Алюминий — химический элемент¶
Алюминий — химический элемент 13-й группы третьего периода периодической таблицы, атомный номер 13, обозначение Al (от латинского alumen — квасцы). Мягкий лёгкий металл серебристо-белого цвета, третий по распространённости в земной коре и первый среди металлов (около 8 % массы). Обладает высокой тепло- и электропроводностью, устойчивостью к коррозии за счёт оксидной плёнки.
¶Свойства
Алюминий — металл с плотностью 2,70 г/см³ (примерно втрое меньше, чем у стали), температурой плавления 660,3 °C и кипения 2519 °C. Химически активен, но на воздухе мгновенно покрывается тонкой (около 4 нм) плёнкой оксида Al₂O₃, которая защищает металл от дальнейшего окисления и придаёт устойчивость к коррозии.
Основные характеристики:
- Электропроводность — около 37,7 МСм/м (примерно 61 % от меди), но при равной проводимости алюминиевый кабель вдвое легче медного.
- Теплопроводность — 237 Вт/(м·К), что позволяет применять металл в радиаторах и теплообменниках.
- Пластичность — легко прокатывается в фольгу толщиной до сотых долей миллиметра.
- Твёрдость — невысокая (по Бринеллю около 245 МПа), поэтому в чистом виде алюминий используется редко.
¶История
До XIX века алюминий считался редким и драгоценным металлом: из-за высокой химической активности его невозможно было восстановить из руды доступными средствами. В 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед впервые получил алюминий химическим путём. В 1855 году металл впервые был показан на Всемирной выставке в Париже и сразу привлёк внимание — в 1850-х годах цена доходила до 1000 долларов за килограмм.
Перелом наступился после разработки электролитического способа получения. В 1886 году независимо друг от друга американец Чарлз Мартин Холл и француз Поль Эру получили патент на электролиз расплавленного глинозёма (Al₂O₃) в криолите — процесс, известный как способ Холла — Эру. Он позволил резко снизить стоимость металла: к началу XX века цена упала до нескольких долларов за килограмм. В 1888 году в Питтсбурге была основана первая промышленная алюминиевая компания (позднее Alcoa).
В России первые электролизные заводы были построены в 1930-х годах: в 1932 году заработал Днепровский алюминиевый завод (Днепродзержинск), в 1939-м — Волгоградский (Сибирский завод начал работу в 1957 году). Сегодня крупнейшими производителями алюминия являются Китай, Индия, Россия и ОАЭ; Россия входит в пятёрку мировых лидеров по выплавке (около 3,8–4 млн тонн в год).
¶Получение
Промышленный способ получения алюминия — электролиз расплавленного глинозёма. Процесс включает два этапа:
- Получение Al₂O₃ из бокситов — методом Байера, с растворением руды в горячем растворе NaOH и последующим выпадением гидрооксида алюминия.
- Электролиз — в ваннах с расплавленным криолитом (Na₃AlF₆) при температуре около 960 °C. На катоде выделяется алюминий, на аноде — кислород, который сжигает угольные аноды с образованием CO₂.
Электроэнергозатраты велики — около 13–15 кВт·ч на килограмм металла, поэтому алюминиевые заводы строят рядом с гидроэлектростанциями.
¶Сплавы
Чистый алюминий мягок, поэтому в промышленности применяют в основном сплавы:
| Сплав | Применение |
|---|---|
| Дюралюминий (Al–Cu–Mg) | Авиация, конструкции |
| Алюминий–магний (АМг) | Судостроение, топливные баки |
| Алюминий–кремний (АК) | Литьё, автомобильные блоки цилиндров |
| Силумины | Отливки, корпуса приборов |
Легирование повышает прочность сплавов в 5–10 раз при сохранении низкой плотности.
¶Применение
Алюминий — один из самых массовых технических металлов. Основные сферы:
- Строительство — фасадные панели, оконные системы, кровля, армирование.
- Транспорт — кузова автомобилей, элементы самолётов (до 80 % конструкции современного пассажирского самолёта), железнодорожные вагоны.
- Энергетика — провода ЛЭП (замена меди), кабельные оболочки.
- Пищевая промышленность — фольга, банки, упаковка.
- Электротехника — радиаторы, конденсаторы, корпуса приборов.
¶Роль в природе и биологии
Алюминий — третий по распространённости элемент земной коры после кислорода и кремния. Основные руды — бокситы, нефелиновые сиениты, алуниты. В живых организмах алюминий не играет известной биологической роли и считается токсичным: избыток в организме связывают с рисками нейродегенеративных заболеваний, хотя эти данные остаются предметом научных дискуссий.
¶Экология
Переработка алюминия из вторичного сырья (алюминиевой банки, фольги) требует примерно в 20 раз меньше энергии, чем производство первичного металла. В мире перерабатывается около 70 % выпущенного алюминия; в России показатель ниже — около 20–25 %.
Источники:
- Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева
- «Металлургия цветных металлов» (учебник)
- Справочник «Алюминий и его сплавы», под ред. И. Н. Фридляндера
- Статистика Международного института алюминия (International Aluminium Institute)