Алюминий

Алюминий — химический элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 13. Обозначается символом Al (от лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество алюминий — это лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью и механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, а также стойкостью к коррозии благодаря образованию прочной оксидной плёнки.

История

Открытие

Впервые алюминий в чистом виде был получен датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом в 1825 году. Эрстед провёл реакцию между амальгамой калия и хлоридом алюминия, в результате чего получил небольшое количество металла, загрязнённого примесями. Два года спустя, в 1827 году, немецкий химик Фридрих Вёлер усовершенствовал метод, получив более чистый алюминий в виде порошка. Вёлер также впервые описал многие физические свойства нового металла, в том числе его малую плотность.

Эпоха драгоценного металла

В середине XIX века алюминий был чрезвычайно дорогим и считался полудрагоценным металлом, наравне с серебром и золотом. Это было связано с крайней сложностью его промышленного получения. Первый химический метод получения алюминия, разработанный французским химиком Анри Сент-Клер Девилем в 1854 году, позволял получать металл в небольших количествах, и его цена была сопоставима с ценой на золото. Из алюминия изготавливали ювелирные украшения, предметы роскоши и даже статуэтки. Например, на Всемирной выставке в Париже в 1855 году были представлены слитки алюминия, которые привлекли всеобщее внимание.

Промышленная революция

Переломным моментом стало открытие в 1886 году двух независимых друг от друга промышленных способов получения алюминия. Американский студент Чарльз Мартин Холл и французский инженер Поль Эру практически одновременно разработали электролитический способ получения алюминия из расплава глинозёма (оксида алюминия) в криолите. Этот метод, известный как процесс Холла — Эру, лёг в основу всей современной алюминиевой промышленности. В 1888 году австрийский химик Карл Йозеф Байер запатентовал способ получения чистого глинозёма из бокситов — алюминиевой руды. Процесс Байера обеспечил сырьём электролизное производство. С этого момента алюминий перестал быть редким и дорогим металлом, начав своё триумфальное шествие в промышленность и быт.

Свойства

Физические свойства

Алюминий — один из самых лёгких конструкционных металлов. Его плотность при комнатной температуре составляет около 2,70 г/см³, что почти в три раза меньше плотности стали или меди. Температура плавления алюминия — 660,32 °C, температура кипения — 2519 °C. Металл обладает высокой пластичностью: он легко прокатывается в фольгу, вытягивается в проволоку и штампуется. Алюминий является отличным проводником электричества и тепла, уступая по этим показателям только серебру, меди и золоту. Электропроводность алюминия составляет около 65 % от электропроводности меди, но при этом он значительно легче, что делает его предпочтительным материалом для линий электропередач.

Химические свойства

На воздухе алюминий мгновенно покрывается тонкой, но чрезвычайно прочной и инертной оксидной плёнкой (Al₂O₃). Эта плёнка защищает металл от дальнейшего окисления и придаёт ему высокую коррозионную стойкость в обычных условиях. Однако оксидная плёнка может быть разрушена под действием щелочей, а также ионов ртути, хлора и некоторых других веществ. Алюминий активно реагирует с кислотами (кроме концентрированной азотной, которая его пассивирует) и щелочами, при этом выделяется водород. При нагревании алюминий может реагировать с галогенами, серой и азотом. В мелкодисперсном состоянии алюминий способен гореть, образуя оксид алюминия.

Получение

Сырьё

Основным сырьём для производства алюминия являются бокситы — горная порода, состоящая в основном из гидроксидов алюминия. Другими источниками глинозёма служат нефелины, алуниты и каолины. Крупнейшие месторождения бокситов находятся в Австралии, Китае, Гвинее, Бразилии, Вьетнаме, Индии и России.

Процесс Байера

Процесс Байера является основным способом получения глинозёма (оксида алюминия Al₂O₃) из бокситов. Он включает несколько этапов:

Измельчение и размол боксита.
Выщелачивание в горячем растворе едкого натра (NaOH) под давлением. При этом оксид алюминия переходит в раствор в виде алюмината натрия.
Отделение нерастворимого остатка (красного шлама) от раствора.
Разложение раствора алюмината натрия при охлаждении и перемешивании с добавлением затравочных кристаллов гидроксида алюминия (Al(OH)₃).
Кальцинация (прокаливание) гидроксида алюминия при температуре около 1000 °C для получения чистого глинозёма.

Электролиз (процесс Холла — Эру)

Получение металлического алюминия из глинозёма осуществляется электролизом расплава. Глинозём растворяют в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) при температуре около 950–970 °C. Электролиз проводится в специальных электролизёрах — ваннах, футерованных углеродистыми блоками. Катодом служит дно ванны, а анодами — углеродные блоки, погружённые в расплав. Под действием электрического тока происходит разложение глинозёма: на катоде выделяется жидкий алюминий, который оседает на дне ванны, а на анодах — кислород, который реагирует с углеродом анода, образуя углекислый газ. Жидкий алюминий периодически извлекается из ванны с помощью вакуум-ковша и направляется на дальнейшую очистку или разливку.

Применение

Строительство и архитектура

Алюминий широко используется в строительстве благодаря своей лёгкости, прочности и коррозионной стойкости. Из него изготавливают оконные и дверные рамы, фасадные панели, кровельные материалы, несущие конструкции для каркасных зданий, а также элементы ограждений и лестниц.

Транспорт

В авиастроении алюминий и его сплавы являются основными конструкционными материалами, так как позволяют значительно снизить вес летательных аппаратов. В автомобилестроении алюминий используется для изготовления кузовов, двигателей, колёсных дисков и других деталей, что способствует снижению расхода топлива. В судостроении из алюминиевых сплавов строят корпуса катеров, яхт и надстройки крупных судов.

Электротехника

Благодаря высокой электропроводности и лёгкости, алюминий является основным материалом для изготовления проводов и кабелей линий электропередач. Он также используется в производстве обмоток трансформаторов, радиаторов для охлаждения электронных компонентов и корпусов электроприборов.

Упаковка

Алюминиевая фольга широко применяется для упаковки пищевых продуктов, фармацевтических препаратов и косметики. Она обеспечивает герметичность, защиту от света, влаги и кислорода. Алюминиевые банки для напитков являются одним из наиболее распространённых видов упаковки в мире.

Прочие сферы

Машиностроение: изготовление деталей станков, приборов, инструментов.
Химическая промышленность: производство ёмкостей, трубопроводов для агрессивных сред, катализаторов.
Пищевая промышленность: посуда, кухонная утварь, фольга.
Металлургия: алюминий используется в качестве легирующей добавки в стали и других сплавах, а также для производства алюмотермии (получения некоторых металлов).
Оборонная промышленность: производство корпусов ракет, боеприпасов, бронеэлементов.

Сплавы алюминия

Чистый алюминий обладает невысокой прочностью, поэтому для конструкционных целей чаще всего применяют его сплавы. Основными легирующими элементами являются медь, магний, кремний, марганец и цинк. Сплавы алюминия делятся на две основные группы:

Деформируемые сплавы (дюралюмины, авиали, силумины) — хорошо поддаются ковке, штамповке, прокатке.
Литейные сплавы (силумины, магналии) — обладают хорошей текучестью и используются для изготовления фасонных отливок.

Экологические аспекты

Производство алюминия является энергоёмким процессом, требующим большого количества электроэнергии. Электролиз сопровождается выбросами парниковых газов (в том числе перфторуглеродов) и других загрязняющих веществ. Добыча бокситов может приводить к нарушению земель и ландшафтов. Однако алюминий является одним из наиболее эффективно перерабатываемых материалов. Переработка алюминиевого лома требует лишь около 5 % энергии, необходимой для производства первичного металла. Вторичный алюминий (вторичный алюминий) практически не уступает по качеству первичному и широко используется в промышленности. Развитие технологий вторичной переработки и снижение энергопотребления являются важными задачами для алюминиевой отрасли.

Интересные факты

В 1850-х годах алюминий был дороже золота. Наполеон III, император Франции, заказал для себя алюминиевый столовый прибор, который подавался только самым почётным гостям.
Алюминий является самым распространённым металлом в земной коре (около 8 % по массе). Он входит в состав глины, полевых шпатов, слюды и многих других минералов.
Название «алюминий» происходит от латинского слова «alumen» (квасцы), которые использовались ещё в античности для окрашивания тканей и дубления кожи.
Алюминий не является биологически значимым элементом для человека и животных, однако некоторые его соединения могут быть токсичны в больших количествах.

Источники

Химическая энциклопедия в 5 томах. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1988–1998.
Популярная библиотека химических элементов. — М.: Наука, 1983.
Книга рекордов Гиннесса. — М.: АСТ, 2019.
Справочник по физико-химическим свойствам веществ. — М.: Химия, 1975.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →