A fémek az egyik legkényelmesebben feldolgozható anyag. Saját vezetőik is vannak. Például az alumínium alapvető tulajdonságait már régóta ismerik az emberek. Annyira alkalmasak a mindennapi használatra, hogy ez a fém nagyon népszerűvé vált. Ebben a cikkben megvizsgáljuk, mi az egyszerű anyag és az atom.

Az alumínium felfedezésének története

Az ember régóta ismeri a szóban forgó fém vegyületét - olyan eszközként használták, amely megduzzasztja és összekötötte a keverék összetevőit, erre a bőrtermékek gyártásánál is szükség volt. Az alumínium-oxid létezése tiszta formájában a 18. században, annak második felében vált ismertté. Ez azonban nem érkezett meg.

H. K. Ørsted tudós volt az első, aki izolálta a fémet kloridjából. Ő volt az, aki a sót kálium-amalgámmal kezelte, és szürke port izolált a keverékből, amely tiszta formában alumínium volt.

Aztán világossá vált, hogy az alumínium kémiai tulajdonságai nagy aktivitásában és erős redukáló képességében nyilvánulnak meg. Ezért senki más nem dolgozott vele sokáig.

1854-ben azonban a francia Deville az olvadék elektrolízisével fémrúdokat tudott előállítani. Ez a módszer ma is aktuális. Az értékes anyagok tömeges gyártása különösen a 20. században kezdődött, amikor megoldódtak a vállalkozások nagy mennyiségű villamosenergia-termelésének problémái.

Ma ez a fém az egyik legnépszerűbb és legelterjedtebb az építőiparban és a háztartási iparban.

Az alumínium atom általános jellemzői

Ha a kérdéses elemet a periódusos rendszerben elfoglalt helyével jellemezzük, akkor több pont különböztethető meg.

1. Sorozatszám - 13.
2. A harmadik kis periódusban, harmadik csoportban, fő alcsoportban található.
3. Atomtömeg - 26,98.
4. A vegyértékelektronok száma 3.
5. A külső réteg konfigurációját a 3s 2 3p 1 képlet fejezi ki.
6. Az elem neve alumínium.
7. erősen kifejezve.
8. A természetben nincs izotópja, csak egy formában létezik, tömegszáma 27.
9. A vegyjele AL, a képletekben „alumínium”-ként olvasható.
10. Az oxidációs állapot egy, egyenlő +3.

Az alumínium kémiai tulajdonságait teljes mértékben alátámasztja atomjának elektronszerkezete, mert nagy atomsugárral és alacsony elektronaffinitással, mint minden aktív fém, erős redukálószerként képes működni.

Az alumínium mint egyszerű anyag: fizikai tulajdonságok

Ha az alumíniumról mint egyszerű anyagról beszélünk, akkor ez egy ezüstös-fehér fényes fém. Levegőben gyorsan oxidálódik, és sűrű oxidfilm borítja. Ugyanez történik, ha koncentrált savaknak van kitéve.

Egy ilyen tulajdonság jelenléte az ebből a fémből készült termékeket korrózióállóvá teszi, ami természetesen nagyon kényelmes az emberek számára. Ez az oka annak, hogy az alumíniumot olyan széles körben használják az építőiparban. Azért is érdekesek, mert ez a fém nagyon könnyű, mégis tartós és puha. Az ilyen jellemzők kombinációja nem minden anyag esetében érhető el.

Az alumíniumra számos alapvető fizikai tulajdonság jellemző.

1. Magas fokú alakíthatóság és hajlékonyság. Ebből a fémből könnyű, erős és nagyon vékony fóliát készítenek, és drótba is tekerik.
2. Olvadáspont - 660 0 C.
3. Forráspont - 2450 0 C.
4. Sűrűség - 2,7 g/cm3.
5. A kristályrács térfogati felületközpontú, fém.
6. Csatlakozás típusa - fém.

Az alumínium fizikai és kémiai tulajdonságai meghatározzák felhasználási és felhasználási területeit. Ha hétköznapi szempontokról beszélünk, akkor nagy szerepe van a fentebb már tárgyalt jellemzőknek. Könnyű, tartós és korróziógátló fémként az alumíniumot repülőgép- és hajógyártásban használják. Ezért ezeket a tulajdonságokat nagyon fontos tudni.

Az alumínium kémiai tulajdonságai

Kémiai szempontból a szóban forgó fém erős redukálószer, amely magas kémiai aktivitást képes felmutatni, miközben tiszta anyag. A legfontosabb dolog az oxidfilm eltávolítása. Ebben az esetben az aktivitás meredeken növekszik.

Az alumínium, mint egyszerű anyag kémiai tulajdonságait a következőkkel való reakcióképessége határozza meg:

• savak;
• lúgok;
• halogének;
• kén.

Normál körülmények között nem lép kölcsönhatásba a vízzel. Ebben az esetben a halogének közül melegítés nélkül csak jóddal reagál. Más reakciók hőmérsékletet igényelnek.

Példák hozhatók az alumínium kémiai tulajdonságainak szemléltetésére. A következőkkel való kölcsönhatás egyenletei:

• savak- AL + HCL = AlCL 3 + H 2;
• lúgok- 2Al + 6H 2O + 2NaOH = Na + 3H 2;
• halogének- AL + Hal = ALHal 3;
• szürke- 2AL + 3S = AL 2 S 3.

Általánosságban elmondható, hogy a szóban forgó anyag legfontosabb tulajdonsága az, hogy nagy mértékben képes visszaállítani más elemeket vegyületeikből.

Regeneráló képesség

Az alumínium redukáló tulajdonságai jól láthatóak más fémek oxidjaival való kölcsönhatásban. Könnyen kivonja őket az anyag összetételéből, és lehetővé teszi, hogy egyszerű formában létezzenek. Például: Cr 2 O 3 + AL = AL 2 O 3 + Cr.

A kohászatban egy egész módszer létezik hasonló reakciókon alapuló anyagok előállítására. Ezt aluminotermiának hívják. Ezért a vegyiparban ezt az elemet kifejezetten más fémek előállítására használják.

Elterjedés a természetben

Az egyéb fémelemek elterjedtségét tekintve az alumínium áll az első helyen. 8,8%-ban tartalmazza a földkéreg. Ha összehasonlítjuk a nemfémekkel, akkor a helye a harmadik lesz az oxigén és a szilícium után.

Magas kémiai aktivitása miatt nem tiszta formában, hanem csak különféle vegyületek részeként található meg. Például sok alumíniumot tartalmazó érc, ásvány és kőzet ismert. Azonban csak bauxitból vonják ki, amelynek a természetben a tartalma nem túl magas.

A szóban forgó fémet tartalmazó leggyakoribb anyagok:

• földpátok;
• bauxit;
• gránit;
• szilícium-dioxid;
• alumínium-szilikátok;
• bazaltok és mások.

Kis mennyiségben az alumínium szükségszerűen megtalálható az élő szervezetek sejtjeiben. Egyes mohák és tengeri élőlények élete során képesek felhalmozni ezt az elemet a testükben.

Nyugta

Az alumínium fizikai és kémiai tulajdonságai csak egyetlen módon teszik lehetővé az alumínium előállítását: a megfelelő oxid olvadékának elektrolízisével. Ez a folyamat azonban technológiailag összetett. Az AL 2 O 3 olvadáspontja meghaladja a 2000 0 C-ot. Emiatt közvetlenül nem vethető alá elektrolízisnek. Ezért járjon el az alábbiak szerint.

A termék kitermelése 99,7%. Lehetőség van azonban még tisztább fém beszerzésére, amelyet műszaki célokra használnak fel.

Alkalmazás

Az alumínium mechanikai tulajdonságai nem olyan jók, hogy tiszta formájában fel lehessen használni. Ezért leggyakrabban ezen az anyagon alapuló ötvözeteket használnak. Sok ilyen van, meg lehet nevezni a legalapvetőbbeket.

1. Dúralumínium.
2. Alumínium-mangán.
3. Alumínium-magnézium.
4. Alumínium-réz.
5. Sziluminok.
6. Avial.

Fő különbségük természetesen a harmadik féltől származó adalékanyagok. Mindegyik alumínium alapú. Más fémek tartósabbá, korrózióállóbbá, kopásállóbbá és könnyen feldolgozhatóbbá teszik az anyagot.

Az alumíniumnak több fő felhasználási területe van, mind tiszta formában, mind vegyületei (ötvözetei) formájában.

A vassal és ötvözeteivel együtt az alumínium a legfontosabb fém. A periódusos rendszer e két képviselője találta a legszélesebb körű ipari alkalmazást emberi kézben.

Az alumínium-hidroxid tulajdonságai

A hidroxid a leggyakoribb vegyület, amelyet alumínium képez. Kémiai tulajdonságai megegyeznek a fémével – amfoter. Ez azt jelenti, hogy kettős természetű, savakkal és lúgokkal egyaránt reagál.

Maga az alumínium-hidroxid fehér kocsonyás csapadék. Könnyen előállítható alumíniumsó lúggal vagy savakkal való reagáltatásával, ez a hidroxid a szokásos megfelelő sót és vizet eredményezi. Ha a reakció lúggal megy végbe, akkor alumínium hidroxokomplexei képződnek, amelyek koordinációs száma 4. Példa: Na - nátrium-tetrahidroxoaluminát.

1. Nem lép kölcsönhatásba a H2-vel.

2. Hogyan reagál egy aktív fém szinte minden nemfémmel melegítés nélkül, ha az oxidfilmet eltávolítjuk.

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

2Al + 3Cl 2 → 2AlCl 3

Al + P → AlP

3. H2O-val reagál:

Az alumínium reaktív fém, nagy affinitással az oxigénhez. Levegőben oxid védőfóliával borítja. Ha a film megsemmisül, az alumínium aktívan kölcsönhatásba lép a vízzel.

2Al + 6H 2O = 2Al(OH)3 + 3H2

4. Híg savakkal:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H 2

2Al + 3H 2SO 4 → Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2

Tömény HNO 3-mal és H 2 SO 4-gyel normál körülmények között nem, hanem csak melegítés hatására reagál.

5. Lúgokkal:

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

Az alumínium lúgok vizes oldataival komplexeket képez:

2Al + 2NaOH + 10 H2O = 2Na + - + 3H 2

vagy Na,

Na3, Na2– hidroxoaluminátok. A termék a lúgkoncentrációtól függ.

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

Az Al 2 O 3 (timföld) a természetben korund ásványi formában fordul elő (keménysége közel áll a gyémánthoz). A drágakövek, a rubin és a zafír szintén Al 2 O 3, vas és króm szennyeződésekkel színezve

Alumínium-oxid– amfoter. Ha lúgokkal olvasztják össze, a meta-alumíniumsav HAlO 2 sói keletkeznek. Például:

A savakkal is kölcsönhatásba lép

Fehér zselatinos üledék alumínium-hidroxid savakban oldódik

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

és lúgos oldatok feleslegében amfoteritást mutat

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

Lúgokkal összeolvasztva az alumínium-hidroxid meta-alumínium vagy orto-alumínium savak sóit képezi

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

Az alumíniumsók erősen hidrolizáltak. Az alumíniumsók és a gyenge savak bázikus sókká alakulnak vagy teljes hidrolízisen mennek keresztül:

AlCl 3 + HOH ↔ AlOHCl 2 + HCl

Al +3 + HOH ↔ AlOH +2 + H + A pH>7 az I. szakaszban fordul elő, de melegítve a II.

AlOHCl 2 + HOH ↔ Al(OH) 2 Cl + HCl

AlOH +2 + HOH ↔ Al(OH) 2 + + H +

Forrás közben a III. szakasz is előfordulhat

Al(OH) 2 Cl + HOH ↔ Al(OH) 3 + HCl

Al(OH) 2 + + HOH ↔ Al(OH) 3 + H +

Az alumíniumsók jól oldódnak.

Az AlCl 3 - alumínium-klorid katalizátor az olajfinomításban és különféle szerves szintézisekben.

Az Al 2 (SO 4) 3 × 18H 2 O - alumínium-szulfátot a víz tisztítására használják a hidrolízis és a keménység csökkentése során képződött Al (OH) 3 által felfogott kolloid részecskéktől.

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

A bőriparban morzsolódó pamutszövetek marójaként szolgál - KAl(SO 4) 2 × 12H 2 O - kálium-alumínium-szulfát (káliumtimsó).

Az alumínium fő felhasználási területe az arra épülő ötvözetek előállítása. A duralumínium alumínium, réz, magnézium és mangán ötvözete.

Szilumin – alumínium és szilícium.

Fő előnyük az alacsony sűrűség és a megfelelő légköri korrózióállóság. A mesterséges földi műholdak és űrhajók teste alumíniumötvözetből készül.

Az alumíniumot redukálószerként használják a fémolvasztásban (aluminotermia)

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

Fémtermékek termithegesztésére is használják (alumínium és vas-oxid Fe 3 O 4 keveréke), amelyet termitnek neveznek, és körülbelül 3000 ° C hőmérsékletet biztosít.

Ez a könnyű, ezüstös-fehér árnyalatú fém szinte mindenhol megtalálható a modern életben. Az alumínium fizikai és kémiai tulajdonságai lehetővé teszik, hogy széles körben alkalmazzák az iparban. A leghíresebb lelőhelyek Afrikában, Dél-Amerikában és a Karib-térségben találhatók. Oroszországban a bauxit bányászati ​​helyek az Urálban találhatók. Az alumíniumgyártás világelső Kína, Oroszország, Kanada és az USA.

Al bányászat

A természetben ez az ezüstös fém magas kémiai aktivitása miatt csak vegyületek formájában található meg. A legismertebb alumíniumtartalmú geológiai kőzetek a bauxit, az alumínium-oxid, a korund és a földpát. A bauxit és az alumínium-oxid ipari jelentőségű, ezeknek az érceknek a lelőhelyei teszik lehetővé az alumínium tiszta formájában történő kitermelését.

Tulajdonságok

Az alumínium fizikai tulajdonságai megkönnyítik ebből a fémből készült nyersdarabok huzalba húzását és vékony lapokká tekercselését. Ez a fém nem tartós, ennek a mutatónak az olvasztás során történő növelésére különféle adalékokkal ötvözik: réz, szilícium, magnézium, mangán, cink. Ipari célokra fontos az alumínium egy másik fizikai tulajdonsága - a levegőben történő gyors oxidáció képessége. Az alumíniumtermékek felületét természetes körülmények között általában vékony oxidfilm borítja, amely hatékonyan védi a fémet és megakadályozza annak korrózióját. Amikor ez a film megsemmisül, az ezüstfém gyorsan oxidálódik, és hőmérséklete észrevehetően megemelkedik.

Alumínium belső szerkezete

Az alumínium fizikai és kémiai tulajdonságai nagymértékben függnek a belső szerkezetétől. Ennek az elemnek a kristályrácsa egy arcközpontú kocka.

Ez a fajta rács számos fémben megtalálható, például rézben, brómban, ezüstben, aranyban, kobaltban és másokban. A magas hővezető képesség és az elektromos áram vezetésének képessége tette ezt a fémet az egyik legnépszerűbb a világon. Az alumínium fennmaradó fizikai tulajdonságai, amelyek táblázatát az alábbiakban mutatjuk be, teljes mértékben feltárják tulajdonságait és bemutatják alkalmazási körüket.

Alumíniumötvözet

A réz és az alumínium fizikai tulajdonságai olyanok, hogy ha bizonyos mennyiségű rezet adunk egy alumíniumötvözethez, annak kristályrácsa eltorzul, és magának az ötvözetnek a szilárdsága megnő. A könnyű ötvözetek ötvözése az Al azon tulajdonságán alapul, hogy növeli szilárdságukat és ellenálló képességüket az agresszív környezettel szemben.

A keményedési folyamat magyarázata az alumínium kristályrácsban lévő rézatomok viselkedésében rejlik. A rézrészecskék hajlamosak kiesni az Al-kristályrácsból, és annak speciális területein csoportosulnak.

Ahol a rézatomok klasztereket alkotnak, ott CuAl 2 vegyes típusú kristályrács képződik, amelyben az ezüst fémrészecskék egyszerre szerepelnek az általános alumínium kristályrácsban és a CuAl 2 vegyes típusú rácsban is A belső kötések erői egy torz rácsban sokkal nagyobbak, mint a szokásosnál. Ez azt jelenti, hogy az újonnan képződött anyag ereje sokkal nagyobb.

Kémiai tulajdonságok

Az alumínium kölcsönhatása híg kénsavval és sósavval ismert. Melegítéskor ez a fém könnyen feloldódik bennük. Hideg tömény vagy erősen híg salétromsav nem oldja fel ezt az elemet. A lúgok vizes oldatai aktívan befolyásolják az anyagot, a reakció során aluminátokat - alumíniumionokat tartalmazó sókat - képeznek. Például:

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

A kapott vegyületet nátrium-tetrahidroxoaluminátnak nevezik.

Az alumíniumtermékek felületén vékony filmréteg védi ezt a fémet nemcsak a levegőtől, hanem a víztől is. Ha ezt a vékony gátat eltávolítják, az elem heves kölcsönhatásba lép a vízzel, és hidrogént szabadít fel belőle.

2AL+6H2O=2AL(OH)3+3H2

A kapott anyagot alumínium-hidroxidnak nevezik.

Az AL (OH) 3 reakcióba lép lúggal, hidroxoaluminát kristályokat képezve:

Al(OH)2+NaOH=2Na

Ha ezt a kémiai egyenletet hozzáadjuk az előzőhöz, akkor megkapjuk az elem lúgos oldatban való feloldásának képletét.

Al(OH)3+2NaOH+6H2O=2Na+3H2

Alumínium égés

Az alumínium fizikai tulajdonságai lehetővé teszik, hogy oxigénnel reagáljon. Ha ennek a fémnek vagy alumíniumfóliának a porát hevítik, fellángol, és fehér, vakító lánggal ég. A reakció végén alumínium-oxid Al 2 O 3 képződik.

Alumínium-oxid

A kapott alumínium-oxid geológiai neve alumínium-oxid. Természetes körülmények között korund - kemény átlátszó kristályok - formájában fordul elő. A korund rendkívül kemény, keménysége 9. Maga a korund színtelen, de a különféle szennyeződések vörösre és kékre színezhetik, így az ékszerekben rubinként és zafírként ismert drágakövek keletkeznek.

Az alumínium-oxid fizikai tulajdonságai lehetővé teszik ezeknek a drágaköveknek a termesztését mesterséges körülmények között. Az ipari drágaköveket nem csak ékszerek készítésére használják, hanem precíziós műszerkészítésben, óragyártásban és más dolgokban is. A mesterséges rubinkristályokat lézeres eszközökben is széles körben használják.

A nagyszámú szennyeződést tartalmazó, speciális felületre felvitt finomszemcsés korund fajtát mindenki csiszolóként ismeri. Az alumínium-oxid fizikai tulajdonságai magyarázzák a korund magas koptató tulajdonságait, valamint keménységét és súrlódási ellenállását.

Alumínium-hidroxid

Az Al 2(OH) 3 egy tipikus amfoter hidroxid. Ez az anyag savval kombinálva pozitív töltésű alumíniumionokat tartalmazó sót képez, lúgokban aluminátokat képez. Egy anyag amfoter jellege abban nyilvánul meg, hogy savként és lúgként is viselkedhet. Ez a vegyület zselé és szilárd formában is létezhet.

Vízben gyakorlatilag nem oldódik, de reagál a legtöbb aktív savval és lúggal. Az alumínium-hidroxid fizikai tulajdonságait a gyógyászatban használják, népszerű és biztonságos eszköz a szervezet savasságának csökkentésére, gyomorhurut, nyombélgyulladás és fekélyek kezelésére használják. Az iparban adszorbensként alkalmazzák az Al 2 (OH) 3-at, amely tökéletesen tisztítja a vizet és kicsapja a benne oldott káros elemeket.

Ipari felhasználás

Az alumíniumot 1825-ben fedezték fel. Eleinte ezt a fémet magasabbra értékelték, mint az aranyat és az ezüstöt. Ezt azzal magyarázták, hogy nehéz kivonni az ércből. Az alumínium fizikai tulajdonságai és az a képessége, hogy gyorsan védőfóliát képez a felületén, megnehezítette ennek az elemnek a tanulmányozását. Csak a 19. század végén fedeztek fel egy kényelmes módszert egy tiszta elem olvasztására, amely alkalmas ipari méretű felhasználásra.

A könnyűség és a korrózióálló képesség az alumínium egyedülálló fizikai tulajdonságai. Ennek az ezüstös fémnek az ötvözeteit rakéta-, autó-, hajó-, repülőgép- és műszergyártásban, valamint evőeszközök és étkészletek gyártásában használják.

Tiszta fémként az Al-t vegyi berendezések alkatrészeinek, elektromos vezetékek és kondenzátorok gyártásához használják. Az alumínium fizikai tulajdonságai olyanok, hogy elektromos vezetőképessége nem olyan nagy, mint a rézé, de ezt a hátrányt kompenzálja a szóban forgó fém könnyűsége, ami lehetővé teszi az alumíniumhuzalok vastagabbá tételét. Tehát azonos elektromos vezetőképesség mellett az alumíniumhuzal feleannyit nyom, mint a rézhuzal.

Nem kevésbé fontos az Al felhasználása az alumíniumozási eljárásban. Így nevezik azt a reakciót, amikor az öntöttvas vagy acéltermék felületét alumíniummal telítik, hogy megvédjék az alapfémet a korróziótól hevítés közben.

Jelenleg az alumíniumércek ismert készletei meglehetősen hasonlítanak az embereknek erre az ezüstös fémre vonatkozó igényeihez. Az alumínium fizikai tulajdonságai még mindig sok meglepetést okozhatnak kutatói számára, és ennek a fémnek a felhasználási területe sokkal szélesebb, mint azt gondolnánk.

Az alumínium név a latinból származik. alumen – tehát Kr.e. 500-ban. e. alumínium timsónak nevezett, amelyet maróanyagként használtak szövetek festésére és bőr cserzésére. A dán tudós, H. K. Oersted 1825-ben, kálium-amalgámmal vízmentes AlCl 3-ra hatva, majd a higanyt ledesztillálta, viszonylag tiszta alumíniumot kapott. Az első ipari módszert alumínium előállítására A. E. Saint-Clair Deville francia kémikus javasolta 1854-ben: a módszer az alumínium és a nátrium Na 3 AlCl 6 kettős kloridjának fémes nátriummal történő redukálásából állt. Az ezüsthöz hasonló színű alumínium kezdetben nagyon drága volt. 1855 és 1890 között mindössze 200 tonna alumíniumot gyártottak. Az alumínium kriolit-alumínium-oxid olvadék elektrolízisével történő előállításának modern módszerét 1886-ban egyidejűleg és egymástól függetlenül fejlesztette ki C. Hall az USA-ban és P. Heroux Franciaországban.

Az alumínium elterjedése a természetben. A természetben való bőség tekintetében az alumínium az oxigén és a szilícium után a 3., a fémek között pedig az 1. helyen áll. Tartalma a földkéregben 8,80 tömeg%. Az alumínium kémiai aktivitása miatt nem fordul elő szabad formában. Több száz alumínium ásvány ismert, főként az alumínium-szilikátok. A bauxit, az alunit és a nefelin ipari jelentőségűek. A nefelin kőzetek timföldben szegényebbek, mint a bauxit, de komplex felhasználásuk során fontos melléktermékek keletkeznek: szóda, hamuzsír, kénsav. A Szovjetunióban kidolgoztak egy módszert a nefelinek integrált használatára. A Szovjetunióban a nefelinércek a bauxittal ellentétben nagyon nagy lerakódásokat képeznek, és gyakorlatilag korlátlan lehetőségeket teremtenek az alumíniumipar fejlesztésére.

Az alumínium fizikai tulajdonságai. Az alumínium egy nagyon értékes tulajdonságkészletet egyesít: alacsony sűrűség, magas hő- és elektromos vezetőképesség, nagy alakíthatóság és jó korrózióállóság. Könnyen kovácsolható, bélyegezhető, hengerelhető, húzható. Az alumínium jól hegeszthető gáz-, kontakt- és más típusú hegesztéssel. Az alumíniumrács köbös felületű, a paraméter a = 4,0413 Å. Az alumínium tulajdonságai tehát, mint minden fém, a tisztaságától függenek. A nagy tisztaságú alumínium (99,996%) tulajdonságai: sűrűség (20 °C-on) 2698,9 kg/m 3; tpl 660,24 °C; forráspontja körülbelül 2500 °C; hőtágulási együttható (20°-ról 100°C-ra) 23,86·10 -6 ; hővezető képesség (190°C-on) 343 W/m·K, fajlagos hőkapacitás (100°С-on) 931,98 J/kg·K. ; elektromos vezetőképesség rézre vonatkoztatva (20 °C-on) 65,5%. Az alumínium szilárdsága alacsony (szakítószilárdság 50-60 Mn/m2), keménysége (Brinell szerint 170 Mn/m2) és nagy a rugalmassága (akár 50%). A hideghengerlés során az alumínium szakítószilárdsága 115 MN/m2-re, keménysége - 270 MN/m2-re, a relatív nyúlás 5%-ra csökken (1 MN/m2 ~ és 0,1 kgf/mm2). Az alumínium erősen polírozott, eloxált, és az ezüsthöz közeli nagy fényvisszaverő képességgel rendelkezik (a beeső fényenergia akár 90%-át is visszaveri). Az oxigénnel szembeni nagy affinitású alumíniumot a levegőben vékony, de nagyon erős Al 2 O 3 oxid film borítja, amely megvédi a fémet a további oxidációtól, és meghatározza annak magas korróziógátló tulajdonságait. Az oxidfilm szilárdsága és védőhatása nagymértékben csökken higany, nátrium, magnézium, réz stb. szennyeződések jelenlétében. Az alumínium ellenáll a légköri korróziónak, a tengervíznek és az édesvíznek, gyakorlatilag nem lép kölcsönhatásba tömény vagy erősen hígított salétromsavval savak, szerves savak, élelmiszeripari termékek.

Az alumínium kémiai tulajdonságai. Az alumíniumatom külső elektronhéja 3 elektronból áll, szerkezete 3s 2 3p 1. Normál körülmények között a vegyületekben lévő alumínium 3 vegyértékű, de magas hőmérsékleten egyértékű is lehet, úgynevezett alvegyületeket képezve. Alumínium szubhalogenidek, AlF és AlCl, csak gázhalmazállapotban, vákuumban vagy inert atmoszférában stabilak, amikor a hőmérséklet csökken, lebomlanak (aránytalanul) tiszta Al-ra és AlF 3 -ra vagy AlCl 3 -ra, és ezért ultratiszta alumínium előállítására használhatók. . Hevítéskor a finomra őrölt vagy porított alumínium erőteljesen ég a levegőben. Az alumínium oxigénáramban történő elégetésével 3000 °C feletti hőmérséklet érhető el. Az alumínium azon tulajdonságát, hogy aktívan kölcsönhatásba lép az oxigénnel, a fémek oxidjaikból való visszaállítására szolgál (aluminotermia). Sötétvörös hő hatására a fluor energikusan kölcsönhatásba lép az alumíniummal, AlF 3 -ot képezve. A klór és a folyékony bróm szobahőmérsékleten reagál az alumíniummal, a jóddal - melegítéskor. Magas hőmérsékleten az alumínium nitrogénnel, szénnel és kénnel egyesül, így AlN-nitrid, Al 4 C 3 karbid és Al 2 S 3 szulfid keletkezik. Az alumínium nem lép kölcsönhatásba hidrogénnel; Alumínium-hidridet (AlH 3) X közvetve kaptuk. Nagy érdeklődésre tartanak számot az alumínium kettős hidridjei és a MeH n · n AlH 3 összetételű periodikus rendszer I és II csoportjának elemei, az úgynevezett alumínium-hidridek. Az alumínium könnyen oldódik lúgokban, hidrogént szabadít fel és aluminátokat képez. A legtöbb alumíniumsó jól oldódik vízben. Az alumíniumsók oldatai a hidrolízis következtében savas reakciót mutatnak.

Alumínium gyártása. Az iparban az alumíniumot NasAlF 6 olvadt kriolitban körülbelül 950 °C hőmérsékleten feloldott alumínium-oxid Al 2 O 3 elektrolízisével állítják elő. Három fő kialakítású elektrolizátort használnak: 1) folyamatos önsütő anódokkal és oldalsó áramellátással rendelkező elektrolizátorok. , 2) ugyanaz, de felső áramellátással és 3) elektrolizátorok sült anódokkal. Az elektrolitfürdő vasburkolat, belül hő- és elektromos szigetelő anyaggal - tűzálló téglával bélelve, valamint szénlapokkal és -tömbökkel bélelve. A munkatérfogatot 6-8% alumínium-oxidból és 94-92% kriolitból álló olvadt elektrolittal töltik fel (általában AlF 3 és körülbelül 5-6% kálium- és magnézium-fluorid keverék hozzáadásával). A katód a fürdő alja, az anód az elektrolitba mártott égetett széntömbök vagy a töltött önsütő elektródák. Amikor az áram áthalad, olvadt alumínium szabadul fel a katódon, amely felhalmozódik a kandallón, és az anódon - oxigén, amely CO-t és CO 2 -t képez a szénanóddal. Az alumínium-oxid, a fő fogyóanyag, magas követelményeket támaszt a tisztaság és a részecskeméret tekintetében. Az alumíniumnál elektropozitívabb elemek oxidjainak jelenléte az alumínium szennyeződéséhez vezet. Elegendő timföldtartalom mellett a fürdő normálisan működik 4-4,5 V nagyságrendű elektromos feszültséggel. A fürdők sorba vannak kötve egy egyenáramú forráshoz (150-160 fürdő sorba). A modern elektrolizátorok akár 150 kA áramerősséggel működnek. Az alumíniumot általában vákuumkanál segítségével távolítják el a fürdőkből. A 99,7%-os tisztaságú olvadt alumíniumot formákba öntik. A nagy tisztaságú alumíniumot (99,9965%) a primer alumínium elektrolitikus finomításával állítják elő az úgynevezett háromrétegű módszerrel, amely csökkenti a Fe, Si és Cu szennyeződések tartalmát. Az alumínium szerves elektrolitok felhasználásával végzett elektrolitikus finomítási folyamatának tanulmányozása megmutatta annak alapvető lehetőségét, hogy viszonylag alacsony energiafogyasztás mellett 99,999%-os tisztaságú alumíniumot nyerjünk, de ez a módszer eddig alacsony termelékenységgel rendelkezik. Az alumínium mélytisztítására zóna olvasztást vagy szubfluoridon keresztüli desztillációt használnak.

Az alumínium elektrolitikus gyártása során áramütés, magas hőmérséklet és káros gázok keletkezhetnek. A balesetek elkerülése érdekében a fürdőkádak megbízhatóan szigeteltek, a dolgozók száraz filccsizmát és megfelelő védőruházatot viselnek. Az egészséges légkört hatékony szellőztetés biztosítja. A fémalumínium és oxidja porának állandó belélegzése esetén tüdőaluminózis léphet fel. Az alumíniumgyártással foglalkozó dolgozóknak gyakran vannak felső légúti hurutjai (rhinitis, pharyngitis, laryngitis). A fémalumínium, oxidja és ötvözetei porának megengedett legnagyobb koncentrációja a levegőben 2 mg/m 3.

Alumínium alkalmazása. Az alumínium fizikai, mechanikai és kémiai tulajdonságainak kombinációja meghatározza széles körű alkalmazását a technológia szinte minden területén, különösen más fémekkel alkotott ötvözetek formájában. Az elektrotechnikában az alumínium sikeresen helyettesíti a rezet, különösen a masszív vezetők gyártásában, például felsővezetékekben, nagyfeszültségű kábelekben, kapcsolóberendezési buszokban, transzformátorokban (az alumínium elektromos vezetőképessége eléri a réz elektromos vezetőképességének 65,5%-át, ill. több mint háromszor könnyebb a réznél; azonos vezetőképességű keresztmetszet mellett az alumíniumhuzalok tömege fele a réz tömegének). Az ultratiszta alumíniumot elektromos kondenzátorok és egyenirányítók gyártásához használják, amelyek működése az alumínium-oxid film azon képességén alapul, hogy az elektromos áramot csak egy irányba vezeti át. A zóna olvasztással tisztított ultratiszta alumíniumot A III B V típusú félvezető vegyületek szintézisére használják, amelyeket félvezető eszközök gyártásához használnak. A tiszta alumíniumot különféle típusú tükörreflektorok gyártásához használják. A nagy tisztaságú alumíniumot a fémfelületek légköri korrózió elleni védelmére használják (burkolat, alumíniumfesték). Viszonylag alacsony neutronabszorpciós keresztmetszetével az alumíniumot atomreaktorok szerkezeti anyagaként használják.

A nagy kapacitású alumínium tartályok folyékony gázokat (metán, oxigén, hidrogén stb.), salétrom- és ecetsavakat, tiszta vizet, hidrogén-peroxidot és étkezési olajokat tárolnak és szállítanak. Az alumíniumot széles körben használják élelmiszeripari berendezésekben és készülékekben, élelmiszerek csomagolására (fólia formájában), valamint különféle háztartási cikkek gyártására. Az épületek, építészeti, közlekedési és sportépítmények befejezéséhez használt alumínium felhasználása meredeken nőtt.

A kohászatban az alumínium (a rajta alapuló ötvözetek mellett) az egyik legelterjedtebb ötvöző adalék a réz-, magnézium-, titán-, nikkel-, cink- és vasalapú ötvözetekben. Az alumíniumot az acél dezoxidálására is használják a formába öntés előtt, valamint bizonyos fémek alumíniumtermikus eljárással történő előállítási folyamataiban. Alumínium alapú porkohászattal hozták létre az SAP-t (szinterezett alumíniumpor), amely 300 °C feletti hőmérsékleten nagy hőállósággal rendelkezik.

Az alumíniumot robbanóanyagok (ammonál, alumotol) gyártásához használják. Különféle alumíniumvegyületeket széles körben alkalmaznak.

Az alumínium termelése és felhasználása folyamatosan növekszik, jelentősen meghaladva az acél-, réz-, ólom- és cinktermelés növekedési ütemét.

Az alumínium geokémiája. Az alumínium geokémiai jellemzőit az oxigénnel szembeni nagy affinitása (ásványokban az alumínium az oxigénoktaéderekben és a tetraéderekben), az állandó vegyérték (3) és a legtöbb természetes vegyület alacsony oldhatósága határozza meg. Az endogén folyamatokban a magma megszilárdulása és a magmás kőzetek képződése során az alumínium belép a földpátok, csillámok és más ásványok - alumínium-szilikátok - kristályrácsába. A bioszférában az alumínium gyenge vándorló, élőlényekben és a hidroszférában ritkán fordul elő. Nedves éghajlaton, ahol a bőséges növényzet lebomló maradványai sok szerves savat képeznek, az alumínium szerves ásványi kolloid vegyületek formájában vándorol a talajban és a vizekben; Az alumíniumot kolloidok adszorbeálják, és a talajok alsó részében rakódnak le. Az alumínium és a szilícium közötti kötés részben megszakad és a trópusokon helyenként ásványok képződnek - alumínium-hidroxidok - böhmit, diaszpórák, hidrargillit. Az alumínium nagy része az alumínium-szilikátok - kaolinit, beidellit és más agyagásványok - része. A gyenge mobilitás határozza meg az alumínium maradék felhalmozódását a nedves trópusok mállási kérgében. Ennek eredményeként eluviális bauxit képződik. A múlt geológiai korszakaiban a bauxit a tavakban és a tengerek part menti övezeteiben is felhalmozódott a trópusi régiókban (például Kazahsztán üledékes bauxitjai). A sztyeppéken és sivatagokban, ahol kevés az élőanyag, a vizek semlegesek és lúgosak, az alumínium szinte nem vándorol. Az alumínium vándorlása a vulkáni területeken a legerősebb, ahol erősen savas folyók és alumíniumban gazdag talajvíz figyelhető meg. Azokon a helyeken, ahol a savas vizek lúgos vízzel keverednek - tengervizek (a folyók torkolatánál és mások), az alumínium bauxitlerakódások képződésével rakódik le.

Alumínium a testben. Az alumínium az állatok és növények szöveteinek része; emlősök szerveiben 10-3-10-5% alumíniumot találtak (nyers alapon). Az alumínium a májban, a hasnyálmirigyben és a pajzsmirigyben halmozódik fel. Növényi termékekben az alumíniumtartalom 4 mg/1 kg szárazanyag (burgonya) és 46 mg (sárga fehérrépa), állati eredetű termékekben - 4 mg (méz) és 72 mg/1 kg szárazanyag között ( marhahús). A napi emberi étrendben az alumíniumtartalom eléri a 35-40 mg-ot. Az alumínium koncentrátoraiként ismert szervezetek, például a mohák (Lycopodiaceae), amelyek hamujában legfeljebb 5,3% alumíniumot tartalmaznak, és a puhatestűek (Helix és Lithorina), amelyek hamuban 0,2-0,8% alumíniumot tartalmaznak. A foszfátokkal oldhatatlan vegyületeket képezve az alumínium megzavarja a növények (a foszfátok felszívódása a gyökerekben) és az állatok táplálkozását (a foszfátok felszívódása a belekben).

Sok alumínium van a földkéregben: 8,6 tömeg%. Az összes fém között az első, az egyéb elemek között pedig a harmadik helyen áll (az oxigén és a szilícium után). Kétszer annyi alumínium van benne, mint vas, és 350-szer több, mint a rézben, cinkben, krómban, ónban és ólomban együttvéve! Ahogy több mint 100 éve írta klasszikus tankönyvében A kémia alapjai D. I. Mengyelejev az összes fém közül „az alumínium a legelterjedtebb a természetben; Elég csak rámutatni, hogy az agyag része, hogy egyértelművé tegyük az alumínium univerzális eloszlását a földkéregben. Az alumíniumot vagy timsófémet (alumen) agyagnak is nevezik, mert megtalálható az agyagban.”

Az alumínium legfontosabb ásványa a bauxit, az AlO(OH) bázikus oxid és az Al(OH) 3 hidroxid keveréke. A legnagyobb bauxitlelőhelyek Ausztráliában, Brazíliában, Guineában és Jamaicában találhatók; ipari termelést más országokban is folytatnak. Az alunit (timsókő) (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH) 3 és a nefelin (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 szintén gazdag alumíniumban. Összesen több mint 250 ásványi anyag ismert, amelyek alumíniumot tartalmaznak; többségük alumínium-szilikát, amelyből főként a földkéreg keletkezik. Időjárásuk során agyag képződik, melynek alapja a kaolinit Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O ásványi anyag. A vasszennyeződések általában barnára színezik az agyagot, de van fehér agyag – kaolin is, amiből készülnek. porcelán és cserép termékek.

Alkalmanként kivételesen kemény (a gyémánt után a második helyen áll) ásványi korund - Al 2 O 3 kristályos oxid, amelyet gyakran különböző színű szennyeződések színeznek. Kék fajtáját (titán és vas keveréke) zafírnak, a vöröset (króm keveréke) rubinnak nevezik. Különféle szennyeződések is színezhetik az úgynevezett nemeskorund zöldet, sárgát, narancsot, lilát és más színeket és árnyalatokat.

Egészen a közelmúltig azt hitték, hogy az alumínium, mint rendkívül aktív fém, szabad állapotban nem fordulhat elő a természetben, de 1978-ban a szibériai platform kőzeteiben felfedezték az őshonos alumíniumot - csak fonalszerű kristályok formájában. 0,5 mm hosszú (több mikrométer menetvastagsággal). A natív alumíniumot a Válság és Bőség tengerének régióiból a Földre hozott holdtalajban is felfedezték. Úgy gondolják, hogy alumínium fém képződhet gáz kondenzációjával. Ismeretes, hogy ha alumínium-halogenideket - kloridot, bromidot, fluoridot - hevítenek, nagyobb-kevésbé könnyen elpárologhatnak (például az AlCl 3 már 180 °C-on szublimál). A hőmérséklet erős emelkedésével az alumínium-halogenidek lebomlanak, és alacsonyabb fém vegyértékű állapotba alakulnak át, például AlCl. Amikor egy ilyen vegyület a hőmérséklet csökkenésével és oxigén hiányával kondenzálódik, a szilárd fázisban aránytalanítási reakció megy végbe: az alumíniumatomok egy része oxidálódik és a szokásos háromértékű állapotba kerül, néhány pedig redukálódik. A többértékű alumínium csak fémmé redukálható: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . Ezt a feltevést támasztja alá a natív alumíniumkristályok fonalszerű alakja is. Az ilyen szerkezetű kristályok jellemzően a gázfázisból történő gyors növekedés miatt jönnek létre. Valószínű, hogy a Hold talajában található mikroszkopikus alumíniumrögök hasonló módon keletkeztek.

Az alumínium elnevezés a latin alumen (aluminis nemzetség) szóból származik. Ez volt a neve a timsó, kettős kálium-alumínium-szulfát KAl(SO 4) 2 · 12H 2 O), amelyet maróanyagként használtak szövetek festésére. A latin név valószínűleg a görög „halme” szóra nyúlik vissza – sóoldat, sóoldat. Érdekes, hogy Angliában az alumínium alumínium, az USA-ban pedig alumínium.

Sok népszerű kémiakönyvben szerepel egy legenda, miszerint egy bizonyos feltaláló, akinek nevét a történelem nem őrzi meg, egy ezüst színű fémből készült tálat hozott a Rómát i.sz. 14–27-ben uralkodó Tiberius császárnak, de öngyújtó. Ez az ajándék a mester életébe került: Tiberius elrendelte a kivégzését és a műhely lerombolását, mert attól tartott, hogy az új fém leértékelheti a császári kincstárban lévő ezüst értékét.

Ez a legenda Idősebb Plinius, római író és tudós, író történetén alapul Természettudomány– az ókor természettudományi ismereteinek enciklopédiája. Plinius szerint az új fémet "agyagos földből" nyerték. De az agyag alumíniumot tartalmaz.

A modern szerzők szinte mindig azzal a fenntartással élnek, hogy ez az egész történet nem más, mint egy gyönyörű mese. És ez nem meglepő: a kőzetekben lévő alumínium rendkívül szorosan kötődik az oxigénhez, és sok energiát kell költeni annak felszabadítására. A közelmúltban azonban új adatok jelentek meg a fémalumínium előállításának alapvető lehetőségeiről az ókorban. Amint a spektrális elemzés kimutatta, a 3. század elején meghalt Zhou-Zhu kínai parancsnok sírjának díszítései. AD, 85% alumíniumból álló ötvözetből készülnek. A régiek kaphattak ingyen alumíniumot? Minden ismert módszer (elektrolízis, redukció fémes nátriummal vagy káliummal) automatikusan megszűnik. Megtalálható volt az ősi időkben őshonos alumínium, mint például arany-, ezüst- és rézrögök? Ez is kizárt: az őshonos alumínium egy ritka ásvány, amely jelentéktelen mennyiségben fordul elő, így az ősi mesteremberek nem tudták megtalálni és összegyűjteni az ilyen rögöket a szükséges mennyiségben.

Plinius történetének azonban más magyarázata is lehetséges. Az alumínium nem csak elektromos áram és alkálifémek segítségével nyerhető ki az ércekből. Létezik egy ősidők óta széles körben alkalmazott redukálószer - a szén, melynek segítségével sok fém oxidja hevítéskor szabad fémekké redukálódik. Az 1970-es évek végén német vegyészek úgy döntöttek, hogy megvizsgálják, hogy az ókorban elő lehetett-e állítani alumíniumot szénnel való redukcióval. Egy agyagtégelyben vörös hőre hevítették az agyag keverékét szénporral és konyhasóval vagy hamuzsírral (kálium-karbonáttal). A sót tengervízből, a hamut pedig a növényi hamuból nyerték, hogy csak azokat az anyagokat és módszereket alkalmazzák, amelyek az ókorban rendelkezésre álltak. Egy idő után alumíniumgolyós salak úszott a tégely felületére! A fémhozam kicsi volt, de lehetséges, hogy az ókori kohászok így juthattak hozzá a „XX. század féméhez”.

Az alumínium tulajdonságai.

A tiszta alumínium színe az ezüstre emlékeztet, nagyon könnyű fém: sűrűsége mindössze 2,7 g/cm 3 . Az alumíniumnál könnyebb fémek az alkáli- és alkáliföldfémek (a bárium kivételével), a berillium és a magnézium. Az alumínium is könnyen olvad - 600 °C-on (a vékony alumíniumhuzal normál konyhai égőn is megolvasztható), de csak 2452 °C-on forr. Az elektromos vezetőképesség tekintetében az alumínium a 4. helyen áll, csak az ezüst után. első helyen áll), réz és arany, amelyek az alumínium olcsósága miatt nagy gyakorlati jelentőséggel bírnak. A fémek hővezető képessége ugyanabban a sorrendben változik. Az alumínium nagy hővezető képességét könnyű ellenőrizni, ha egy alumínium kanalat forró teába mártunk. És még egy figyelemre méltó tulajdonsága ennek a fémnek: sima, fényes felülete tökéletesen visszaveri a fényt: 80-93% a spektrum látható tartományában, a hullámhossztól függően. Az ultraibolya tartományban az alumíniumnak nincs párja ebben a tekintetben, és csak a vörös régióban van valamivel rosszabb, mint az ezüst (az ultraibolya tartományban az ezüstnek nagyon alacsony a visszaverődése).

A tiszta alumínium meglehetősen puha fém - majdnem háromszor lágyabb, mint a réz, így még a viszonylag vastag alumíniumlemezek és rudak is könnyen hajlíthatók, de amikor az alumínium ötvözeteket képez (nagyon sok van), a keménysége tízszeresére nőhet.

Az alumínium jellemző oxidációs állapota +3, de a töltetlen 3 jelenléte miatt R- és 3 d-pályák, az alumínium atomok további donor-akceptor kötéseket hozhatnak létre. Ezért a kis sugarú Al 3+ ion nagyon hajlamos a komplexképződésre, sokféle kationos és anionos komplexet képez: AlCl 4 –, AlF 6 3–, 3+, Al(OH) 4 –, Al(OH) 6 3–, AlH 4 – és még sokan mások. Szerves vegyületekkel alkotott komplexek is ismertek.

Az alumínium kémiai aktivitása nagyon magas; az elektródpotenciálok sorában közvetlenül a magnézium mögött áll. Első pillantásra furcsának tűnhet egy ilyen kijelentés: végül is egy alumínium serpenyő vagy kanál meglehetősen stabil a levegőben, és nem esik össze a forrásban lévő vízben. Az alumínium a vassal ellentétben nem rozsdásodik. Kiderült, hogy levegővel érintkezve a fémet színtelen, vékony, de tartós oxid „páncél” borítja, amely megvédi a fémet az oxidációtól. Ha tehát 0,5-1 mm vastag alumíniumhuzalt vagy lemezt viszünk be az égő lángjába, a fém megolvad, de az alumínium nem folyik, mert az oxidja zacskójában marad. Ha az alumíniumot megfosztja a védőfóliától, vagy fellazítja (például higanysó-oldatba merítve), az alumínium azonnal felfedi valódi lényegét: már szobahőmérsékleten erőteljes reakcióba lép a vízzel, és hidrogént szabadít fel. : 2Al + 6H 2O® 2Al(OH)3 + 3H2. Levegőben a védőfóliától megfosztott alumínium laza oxidporrá alakul a szemünk láttára: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 . Az alumínium különösen aktív finomra zúzott állapotban; Lángba fújva az alumíniumpor azonnal megég. Ha egy kerámialapon alumíniumport keverünk nátrium-peroxiddal és vizet csepegtetünk a keverékre, akkor az alumínium is fellángol és fehér lánggal ég.

Az alumínium nagyon nagy affinitása az oxigénhez lehetővé teszi, hogy „elvonja” az oxigént számos más fém oxidjaitól, redukálva azokat (aluminoterm módszer). A leghíresebb példa a termitkeverék, amely elégetve annyi hőt szabadít fel, hogy a keletkező vas megolvad: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Ezt a reakciót 1856-ban N. N. Beketov fedezte fel. Ily módon a Fe 2 O 3, CoO, NiO, MoO 3, V 2 O 5, SnO 2, CuO és számos más oxid fémekké redukálható. Cr 2 O 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, B 2 O 3 alumíniummal történő redukálásakor a reakcióhő nem elegendő ahhoz, hogy a reakciótermékeket olvadáspontjuk fölé melegítse.

Az alumínium könnyen oldódik híg ásványi savakban, és sókat képez. A tömény salétromsav, amely oxidálja az alumínium felületét, elősegíti az oxidfilm megvastagodását és megerősödését (az úgynevezett fém passzivációját). Az így kezelt alumínium még a sósavval sem lép reakcióba. Elektrokémiai anódos oxidációval (anodizálással) az alumínium felületén vastag filmet lehet létrehozni, amely könnyen festhető különböző színekre.

A kevésbé aktív fémek alumínium általi kiszorítását a sók oldatából gyakran akadályozza egy védőfólia az alumínium felületén. Ezt a filmet a réz-klorid gyorsan tönkreteszi, így könnyen megy végbe a 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu reakció, ami erős melegítéssel jár együtt. Erős lúgos oldatokban az alumínium könnyen oldódik hidrogén felszabadulásával: 2Al + 6NaOH + 6H 2 O ® 2Na 3 + 3H 2 (más anionos hidroxo-komplexek is képződnek). Az alumíniumvegyületek amfoter jellege abban is megmutatkozik, hogy frissen kicsapott oxidja és hidroxidja könnyen oldódik lúgokban. A kristályos oxid (korund) nagyon ellenáll a savaknak és lúgoknak. Lúgokkal összeolvasztva vízmentes aluminátok képződnek: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. A magnézium-aluminát Mg(AlO 2) 2 egy féldrágakő spinellkő, általában szennyeződésekkel színezve sokféle színben. .

Az alumínium reakciója a halogénekkel gyorsan megy végbe. Ha vékony alumíniumhuzalt vezetünk be egy kémcsőbe 1 ml brómmal, akkor az alumínium rövid idő múlva meggyullad és erős lánggal ég. Az alumínium-jódpor keverékének reakcióját egy csepp víz indítja be (a víz jóddal savat képez, amely tönkreteszi az oxidfilmet), majd élénk láng jelenik meg ibolyaszínű jódgőz felhőkkel. Az alumínium-halogenidek vizes oldataiban a hidrolízis következtében savas reakcióba lépnek: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Az alumínium reakciója nitrogénnel csak 800 ° C felett megy végbe nitrid AlN képződésével, kénnel - 200 ° C-on (szulfid Al 2 S 3 képződik), foszforral - 500 ° C-on (foszfid AlP képződik). Amikor bórt adnak az olvadt alumíniumhoz, AlB 2 és AlB 12 összetételű boridok képződnek - savakkal szemben ellenálló tűzálló vegyületek. Hidrid (AlH) x (x = 1,2) csak vákuumban, alacsony hőmérsékleten képződik az atomos hidrogén és az alumíniumgőz reakciójában. Az AlH 3 hidridet, amely szobahőmérsékleten nedvesség hiányában stabil, vízmentes éter oldatában kapjuk: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. LiH felesleggel sószerű lítium-alumínium-hidrid, LiAlH 4 képződik - egy nagyon erős redukálószer, amelyet szerves szintézisekben használnak. Vízzel azonnal lebomlik: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al(OH) 3 + 4H 2.

Alumínium gyártása.

Az alumínium dokumentált felfedezésére 1825-ben került sor. Ezt a fémet először Hans Christian Oersted dán fizikus szerezte meg, amikor kálium-amalgám vízmentes alumínium-kloridon (amelyet klór alumínium-oxid és szén forró keverékén való átvezetésével nyert) izolálta. ). A higany lepárlása után Oersted alumíniumot nyert, bár az szennyeződésekkel szennyezett volt. 1827-ben Friedrich Wöhler német kémikus hexafluor-aluminátot káliummal redukálva por alakú alumíniumot kapott:

Na 3 AlF 6 + 3K ® Al + 3NaF + 3KF. Később sikerült alumíniumot nyernie fényes fémgolyók formájában. 1854-ben Henri Etienne Saint-Clair Deville francia kémikus kifejlesztette az első ipari módszert az alumínium előállítására - a tetraklór-aluminát olvadékának nátriummal történő redukálásával: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Az alumínium azonban továbbra is rendkívül ritka és drága fém volt; nem volt sokkal olcsóbb az aranynál és 1500-szor drágább a vasnál (ma már csak háromszor). Az 1850-es években aranyból, alumíniumból és drágakövekből csörgőt készítettek III. Napóleon francia császár fiának. Amikor 1855-ben a párizsi világkiállításon kiállítottak egy új módszerrel előállított nagy alumíniumöntvényt, úgy tekintettek rá, mint egy ékszerre. Az Egyesült Államok fővárosában található Washington-emlékmű felső része (piramis formájában) értékes alumíniumból készült. Abban az időben az alumínium nem volt sokkal olcsóbb, mint az ezüst: az USA-ban például 1856-ban fontonként 12 dollárért (454 g) adták, az ezüstöt 15 dollárért. A híres 1. kötetben Az 1890-ben megjelent Brockhaus Encyclopedic Dictionary című könyvében Efron azt mondta, hogy „az alumíniumot még mindig elsősorban… luxuscikkek gyártására használják”. Ekkorra már csak 2,5 tonna fémet bányásztak évente szerte a világon. Csak a 19. század vége felé, amikor kidolgozták az alumínium előállításának elektrolitikus módszerét, éves termelése kezdett több ezer tonnára rúgni, és a XX. – millió tonna. Ez az alumíniumot féldrágafémből széles körben elérhető fémmé alakította át.

Az alumínium előállításának modern módszerét 1886-ban fedezte fel egy fiatal amerikai kutató, Charles Martin Hall. Már gyerekkorában érdeklődött a kémia iránt. Miután megtalálta apja régi kémiatankönyvét, szorgalmasan tanulmányozni kezdte, kísérletezni kezdett, egyszer még az anyjától is szidást kapott, mert megrongálta a vacsoraterítőt. 10 évvel később pedig olyan kiemelkedő felfedezést tett, amely világszerte híressé tette.

Hall 16 éves diákként hallotta tanárától, F. F. Jewetttől, hogy ha valaki olcsó módszert tudna kifejleszteni az alumínium előállítására, az nemcsak nagy szolgálatot tenne az emberiségnek, hanem hatalmas vagyonra is szert tehetne. Jewett tudta, mit mond: korábban Németországban képezte magát, dolgozott Wöhlerrel, és megbeszélte vele az alumíniumgyártás problémáit. Jewett egy mintát is hozott magával a ritka fémből Amerikába, amit megmutatott tanítványainak. Hall hirtelen nyilvánosan kijelentette: „Megveszem ezt a fémet!”

Hat év kemény munka folytatódott. Hall különböző módszerekkel próbált alumíniumot előállítani, de sikertelenül. Végül ezt a fémet elektrolízissel próbálta kinyerni. Akkoriban még nem voltak erőművek, az áramot nagy, házilag készített akkumulátorokkal kellett előállítani szénből, cinkből, salétromsavból és kénsavból. Hall egy istállóban dolgozott, ahol egy kis laboratóriumot alakított ki. Húga, Julia segített neki, akit nagyon érdekeltek bátyja kísérletei. Megőrizte az összes levelét és munkanaplóját, amelyek lehetővé teszik a felfedezés történetének napról napra való nyomon követését. Íme egy részlet az emlékirataiból:

„Charles mindig jó hangulatban volt, és még a legrosszabb napokon is tudott nevetni a szerencsétlen feltalálók sorsán. A kudarcok idején a régi zongoránknál talált vigaszt. Otthoni laboratóriumában hosszú órákon át dolgozott szünet nélkül; és amikor egy időre elhagyhatta a berendezést, átrohant a hosszú házunkon, hogy játsszon egy kicsit... Tudtam, hogy ilyen bájjal és érzéssel játszik, állandóan a munkájára gondol. És a zene segített neki ebben.”

A legnehezebb dolog az elektrolit kiválasztása és az alumínium oxidáció elleni védelme volt. Hat hónap kimerítő vajúdás után végre több apró ezüstgolyó is megjelent a tégelyben. Hall azonnal szaladt volt tanárához, hogy elmondja neki a sikerét. „Professzor úr, értem!” – kiáltott fel, és kinyújtotta a kezét: a tenyerében tucatnyi kis alumíniumgolyó hevert. Ez 1886. február 23-án történt. Pontosan két hónappal később, ugyanezen év április 23-án pedig a francia Paul Héroux szabadalmat kötött egy hasonló találmányra, amelyet önállóan és szinte egyszerre készített (két másik egybeesés is szembetűnő: Hall és Héroux is 1863-ban született és 1914-ben halt meg).

Jelenleg a Hall által gyártott első alumíniumgolyókat a pittsburghi American Aluminium Company őrzi nemzeti ereklyeként, a főiskolán pedig Hall alumíniumból öntött emlékműve áll. Jewett ezt követően ezt írta: „A legfontosabb felfedezésem az ember felfedezése volt. Charles M. Hall volt az, aki 21 évesen felfedezte az alumínium ércből való redukálásának módszerét, és ezzel az alumíniumot azzá a csodálatos fémmé tette, amelyet ma már világszerte széles körben használnak. Jewett jóslata valóra vált: Hall széles körű elismerést kapott, és számos tudományos társaság tiszteletbeli tagja lett. Magánélete azonban sikertelen volt: a menyasszony nem akart beletörődni azzal a ténnyel, hogy vőlegénye minden idejét a laboratóriumban tölti, és felmondta az eljegyzést. Hall szülőföldjén talált vigaszt, ahol élete végéig dolgozott. Ahogy Charles testvére írta: „A főiskola volt a felesége, a gyerekei és minden más – az egész élete.” Hall örökségének nagy részét – 5 millió dollárt – a főiskolára hagyta. Hall 51 éves korában leukémiában halt meg.

Hall módszere lehetővé tette viszonylag olcsó alumínium nagyüzemi előállítását villamos energia felhasználásával. Ha 1855-től 1890-ig csak 200 tonna alumíniumot sikerült előállítani, akkor a következő évtizedben Hall módszerével már 28 000 tonnát szereztek ebből a fémből világszerte! 1930-ra a globális éves alumíniumtermelés elérte a 300 ezer tonnát. Jelenleg több mint 15 millió tonna alumíniumot gyártanak évente. Speciális fürdőkben 960–970 ° C hőmérsékleten alumínium-oxid (technikai Al 2 O 3) olvadt kriolit Na 3 AlF 6 oldatát vetik alá, amelyet részben ásványi formában bányásznak, és részben speciálisan szintetizálnak. az elektrolízishez. A fürdő (katód) alján folyékony alumínium halmozódik fel, a szénanódokon oxigén szabadul fel, amelyek fokozatosan égnek. Alacsony feszültségen (körülbelül 4,5 V) az elektrolizátorok hatalmas áramot fogyasztanak - akár 250 000 A-t! Egy elektrolizátor körülbelül egy tonna alumíniumot termel naponta. A termeléshez sok áramra van szükség: 1 tonna fém előállításához 15 000 kilowattóra áramra van szükség. Ekkora áramot fogyaszt el egy nagy, 150 lakásos épület egy teljes hónapig. Az alumínium előállítása környezetveszélyes, mivel a légköri levegő illékony fluorvegyületekkel szennyezett.

Alumínium alkalmazása.

Még D. I. Mengyelejev is azt írta, hogy „a fémalumínium nagy könnyűsége és szilárdsága, valamint a levegőben kis változékonysága nagyon alkalmas egyes termékekhez”. Az alumínium az egyik legelterjedtebb és legolcsóbb fém. A modern életet nehéz elképzelni nélküle. Nem csoda, hogy az alumíniumot a 20. század fémének nevezik. Jól alkalmas feldolgozásra: kovácsolás, bélyegzés, hengerlés, húzás, préselés. A tiszta alumínium meglehetősen puha fém; Elektromos vezetékek, szerkezeti részek, élelmiszerfólia, konyhai eszközök és „ezüst” festék készítésére használják. Ezt a gyönyörű és könnyű fémet széles körben használják az építőiparban és a repüléstechnikában. Az alumínium nagyon jól visszaveri a fényt. Ezért tükrök készítésére használják a fém vákuumban történő leválasztásának módszerével.

A repülőgép- és gépgyártásban, az épületszerkezetek gyártásában sokkal keményebb alumíniumötvözeteket használnak. Az egyik leghíresebb az alumínium réz és magnézium ötvözete (duralumínium, vagy egyszerűen csak „duralumínium”; a név a németországi Duren városból származik). Kikeményedés után ez az ötvözet különleges keménységet kap, és körülbelül 7-szer erősebbé válik, mint a tiszta alumínium. Ugyanakkor majdnem háromszor könnyebb, mint a vas. Alumínium ötvözésével nyerik kis mennyiségű réz, magnézium, mangán, szilícium és vas hozzáadásával. A sziluminokat széles körben használják - alumínium és szilícium ötvözetei. Nagy szilárdságú, kriogén (fagyálló) és hőálló ötvözetek is készülnek. A védő- és dekorációs bevonatok könnyen felvihetők az alumíniumötvözetekből készült termékekre. Az alumíniumötvözetek könnyűsége és szilárdsága különösen hasznos a repüléstechnikában. Például a helikopterek rotorjai alumínium, magnézium és szilícium ötvözetből készülnek. A viszonylag olcsó alumíniumbronz (11% Al-ig) magas mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, tengervízben és még híg sósavban is stabil. 1926 és 1957 között a Szovjetunióban 1, 2, 3 és 5 kopejkas címletű érméket vertek alumíniumbronzból.

Jelenleg az összes alumínium negyedét építőipari célokra használják fel, ugyanennyit fogyaszt a közlekedéstechnika, hozzávetőlegesen 17%-át csomagolóanyagokra, dobozokra, 10%-át elektrotechnikára fordítják.

Sok gyúlékony és robbanásveszélyes keverék alumíniumot is tartalmaz. Az Alumotol, trinitrotoluol és alumíniumpor öntött keveréke, az egyik legerősebb ipari robbanóanyag. Az Ammonal ammónium-nitrátból, trinitrotoluolból és alumíniumporból álló robbanóanyag. A gyújtókészítmények alumíniumot és oxidálószert - nitrátot, perklorátot - tartalmaznak. A Zvezdochka pirotechnikai kompozíciók porított alumíniumot is tartalmaznak.

Alumíniumpor és fémoxidok (termit) keverékét bizonyos fémek és ötvözetek előállítására, sínek hegesztésére és gyújtólőszerekre használják.

Az alumínium rakéta-üzemanyagként is gyakorlati felhasználásra talált. 1 kg alumínium teljes elégetéséhez csaknem négyszer kevesebb oxigénre van szükség, mint 1 kg kerozinhoz. Ráadásul az alumíniumot nem csak a szabad oxigén, hanem a kötött oxigén is képes oxidálni, amely a víz vagy a szén-dioxid része. Amikor az alumínium vízben „ég”, 1 kg termékenként 8800 kJ szabadul fel; ez 1,8-szor kevesebb, mint a fém tiszta oxigénben történő elégetésekor, de 1,3-szor több, mint levegőben történő égéskor. Ez azt jelenti, hogy veszélyes és drága vegyületek helyett egyszerű víz használható oxidálószerként az ilyen tüzelőanyaghoz. Az alumínium üzemanyagként való felhasználásának ötletét még 1924-ben F.A. Tsander hazai tudós és feltaláló vetette fel. Tervei szerint lehetőség nyílik egy űrhajó alumínium elemeinek felhasználására kiegészítő üzemanyagként. Ez a merész projekt a gyakorlatban még nem valósult meg, de a legtöbb jelenleg ismert szilárd rakéta-üzemanyag finom por formájában tartalmaz fémes alumíniumot. 15% alumínium hozzáadása az üzemanyaghoz ezer fokkal (2200-ról 3200 K-ra) növelheti az égéstermékek hőmérsékletét; Az égéstermékek áramlási sebessége a motor fúvókájából szintén észrevehetően növekszik - ez a fő energiamutató, amely meghatározza a rakéta-üzemanyag hatékonyságát. Ebben a tekintetben csak a lítium, a berillium és a magnézium versenyezhet az alumíniummal, de mindegyik sokkal drágább, mint az alumínium.

Az alumíniumvegyületeket is széles körben használják. Az alumínium-oxid tűzálló és koptató (smirgli) anyag, kerámiagyártás alapanyaga. Lézeres anyagok, óracsapágyak és ékszerkövek (mesterséges rubinok) készítésére is használják. A kalcinált alumínium-oxid adszorbens gázok és folyadékok tisztítására, valamint számos szerves reakció katalizátora. A vízmentes alumínium-klorid a szerves szintézis (Friedel-Crafts reakció) katalizátora, a nagy tisztaságú alumínium előállításának kiindulási anyaga. Az alumínium-szulfátot víztisztításra használják; reagál a benne lévő kalcium-hidrogén-karbonáttal:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O oxid-hidroxid pelyheket képez, amelyek leülepedve megfogják és a felszínen is megkötik a benne lévőket. lebegő szennyeződéseket, sőt mikroorganizmusokat is a vízben. Ezenkívül az alumínium-szulfátot maróanyagként használják szövetek festéséhez, bőr cserzéséhez, faanyag konzerválásához és papír méretezéséhez. A kalcium-aluminát a cementkötésű anyagok, köztük a portlandcement alkotórésze. Az ittrium-alumínium gránát (YAG) YAlO 3 lézeres anyag. Az alumínium-nitrid az elektromos kemencék tűzálló anyaga. A szintetikus zeolitok (az alumínium-szilikátok közé tartoznak) adszorbensek a kromatográfiában és katalizátorok. A szerves alumíniumvegyületek (például trietil-alumínium) a Ziegler-Natta katalizátorok összetevői, amelyeket polimerek, köztük kiváló minőségű szintetikus gumi szintézisére használnak.

Ilja Leenson

Irodalom:

Tikhonov V.N. Az alumínium analitikai kémiája. M., „Tudomány”, 1971
A kémiai elemek népszerű könyvtára. M., „Tudomány”, 1983
Craig N.C. Charles Martin Hall és fémje. J. Chem.Educ. 1986, vol. 63, 7. sz
Kumar V., Milewski L. Charles Martin Hall és a nagy alumíniumforradalom. J. Chem.Educ., 1987, vol. 64, 8. sz