2.

Produkcja aluminium.

Udokumentowane odkrycie glinu nastąpiło w 1825 roku. Metal ten został po raz pierwszy otrzymany przez duńskiego fizyka Hansa Christiana Oersteda, kiedy to wyizolował go poprzez działanie amalgamatu potasowego na bezwodny chlorek glinu (otrzymywany przez przepuszczanie chloru przez gorącą mieszaninę tlenku glinu i węgla ). Po oddestylowaniu rtęci Oersted otrzymał aluminium, chociaż było ono zanieczyszczone zanieczyszczeniami. W 1827 roku niemiecki chemik Friedrich Wöhler otrzymał aluminium w postaci proszku poprzez redukcję heksafluoroglinianu potasem:

Na3AlF6 + 3K® Al + 3NaF + 3KF. Później udało mu się uzyskać aluminium w postaci błyszczących metalowych kulek. W 1854 roku francuski chemik Henri Etienne Saint-Clair Deville opracował pierwszą przemysłową metodę produkcji aluminium - poprzez redukcję stopu tetrachloroglinianu sodem: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Jednak aluminium nadal było niezwykle rzadkim i drogim metalem; było niewiele tańsze od złota i 1500 razy droższe od żelaza (obecnie tylko trzykrotnie). Grzechotka została wykonana ze złota, aluminium i kamieni szlachetnych w latach pięćdziesiątych XIX wieku dla syna cesarza Francji Napoleona III. Kiedy w 1855 roku na Wystawie Światowej w Paryżu wystawiono dużą sztabkę aluminium, wyprodukowaną nową metodą, uznano ją za klejnot. Górna część (w kształcie piramidy) Pomnika Waszyngtona w stolicy USA została wykonana ze szlachetnego aluminium. W tamtym czasie aluminium nie było dużo tańsze od srebra: np. w USA w 1856 roku sprzedawano je po cenie 12 dolarów za funt (454 g), a srebro po 15 dolarów. W słowniku encyklopedycznym Brockhausa opublikowanym w 1890 roku Efron stwierdził, że „aluminium nadal jest wykorzystywane głównie do produkcji... dóbr luksusowych”. Do tego czasu na całym świecie wydobywano zaledwie 2,5 tony metalu rocznie. Dopiero pod koniec XIX wieku, kiedy opracowano elektrolityczną metodę wytwarzania aluminium, jego roczna produkcja zaczęła sięgać tysięcy ton, a w XX wieku. – milion ton. Spowodowało to przekształcenie aluminium z metalu półszlachetnego w powszechnie dostępny metal.

Nowoczesną metodę produkcji aluminium odkrył w 1886 roku młody amerykański badacz Charles Martin Hall. Już jako dziecko zainteresował się chemią. Po znalezieniu starego podręcznika do chemii ojca zaczął go pilnie studiować i przeprowadzać eksperymenty, a pewnego razu spotkał się nawet z reprymendą ze strony matki za uszkodzenie obrusu. A 10 lat później dokonał niezwykłego odkrycia, które uczyniło go sławnym na całym świecie.

Jako uczeń w wieku 16 lat Hall usłyszał od swojego nauczyciela, F. F. Jewetta, że gdyby ktoś mógł opracować tani sposób produkcji aluminium, osoba ta nie tylko wyświadczyłaby ludzkości wielką przysługę, ale także zarobiłaby ogromną fortunę. Jewett wiedział, co mówi: wcześniej szkolił się w Niemczech, współpracował z Wöhlerem i omawiał z nim problemy produkcji aluminium. Jewett przywiózł także ze sobą do Ameryki próbkę tego rzadkiego metalu, którą pokazał swoim uczniom. Nagle Hall oświadczył publicznie: „Zdobędę ten metal!”

Trwało sześć lat ciężkiej pracy. Hall próbował uzyskać aluminium różnymi metodami, ale bez powodzenia. Wreszcie podjął próbę ekstrakcji tego metalu metodą elektrolizy. Nie było wówczas elektrowni, prąd wytwarzano z dużych, domowych akumulatorów na bazie węgla, cynku, kwasu azotowego i siarkowego. Hall pracował w stodole, gdzie założył małe laboratorium. Pomagała mu siostra Julia, która bardzo interesowała się eksperymentami brata. Zachowała wszystkie jego listy i dzienniki pracy, dzięki którym można dosłownie prześledzić historię odkrycia dzień po dniu. Oto fragment jej wspomnień:

„Karol zawsze był w dobrym humorze i nawet w najgorsze dni potrafił śmiać się z losu pechowych wynalazców. W chwilach niepowodzeń znajdował ukojenie przy naszym starym pianinie. W swoim domowym laboratorium pracował długie godziny bez przerwy; a kiedy już mógł na chwilę opuścić zestaw, biegał przez nasz długi dom, żeby się trochę pobawić... Wiedziałem, że bawiąc się z takim wdziękiem i wyczuciem, ciągle myślał o swojej pracy. Pomogła mu w tym muzyka.

Najtrudniejszą rzeczą był wybór elektrolitu i zabezpieczenie aluminium przed utlenianiem. Po sześciu miesiącach wyczerpującej pracy w tyglu w końcu pojawiło się kilka małych srebrnych kulek. Hall natychmiast pobiegł do swojego byłego nauczyciela, aby opowiedzieć mu o swoim sukcesie. „Profesorze, mam to!” zawołał, wyciągając rękę: w jego dłoni leżał tuzin małych aluminiowych kulek. Stało się to 23 lutego 1886 roku. I dokładnie dwa miesiące później, 23 kwietnia tego samego roku, Francuz Paul Héroux opatentował podobny wynalazek, który wykonał samodzielnie i niemal jednocześnie (uderzające są też dwa inne zbiegi okoliczności: zarówno Hall, jak i Héroux urodzili się w 1863 r. i zmarli w 1914 r.).

Obecnie pierwsze kule aluminium wyprodukowane przez Halla przechowywane są w American Aluminium Company w Pittsburghu jako relikt narodowy, a na jego uczelni znajduje się pomnik Halla odlany z aluminium. Jewett napisał później: „Moim najważniejszym odkryciem było odkrycie człowieka. To Charles M. Hall w wieku 21 lat odkrył metodę redukcji aluminium z rudy i w ten sposób uczynił aluminium tym wspaniałym metalem, który jest obecnie szeroko stosowany na całym świecie. Przepowiednia Jewetta spełniła się: Hall zyskał szerokie uznanie i został honorowym członkiem wielu towarzystw naukowych. Ale jego życie osobiste nie powiodło się: panna młoda nie chciała pogodzić się z faktem, że jej narzeczony spędza cały czas w laboratorium i zerwała zaręczyny. Hall znalazł pocieszenie w rodzinnej uczelni, gdzie pracował do końca życia. Jak napisał brat Charlesa: „College było jego żoną, jego dziećmi i wszystkim innym – całym jego życiem”. Hall zapisał uczelni większość swojego dziedzictwa – 5 milionów dolarów. Hall zmarł na białaczkę w wieku 51 lat.

Metoda Halla umożliwiła produkcję na dużą skalę stosunkowo niedrogiego aluminium przy użyciu energii elektrycznej. Jeśli w latach 1855–1890 uzyskano zaledwie 200 ton aluminium, to w ciągu następnej dekady, stosując metodę Halla, na całym świecie uzyskano już 28 000 ton tego metalu! Do 1930 roku światowa roczna produkcja aluminium osiągnęła 300 tysięcy ton. Obecnie rocznie produkuje się ponad 15 milionów ton aluminium. W specjalnych kąpielach w temperaturze 960–970 ° C poddaje się roztwór tlenku glinu (techniczny Al 2 O 3) w stopionym kriolicie Na 3 AlF 6, który jest częściowo wydobywany w postaci minerału, a częściowo specjalnie syntetyzowany do elektrolizy. Ciekłe aluminium gromadzi się na dnie wanny (katoda), na anodach węglowych uwalnia się tlen, który stopniowo się spala. Przy niskim napięciu (około 4,5 V) elektrolizery pobierają ogromne prądy - aż do 250 000 A! Jeden elektrolizer produkuje około tony aluminium dziennie. Produkcja wymaga dużych ilości energii elektrycznej: do wyprodukowania 1 tony metalu potrzeba 15 000 kilowatogodzin energii elektrycznej. Tyle energii elektrycznej zużywa duży, 150-mieszkalny budynek przez cały miesiąc. Produkcja aluminium jest niebezpieczna dla środowiska, ponieważ powietrze atmosferyczne jest zanieczyszczone lotnymi związkami fluoru.

Zastosowanie aluminium.

Nawet DI Mendelejew napisał, że „metaliczne aluminium, charakteryzujące się dużą lekkością i wytrzymałością oraz niewielką zmiennością w powietrzu, bardzo nadaje się do niektórych produktów”. Aluminium jest jednym z najpowszechniejszych i najtańszych metali. Bez niej trudno sobie wyobrazić współczesne życie. Nic dziwnego, że aluminium nazywane jest metalem XX wieku. Dobrze nadaje się do obróbki: kucia, tłoczenia, walcowania, ciągnienia, prasowania. Czyste aluminium jest dość miękkim metalem; Wykorzystuje się go do produkcji przewodów elektrycznych, elementów konstrukcyjnych, folii spożywczej, przyborów kuchennych i „srebrnej” farby. Ten piękny i lekki metal znajduje szerokie zastosowanie w budownictwie i technologii lotniczej. Aluminium bardzo dobrze odbija światło. Dlatego wykorzystuje się go do wykonywania luster metodą osadzania metalu w próżni.

W lotnictwie i budowie maszyn do produkcji konstrukcji budowlanych stosuje się znacznie twardsze stopy aluminium. Jednym z najbardziej znanych jest stop aluminium z miedzią i magnezem (duraluminium, czyli po prostu „duraluminium”; nazwa pochodzi od niemieckiego miasta Duren). Po utwardzeniu stop ten nabiera szczególnej twardości i staje się około 7 razy mocniejszy od czystego aluminium. Jednocześnie jest prawie trzy razy lżejszy od żelaza. Otrzymuje się go przez stopowanie aluminium z niewielkimi dodatkami miedzi, magnezu, manganu, krzemu i żelaza. Szeroko stosowane są siluminy - stopy odlewnicze aluminium i krzemu. Produkowane są także stopy wysokowytrzymałe, kriogeniczne (mrozoodporne) i żaroodporne. Powłoki ochronne i dekoracyjne można z łatwością nakładać na produkty wykonane ze stopów aluminium. Lekkość i wytrzymałość stopów aluminium są szczególnie przydatne w technologii lotniczej. Na przykład wirniki helikopterów są wykonane ze stopu aluminium, magnezu i krzemu. Stosunkowo tani brąz aluminiowy (do 11% Al) charakteryzuje się wysokimi właściwościami mechanicznymi, jest stabilny w wodzie morskiej, a nawet w rozcieńczonym kwasie solnym. W latach 1926–1957 w ZSRR bito monety o nominałach 1, 2, 3 i 5 kopiejek z brązu aluminiowego.

Obecnie jedną czwartą całego aluminium wykorzystuje się na potrzeby budownictwa, tyle samo zużywa inżynieria transportu, około 17% na materiały opakowaniowe i puszki, a 10% na elektrotechnikę.

Wiele łatwopalnych i wybuchowych mieszanin zawiera także aluminium. Alumotol, odlewana mieszanina trinitrotoluenu i proszku aluminiowego, jest jednym z najsilniejszych przemysłowych materiałów wybuchowych. Amonal jest substancją wybuchową składającą się z azotanu amonu, trinitrotoluenu i proszku aluminiowego. Kompozycje zapalające zawierają glin i środek utleniający - azotan, nadchloran. Kompozycje pirotechniczne Zvezdochki zawierają również sproszkowane aluminium.

Mieszankę proszku aluminiowego z tlenkami metali (termit) stosuje się do produkcji niektórych metali i stopów, do spawania szyn oraz w amunicji zapalającej.

Aluminium znalazło również praktyczne zastosowanie jako paliwo rakietowe. Do całkowitego spalenia 1 kg aluminium potrzeba prawie czterokrotnie mniej tlenu niż na 1 kg nafty. Ponadto aluminium można utleniać nie tylko wolnym tlenem, ale także związanym tlenem, który jest częścią wody lub dwutlenku węgla. Kiedy aluminium „spala się” w wodzie, na 1 kg produktów uwalnia się 8800 kJ; jest to 1,8 razy mniej niż podczas spalania metalu w czystym tlenie, ale 1,3 razy więcej niż podczas spalania w powietrzu. Oznacza to, że zamiast niebezpiecznych i kosztownych związków, jako utleniacz takiego paliwa można zastosować zwykłą wodę. Pomysł wykorzystania aluminium jako paliwa zaproponował w 1924 roku krajowy naukowiec i wynalazca F.A. Tsander. Według jego planu możliwe jest wykorzystanie aluminiowych elementów statku kosmicznego jako dodatkowego paliwa. Ten śmiały projekt nie został jeszcze praktycznie wdrożony, jednak większość znanych obecnie stałych paliw rakietowych zawiera metaliczne aluminium w postaci drobnego proszku. Dodanie 15% aluminium do paliwa może podnieść temperaturę produktów spalania o tysiąc stopni (z 2200 do 3200 K); Wyraźnie wzrasta również natężenie przepływu produktów spalania z dyszy silnika - główny wskaźnik energii określający wydajność paliwa rakietowego. Pod tym względem tylko lit, beryl i magnez mogą konkurować z aluminium, ale wszystkie są znacznie droższe od aluminium.

Szeroko stosowane są również związki aluminium. Tlenek glinu jest materiałem ogniotrwałym i ściernym (szmerglowym), surowcem do produkcji ceramiki. Służy również do produkcji materiałów laserowych, łożysk do zegarków i kamieni jubilerskich (sztucznych rubinów). Kalcynowany tlenek glinu jest adsorbentem do oczyszczania gazów i cieczy oraz katalizatorem wielu reakcji organicznych. Bezwodny chlorek glinu jest katalizatorem w syntezie organicznej (reakcja Friedela-Craftsa), materiałem wyjściowym do produkcji aluminium o wysokiej czystości. Do oczyszczania wody stosuje się siarczan glinu; reaguje z wodorowęglanem wapnia, który zawiera:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O, tworzy płatki tlenkowo-wodorotlenkowe, które osadzając się, wychwytują, a także absorbują na powierzchni te znajdujące się w zawieszone w wodzie zanieczyszczenia, a nawet mikroorganizmy. Ponadto siarczan glinu stosuje się jako zaprawę do barwienia tkanin, garbowania skóry, konserwacji drewna i zaklejania papieru. Glinian wapnia jest składnikiem materiałów cementowych, w tym cementu portlandzkiego. Granat itrowo-aluminiowy (YAG) YAlO 3 jest materiałem laserowym. Azotek glinu jest materiałem ogniotrwałym do pieców elektrycznych. Zeolity syntetyczne (należą do glinokrzemianów) są adsorbentami w chromatografii i katalizatorami. Związki glinoorganiczne (np. trietyloglin) są składnikami katalizatorów Zieglera-Natty, które wykorzystywane są do syntezy polimerów, w tym wysokiej jakości kauczuku syntetycznego.

Ilia Leenson

Literatura:

Tichonow V.N. Chemia analityczna aluminium. M., „Nauka”, 1971
Popularna biblioteka pierwiastków chemicznych. M., „Nauka”, 1983
Craig NC Charles Martin Hall i jego metal. J.Chem.Educ. 1986, tom. 63, nr 7
Kumar V., Milewski L. Charles Martin Hall i wielka rewolucja aluminiowa. J.Chem.Educ., 1987, tom. 64, nr 8