Алюминий

(далее А)(лат. Aluminium), , элемент группы периодической системы номер 13, масса 26,9815; легкий металл. Состоит из одного стабильного изотопа ²⁷.

Историческая справка. Название А происходит от латинского alumen — так еще за 500 лет до н. э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский ученый Х. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой на безводный ₃ и затем отгоняя получил относительно чистый А Первый промышленный способ производства А предложил в 1854 французский химик А Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного А и ₃AICI₆ металлическим Похожий по цвету на А на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 было получено всего 200 т А Современный способ получения А электролизом криолито-глиноземного расплава разработан в 1886 одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во
Распространенность в природе. По распространенности в природе А занимает 3-е место после и и 1-е — среди металлов. Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80%. В свободном виде А в силу своей активности не встречается. Известно несколько сотен минералов А преимущественно алюмосиликатов. Промышленное значение имеют боксит, алунит и нефелин. Нефелиновые породы беднее бокситов глиноземом, но при их комплексном использовании получаются важные побочные продукты: сода, поташ, серная кислота. В СССР разработан метод комплексного использования нефелинов. Нефелиновые руды в СССР образуют, в отличие от бокситов, весьма крупные месторождения и создают практически неограниченные возможности для развития алюминиевой промышленности.

Физические и свойства. А сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. А хорошо сваривается газовой, контактной и др. видами сварки. Решетка А кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413

. Свойства А как и всех металлов, в значительной степени зависят от его чистоты. Свойства А особой чистоты (99,996% ): плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м³, t_пл 660,24°С; t_kип около 2500°С: коэффициент термического расширения (от 20° до 100°С) 23,86•10^-6; теплопроводность (при 190°С) 343 вт/м•К (0,82 кал/см•сек•°С), удельная теплоемкость (при 100°С) 931,98 дж/кг К (0,2226•кал/г•°С); электропроводность по отношению к меди (при 20°С) 65,5%. А обладает невысокой прочностью (предел прочности 50—60 Мн/м²), твердостью (170 Мн/м² по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50% ). При холодной прокатке предел прочности А возрастает до 115 Мн/м², твердость — до 270 Мн/м², относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м² " 0,1 кгс/мм²). А хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к А на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой окиси ₂₃, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность окисной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей меди и др. А стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной кислотой,с органическими кислотами, пищевыми продуктами.

Внешняя электронная оболочка атома А состоит из 3 электронов и имеет строение 3s²3р. В обычных условиях А в соединениях 3-валентен, но при высоких температурах может быть одновалентным, образуя т. н. субсоединения. Субгалогениды А AIF и , устойчивые лишь в газообразном состоянии, в вакууме или в инертной атмосфере, при понижении температуры распадаются (диспропорционируют) на чистый и ₃ или ₃ и поэтому могут быть использованы для получения сверхчистого А При накаливании мелкоизмельченный или порошкообразный А энергично сгорает на воздухе. Сжиганием А в токе достигается температура выше 3000°С. Свойством А активно взаимодействовать с пользуются для восстановления металлов из их окислов (см. Алюминотермия). При темно-красном калении энергично взаимодействует с А образуя AIF₃ (см. Алюминия фторид). и жидкий реагируют с А при комнатной температуре, иод — при нагревании (см. Алюминия хлорид). При высокой температуре А соединяется с и серой, образуя соответственно нитрид AIN, карбид ₄₃ и сульфид ₂₃. С А не взаимодействует; гидрид А (₃)x получен косвенным путем. Большой интерес представляют двойные гидриды А и элементов l и групп периодической системы состава MeH_n-nAlH₃, т.н. алюмогидриды (см. Алюминия гидрид). А легко растворяется в щелочах, выделяя и образуя алюминаты. Большинство солей А хорошо растворимо в воде. Растворы солей А вследствие гидролиза показывают кислую реакцию (см. Алюминия сульфат, Алюминия нитрат).

Получение. В промышленности А получают электролизом глинозема ₂₃ (см. Алюминия окись), растворенного в расплавленном криолите ₃₆ при температуре около 950°С. Используются электролизеры трех основных конструкций: 1) электролизеры с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым подводом тока, 2) то же, но с верхним подводом тока и 3) электролизеры с обожженными анодами. Электролитная ванна представляет собой кожух, футерованный внутри тепло- и электроизолирующим материалом — огнеупорным кирпичом, и выложенный плитами и блоками. Рабочий объем заполняется расплавленным электролитом, состоящим из 6—8% глинозема и 94—92% криолита (обычно с добавкой ₆ и около 5—6% смеси и Катодом служит подина ванны, анодом — погруженные в электролит обожженные блоки или же набивные самообжигающиеся электроды. При прохождении тока на катоде выделяется расплавленный А который накапливается на подине, а на аноде — образующий с анодом и ₂. К глинозему, основному расходуемому материалу, предъявляются высокие требования по чистоте и размерам частиц. Присутствие в нем окислов более электроположительных элементов, чем А ведет к загрязнению А При достаточном содержании глинозема ванна работает нормально при электрическом напряжении порядка 4—4,5 в. Ванны присоединяют к источнику постоянного тока последовательно (сериями из 150—160 ванн). Современные электролизеры работают при силе тока до 150 ка. Из ванн А извлекают обычно с помощью вакуум-ковша. Расплавленный А чистотой 99,7% разливают в формы. А высокой чистоты (99,9965%) получают электролитическим рафинированием первичного А с помощью т. н. трехслойного способа, снижающего содержание примесей , и . Исследования процесса электролитического рафинирования А с применением органических электролитов показали принципиальную возможность получения А чистотой 99,999% при относительно низком расходе энергии, но пока этот метод обладает низкой производительностью. Для глубокой очистки А применяют зонную плавку или дистилляцию его через субфторид.

При электролитическом производстве А возможны поражения электрическим током, высокой температурой и вредными газами. Для избежания несчастных случаев ванны надежно изолируют, рабочие пользуются сухими валенками, соответствующей спецодеждой. Здоровая атмосфера поддерживается эффективной вентиляцией. При постоянном вдыхании пыли металлического А и его окиси может возникнуть алюминоз легких (см. Пневмокониозы). У рабочих, занятых в производстве А часты катары верхних дыхательных путей (риниты, фарингиты, ларингиты). Предельно допустимая концентрация в воздухе пыли металлического А его окиси и сплавов 2 мг/м³.

Применение. Сочетание физических, механических и свойств А определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с др. металлами (см. Алюминиевые сплавы). В электротехнике А успешно заменяет особенно в производстве массивных проводников, например в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость А достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из А вдвое меньше Сверхчистый А употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности окисной пленки А пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый А очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа A, применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый А используют в производстве разного рода зеркал отражателей. А высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, А применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.

В резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, и т. д.), и уксусную кислоты, чистую воду, перекись и пищевые масла. А широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление А для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

В металлургии А (помимо сплавов на его основе) — одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе , , , , и . Применяют А также для раскисления стали перед заливкой ее в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе А методом порошковой металлургии создан САП (спеченный порошок), обладающий при температурах выше 300°С большой жаропрочностью.

А используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения А
Производство и потребление А непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди,

Лит.: Беляев А И., Вольфсон Г. Е., Лазарев Г. И..Фирсанова Л. А Получение чистого (М.), 1967; Беляев А И., Рапнопорт Н.. Б., Фирсанова Л. А Электрометаллургия М., 1953; Беляев А И., История в сборнике: Труды института истории естествознания и техники, т. 20, М., 1959; Фридляндер И. Н., и его сплавы, М., 1965.

Ю. И. Романьков.

Геохимия А Геохимические черты А определяются его большим сродством к (в минералах А входит в октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород А входит в решетку полевых шпатов, слюд и др. минералов — алюмосиликатов. В биосфере А — слабый миграт, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, А мигрирует в почвах и водах в виде органо-минеральных коллоидных соединений; А адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь А с частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы — гидроокислы А — бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть А входит в состав алюмосиликатов — каолинита, бейделлита и др. глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление А в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, А почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция А в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые А В местах смешения кислых вод с щелочными — морскими (в устьях рек и др.), А осаждается с образованием бокситовых месторождений.

А И. Перельман.

в организме. А входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10^-3 до 10^-5% А (на сырое вещество). А накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной В растительных продуктах содержание А колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения — от 4 мг (мед) до 72 мг на 1кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание А достигает 35—40 мг. Известны организмы — концентраторы А например плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% А моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2—0,8% А Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, А нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).

Лит.: Войнар А О., Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека, 2 изд., М., 1960, с. 73—77.

В.В. Ковальский.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.