Алюминий — «серебро из глины»

Алюминий — «серебро из глины»

Представить современную жизнь без этого металла невозможно. Упаковка таблеток, тара для напитков, начинка холодильника и многое другое – все это алюминий.

Что представляет собой

Алюминий – это металл, элемент периодической системы Д. И. Менделеева №13. Простое вещество с формулой из одного символа – Al.

Международное обозначение – Al (Aluminium).

Структура решетки – куб, центрированный по граням.

Цвет изначально белый, но на воздухе создается серебристо-матовая пленка-оксид.

По классификации цветных металлов причислен к группе легких (вместе с титаном и магнием).

Алюминий – самый распространенный в земной коре среди металлов и третий среди химических элементов, вслед за кислородом и кремнием.

Как был открыт

Бокситы и глинозем известны людям веками. С алюминием как металлом они познакомились только к середине XIX века.

Большой выбор украшений из натуральных камней и минералов со скидкой -50%

Мировой опыт

История открытия – это опыты ученых-одиночек:

• Первую попытку предпринял Парацельс (XVI век). Он выделил из квасцов «квасцовую землю», содержащую оксид неизвестного металла (алюминия).
• Два века спустя процесс повторил немецкий химик Андреас Маргграф. Тоже получил оксид металла, которому присвоил название alumina («вяжущий»).
• Первые миллиграммы металла выделил датчанин Ганс Эрстед. Физик-практик выбрал исходником хлорид алюминия. Нагревая и воздействуя калийной амальгамой, получил чистый металл.
• Чистый калий, а не амальгаму использовал Фридрих Велер. Восстановив металл (получилось несколько крупинок), описал его свойства.
• Еще дальше пошел француз Сент-Клер Девиль. Он изготовил слиток металла, использовав метод Велера. Но вместо калия взял натрий. Девиль предъявил слиток публике на Всемирной выставке в Париже (1855 год), сотворив сенсацию. Спустя год получил металл методом электролиза. Такой успех объясним: ученого спонсировал сам Наполеон III, рассчитывавший приспособить металл для военных нужд.

Получение металла промышленными партиями – заслуга американца Чарльза Холла и француза Поля Эру. Независимо друг от друга они к 1886 году разработали методику расплава глинозема в криолите электролизом.

Металл в России

С глиноземом экспериментировали и русские ученые. Метод, предложенный К.И.Байером, стал классическим для алюминиевой промышленности мира.

Первый алюминиевый завод – Волховский – ввели в строй во времена СССР (1932 год).

Производство сырья исчислялось тысячами тонн. Эта отрасль была на особом счету: ее продукт обеспечивал обороноспособность государства.

Сегодня монополист по добыче и переработке сырья – компания «Русал» («Русский Алюминий»).

Новое «золото»

Первый алюминий был дороже золота:

• Европейская знать использовала алюминиевые столовые приборы (гостям попроще выдавались серебряные или золотые). Моду задал своим указом император Франции Наполеон III.
• Ювелиры изготавливали украшения класса люкс.
• Бесценный подарок сделали англичане русскому гению Дмитрию Менделееву – весы с чашами из золота и алюминия.

Дешевый метод появился к началу ХХ века. В 1911 году во французском Дюрене выпустили первую партию металла. Его назвали в честь этого города. А алюминий перешел в разряд бижутерии.

История названия

Латинский термин восходит к корню alumen. Так назывались квасцы, издревле используемые лекарями.

В России металл именовали «серебром из глины», поскольку глинозем – главный компонент глины.

Металл в природе

7,4-8,1% земной коры – это алюминий. В природе представлен горными породами и минералами, формирующими земную кору.

Почти всегда это соединения алюминия:

• Бокситы (оксиды с примесью кремния, кальция, железа).
• Глиноземы (каолиново-песчаная либо известковая, магнезиальная смесь).
• Нефелины (с калием).
• Каолиниты.
• Корунды.

В сегменте корундов соседствуют «суровый» наждак и ювелирные минералы: сапфир, рубин. Строение их решеток идентично.

Соединения алюминия найдены в воде рек, морей, океанов. В чистом виде – только в жерлах вулканов.

Месторождения и методы добычи

Главное сырье для получения алюминия – бокситы. Их залежи сосредоточены в тропиках и субтропиках.

Более 8000 видов товара из 500 разновидностей натурального камня. Ежедневное обновление!

Россия богата нефелиновыми рудами, источник которых – север страны (Кольский полуостров и Кемеровская область).

Мировые запасы сырья исчисляются миллионами тонн.

Добыча ведется открытым либо закрытым способом.

Физико-химические характеристики

Для практических целей важны следующие свойства алюминия:

• Теплопроводность (выше только у меди и серебра).
• Легкость, пластичность.
• Электропроводность (впереди только медь, золото и серебро).
• Неуязвимость к коррозии. Это свойство обеспечивает прочная пленка-оксид, которой на воздухе покрывается металл. Дальше он не окисляется. Взаимодействие с металлами, кислотами, водой нулевое. При удалении пленки химическая активность восстанавливается.
• Холодостойкость (на морозе не становится хрупким).

Свойства атома
Название, символ, номер	Алюминий / Aluminium (Al), 13
Группа, период, блок	13, 3,
Атомная масса (молярная масса)	26,9815386(8) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s2 3p1
Электроны по оболочкам	2, 8, 3
Радиус атома	143 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	121 ± 4 пм
Радиус Ван-дер-Ваальса	184 пм
Радиус иона	51 (+3e) пм
Электроотрицательность	1,61 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−1,66 В
Степени окисления	0; +3
Энергия ионизации	1‑я: 577,5 (5,984) кДж/моль (эВ)

Наконец, с ним легко работается. Металл подходит для любого вида обработки (штамповка, волочение, ковка, прокат, полировка).

Способы получения

Бокситная руда – это глинозем (45-58%) плюс соединения железа, титана, кремнезем. Ее транспортируют на обогатительную фабрику.

Для очистки глинозема применяют процесс К.И.Байера:

1. Руду загружают в автоклав, где нагревают с едким натром, охлаждают.
2. Отделяют твердый осадок.
3. Гидроокись осаждают, прокаливают.

На выходе получают оксид алюминия, то есть чистый глинозем. Его тестируют на калибровку и чистоту, затем превращают в алюминий.

Свойства алюминия делают невозможным применение классических для металлов способов восстановления.

Сегодня металл высвобождают способом, придуманным в конце XIX века (метод Холла-Эру).

Изучается возможность производства металлического алюминия через частичное восстановление. Образуется карбид алюминия, который разлагают при 1950°С. По расчетам, он рентабельнее классического.

Из нефелинов попутно получают кальцинированную соду, поташ, цемент, удобрения.

Алюминий vs медь

Эти металлы – соперники на рынке. У каждого свои достоинства и недостатки.

Главные конкурентные преимущества алюминия – легкость, пластичность, дешевизна (втрое по сравнению с медью).

Медь отличается более высокой тепло- и электропроводностью.

Где используется

Характеристики алюминия обусловили его применение во всех отраслях хозяйства – от ракетостроения до производства пищевой фольги.

По степени чистоты металла различают два вида: технический и высокой чистоты.

Промышленность

Металл используют как конструкционный материал и восстановитель.

Например, трубы из него долговечны, надежны. Кроме магистральных газо-, водопроводов, радиаторов отопления, это элементы бензобаков, автомобилей, самолетов, судов. Их используют декораторы и укладчики дорог.

Металлургия

Металл применяется как базис для сплавов. В отличие от природных примесей, сплавы создаются людьми. Их искусственное происхождение обнуляет природные недостатки материала. Например, медь и магний повышают порог прочности.

Алюминиевых сплавов сотни, самые известные:

• дюралюминий – плюс медь, магний;
• силумин – плюс кремний.

Другие легирующие элементы – железо, никель.

Как мощный раскислитель задействован в производстве сталей. Благодаря ему исключена пористость отливок и слитков.

Им восстанавливают редкие металлы из их соединений.

Электротехника

Это оптимальный материал для ассортимента изделий:

• Провода, кабели, тепловое оборудование.
• Холодильные, другие криогенные системы.
• Клапаны двигателей внутреннего сгорания, нефтяных платформ, турбин.

Алюминий заменяет затратный процесс цинкования.

Энергетика

Металл выступает универсальным вторичным энергоносителем для выработки тепла, производства водорода, электричества для электрохимических генераторов.

Применяется в теплообменниках, радиаторах охлаждения.

Строительство

Газообразующий агент, благодаря которому возможно получение пористого строительного материала.

Технологи работают над созданием пенистого алюминия – сверхлегкого, сверхпрочного материала нового поколения.

ВПК, авиация и космонавтика

Из алюминия сделан первый самолет (1919 год). Сегодня это сырье номер один в авиа- и ракетостроении. Он есть в корпусах самолетов, ракет, спутников.

Алюминий и его соединения – основа либо компонент топлива для ракет.

Дешевый легкий металл приспособили для производства автоматов, гранатометов, пистолетов, взрывчатки.

Другие отрасли

Металл популярен в «мирных» сегментах.

Пищевая промышленность

В пищепроме это упаковка продуктов питания, фольга для кулинарных целей (например, запекания в духовке).

Алюминий – это пищевая добавка Е173.

Столовые приборы для общепита, армии (котелки, фляги), пенитенциарных заведений тоже алюминиевые.

Медицина

Алюмогель – основа препаратов при проблемах желудочно-кишечного тракта. Самые известные – Маалокс, Альмагель.

Ювелирное дело

Ювелиры любили алюминий: его легко обрабатывать, а пленка на поверхности придает сходства с благородной патиной.

Но эти времена прошли. Сегодня металл в почете только у японцев. Мастера выполняют традиционные украшения для причесок, одежды. Они проходят как бижутерия, заменяя элитарное серебро.

Мода прихотлива: сегодня появились украшения класса люкс из бетона как оправы. Так что всплеск популярности ювелирного алюминия не исключен.

Предостережение

Алюминий не заложен изначально в биологические организмы. Но человек получает его микродозы ежедневно – с пищей.

Им богаты горох, пшеница, рис, овсяный «геркулес». Доказана польза алюминия как стимулятора регенерации, развития тканей, работы ЖКТ, ферментов.

Однако его переизбыток (откладывается в костях, мозге, печени, почках) чреват тяжелыми расстройствами нервной системы.

По стандартам РФ, в литре питьевой воды не должно быть более 0,2 мг алюминия.

Алюминиевой посудой пользоваться можно, но ограниченно. Безопасны готовка, подогрев, хранение продуктов с нейтральными характеристиками. Приготовление кислых блюд (щи, томат, компот) опасно. Алюминий поступит в еду, создавая избыточную дозу при попадании в организм, плюс «железный» привкус.

Цены

На 2021 год стоимость тонны сырья на мировых рынках превышает $2000. За последние три года она колебалась, достигая максимума ($2300, май 2018) и минимума (в коронакризисс — $1500, апрель 2020 года).

Алюминий: свойства, применение, виды, способы получения

Алюминий – металлический элемент серебристо-белого цвета, его механические характеристики и технологические свойства обеспечивают широкое применение в различных отраслях промышленности, строительстве и быту.

Алюминий сочетает малую плотность и прочность, устойчивость к коррозии и резким температурным перепадам. В периодической таблице Менделеева обозначается как Al, атомный номер – 13. Этот элемент распространен в земной коре, по содержанию в ней занимает третье место после кислорода и кремния. В недрах его содержится примерно 8%. Для сравнения – золото в земной коре присутствует в количестве, равном всего миллионным долям процента.

Технологии промышленного получения алюминия

Впервые о существовании этого металла в 16 веке догадался Парацельс, выделивший из квасцов «квасцовую землю». В нейон выявил оксид неизвестного на тот момент металла, очень заинтересовавший ученого. В 18 веке его опыты повторил немецкий химик Маргграф, который и дал имя новому элементу. В переводе с латыни переводится как «вяжущий». Только в конце позапрошлого века был найден экономически выгодный способ промышленного получения алюминия.

Чаще всего этот металл получают из бокситов –вторичных пород. Они образовались при распаде алюмосиликатов первичного происхождения, которые, в свою очередь, сформировались в высокотемпературных условиях вулканических извержений. В России алюминий выделяют из нефелиновых руд, добываемых на Кольском полуострове и в Кемеровской области. Вторичные продукты добычи Al из нефелиновых руд: портландцемент, сода, удобрения.

Популярная технология получения глинозема (оксида алюминия) из бокситов – щелочной метод Байера, разработанный российскими учеными в конце 19 века. Полученный в результате этого процесса оксид Al₂O₃ – прочное химическое соединение, плавящееся при +2050°C. Металл в чистом виде получают электролизным восстановлением оксида. ОсобочистыйAlполучают трехслойным электролизом. Дополнительную очистку, если такая требуется, проводят рафинирующим электролизом с электролитом из алюмоорганических соединений, а также с помощью зонного плавления или дистилляции через субфторид.

Основные свойства алюминия

Этот элемент химически активен, но образующаяся на его поверхности плотная оксидная пленка защищает полуфабрикаты и готовые изделия от коррозионного разрушения.

Для алюминия характерны следующие физические свойства:

• плотность – 2,7 г/см 3 (для сравнения – плотность железа составляет 7,85 г/см 3 );
• температура плавления +600°C (железа+1535°C);
• высокие электро- и теплопроводность;
• парамагнетизм – металл притягивается магнитом исключительно при наличии магнитного поля;
• объемная гранецентрированная металлическая кристаллическая решетка.

Основные естественные примеси, присутствующие в Al после восстановления из оксида (кремний, цинк, титан, железо, медь), влияют на физические и технологические параметры металла. Чем он чище, тем выше его электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость и, конечно, цена. Основные механические параметры: предел прочности после холодного пластического деформирования– 150 МПа, относительное удлинение – 50%.

Alлегко формуется, поддается механической обработке, сваривается различными видами сварки. Для повышения коррозионной стойкости поверхность деталей и конструкций анодируют. Анодирование – электрохимический процесс создания толстой оксидной пленки.

Химические характеристики металла алюминия:

• Химическая активность. В мелкофракционном состоянии при высоких температурах Al активно соединяется с кислородом, фосфором, серой, азотом, йодом, углеродом. При комнатных температурах реагирует с бромом, хлором, щелочами.
• Взаимодействие с другими металлами с образованием сплавов, содержащих алюминиды, – интерметаллические соединения.
• При наличии на поверхности плотной оксидной пленки –стойкость к атмосферной коррозии, пресной и соленой воде, инертность к органическим кислотам, разбавленной и концентрированнойHNO₃. При очищенной оксидной пленке этот металл активно вступает в реакцию с водой.

Виды алюминия по степени очистки

В зависимости от процентного содержания основного элемента принята следующая классификация степеней чистоты:

• 99,5-99,79% – промышленная чистота (техническая);
• 99,8-99,949% – высокочистая;
• 99,95-99,9959% – сверхчистая;
• 99, 9960-99,9990 % – особо чистая;
• свыше 99,999% – ультрачистая.

Алюминий технической чистоты имеет широкое применение в промышленности, где важны его главные физические свойства – небольшая плотность, электро- и теплопроводимость. Он выпускается в виде алюминиевых листов, труб, плит, прутков, профильного проката. Их применяют для изготовления деталей и элементов конструкций, не запланированных для значительных нагрузок. Из высокоочищенных материалов выпускают фольгу и токопроводящие элементы.

Виды алюминиевых сплавов

Основная область применения алюминия– производство сплавов, которые разделяют на деформируемые и литейные.

Деформируемые

Такие марки хорошо обрабатываются на всех стадиях обработки, сочетают прочность и пластичность. Используется при производстве листов, прутков, труб, поковок, штамповок. Применяемые способы деформирования: прокатка, волочение, прессование, ковка. По способности повышать прочностные характеристики деформируемые материалы на базе алюминия подразделяют на термически неупрочняемые и термически упрочняемые.

Популярный сплав, относящийся к этой группе, – дюралюминAl-Cu-Mg, в который дополнительно вводится марганец, повышающий устойчивость к коррозии. Если ранее наиболее распространенным был материал Д1, то постепенно его заменила более технологичная марка Д16. В Евросоюзе и США используются марки 2017, 2024, 2117.Дюралюмин, выпускаемый в листах, для дополнительного улучшения коррозионной стойкости плакируют – покрывают поверхность слоем чистого Al.

Еще один представитель этой группы – авиаль (АВ), материал, используемый в авиастроении. Он немного уступает по прочности дюралюминам, но превышает их по пластичности в нормальном и нагретом состояниях. Удовлетворительно обрабатывается режущими инструментами, сваривается аргонодуговой и контактной сваркой.

Высокопрочные сплавы на основе алюминия обладают повышенными прочностными свойствами, но меньшей пластичностью по сравнению с дюралюминами. Марка В95широко применяется в самолетостроении для конструкций, эксплуатируемых при температурах выше +100°C. Хорошо сваривается точечной сваркой и обрабатывается режущими инструментами.

Литейные

Алюминиевые сплавы для фасонного литья отличаются жидкотекучестью, небольшой усадкой, стойкостью к образованию горячих трещин, коррозии. Количество легирующих элементов в таких материалах выше, чем в деформируемых. Наиболее распространены композиции Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, дополнительно легированные небольшими количествами марганца, хрома, никеля.

Примеры использования алюминия и его сплавов при производстве различных видов транспорта

Современные отрасли транспортостроения невозможно представить без материалов, созданных на основе Al, которые сочетают достаточно высокую прочность, пластичность, малую плотность и хорошую устойчивость ко многим видам коррозии.

Самолетостроение

В РФ при создании авиационной техники широко используют тремоупрочняемые высокопрочные марки, содержащие, помимо AL, цинк, магний, медь. Марки повышенной прочности и среднепрочные, не имеющие в своем составе цинка, используются для изготовления киля, крыла, фюзеляжа. Для гидросамолетов востребованы магнийсодержащие марки АМг5, АМг6 с хорошей свариваемостью и марки В92, 1915, 1420.

Создание объектов космической техники

В этой области используют сплавы на основе алюминия, обладающие хорошей устойчивостью к низким температурам. Из марки 2219, способной работать при криогенных температурных условиях в контакте с жидким кислородом, гелием, водородом, изготавливались листы, применяемые при создании космических «Шаттлов». Из алюминиево-литиевой марки 2090 изготавливают емкости для жидкого водорода.

Судостроение

Алюминиевая промышленность изготавливает полуфабрикаты из алюминия и его сплавов для использования в судостроении. Из них производят судовое оборудование, корпуса судов, коммуникационные системы, надстройки для палубы. Применение этих материалов вместо стали уменьшает массу судна, улучшает его маневренность и максимально допустимую скорость. Чаще всего в этой отрасли востребованы магний- и марганецсодержащие марки.

Железнодорожный транспорт

Подвижной состав, эксплуатируемый на железной дороге, изготавливается только из прочных, износостойких, коррозионностойких, долговечных материалов. Такие свойства имеют алюминий и сплавы на его основе. Из них изготавливают емкости для перевозки сырой нефти, темных и светлых нефтепродуктов, масел.

Автомобильный транспорт

Сочетание небольшой плотности, прочности, декоративных характеристик и коррозионной устойчивости позволяет успешно использовать алюминиевые марки в автомобилестроении. Их применение расширяет ассортимент перевозимых товаров, среди которых могут быть жидкости и газы высоких классов опасности.

Применение алюминия в металлургии

Алюминий – высокоактивный металл, поэтому его используют в металлургии в качестве мощного восстановителя при производстве хрома, кальция, марганца. Для раскисления стали используется низкокачественный материал, не подходящий для производства полуфабрикатов и готовой металлопродукции. В ходе этого процесса из расплавленного железа удаляется кислород, негативно влияющий на эксплуатационные свойства конечного продукта.

Другие области применения алюминия и его сплавов

• Строительство. Легкие алюминиевые конструкции снижают общий вес объектов, а, следовательно, нагрузку на фундамент, что позволяет сэкономить на устройстве оснований под здания, повышают надежность и долговечность сооружений при их эксплуатации в сложных климатических и геологических условиях.
• Нефтяная и химическая индустрии. Из Al и его сплавов, благодаря устойчивости к коррозии, производят бурильное, насосное, компрессорное оборудование, трубы. Марки АМц, Амг2, АМг3, АМг5 используются для изготовления сосудов, эксплуатируемых под давлением.
• Электротехника. Материалы на основе Al, в зависимости от содержания примесей и легирующих элементов, подразделяются на проводниковые и с повышенным электросопротивлением. Проводниковые марки являются более дешевой альтернативой меди и используются для кабельной продукции.
• Фармацевтическая индустрия. Химические соединения на основе Alусиливают действие вакцин, а также они присутствуют в препаратах, предназначенных для лечения тяжелых желудочных и других заболеваний.
• Производство бытовых товаров. Из алюминия и его сплавов изготавливают посуду, корпуса бытовой техники, упаковочные изделия, тару для консервированной продукции.

https://jgems.ru/metally/alyuminij