Алюминий (Al) — химический элемент с атомным номером 13. Название происходит от латинского слова alumen.
В периодической таблице элементов алюминий относится к группе бора, которую раньше называли группой земных металлов. Алюминий является третьим наиболее распространенным металлом в земной коре.
Историческая справка
Плиний сообщает, что однажды во дворце императора Тиберия, который правил с 14 по 37 год н.э., появился рабочий и предложил императору подарок из металла, который выглядел как серебро, но был удивительно легким.
Император спросил рабочего, где найти этот металл, и получил ответ, что он сделал его из глинистой земли. Тиберий продолжал спрашивать, знает ли еще кто-нибудь еще о существовании и производстве этого металла, на что рабочий ответил на свое несчастье, что кроме него только Юпитер знает секрет производства. Император понял, что новый металл может снизить ценность золота и серебра, и поэтому мастерская рабочего была разрушена, а сам рабочий обезглавлен, так что его изобретение было потеряно на долгие века.
Первым известным алюминиевым предметом является пряжка пояса китайского генерала Чжоу-Чоу (265-316).
Когда сэр Хэмфри Дэви открыл и описал алюминий в 1808 году, судьба несчастного рабочего снова стала основной темой для обсуждения. Ведь было совершенно неясно, как один рабочий мог бы решить все технические сложности, которые необходимо преодолеть для производства чистого алюминия.
Лишь в 1825 году датскому Гансу Кристиану Эрстеду удалось синтетически произвести алюминий, который в природе не имеет чистой формы. Параллельно производство алюминия было описано и реализовано в 1827 году немецким химиком Фридрихом Вёлером. В то время цена на алюминий была выше, чем на золото.
Анри Сент-Клер Девиль усовершенствовал процесс Вёлера в 1846 году и в результате цены на алюминий упали на 90 процентов в течение следующих десяти лет.
В 1886 году Чарльз Мартин Холл и Поль Эрульт независимо друг от друга разработали процесс электролиза для производства алюминия, названного в их честь: процесс Холла-Эрульта. На основе этой технологии, крупномасштабное производство алюминия продолжается и сегодня. В 1889 году процедура была усовершенствована Карлом Йозефом Байером.
Описание
Поскольку алюминий не может быть напрямую изолирован из-за его связывания с другими примесями, экономически оправданное извлечение возможно только из бокситов. Боксит содержит около 60 процентов гидроксида алюминия (Al (OH) 3 и AlO (OH)) и около 30 процентов оксида железа (Fe2O3) и оксида кремния (SiO2).
Основные месторождения бокситов расположены на юге Франции, Гвинеи, Боснии и Герцеговины, Венгрии, России, Индии, Ямайки, Австралии, Бразилии и США.
Получение
Сегодня в промышленных масштабах производство алюминия осуществляется исключительно с помощью огневого электролиза из оксида алюминия путем обжига в роторных печах.
Процесс Байера (влажное расщепление каустической содой) заранее освобождает смесь оксида алюминия / гидроксида от посторонних компонентов, таких как оксид железа и оксид кремния.
Оксид алюминия растворяется в расплаве криолита и подвергается электролизу. Из-за большого количества потребляемой энергии этот процесс довольно энергоемкий, около 13-15 кВтч на кг произведенного алюминия. Для сравнения, производство одной тонны алюминия потребляет столько же энергии, сколько среднее домохозяйство за 3,8 года.
Во время электролиза алюминий образуется на катоде, а кислород на аноде, который реагирует с графитом (углеродом) анода с образованием диоксида и оксида углерода.
Графитовые блоки, которые образуют анод, медленно выгорают из-за кислорода, образующегося в процессе, и время от времени заменяются. Жидкий алюминий, собирающийся на дне (само дно сделано из графита и инертно к алюминию), отсасывается из резервуара.
Свойства
Чистый металлический алюминий имеет тусклый серебристо-серый вид благодаря очень тонкому образующемуся в воздухе тонкому оксидному слою.
Алюминий бурно реагирует с гидроксидом натрия с образованием водорода. Эта реакция используется в химических средствах очистки труб.
С ртутью алюминий образует амальгаму.
Алюминий является относительно мягким и прочным металлом. Прочность на разрыв у чистого алюминия составляет 49 МПа, у его сплавов — 300-700 МПа. Он очень эластичный и может быть обработан путем прокатки до тонкой пленки. Так называемые деформируемые алюминиевые сплавы могут быть изогнуты, спрессованы и выкованы даже при низких температурах. Стресс холодной деформации можно снять мягким отжигом (до 250 C).
Температура плавления составляет 660,4 С, а точка кипения при 2467 С. Плотность алюминия 2,7 г/см3.
Использование
Транспорт
Из-за своей малой плотности алюминий часто используется в аэрокосмической и самолетостроительной промышленности. Раньше на пути стояли высокая цена материала, плохая свариваемость и деформационные свойства в случае аварий (низкая способность поглощения энергии в так называемой зоне смятия). Но в сплавах с магнием, кремнием и другими металлами достигается необходимая прочность, которая лишь незначительно уступает прочности стали.
Поэтому использование алюминия для снижения веса целесообразно там, где материальные затраты играют незначительную роль.
Алюминий может быть сформирован путем экструзии в сложные профили, что является большим преимуществом при производстве полых и радиаторных профилей или антенн.
Электротехника
Алюминий используется в качестве материала проводника для электрического тока в случае, когда речь идет о жестких и толстых кабелях (сборных шинах, подземных кабелях).
В данном случае он имеет преимущество в стоимости по сравнению с медью, даже если проблема его контакта является проблематичной — алюминий покрывается на воздухе спонтанным оксидным слоем (самопассивация), который необходимо устранить перед контактом.
Алюминий также используется в воздушных линиях в качестве материала проводника (т.к. в первую очередь важна низкая плотность материала). Хотя медные проводники с одинаковой проводимостью имеют меньшее поперечное сечение, но примерно вдвое больше по весу. По этой причине алюминиевые кабели используются в Airbus A380.
Электронная промышленность использует алюминий из-за его хорошей обрабатываемости, хорошей электропроводности и теплопроводности.
Упаковка и тара
В упаковочной промышленности алюминий перерабатывается в банки, алюминиевую фольгу и другие одноразовые предметы.
Хранение и приготовление кислых пищевых продуктов в алюминиевых контейнерах или пленке проблематично, поскольку они образуют растворимые соли алюминия, которые поглощаются пищей. Поэтому алюминиевые слои в упаковочных материалах часто защищены пластиковым слоем.
Алюминий часто используется для различных контейнеров и корпусов, поскольку его легко обрабатывать путем формовки.
Оптика и светотехника
Алюминий из-за его высокой отражательной способностью в качестве зеркального покрытия используется в сканерах, автомобильных фарах и зеркальных камерах. В отличии от серебра он способен отражать ультрафиолетовое излучение. Алюминиевые зеркальные покрытия обычно покрыты защитным слоем от коррозии и царапин.
Другие применения
Алюминий является компонентом пищевого красителя (E173) и используется для украшения тортов и выпечки.
Алюминиевый порошок и алюминиевые пасты используются для производства газобетона.
Алюминиевая пыль очень опасна и может самовоспламеняться на воздухе. В ракетной технике топливо твердых ракет состоит минимум из 30% алюминиевого порошка, который выделяет много энергии при сжигании.
Методы обработки
В настоящее время в промышленности используется в основном легированный алюминий. Существует множество сплавов, которые демонстрируют хорошую пластичность и обрабатываемость.
Алюминий обрабатывается путем литья или прототипирования в алюминиевых литейных цехах с использованием следующих методов литья:
- литье в песчаные формы;
- непрерывное литье заготовок;
- литье под давлением;
- литье по выплавляемым моделям.
Механическая обработка алюминия сопряжена с риском образования режущей кромки и требует специальных охлаждающих смазок. В частности, для обработки анодированных деталей требуются твердые инструменты, чтобы избежать износа твердого анодированного покрытия.
Экология
Алюминий — один из немногих распространенных элементов, которые, не используются живыми существами для жизнедеятельности. Причиной этого может быть то, что изначально при развитии древних организмов алюминий практически отсутствовал в морской воде в растворенном виде и, следовательно, не использовался в жизнедеятельности.
Только в течение миллиардов лет алюминий постепенно обогащался реками в море, хотя даже сегодня его концентрация в море очень мала. Другим аргументом в пользу этого тезиса является то, что концентрация алюминия в речной воде намного выше, чем в морской воде.
Сегодня алюминий все больше поглощается растениями из-за увеличения загрязнения почвы. Мы получаем в среднем 25 мг алюминия в день во время еды. Если пища готовится в алюминиевой посуде (кислые продукты растворяют алюминий!) и хранится в алюминиевой фольге, потребление может увеличиться в два-три раза.
Алюминий является компонентом пищевого красителя (E173) и используется для кондитерских изделий из сахара и для украшения тортов и выпечки. Алюминий содержится в разрыхлителе, плавленом сыре, кислых консервированных овощах, кофе и соли в качестве анти-слипающего агента. Соединение алюминия может быть найдено в продуктах личной гигиены (минеральный солнцезащитном креме, дезодорант, зубная паста), в препаратах против кислотности желудка (антациды).
Содержание алюминия в организме может негативно влиять на метаболизм костей, способствовать артриту, расстройствам нервной системы: вялость и агрессивность. Алюминий препятствует обмену кальция, хрома, железа, фтора, меди, магния, фосфатов, кремния, цинка и витаминов В6 и D.
