Алюминий

Радиус нейтрального атома алюминия 0, 143 нм, радиус иона Al³⁺ 0, 057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5, 984, 18, 828, 28, 44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1, 5.

Простое вещество алюминий — мягкий легкий серебристо-белый металл.

Латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия KAl(SO₄)₂·12H₂O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия со ртутью) хлорид алюминия AlCl₃, который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути выделил серый порошок алюминия.

Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль в 1854 предложил использовать для получения алюминия металлический натрий, и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.

Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20 веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.

По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода и кремния), на его долю приходится около 8, 8% массы земной коры. Алюминий входит в состав огромного числа минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты, базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов — главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты и нефелины.

В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, — некоторые плауны, моллюски.

При промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния и железа и других элементов. В результате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al₂O₃ — основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al₂O₃ очень высока (более 2000 °C), использовать его расплав для электролиза не удается.

Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит Na₃AlF₆ (температура расплава немного ниже 1000 °C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al₂О₃ (до 10 % по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:

2Al₂О₃ = 4Al + 3О₂.

Так как анодом при электролизе служит графит, то выделяющийся на аноде кислород реагирует с графитом и образуется углекислый газ СО₂.

При электролизе получают металл с содержанием алюминия около 99, 7%. В технике применяют и значительно более чистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99, 999% и более.

Алюминий — типичный металл, кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0, 40403 нм. Температура плавления чистого металла 660 °C, температура кипения около 2450 °C, плотность 2, 6989 г/см³. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2, 5·10^-5 К^-1. Стандартный электродный потенциал Al³⁺/Al –1, 663В.

Химически алюминий — довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al₂О₃, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминий активно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl₃ + 3H₂,

3Н₂SO₄ + 2Al = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂.

Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:

Al₂О₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄].

Затем протекают реакции:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂,

NaOH + Al(OH)₃ = Na[Al(OH)₄],

или суммарно:

2Al + 6H₂O + 2NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3Н₂,

и в результате образуются алюминаты: Na[Al(OH)₄] — алюминат натрия (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)₄] — алюминат калия (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие: Na[Al(OH)₄(Н₂О)₂] и К[Al(OH)₄(Н₂О)₂].

При нагревании алюминий реагирует с галогенами:

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃,

2Al + 3 Br₂ = 2AlBr₃.

Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:

2Al + 3I₂ = 2AlI₃.

Взаимодействие алюминия с серой при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃,

который легко разлагается водой:

Al₂S₃ + 6Н₂О = 2Al(ОН)₃ + 3Н₂S.

С водородом алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН₃)_х — сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al₂О₃.

Высокая прочность связи в Al₂О₃ обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe и даже

3СаО + 2Al = Al₂О₃ + 3Са.

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.

Амфотерному оксиду Al₂О₃ соответствует амфотерный гидроксид — аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl₂O₃·yH₂O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH)₃.

В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:

Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃ + 3Na₂SO₄,

или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 6NaCl + 3CO₂­,

а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:

AlCl₃ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃↓ + 3H₂O + 3NH₄Cl.

По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65, 5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов — дуралюмина (94% Al, 4% Cu, по 0, 5% Mg, Mn, Fe и Si), силумина (85-90% Al, 10-14% Si, 0, 1% Na) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди, магния, железа, никеля и др.

Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония — циркалой — широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.

Особо следует отметить окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемые электрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминий называют анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему виду напоминающему золото, изготовляют различную бижутерию.

При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу и она приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-таки нежелательно.

В организм человека алюминий ежедневно поступает с пищей (около 2-3 мг), но его биологическая роль не установлена. В среднем в организме человека (70 кг) в костях, мышцах содержится около 60 мг алюминия.

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов