Metali su jedan od najpogodnijih materijala za obradu. Oni takođe imaju svoje vođe. Na primjer, osnovna svojstva aluminija su ljudima poznata od davnina. Toliko su pogodni za svakodnevnu upotrebu da je ovaj metal postao veoma popularan. Što su i jednostavna tvar i atom, razmotrit ćemo u ovom članku.

Istorija otkrića aluminijuma

Čovjeku je dugo vremena poznat spoj dotičnog metala - koristio se kao sredstvo koje je moglo nabubriti i povezati komponente mješavine, a to je bilo potrebno i u proizvodnji kožnih proizvoda. Postojanje aluminijum oksida u čistom obliku postalo je poznato u 18. veku, u njegovoj drugoj polovini. Međutim, nije primljen.

Naučnik H. K. Ørsted bio je prvi koji je izolovao metal iz njegovog hlorida. On je sol tretirao kalijevim amalgamom i izolovao sivi prah iz smjese, koji je bio aluminij u svom čistom obliku.

Tada je postalo jasno da se hemijska svojstva aluminijuma manifestuju u njegovoj visokoj aktivnosti i jakoj redukcionoj sposobnosti. Dakle, dugo niko drugi nije radio s njim.

Međutim, 1854. godine, Francuz Deville je uspio dobiti metalne ingote elektrolizom taline. Ova metoda je i danas aktuelna. Posebno masovna proizvodnja vrijednog materijala počela je u 20. vijeku, kada su riješeni problemi proizvodnje velikih količina električne energije u preduzećima.

Danas je ovaj metal jedan od najpopularnijih i korištenih u građevinarstvu i kućanstvu.

Opće karakteristike atoma aluminija

Ako dotični element okarakteriziramo njegovom pozicijom u periodnom sistemu, onda se može razlikovati nekoliko tačaka.

1. Serijski broj - 13.
2. Nalazi se u trećem malom periodu, trećoj grupi, glavnoj podgrupi.
3. Atomska masa - 26,98.
4. Broj valentnih elektrona je 3.
5. Konfiguracija vanjskog sloja izražava se formulom 3s 2 3p 1.
6. Naziv elementa je aluminijum.
7. snažno izraženo.
8. U prirodi nema izotopa; postoji samo u jednom obliku, sa masenim brojem od 27.
9. Hemijski simbol je AL, koji se u formulama čita kao “aluminij”.
10. Oksidacijsko stanje je jedan, jednako +3.

Hemijska svojstva aluminija u potpunosti su potvrđena elektronskom strukturom njegovog atoma, jer ima veliki atomski radijus i mali afinitet prema elektronima, sposoban je djelovati kao jak redukcijski agens, kao i svi aktivni metali.

Aluminij kao jednostavna tvar: fizička svojstva

Ako govorimo o aluminiju kao jednostavnoj tvari, onda je to srebrno-bijeli sjajni metal. Na zraku brzo oksidira i prekriva se gustim oksidnim filmom. Ista stvar se dešava kada se izloži koncentrisanim kiselinama.

Prisutnost takve karakteristike čini proizvode napravljene od ovog metala otpornim na koroziju, što je, naravno, vrlo zgodno za ljude. Zbog toga se aluminijum tako široko koristi u građevinarstvu. Zanimljive su i po tome što je ovaj metal vrlo lagan, a opet izdržljiv i mekan. Kombinacija takvih karakteristika nije dostupna svakoj tvari.

Postoji nekoliko osnovnih fizičkih svojstava koja su karakteristična za aluminijum.

1. Visok stepen savitljivosti i duktilnosti. Od ovog metala se pravi lagana, jaka i vrlo tanka folija, koja se takođe umotava u žicu.
2. Tačka topljenja - 660 0 C.
3. Tačka ključanja - 2450 0 C.
4. Gustina - 2,7 g/cm3.
5. Kristalna rešetka je volumetrijska, sa licem centrirana, metalna.
6. Vrsta priključka - metalni.

Fizička i hemijska svojstva aluminijuma određuju područja njegove primene i upotrebe. Ako govorimo o svakodnevnim aspektima, onda karakteristike o kojima smo već govorili igraju veliku ulogu. Kao lagan, izdržljiv i antikorozivni metal, aluminijum se koristi u avionskoj i brodogradnji. Stoga je veoma važno znati ova svojstva.

Hemijska svojstva aluminijuma

Sa hemijske tačke gledišta, metal u pitanju je snažan redukcioni agens koji može da pokaže visoku hemijsku aktivnost dok je čista supstanca. Glavna stvar je ukloniti oksidni film. U ovom slučaju aktivnost se naglo povećava.

Hemijska svojstva aluminijuma kao jednostavne supstance određena su njegovom sposobnošću da reaguje sa:

• kiseline;
• alkalije;
• halogeni;
• siva.

U normalnim uslovima ne reaguje sa vodom. U ovom slučaju, od halogena, bez zagrijavanja, reagira samo sa jodom. Druge reakcije zahtijevaju temperaturu.

Mogu se dati primjeri koji ilustruju hemijska svojstva aluminijuma. Jednačine reakcija interakcije sa:

• kiseline- AL + HCL = AlCL 3 + H 2;
• alkalije- 2Al + 6H 2 O + 2NaOH = Na + 3H 2;
• halogeni- AL + Hal = ALHal 3 ;
• siva- 2AL + 3S = AL 2 S 3.

Općenito, najvažnije svojstvo dotične supstance je njena visoka sposobnost obnavljanja drugih elemenata iz njihovih spojeva.

Regenerativni kapacitet

Redukciona svojstva aluminijuma jasno su vidljiva u reakcijama interakcije sa oksidima drugih metala. Lako ih izdvaja iz sastava supstance i omogućava im postojanje u jednostavnom obliku. Na primjer: Cr 2 O 3 + AL = AL 2 O 3 + Cr.

U metalurgiji postoji čitava metoda za proizvodnju tvari na bazi sličnih reakcija. Zove se aluminotermija. Stoga se u hemijskoj industriji ovaj element koristi posebno za proizvodnju drugih metala.

Rasprostranjenost u prirodi

U pogledu rasprostranjenosti među ostalim metalnim elementima, aluminijum je na prvom mestu. Sadrži ga u zemljinoj kori 8,8%. Ako ga uporedimo s nemetalima, onda će mu mjesto biti treće, nakon kisika i silicija.

Zbog svoje visoke hemijske aktivnosti, ne nalazi se u čistom obliku, već samo kao deo različitih jedinjenja. Na primjer, postoje mnoge poznate rude, minerali i stijene koje sadrže aluminij. Međutim, vadi se samo iz boksita, čiji sadržaj u prirodi nije jako visok.

Najčešće supstance koje sadrže dotični metal:

• feldspars;
• boksit;
• graniti;
• silicijum;
• aluminosilikati;
• bazalti i drugi.

U malim količinama, aluminijum se nužno nalazi u ćelijama živih organizama. Neke vrste klubskih mahovina i morskih stanovnika sposobne su akumulirati ovaj element u svom tijelu tijekom cijelog života.

Potvrda

Fizička i hemijska svojstva aluminijuma omogućavaju da se dobije samo na jedan način: elektrolizom taline odgovarajućeg oksida. Međutim, ovaj proces je tehnološki složen. Tačka topljenja AL 2 O 3 prelazi 2000 0 C. Zbog toga se ne može direktno podvrgnuti elektrolizi. Stoga postupite na sljedeći način.

Prinos proizvoda je 99,7%. Međutim, moguće je dobiti još čistiji metal koji se koristi u tehničke svrhe.

Aplikacija

Mehanička svojstva aluminijuma nisu toliko dobra da bi se mogao koristiti u svom čistom obliku. Stoga se najčešće koriste legure na bazi ove tvari. Ima ih mnogo, možete navesti one najosnovnije.

1. Duralumin.
2. Aluminijum-mangan.
3. Aluminijum-magnezijum.
4. Aluminijum-bakar.
5. Silumini.
6. Avial.

Njihova glavna razlika su, naravno, aditivi trećih strana. Svi su bazirani na aluminijumu. Ostali metali čine materijal izdržljivijim, otpornijim na koroziju, otpornim na habanje i lakšim za obradu.

Postoji nekoliko glavnih područja primjene aluminija, kako u čistom obliku, tako iu obliku njegovih spojeva (legura).

Zajedno sa gvožđem i njegovim legurama, aluminijum je najvažniji metal. Upravo su ova dva predstavnika periodnog sistema našla najširu industrijsku primjenu u ljudskim rukama.

Svojstva aluminijum hidroksida

Hidroksid je najčešće jedinjenje koje aluminij formira. Njegova hemijska svojstva su ista kao i kod samog metala - on je amfoteričan. To znači da je sposoban da ispolji dvostruku prirodu, reagujući i sa kiselinama i sa alkalijama.

Sam aluminijum hidroksid je bijeli želatinozni talog. Lako se dobija reakcijom soli aluminijuma sa alkalijom ili reakcijom sa kiselinama, ovaj hidroksid daje uobičajenu odgovarajuću so i vodu. Ako se reakcija odvija sa alkalijom, tada nastaju hidrokso kompleksi aluminijuma, u kojima je njegov koordinacijski broj 4. Primjer: Na - natrijum tetrahidroksoaluminat.

1. Ne komunicira sa H2.

2. Kako aktivni metal reagira sa gotovo svim nemetalima bez zagrijavanja ako se ukloni oksidni film.

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

2Al + 3Cl 2 → 2AlCl 3

Al + P → AlP

3. Reaguje sa H2O:

Aluminij je aktivan metal s visokim afinitetom prema kisiku. Na zraku se prekriva zaštitnim filmom oksida. Ako je film uništen, aluminij aktivno stupa u interakciju s vodom.

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2

4. Sa razrijeđenim kiselinama:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

2Al + 3H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2

Ne reaguje sa koncentrovanim HNO 3 i H 2 SO 4 u normalnim uslovima, već samo kada se zagreje.

5. Sa alkalijama:

2Al + 2NaOH 2NaAlO 2 + 3H 2

Aluminij formira komplekse sa vodenim rastvorima alkalija:

2Al + 2NaOH + 10 H 2 O = 2Na + - + 3H 2

ili Na,

Na3, Na2– hidroksoaluminati. Proizvod ovisi o koncentraciji alkalija.

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

Al 2 O 3 (aluminijev oksid) se u prirodi javlja u obliku minerala korunda (tvrdoće bliskog dijamantu). Drago kamenje rubin i safir su takođe Al 2 O 3, obojeni primesama gvožđa i hroma

Aluminijum oksid– amfoterna. Spajanjem sa alkalijama dobijaju se soli metaaluminijumske kiseline HAlO 2. Na primjer:

Takođe stupa u interakciju sa kiselinama

Bijeli želatinozni sediment aluminijum hidroksida rastvara se u kiselinama

Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3 H 2 O,

a u višku alkalnih rastvora, pokazuje amfoternost

Al(OH) 3 + NaOH + 2H 2 O = Na

Kada je fuzionisan sa alkalijama, aluminijum hidroksid formira soli meta-aluminijuma ili orto-aluminijum kiselina

Al(OH) 3 Al 2 O 3 + H 2 O

Aluminijske soli su visoko hidrolizirane. Aluminijeve soli i slabe kiseline pretvaraju se u bazične soli ili se podvrgavaju potpunoj hidrolizi:

AlCl 3 + HOH ↔ AlOHCl 2 + HCl

Al +3 + HOH ↔ AlOH +2 + H + pH>7 se javlja u stadijumu I, ali kada se zagreje može se javiti i u fazi II.

AlOHCl 2 + HOH ↔ Al(OH) 2 Cl + HCl

AlOH +2 + HOH ↔ Al(OH) 2 + + H +

Tokom ključanja može doći i do III faze

Al(OH) 2 Cl + HOH ↔ Al(OH) 3 + HCl

Al(OH) 2 + + HOH ↔ Al(OH) 3 + H +

Aluminijumske soli su visoko rastvorljive.

AlCl 3 – aluminij hlorid je katalizator u preradi nafte i raznim organskim sintezama.

Al 2 (SO 4) 3 ×18H 2 O - aluminijum sulfat se koristi za prečišćavanje vode od koloidnih čestica zarobljenih od Al (OH) 3 nastalih tokom hidrolize i smanjenja tvrdoće

Al 2 (SO 4) 3 + Ca(HCO 3) 2 = Al(OH) 3 + CO 2 + CaSO 4 ↓

U industriji kože služi kao jedkalo za mrvljive pamučne tkanine - KAl(SO 4) 2 × 12H 2 O - kalijum-aluminijum sulfat (kalijum alum).

Glavna upotreba aluminija je proizvodnja legura na njegovoj osnovi. Duralumin je legura aluminijuma, bakra, magnezijuma i mangana.

Silumin – aluminijum i silicijum.

Njihova glavna prednost je mala gustina i zadovoljavajuća otpornost na atmosfersku koroziju. Trupovi umjetnih Zemljinih satelita i svemirskih letjelica izrađeni su od aluminijskih legura.

Aluminijum se koristi kao redukciono sredstvo u topljenju metala (aluminotermija)

Cr 2 O 3 + 2 Al t = 2Cr + Al 2 O 3.

Također se koristi za termičko zavarivanje metalnih proizvoda (mješavina aluminija i željeznog oksida Fe 3 O 4) koji se naziva termit daje temperaturu od oko 3000°C.

Ovaj lagani metal srebrno-bijele nijanse nalazi se gotovo svugdje u modernom životu. Fizička i hemijska svojstva aluminijuma omogućavaju mu široku upotrebu u industriji. Najpoznatija ležišta su u Africi, Južnoj Americi i na Karibima. U Rusiji se nalazišta za iskopavanje boksita nalaze na Uralu. Svjetski lideri u proizvodnji aluminija su Kina, Rusija, Kanada i SAD.

Al rudarstvo

U prirodi se ovaj srebrnasti metal, zbog svoje visoke hemijske aktivnosti, nalazi samo u obliku jedinjenja. Najpoznatije geološke stijene koje sadrže aluminij su boksit, glinica, korund i feldspat. Boksit i glinica su od industrijskog značaja. Upravo nalazišta ovih ruda omogućavaju ekstrakciju aluminijuma u njegovom čistom obliku.

Svojstva

Fizička svojstva aluminijuma olakšavaju uvlačenje praznih delova ovog metala u žicu i valjanje u tanke listove. Ovaj metal nije izdržljiv za povećanje ovog pokazatelja tokom topljenja, legiran je raznim aditivima: bakar, silicijum, magnezijum, mangan, cink. Za industrijske svrhe važno je još jedno fizičko svojstvo aluminija - njegova sposobnost da brzo oksidira na zraku. Površina aluminijumskog proizvoda u prirodnim uslovima obično je prekrivena tankim oksidnim filmom, koji efikasno štiti metal i sprečava njegovu koroziju. Kada se ovaj film uništi, srebrni metal brzo oksidira, a temperatura mu se značajno povećava.

Unutrašnja konstrukcija od aluminijuma

Fizička i hemijska svojstva aluminijuma u velikoj meri zavise od njegove unutrašnje strukture. Kristalna rešetka ovog elementa je tip kocke centrirane na lice.

Ova vrsta rešetke svojstvena je mnogim metalima, kao što su bakar, brom, srebro, zlato, kobalt i drugi. Visoka toplotna provodljivost i sposobnost provođenja električne energije učinili su ovaj metal jednim od najpopularnijih na svijetu. Preostala fizička svojstva aluminija, čija je tabela prikazana u nastavku, u potpunosti otkrivaju njegova svojstva i pokazuju opseg njihove primjene.

Legiranje aluminijuma

Fizička svojstva bakra i aluminija su takva da kada se u aluminijsku leguru doda određena količina bakra, njena kristalna rešetka se izobličuje, a čvrstoća same legure se povećava. Legiranje lakih legura zasniva se na ovoj osobini Al da povećava njihovu čvrstoću i otpornost na agresivne sredine.

Objašnjenje procesa stvrdnjavanja leži u ponašanju atoma bakra u kristalnoj rešetki aluminija. Čestice Cu imaju tendenciju da ispadnu iz Al kristalne rešetke i grupišu se u posebnim područjima.

Tamo gdje atomi bakra formiraju klastere, formira se mješovita kristalna rešetka CuAl 2 u kojoj su čestice metala srebra istovremeno uključene u opću aluminijsku kristalnu rešetku i CuAl 2 mješovitu rešetku su mnogo veće nego u uobičajenom. To znači da je čvrstoća novonastale tvari mnogo veća.

Hemijska svojstva

Poznata je interakcija aluminijuma sa razblaženom sumpornom i hlorovodoničnom kiselinom. Kada se zagrije, ovaj metal se lako rastvara u njima. Hladna koncentrirana ili visoko razrijeđena dušična kiselina ne otapa ovaj element. Vodene otopine alkalija aktivno utječu na tvar, tokom reakcije formirajući aluminate - soli koje sadrže ione aluminija. Na primjer:

Al 2 O 3 +3H2O+2NaOH=2Na

Dobiveni spoj naziva se natrijum tetrahidroksoaluminat.

Tanak film na površini aluminijskih proizvoda štiti ovaj metal ne samo od zraka, već i od vode. Ako se ova tanka barijera ukloni, element će nasilno stupiti u interakciju s vodom, oslobađajući iz nje vodonik.

2AL+6H 2 O= 2 AL (OH) 3 +3H 2

Dobivena tvar naziva se aluminij hidroksid.

AL (OH) 3 reaguje sa alkalijom, formirajući kristale hidroksoaluminata:

Al(OH) 2 +NaOH=2Na

Ako ovu hemijsku jednačinu dodamo prethodnoj, dobijamo formulu za otapanje elementa u alkalnom rastvoru.

Al(OH) 3 +2NaOH+6H 2 O=2Na +3H 2

Sagorevanje aluminijuma

Fizička svojstva aluminijuma omogućavaju mu da reaguje sa kiseonikom. Ako se prah ove metalne ili aluminijske folije zagrije, on se rasplamsa i gori bijelim, zasljepljujućim plamenom. Na kraju reakcije nastaje aluminijum oksid Al 2 O 3.

Alumina

Nastali aluminijum oksid ima geološki naziv glinice. U prirodnim uslovima javlja se u obliku korunda - tvrdih prozirnih kristala. Korund je veoma tvrd, sa ocjenom tvrdoće 9. Sam korund je bezbojan, ali razne nečistoće ga mogu pretvoriti u crveno i plavo, što rezultira dragim kamenjem poznatim u nakitu kao rubini i safiri.

Fizička svojstva aluminijum oksida omogućavaju da se ovo drago kamenje uzgaja u veštačkim uslovima. Industrijsko drago kamenje se ne koristi samo za nakit, već se koristi u izradi preciznih instrumenata, časovničarstvu i drugim stvarima. Umjetni kristali rubina također se široko koriste u laserskim uređajima.

Fino zrnasta sorta korunda s velikim brojem nečistoća, nanesena na posebnu površinu, svima je poznata kao šmirgla. Fizička svojstva aluminijevog oksida objašnjavaju visoka abrazivna svojstva korunda, kao i njegovu tvrdoću i otpornost na trenje.

Aluminijum hidroksid

Al 2 (OH) 3 je tipičan amfoterni hidroksid. U kombinaciji s kiselinom, ova supstanca stvara sol koja sadrži pozitivno nabijene aluminijeve ione u lužinama stvara aluminate. Amfoterna priroda tvari očituje se u činjenici da se može ponašati i kao kiselina i kao lužina. Ovo jedinjenje može postojati i u obliku želea iu čvrstom obliku.

Praktično je nerastvorljiv u vodi, ali reaguje sa većinom aktivnih kiselina i lužina. Fizička svojstva aluminijum hidroksida koriste se u medicini, popularno je i sigurno sredstvo za smanjenje kiselosti u organizmu; U industriji se Al 2 (OH) 3 koristi kao adsorbent, savršeno pročišćava vodu i taloži štetne elemente otopljene u njoj.

Industrijska upotreba

Aluminijum je otkriven 1825. U početku je ovaj metal bio cijenjen više od zlata i srebra. To je objašnjeno teškoćom vađenja iz rude. Fizička svojstva aluminija i njegova sposobnost da brzo formira zaštitni film na svojoj površini otežali su proučavanje ovog elementa. Tek krajem 19. veka otkrivena je pogodna metoda za topljenje čistog elementa pogodnog za upotrebu u industrijskim razmerama.

Lakoća i sposobnost otpornosti na koroziju jedinstvena su fizička svojstva aluminija. Legure ovog srebrnog metala koriste se u raketnoj tehnici, u automobilskoj, brodskoj, avionskoj i instrumentarskoj proizvodnji, u proizvodnji pribora za jelo i jelo.

Kao čisti metal, Al se koristi u proizvodnji delova za hemijsku opremu, električnih žica i kondenzatora. Fizička svojstva aluminija su takva da njegova električna provodljivost nije tako visoka kao bakra, ali se ovaj nedostatak nadoknađuje lakoćom metala o kojem je riječ, što omogućava debljanje aluminijskih žica. Dakle, uz istu električnu provodljivost, aluminijska žica teži upola manje od bakrene žice.

Ništa manje važna je upotreba Al u procesu aluminizacije. Ovo je naziv dat reakciji zasićenja površine proizvoda od lijevanog željeza ili čelika aluminijem kako bi se osnovni metal zaštitio od korozije kada se zagrijava.

Trenutno su poznate rezerve aluminijskih ruda prilično uporedive s potrebama ljudi za ovim srebrnim metalom. Fizička svojstva aluminija i dalje mogu predstavljati mnoga iznenađenja za njegove istraživače, a opseg primjene ovog metala je mnogo širi nego što se može zamisliti.

Naziv aluminijum dolazi od latinskog. alumen - dakle još 500. godine pne. e. nazvan aluminijski alum, koji se koristio kao jedkalo za bojenje tkanina i za štavljenje kože. Danski naučnik H. K. Oersted je 1825. godine, djelujući s kalijevim amalgamom na bezvodni AlCl 3, a zatim destilacijom žive, dobio relativno čist aluminijum. Prvu industrijsku metodu za proizvodnju aluminija predložio je 1854. francuski kemičar A. E. Saint-Clair Deville: metoda se sastojala u redukciji dvostrukog klorida aluminija i natrijuma Na 3 AlCl 6 metalnim natrijem. Po boji sličan srebru, aluminijum je u početku bio veoma skup. Od 1855. do 1890. proizvedeno je samo 200 tona aluminijuma. Modernu metodu proizvodnje aluminijuma elektrolizom taline kriolit-aluminijum-oksida razvili su 1886. istovremeno i nezavisno C. Hall u SAD i P. Heroux u Francuskoj.

Rasprostranjenost aluminijuma u prirodi. Po zastupljenosti u prirodi, aluminijum je na trećem mestu posle kiseonika i silicijuma i na prvom među metalima. Njegov sadržaj u zemljinoj kori iznosi 8,80% po težini. Aluminijum se ne pojavljuje u slobodnom obliku zbog svoje hemijske aktivnosti. Poznato je nekoliko stotina minerala aluminijuma, uglavnom aluminosilikata. Boksit, alunit i nefelin su od industrijskog značaja. Nefelinske stijene su siromašnije glinicom od boksita, ali njihova složena upotreba proizvodi važne nusproizvode: soda, potaša, sumporna kiselina. U SSSR-u je razvijena metoda za integriranu upotrebu nefelina. Nefelinske rude u SSSR-u formiraju, za razliku od boksita, vrlo velika ležišta i stvaraju praktički neograničene mogućnosti za razvoj industrije aluminija.

Fizička svojstva aluminijuma. Aluminij kombinira vrlo vrijedan skup svojstava: nisku gustinu, visoku toplotnu i električnu provodljivost, visoku duktilnost i dobru otpornost na koroziju. Može se lako kovati, štancati, valjati, crtati. Aluminijum se dobro zavari gasnim, kontaktnim i drugim vrstama zavarivanja. Aluminijska rešetka je kubno centrirana s parametrom a = 4,0413 Å. Svojstva aluminijuma, kao i svih metala, stoga zavise od njegove čistoće. Osobine aluminijuma visoke čistoće (99,996%): gustina (na 20°C) 2698,9 kg/m 3 ; t pl 660,24°C; tačka ključanja oko 2500°C; koeficijent termičkog širenja (od 20° do 100°C) 23,86·10 -6 ; toplotna provodljivost (na 190°C) 343 W/m·K, specifični toplotni kapacitet (na 100°C) 931,98 J/kg·K. ; električna provodljivost u odnosu na bakar (na 20 °C) 65,5%. Aluminijum ima malu čvrstoću (zatezna čvrstoća 50-60 Mn/m2), tvrdoću (170 Mn/m2 prema Brinelu) i visoku duktilnost (do 50%). Prilikom hladnog valjanja, vlačna čvrstoća aluminijuma raste na 115 Mn/m2, tvrdoća - na 270 Mn/m2, relativno izduženje se smanjuje na 5% (1 Mn/m2 ~ i 0,1 kgf/mm2). Aluminij je visoko poliran, anodiziran i ima visoku refleksivnost blizu srebra (reflektira do 90% energije upadne svjetlosti). Imajući visok afinitet prema kiseoniku, aluminijum u vazduhu je prekriven tankim, ali veoma jakim filmom Al 2 O 3 oksida, koji štiti metal od dalje oksidacije i određuje njegova visoka antikorozivna svojstva. Čvrstoća oksidnog filma i njegov zaštitni efekat značajno se smanjuju u prisustvu nečistoća žive, natrijuma, magnezijuma, bakra itd. Aluminijum je otporan na atmosfersku koroziju, morsku i slatku vodu, praktički ne stupa u interakciju sa koncentrovanim ili jako razblaženim azotom. kiselina, organske kiseline, prehrambeni proizvodi.

Hemijska svojstva aluminijuma. Vanjski elektronski omotač atoma aluminija sastoji se od 3 elektrona i ima strukturu 3s 2 3p 1. U normalnim uslovima, aluminijum u jedinjenjima je 3-valentan, ali na visokim temperaturama može biti monovalentan, formirajući takozvana podjedinjenja. Aluminijevi subhalogenidi, AlF i AlCl, stabilni samo u plinovitom stanju, u vakuumu ili inertnoj atmosferi, kada se temperatura snizi, razlažu se (neproporcionalno) na čisti Al i AlF 3 ili AlCl 3 i stoga se mogu koristiti za proizvodnju ultračistog aluminija . Kada se zagrije, fino mljeveni ili praškasti aluminij snažno gori na zraku. Sagorevanjem aluminijuma u struji kiseonika postižu se temperature iznad 3000°C. Svojstvo aluminija da aktivno djeluje s kisikom koristi se za obnavljanje metala iz njihovih oksida (aluminotermija). Na tamnocrvenoj toploti, fluor energično stupa u interakciju sa aluminijumom, formirajući AlF 3 . Hlor i tečni brom reaguju sa aluminijumom na sobnoj temperaturi, jod - kada se zagreju. Na visokim temperaturama, aluminijum se kombinuje sa azotom, ugljenikom i sumporom, formirajući AlN nitrid, Al 4 C 3 karbid i Al 2 S 3 sulfid, respektivno. Aluminijum ne stupa u interakciju sa vodonikom; Aluminijum hidrid (AlH 3) X je dobijen indirektno. Od velikog interesa su dvostruki hidridi aluminijuma i elementi grupe I i II periodnog sistema sastava MeH n · n AlH 3, tzv. aluminijum hidridi. Aluminij se lako otapa u alkalijama, oslobađajući vodonik i formirajući aluminate. Većina soli aluminijuma je visoko rastvorljiva u vodi. Otopine soli aluminija pokazuju kiselu reakciju zbog hidrolize.

Proizvodnja aluminijuma. U industriji se aluminijum proizvodi elektrolizom glinice Al 2 O 3 otopljene u rastopljenom kriolitu NasAlF 6 na temperaturi od oko 950°C. Koriste se elektrolizatori tri glavne izvedbe: 1) elektrolizatori sa kontinuiranim samopečećim anodama i bočnim napajanjem struje , 2) isto, ali sa gornjim napajanjem struje i 3) elektrolizatori sa pečenim anodama. Elektrolitsko kupatilo je gvozdeno kućište, iznutra obloženo toplotno i elektroizolacionim materijalom - vatrostalnim ciglama, i obloženo ugljenim pločama i blokovima. Radni volumen je ispunjen rastopljenim elektrolitom koji se sastoji od 6-8% glinice i 94-92% kriolita (obično uz dodatak AlF 3 i oko 5-6% mješavine fluorida kalija i magnezija). Katoda je dno kupke, anoda su izgorjeli ugljični blokovi uronjeni u elektrolit ili punjene samopečeće elektrode. Kada struja prođe, na katodi se oslobađa rastopljeni aluminijum koji se akumulira na ognjištu, a na anodi - kiseonik, koji sa ugljičnom anodom stvara CO i CO 2 . Glinica, glavni potrošni materijal, ima visoke zahtjeve za čistoćom i veličinom čestica. Prisustvo u njemu oksida elemenata koji su elektropozitivniji od aluminijuma dovodi do kontaminacije aluminijuma. Uz dovoljan sadržaj glinice, kada radi normalno na električnom naponu reda 4-4,5 V. Kupke su povezane na izvor jednosmjerne struje u seriji (u nizu od 150-160 kupki). Moderni elektrolizatori rade na strujama do 150 kA. Aluminij se obično uklanja iz kupke pomoću vakumske kutlače. Rastopljeni aluminijum čistoće 99,7% se sipa u kalupe. Aluminijum visoke čistoće (99,9965%) dobija se elektrolitičkim rafiniranjem primarnog aluminijuma takozvanom troslojnom metodom, kojom se smanjuje sadržaj nečistoća Fe, Si i Cu. Istraživanja procesa elektrolitičke rafinacije aluminija korištenjem organskih elektrolita pokazala su fundamentalnu mogućnost dobivanja aluminija čistoće od 99,999% uz relativno nisku potrošnju energije, ali do sada ova metoda ima nisku produktivnost. Za dubinsko prečišćavanje aluminijuma koristi se zonsko topljenje ili destilacija kroz subfluorid.

Tokom elektrolitičke proizvodnje aluminijuma može doći do strujnog udara, visoke temperature i štetnih gasova. Da bi se izbjegle nesreće, kade su pouzdano izolirane; Zdrava atmosfera se održava efikasnom ventilacijom. Uz stalno udisanje prašine metalnog aluminija i njegovog oksida može doći do plućne aluminoze. Radnici koji se bave proizvodnjom aluminijuma često imaju katare gornjih disajnih puteva (rinitis, faringitis, laringitis). Maksimalna dozvoljena koncentracija prašine metalnog aluminijuma, njegovih oksida i legura u vazduhu je 2 mg/m 3.

Primena aluminijuma. Kombinacija fizičkih, mehaničkih i hemijskih svojstava aluminijuma određuje njegovu široku upotrebu u gotovo svim oblastima tehnologije, posebno u obliku njegovih legura sa drugim metalima. U elektrotehnici aluminijum uspešno zamenjuje bakar, posebno u proizvodnji masivnih provodnika, na primer, u nadzemnim vodovima, visokonaponskim kablovima, rasklopnim autobusima, transformatorima (električna provodljivost aluminijuma dostiže 65,5% električne provodljivosti bakra, a više je od tri puta lakši od bakra s poprečnim presjekom koji pruža istu provodljivost, masa aluminijskih žica je upola manja od bakrene); Ultra-čisti aluminij se koristi u proizvodnji električnih kondenzatora i ispravljača, čije se djelovanje temelji na sposobnosti filma od aluminijskog oksida da propušta električnu struju samo u jednom smjeru. Ultračisti aluminijum, prečišćen zonskim topljenjem, koristi se za sintezu poluprovodničkih jedinjenja tipa A III B V, koji se koriste za proizvodnju poluprovodničkih uređaja. Čisti aluminijum se koristi u proizvodnji raznih vrsta reflektora ogledala. Aluminij visoke čistoće se koristi za zaštitu metalnih površina od atmosferske korozije (obloga, aluminijska boja). Posjedujući relativno nizak presjek apsorpcije neutrona, aluminij se koristi kao strukturni materijal u nuklearnim reaktorima.

Aluminijski rezervoari velikog kapaciteta pohranjuju i transportuju tekuće plinove (metan, kisik, vodonik itd.), dušičnu i octenu kiselinu, čistu vodu, vodikov peroksid i jestiva ulja. Aluminij ima široku primjenu u opremi i aparatima prehrambene industrije, za pakovanje hrane (u obliku folije), te za proizvodnju raznih vrsta proizvoda za domaćinstvo. Potrošnja aluminijuma za završnu obradu zgrada, arhitektonskih, transportnih i sportskih objekata naglo je porasla.

U metalurgiji je aluminijum (pored legura na njegovoj bazi) jedan od najčešćih legirajućih aditiva u legurama na bazi Cu, Mg, Ti, Ni, Zn i Fe. Aluminij se također koristi za deoksidaciju čelika prije izlivanja u kalup, kao i u procesima proizvodnje određenih metala metodom aluminotermije. Na bazi aluminijuma, metalurgijom praha je kreiran SAP (sinterovani aluminijumski prah) koji ima visoku toplotnu otpornost na temperaturama iznad 300°C.

Aluminij se koristi u proizvodnji eksploziva (amonal, alumotol). Široko se koriste različita jedinjenja aluminijuma.

Proizvodnja i potrošnja aluminijuma kontinuirano raste, značajno nadmašujući stopu rasta proizvodnje čelika, bakra, olova i cinka.

Geohemija aluminijuma. Geohemijske karakteristike aluminijuma su određene njegovim visokim afinitetom prema kiseoniku (u mineralima aluminijum je uključen u oktaedre kiseonika i tetraedre), konstantnom valentnošću (3) i niskom rastvorljivošću većine prirodnih jedinjenja. U endogenim procesima tokom stvrdnjavanja magme i formiranja magmatskih stijena, aluminij ulazi u kristalnu rešetku feldspata, liskuna i drugih minerala - aluminosilikata. U biosferi, aluminijum je slab migrant; U vlažnoj klimi, gdje razgradni ostaci bogate vegetacije stvaraju mnoge organske kiseline, aluminijum migrira u tlu i vode u obliku organomineralnih koloidnih jedinjenja; Aluminij se adsorbira koloidima i taloži u donjem dijelu tla. Veza između aluminijuma i silicijuma je delimično prekinuta i na nekim mestima u tropima nastaju minerali - aluminijum hidroksidi - bemit, dijaspore, hidrargilit. Većina aluminija je dio aluminosilikata - kaolinita, beidelita i drugih minerala gline. Slaba pokretljivost određuje zaostalu akumulaciju aluminijuma u koru vlažnih tropskih krajeva. Kao rezultat, nastaje eluvijalni boksit. U prošlim geološkim epohama, boksit se akumulirao i u jezerima i obalnim zonama mora u tropskim regijama (na primjer, sedimentni boksiti Kazahstana). U stepama i pustinjama, gdje ima malo žive tvari, a vode su neutralne i alkalne, Aluminij gotovo ne migrira. Migracija aluminijuma je najsnažnija u vulkanskim područjima, gde se primećuju visoko kisele rečne i podzemne vode bogate aluminijumom. Na mjestima gdje se kisele vode miješaju sa alkalnim - morskim vodama (na ušćima rijeka i dr.), aluminij se taloži sa stvaranjem naslaga boksita.

Aluminijum u kućištu. Aluminij je dio tkiva životinja i biljaka; u organima sisara je nađeno od 10 -3 do 10 -5% aluminijuma (na sirovoj bazi). Aluminij se nakuplja u jetri, gušterači i štitnoj žlijezdi. U biljnim proizvodima sadržaj aluminija kreće se od 4 mg na 1 kg suhe tvari (krompir) do 46 mg (žuta repa), u proizvodima životinjskog porijekla - od 4 mg (med) do 72 mg na 1 kg suhe tvari ( govedina). U dnevnoj ljudskoj ishrani sadržaj aluminijuma dostiže 35-40 mg. Organizmi za koje se zna da su koncentratori aluminijuma, na primer, mahovine (Lycopodiaceae), koje sadrže do 5,3% aluminijuma u svom pepelu, i mekušci (Helix i Lithorina), koji sadrže 0,2-0,8% aluminijuma u svom pepelu. Formiranjem nerastvorljivih jedinjenja sa fosfatima, aluminijum remeti ishranu biljaka (apsorpcija fosfata korenom) i životinja (apsorpcija fosfata u crevima).

U zemljinoj kori ima dosta aluminijuma: 8,6% po težini. Zauzima prvo mjesto među svim metalima i treće među ostalim elementima (poslije kisika i silicija). Aluminijuma je duplo više od gvožđa, i 350 puta više od bakra, cinka, hroma, kalaja i olova zajedno! Kao što je napisao prije više od 100 godina u svom klasičnom udžbeniku Osnove hemije D.I. Mendeljejev, od svih metala, „aluminijum je najčešći u prirodi; Dovoljno je istaći da je ona dio gline da bi se razjasnila univerzalna distribucija aluminija u zemljinoj kori. Aluminij ili alum metal (alumen) se također naziva glinom jer se nalazi u glini.”

Najvažniji mineral aluminijuma je boksit, mešavina bazičnog oksida AlO(OH) i hidroksida Al(OH)3. Najveća ležišta boksita nalaze se u Australiji, Brazilu, Gvineji i Jamajci; industrijska proizvodnja se odvija iu drugim zemljama. Alunit (stipsa) (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH) 3 i nefelin (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 takođe su bogati aluminijumom. Ukupno je poznato više od 250 minerala koji sadrže aluminijum; većina njih su aluminosilikati, od kojih se uglavnom formira zemljina kora. Kada izblede nastaje glina čija je osnova mineral kaolinit Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O. Nečistoće gvožđa glinu obično boje smeđu, ali postoji i bela glina - kaolin od koje se pravi proizvodi od porcelana i keramike.

Povremeno se nalazi izuzetno tvrd (drugi nakon dijamanta) mineral korund - kristalni oksid Al 2 O 3, često obojen nečistoćama u različitim bojama. Njegova plava varijanta (primiješaj titana i željeza) naziva se safir, a crvena (smiješa hroma) se naziva rubin. Razne nečistoće također mogu obojiti takozvani plemeniti korund u zelenu, žutu, narandžastu, ljubičastu i druge boje i nijanse.

Donedavno se vjerovalo da se aluminijum, kao visoko aktivan metal, ne može pojaviti u prirodi u slobodnom stanju, ali je 1978. u stijenama Sibirske platforme otkriven izvorni aluminij - samo u obliku kristala nalik na niti. Dužina 0,5 mm (sa debljinom navoja od nekoliko mikrometara). Prirodni aluminijum je takođe otkriven u lunarnom tlu donetom na Zemlju iz regiona Mora krize i izobilja. Smatra se da se metal aluminijuma može formirati kondenzacijom iz gasa. Poznato je da kada se aluminijski halogenidi - hlorid, bromid, fluorid - zagriju, oni mogu ispariti s većom ili manjom lakoćom (na primjer, AlCl 3 sublimira već na 180 °C). Sa snažnim povećanjem temperature, aluminijum halogenidi se raspadaju, pretvarajući se u stanje sa nižom valentnošću metala, na primer, AlCl. Kada se takav spoj kondenzira sa smanjenjem temperature i odsustvom kisika, u čvrstoj fazi dolazi do reakcije disproporcioniranja: neki od atoma aluminija se oksidiraju i prelaze u uobičajeno trovalentno stanje, a neki se reduciraju. Monovalentni aluminijum se može redukovati samo u metal: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . Ovu pretpostavku podržava i navojni oblik prirodnih aluminijumskih kristala. Obično se kristali ove strukture formiraju zbog brzog rasta iz gasne faze. Vjerovatno su mikroskopski grumenčići aluminija u mjesečevom tlu nastali na sličan način.

Naziv aluminijum dolazi od latinskog alumena (rod aluminis). Ovo je bio naziv stipse, dvostrukog kalij-aluminijum sulfata KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O), koji se koristio kao jedkalo za bojenje tkanina. Latinski naziv vjerovatno potiče od grčkog "halme" - slana otopina, rastvor soli. Zanimljivo je da je u Engleskoj aluminijum aluminijum, a u SAD aluminijum.

Mnoge popularne knjige o hemiji sadrže legendu da je izvesni pronalazač, čije ime nije sačuvano u istoriji, doneo caru Tiberiju, koji je vladao Rimom 14–27. nove ere, zdelu napravljenu od metala koji podseća na boju srebra, ali upaljač. Ovaj poklon koštao je majstora života: Tiberije je naredio njegovo pogubljenje i uništenje radionice, jer se bojao da bi novi metal mogao da obezbijedi vrijednost srebra u carskoj riznici.

Ova legenda je zasnovana na priči Plinija Starijeg, rimskog pisca i učenjaka, pisca Prirodna istorija– enciklopedija prirodoslovnog znanja antičkog doba. Prema Pliniju, novi metal je dobijen iz "ilovaste zemlje". Ali glina sadrži aluminijum.

Moderni autori gotovo uvijek rezervišu da cijela ova priča nije ništa drugo do lijepa bajka. I to nije iznenađujuće: aluminij u stijenama je izuzetno čvrsto vezan za kisik i mora se potrošiti mnogo energije da bi se oslobodio. Međutim, nedavno su se pojavili novi podaci o fundamentalnoj mogućnosti dobivanja metalnog aluminija u antičko doba. Kako je spektralna analiza pokazala, ukrasi na grobu kineskog komandanta Zhou-Zhua, koji je umro početkom 3. vijeka. AD, izrađeni su od legure koja se sastoji od 85% aluminijuma. Da li su drevni ljudi mogli dobiti besplatni aluminijum? Sve poznate metode (elektroliza, redukcija metalnim natrijumom ili kalijumom) se automatski eliminišu. Da li se u drevnim vremenima mogao naći prirodni aluminijum, kao, na primer, grumen zlata, srebra i bakra? Ovo je također isključeno: prirodni aluminij je rijedak mineral koji se nalazi u neznatnim količinama, tako da drevni majstori nisu mogli pronaći i prikupiti takve grumene u potrebnoj količini.

Međutim, moguće je još jedno objašnjenje za Plinijevu priču. Aluminij se može dobiti iz ruda ne samo uz pomoć električne energije i alkalnih metala. Dostupan je i od davnina široko korišten redukcijski agens - ugalj, uz pomoć kojeg se oksidi mnogih metala pri zagrijavanju reduciraju u slobodne metale. Krajem 1970-ih, njemački hemičari odlučili su da ispitaju da li se aluminijum mogao proizvoditi u drevnim vremenima redukcijom uglja. Zagrijali su mješavinu gline sa ugljenim prahom i kuhinjskom soli ili potašom (kalijev karbonat) u glinenom lončiću do crvene topline. Sol se dobijala iz morske vode, a potaša iz biljnog pepela, kako bi se koristile samo one supstance i metode koje su bile dostupne u antičko doba. Nakon nekog vremena, šljaka s aluminijskim kuglicama isplivala je na površinu lončića! Prinos metala je bio mali, ali je moguće da su upravo na taj način drevni metalurzi mogli da dobiju „metal 20. veka“.

Svojstva aluminijuma.

Boja čistog aluminijuma podseća na srebro, to je veoma lagan metal: njegova gustina je samo 2,7 g/cm 3 . Jedini metali lakši od aluminijuma su alkalni i zemnoalkalni metali (osim barijuma), berilij i magnezijum. Aluminijum se takođe lako topi - na 600°C (tanka aluminijumska žica se može istopiti na običnoj kuhinjskoj gorionici), ali ključa tek na 2452°C. Po električnoj provodljivosti aluminijum je na 4. mestu, odmah iza srebra (on je na prvom mestu), bakra i zlata, što je, s obzirom na jeftinoću aluminijuma, od velikog praktičnog značaja. Toplotna provodljivost metala mijenja se istim redoslijedom. Visoku toplotnu provodljivost aluminijuma lako je proveriti umačavanjem aluminijumske kašike u vrući čaj. I još jedno izvanredno svojstvo ovog metala: njegova glatka, sjajna površina savršeno reflektuje svjetlost: od 80 do 93% u vidljivom dijelu spektra, ovisno o talasnoj dužini. U ultraljubičastom području, aluminijum nema ravnog u tom pogledu, a samo je u crvenom području nešto inferiorniji od srebra (u ultraljubičastom, srebro ima vrlo nisku refleksivnost).

Čisti aluminij je prilično mekan metal - gotovo tri puta mekši od bakra, tako da se čak i relativno debele aluminijske ploče i šipke lako savijaju, ali kada aluminij formira legure (ima ih ogroman broj), njegova se tvrdoća može deset puta povećati.

Karakteristično oksidaciono stanje aluminijuma je +3, ali zbog prisustva nepunjenog 3 R- i 3 d-orbitale, atomi aluminijuma mogu formirati dodatne donor-akceptorske veze. Zbog toga je ion Al 3+ malog radijusa vrlo sklon formiranju kompleksa, formirajući različite kationske i anjonske komplekse: AlCl 4 –, AlF 6 3–, 3+, Al(OH) 4 –, Al(OH) 6 3–, AlH 4 – i mnogi drugi. Poznati su i kompleksi sa organskim jedinjenjima.

Hemijska aktivnost aluminijuma je veoma visoka; u nizu elektrodnih potencijala stoji odmah iza magnezijuma. Na prvi pogled, takva izjava može izgledati čudno: na kraju krajeva, aluminijska posuda ili žlica prilično su stabilni u zraku i ne padaju u kipuću vodu. Aluminijum, za razliku od gvožđa, ne rđa. Ispostavilo se da kada je izložen zraku, metal je prekriven bezbojnim, tankim, ali izdržljivim "oklopom" od oksida, koji štiti metal od oksidacije. Dakle, ako u plamen gorionika unesete debelu aluminijsku žicu ili ploču debljine 0,5-1 mm, metal se topi, ali aluminij ne teče, jer ostaje u vrećici svog oksida. Ako lišite aluminij njegovog zaštitnog filma ili ga olabavite (na primjer, uranjanjem u otopinu živinih soli), aluminij će odmah otkriti svoju pravu suštinu: već na sobnoj temperaturi počet će energično reagirati s vodom, oslobađajući vodik. : 2Al + 6H 2 O ® 2Al(OH) 3 + 3H 2 . U vazduhu, aluminijum, lišen zaštitnog filma, pretvara se u rastresiti oksidni prah pred našim očima: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 . Aluminij je posebno aktivan u fino usitnjenom stanju; Kada se upali u plamen, aluminijska prašina trenutno sagorijeva. Ako pomiješate aluminijsku prašinu sa natrijum peroksidom na keramičkoj ploči i stavite vodu na smjesu, aluminij se također rasplamsa i izgori bijelim plamenom.

Veoma visok afinitet aluminijuma prema kiseoniku omogućava mu da „oduzima“ kiseonik od oksida niza drugih metala, redukujući ih (metoda aluminotermije). Najpoznatiji primjer je mješavina termita, koja pri sagorijevanju oslobađa toliko topline da se nastalo željezo topi: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Ovu reakciju je 1856. otkrio N.N. Na ovaj način se Fe 2 O 3, CoO, NiO, MoO 3, V 2 O 5, SnO 2, CuO i niz drugih oksida mogu reducirati u metale. Prilikom redukcije Cr 2 O 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, B 2 O 3 sa aluminijumom, toplota reakcije nije dovoljna da se produkti reakcije zagreju iznad tačke topljenja.

Aluminij se lako otapa u razrijeđenim mineralnim kiselinama stvarajući soli. Koncentrirana dušična kiselina, oksidirajući površinu aluminija, potiče zgušnjavanje i jačanje oksidnog filma (tzv. pasivizacija metala). Ovako tretiran aluminijum ne reaguje čak ni sa hlorovodoničnom kiselinom. Koristeći elektrohemijsku anodnu oksidaciju (eloksiranje), na površini aluminija može se stvoriti debeli film koji se lako može farbati u različite boje.

Pomicanje manje aktivnih metala aluminijumom iz rastvora soli često je ometano zaštitnim filmom na površini aluminijuma. Ovaj film brzo uništava bakar hlorid, pa se lako odvija reakcija 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu, koja je praćena jakim zagrijavanjem. U jakim alkalnim rastvorima, aluminijum se lako otapa oslobađanjem vodonika: 2Al + 6NaOH + 6H 2 O ® 2Na 3 + 3H 2 (takođe se formiraju i drugi anjonski hidrokso kompleksi). Amfoterna priroda jedinjenja aluminijuma se takođe manifestuje u lakom rastvaranju njegovog sveže istaloženog oksida i hidroksida u alkalijama. Kristalni oksid (korund) je vrlo otporan na kiseline i baze. Kada se stapa sa alkalijama, nastaju bezvodni aluminati: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. Magnezijum aluminat Mg(AlO 2) 2 je poludragi kamen spinel, obično obojen nečistoćama u raznim bojama. .

Reakcija aluminijuma sa halogenima se dešava brzo. Ako se tanka aluminijska žica unese u epruvetu sa 1 ml broma, tada se aluminij nakon kratkog vremena zapali i izgori jakim plamenom. Reakcija mješavine praha aluminija i joda pokreće se kapljicom vode (voda s jodom stvara kiselinu koja uništava oksidni film), nakon čega se pojavljuje svijetli plamen s oblacima ljubičaste jodne pare. Aluminijum halogenidi u vodenim rastvorima imaju kiselu reakciju zbog hidrolize: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Reakcija aluminijuma sa dušikom odvija se samo iznad 800 ° C sa stvaranjem nitrida AlN, sa sumporom - na 200 ° C (formira se sulfid Al 2 S 3), sa fosforom - na 500 ° C (formira se fosfid AlP). Kada se bor dodaje rastopljenom aluminijumu, nastaju boridi sastava AlB 2 i AlB 12 - vatrostalna jedinjenja otporna na kiseline. Hidrid (AlH) x (x = 1,2) nastaje samo u vakuumu na niskim temperaturama u reakciji atomskog vodonika sa parom aluminijuma. AlH 3 hidrid, stabilan u odsustvu vlage na sobnoj temperaturi, dobija se u rastvoru bezvodnog etra: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. Sa viškom LiH nastaje litijum aluminijum hidrid sličan soli LiAlH 4 - vrlo jak redukcioni agens koji se koristi u organskim sintezama. Trenutačno se razgrađuje s vodom: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al(OH) 3 + 4H 2.

Proizvodnja aluminijuma.

Dokumentovano otkriće aluminijuma dogodilo se 1825. Ovaj metal je prvi dobio danski fizičar Hans Christian Oersted, kada ga je izolovao delovanjem kalijum amalgama na bezvodni aluminijum hlorid (dobijenog propuštanjem hlora kroz vruću mešavinu aluminijum-oksida i uglja ). Destilirajući živu, Oersted je dobio aluminijum, iako je bio kontaminiran nečistoćama. Godine 1827., njemački hemičar Friedrich Wöhler dobio je aluminij u obliku praha redukcijom heksafluoroaluminata kalijem:

Na 3 AlF 6 + 3K ® Al + 3NaF + 3KF. Kasnije je uspio nabaviti aluminijum u obliku sjajnih metalnih kuglica. Godine 1854. francuski hemičar Henri Etienne Saint-Clair Deville razvio je prvu industrijsku metodu za proizvodnju aluminijuma - redukovanjem taljenja tetrahloroaluminata natrijumom: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Međutim, aluminijum je i dalje bio izuzetno redak i skup metal; nije bilo mnogo jeftinije od zlata i 1500 puta skuplje od gvožđa (sada samo tri puta). Zvečka je napravljena od zlata, aluminijuma i dragog kamenja 1850-ih za sina francuskog cara Napoleona III. Kada je veliki ingot aluminijuma proizveden novom metodom bio izložen na Svetskoj izložbi u Parizu 1855. godine, na njega se gledalo kao na dragulj. Gornji dio (u obliku piramide) Washingtonskog spomenika u glavnom gradu SAD-a napravljen je od dragocjenog aluminija. U to vrijeme aluminijum nije bio mnogo jeftiniji od srebra: u SAD-u se, na primjer, 1856. godine prodavao po cijeni od 12 dolara za funtu (454 g), a srebro za 15 dolara Brockhaus Enciklopedijski rječnik objavljen 1890. godine, Efron je rekao da se “aluminij još uvijek koristi prvenstveno za proizvodnju... luksuzne robe”. Do tada se u svijetu iskopavalo samo 2,5 tone metala godišnje. Tek krajem 19. veka, kada je razvijen elektrolitski metod za proizvodnju aluminijuma, njegova godišnja proizvodnja je počela da iznosi hiljade tona, a u 20. veku. – milion tona. Ovo je transformisalo aluminijum iz poluplemenog metala u široko dostupan metal.

Modernu metodu proizvodnje aluminija otkrio je 1886. mladi američki istraživač Charles Martin Hall. Za hemiju se zainteresovao još kao dijete. Pronašavši očev stari udžbenik hemije, počeo je marljivo da ga proučava i izvodi eksperimente, a jednom je čak dobio i grdnju od majke da je oštetila stolnjak. I 10 godina kasnije napravio je izvanredno otkriće koje ga je proslavilo širom svijeta.

Kao student sa 16 godina, Hall je čuo od svog učitelja, F. F. Jewetta, da ako neko može razviti jeftin način za proizvodnju aluminijuma, ta osoba ne samo da bi učinila veliku uslugu čovječanstvu, već bi i zaradila ogromno bogatstvo. Jewett je znao šta govori: prethodno je trenirao u Njemačkoj, radio sa Wöhlerom i razgovarao s njim o problemima proizvodnje aluminija. Jewett je sa sobom u Ameriku donio i uzorak retkog metala, koji je pokazao svojim studentima. Odjednom je Hall javno izjavio: "Dobit ću ovaj metal!"

Šest godina vrijednog rada se nastavilo. Hall je pokušavao da dobije aluminijum različitim metodama, ali bezuspešno. Konačno, pokušao je da izvuče ovaj metal elektrolizom. U to vrijeme nije bilo elektrana koje su se morale proizvoditi pomoću velikih kućnih baterija od uglja, cinka, dušične i sumporne kiseline. Hall je radio u štali gdje je postavio malu laboratoriju. Pomogla mu je sestra Julija, koja je bila veoma zainteresovana za eksperimente svog brata. Sačuvala je sva njegova pisma i radne dnevnike, koji omogućavaju bukvalno praćenje istorije otkrića iz dana u dan. Evo odlomka iz njenih memoara:

„Čarls je uvek bio dobro raspoložen, a i u najgorim danima umeo je da se smeje sudbini nesrećnih pronalazača. U trenucima neuspjeha nalazio je utjehu u našem starom klaviru. U svojoj kućnoj laboratoriji radio je duge sate bez pauze; a kad bi mogao nakratko da napusti postavu, jurio bi preko naše dugačke kuće da se malo poigra... Znao sam da, igrajući s takvim šarmom i osjećajem, stalno razmišlja o svom poslu. A muzika mu je pomogla u tome.”

Najteže je bilo odabrati elektrolit i zaštititi aluminij od oksidacije. Nakon šest mjeseci iscrpljujućeg rada, nekoliko malih srebrnih kuglica konačno se pojavilo u loncu. Hall je odmah otrčao svom bivšem učitelju da mu ispriča o svom uspjehu. "Profesore, shvatio sam!", uzviknuo je, ispruživši ruku: na njegovom dlanu je ležalo desetak malih aluminijskih kuglica. To se dogodilo 23. februara 1886. A tačno dva mjeseca kasnije, 23. aprila iste godine, Francuz Paul Héroux je patentirao sličan izum, koji je napravio samostalno i gotovo istovremeno (upadljive su još dvije slučajnosti: i Hall i Héroux su rođeni 1863. i umrli 1914.).

Sada se prve kugle od aluminijuma koje je proizveo Hall čuvaju u American Aluminium Company u Pittsburghu kao nacionalna relikvija, a na njegovom koledžu postoji Holov spomenik, izliven od aluminijuma. Jewett je kasnije napisao: „Moje najvažnije otkriće bilo je otkriće čovjeka. Charles M. Hall je bio taj koji je u dobi od 21 godine otkrio metodu redukcije aluminija iz rude i tako od aluminija napravio divan metal koji se danas široko koristi u cijelom svijetu.” Jewettovo proročanstvo se obistinilo: Hall je dobio široko priznanje i postao počasni član mnogih naučnih društava. Ali njegov lični život bio je neuspešan: mlada se nije htela pomiriti s činjenicom da njen verenik sve vreme provodi u laboratoriji i raskinula je veridbu. Hall je utjehu pronašao u svom rodnom koledžu, gdje je radio do kraja života. Kao što je Čarlsov brat napisao: „Koledž je bio njegova žena, deca i sve ostalo – ceo njegov život“. Hall je ostavio većinu svog nasljedstva koledžu - 5 miliona dolara Hall je umro od leukemije u 51. godini.

Hallova metoda omogućila je proizvodnju relativno jeftinog aluminija u velikim razmjerima korištenjem električne energije. Ako je od 1855. do 1890. godine dobijeno samo 200 tona aluminijuma, onda je tokom sledeće decenije, koristeći Hallovu metodu, već 28.000 tona ovog metala dobijeno širom sveta! Do 1930. globalna godišnja proizvodnja aluminijuma dostigla je 300 hiljada tona. Sada se godišnje proizvede više od 15 miliona tona aluminijuma. U posebnim kupkama na temperaturi od 960–970 °C, podvrgava se otopini glinice (tehnički Al 2 O 3) u rastopljenom kriolitu Na 3 AlF 6, koji se djelomično iskopava u obliku minerala, a dijelom posebno sintetizira. na elektrolizu. Tečni aluminij se nakuplja na dnu kupke (katode), kisik se oslobađa na ugljičnim anodama, koje postepeno izgaraju. Pri niskom naponu (oko 4,5 V), elektrolizatori troše ogromne struje - do 250.000 A! Jedan elektrolizer proizvodi oko tonu aluminijuma dnevno. Za proizvodnju je potrebno mnogo električne energije: potrebno je 15.000 kilovat-sati električne energije za proizvodnju 1 tone metala. Ovu količinu električne energije velika zgrada od 150 stanova potroši cijeli mjesec. Proizvodnja aluminijuma je opasna po životnu sredinu, jer je atmosferski vazduh zagađen isparljivim jedinjenjima fluora.

Primena aluminijuma.

Čak je i D.I. Mendeljejev napisao da je „metalni aluminijum, koji ima veliku lakoću i čvrstoću i malu varijabilnost u vazduhu, veoma pogodan za neke proizvode. Aluminij je jedan od najčešćih i najjeftinijih metala. Teško je zamisliti savremeni život bez toga. Nije ni čudo što se aluminijum naziva metalom 20. veka. Pogodan je za obradu: kovanje, štancanje, valjanje, izvlačenje, presovanje. Čisti aluminijum je prilično mekan metal; Koristi se za izradu električnih žica, konstrukcijskih dijelova, folija za hranu, kuhinjskog pribora i "srebrne" boje. Ovaj lijep i lagan metal ima široku primjenu u građevinarstvu i zrakoplovnoj tehnologiji. Aluminijum veoma dobro reflektuje svetlost. Zbog toga se koristi za izradu ogledala metodom taloženja metala u vakuumu.

U vazduhoplovstvu i mašinstvu, u proizvodnji građevinskih konstrukcija, koriste se mnogo tvrđe legure aluminijuma. Jedna od najpoznatijih je legura aluminijuma sa bakrom i magnezijumom (duralumin, ili jednostavno „duralumin“; naziv dolazi iz njemačkog grada Duren). Nakon stvrdnjavanja, ova legura poprima posebnu tvrdoću i postaje približno 7 puta jača od čistog aluminija. Istovremeno je skoro tri puta lakši od gvožđa. Dobija se legiranjem aluminijuma sa malim dodacima bakra, magnezijuma, mangana, silicijuma i gvožđa. Silumini se široko koriste – legure za livenje aluminijuma i silicijuma. Također se proizvode legure visoke čvrstoće, kriogene (otporne na mraz) i otporne na toplinu. Zaštitni i dekorativni premazi lako se nanose na proizvode od aluminijskih legura. Lakoća i čvrstoća aluminijumskih legura posebno su korisne u vazduhoplovnoj tehnologiji. Na primjer, rotori helikoptera su napravljeni od legure aluminija, magnezija i silicija. Relativno jeftina aluminijska bronza (do 11% Al) ima visoka mehanička svojstva, stabilna je u morskoj vodi, pa čak i u razrijeđenoj hlorovodoničnoj kiselini. Od 1926. do 1957. u SSSR-u su od aluminijumske bronze kovani novčići u apoenima od 1, 2, 3 i 5 kopejki.

Trenutno se četvrtina ukupnog aluminijuma koristi za građevinske potrebe, isto toliko troši transportna tehnika, oko 17% se troši na ambalažu i limenke, a 10% na elektrotehniku.

Mnoge zapaljive i eksplozivne mješavine također sadrže aluminij. Alumotol, livena mješavina trinitrotoluena i aluminijskog praha, jedan je od najmoćnijih industrijskih eksploziva. Amonal je eksplozivna supstanca koja se sastoji od amonijum nitrata, trinitrotoluena i aluminijumskog praha. Zapaljive kompozicije sadrže aluminij i oksidacijsko sredstvo - nitrat, perklorat. Pirotehničke kompozicije Zvezdochka takođe sadrže aluminijum u prahu.

Mješavina aluminijskog praha sa metalnim oksidima (termit) koristi se za proizvodnju određenih metala i legura, za zavarivanje šina i u zapaljivoj municiji.

Aluminijum je takođe našao praktičnu upotrebu kao raketno gorivo. Za potpuno sagorevanje 1 kg aluminijuma potrebno je skoro četiri puta manje kiseonika nego za 1 kg kerozina. Osim toga, aluminij se može oksidirati ne samo slobodnim kisikom, već i vezanim kisikom, koji je dio vode ili ugljičnog dioksida. Kada aluminijum „gori“ u vodi, oslobađa se 8800 kJ po 1 kg proizvoda; ovo je 1,8 puta manje nego pri sagorevanju metala u čistom kiseoniku, ali 1,3 puta više nego pri sagorevanju na vazduhu. To znači da se umjesto opasnih i skupih spojeva kao oksidant za takvo gorivo može koristiti jednostavna voda. Ideju o korištenju aluminija kao goriva predložio je još 1924. godine domaći naučnik i pronalazač F.A. Tsander. Prema njegovom planu, moguće je koristiti aluminijumske elemente svemirske letelice kao dodatno gorivo. Ovaj hrabar projekat još nije praktično realizovan, ali većina trenutno poznatih čvrstih raketnih goriva sadrži metalni aluminijum u obliku finog praha. Dodavanje 15% aluminijuma u gorivo može povećati temperaturu produkata sagorevanja za hiljadu stepeni (od 2200 do 3200 K); Primjetno se povećava i brzina protoka produkata izgaranja iz mlaznice motora - glavnog energetskog indikatora koji određuje efikasnost raketnog goriva. U tom smislu, samo litijum, berilijum i magnezijum mogu da se takmiče sa aluminijumom, ali svi su mnogo skuplji od aluminijuma.

Aluminijumska jedinjenja se takođe široko koriste. Aluminij oksid je vatrostalni i abrazivni (brusni) materijal, sirovina za proizvodnju keramike. Također se koristi za izradu laserskih materijala, ležajeva za satove i kamenja za nakit (vještački rubini). Kalcinirani aluminij oksid je adsorbent za pročišćavanje plinova i tekućina i katalizator za brojne organske reakcije. Bezvodni aluminijum hlorid je katalizator u organskoj sintezi (Friedel-Craftsova reakcija), polazni materijal za proizvodnju aluminijuma visoke čistoće. Aluminijum sulfat se koristi za prečišćavanje vode; reagujući sa kalcijum bikarbonatom koji sadrži:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O, formira oksidno-hidroksidne pahuljice, koje, taloženje, hvataju i takođe upijaju na površini one u suspendovane nečistoće, pa čak i mikroorganizme u vodi. Osim toga, aluminij sulfat se koristi kao jedkalo za bojenje tkanina, štavljenje kože, konzerviranje drva i papir za dimenzioniranje. Kalcijum aluminat je komponenta cementnih materijala, uključujući portland cement. Itrijum aluminijum granat (YAG) YAlO 3 je laserski materijal. Aluminijum nitrid je vatrostalni materijal za električne peći. Sintetički zeoliti (spadaju u aluminosilikate) su adsorbenti u hromatografiji i katalizatori. Organoaluminijska jedinjenja (na primjer, trietilaluminij) su komponente Ziegler-Natta katalizatora, koji se koriste za sintezu polimera, uključujući visokokvalitetnu sintetičku gumu.

Ilya Leenson

književnost:

Tikhonov V.N. Analitička hemija aluminijuma. M., „Nauka“, 1971
Popularna biblioteka hemijskih elemenata. M., „Nauka“, 1983
Craig N.C. Charles Martin Hall i njegov Metal. J.Chem.Educ. 1986, vol. 63, br
Kumar V., Milewski L. Charles Martin Hall i Velika aluminijska revolucija. J.Chem.Educ., 1987, vol. 64, br