Metalele sunt unul dintre cele mai convenabile materiale de prelucrat. Au și propriii lor lideri. De exemplu, proprietățile de bază ale aluminiului sunt cunoscute oamenilor de mult timp. Sunt atât de potrivite pentru utilizarea de zi cu zi încât acest metal a devenit foarte popular. Ce sunt atât o substanță simplă, cât și un atom, vom lua în considerare în acest articol.

Istoria descoperirii aluminiului

De mult timp, omul cunoaște compusul metalului în cauză - a fost folosit ca mijloc care putea umfla și lega componentele amestecului; acest lucru a fost necesar și la fabricarea produselor din piele. Existența oxidului de aluminiu în formă pură a devenit cunoscută în secolul al XVIII-lea, în a doua jumătate a acestuia. Cu toate acestea, nu a fost primit.

Omul de știință H. K. Ørsted a fost primul care a izolat metalul de clorura sa. El a fost cel care a tratat sarea cu amalgam de potasiu și a izolat pulbere cenușie din amestec, care era aluminiu în formă pură.

Apoi a devenit clar că proprietățile chimice ale aluminiului se manifestă prin activitatea sa ridicată și capacitatea de reducere puternică. Prin urmare, nimeni altcineva nu a lucrat cu el mult timp.

Cu toate acestea, în 1854, francezul Deville a reușit să obțină lingouri de metal prin electroliza topiturii. Această metodă este valabilă și astăzi. În special producția de masă de material valoros a început în secolul al XX-lea, când au fost rezolvate problemele generării de cantități mari de energie electrică în întreprinderi.

Astăzi, acest metal este unul dintre cele mai populare și utilizate în construcții și în industria casnică.

Caracteristicile generale ale atomului de aluminiu

Dacă caracterizăm elementul în cauză prin poziția sa în tabelul periodic, atunci se pot distinge mai multe puncte.

1. Număr de serie - 13.
2. Situat în a treia perioadă mică, a treia grupă, subgrupa principală.
3. Masa atomică - 26,98.
4. Numărul de electroni de valență este 3.
5. Configurația stratului exterior este exprimată prin formula 3s 2 3p 1.
6. Numele elementului este aluminiu.
7. puternic exprimat.
8. Nu are izotopi în natură; există doar într-o singură formă, cu un număr de masă de 27.
9. Simbolul chimic este AL, citit ca „aluminiu” în formule.
10. Starea de oxidare este una, egală cu +3.

Proprietățile chimice ale aluminiului sunt pe deplin confirmate de structura electronică a atomului său, deoarece având o rază atomică mare și afinitate electronică scăzută, este capabil să acționeze ca un agent reducător puternic, ca toate metalele active.

Aluminiul ca substanță simplă: proprietăți fizice

Dacă vorbim despre aluminiu ca o substanță simplă, atunci este un metal strălucitor alb-argintiu. În aer se oxidează rapid și se acoperă cu o peliculă densă de oxid. Același lucru se întâmplă atunci când sunt expuse la acizi concentrați.

Prezența unei astfel de caracteristici face ca produsele din acest metal să fie rezistente la coroziune, ceea ce, în mod natural, este foarte convenabil pentru oameni. De aceea, aluminiul este atât de utilizat pe scară largă în construcții. De asemenea, sunt interesante pentru că acest metal este foarte ușor, dar durabil și moale. Combinația de astfel de caracteristici nu este disponibilă pentru fiecare substanță.

Există mai multe proprietăți fizice de bază care sunt caracteristice aluminiului.

1. Grad ridicat de maleabilitate și ductilitate. Din acest metal este fabricată o folie ușoară, puternică și foarte subțire și, de asemenea, este rulată în sârmă.
2. Punct de topire - 660 0 C.
3. Punct de fierbere - 2450 0 C.
4. Densitate - 2,7 g/cm3.
5. Rețeaua cristalină este volumetrică centrată pe față, metal.
6. Tip de conexiune - metal.

Proprietățile fizice și chimice ale aluminiului determină domeniile de aplicare și utilizare a acestuia. Dacă vorbim despre aspecte de zi cu zi, atunci caracteristicile pe care le-am discutat deja mai sus joacă un rol important. Fiind un metal ușor, durabil și anticoroziv, aluminiul este utilizat în avioane și construcții navale. Prin urmare, aceste proprietăți sunt foarte importante de cunoscut.

Proprietățile chimice ale aluminiului

Din punct de vedere chimic, metalul în cauză este un agent reducător puternic care este capabil să prezinte o activitate chimică ridicată în timp ce este o substanță pură. Principalul lucru este să îndepărtați pelicula de oxid. În acest caz, activitatea crește brusc.

Proprietățile chimice ale aluminiului ca substanță simplă sunt determinate de capacitatea sa de a reacționa cu:

• acizi;
• alcalii;
• halogeni;
• sulf.

Nu interacționează cu apa în condiții normale. În acest caz, al halogenilor, fără încălzire, reacţionează doar cu iod. Alte reacții necesită temperatură.

Pot fi date exemple pentru a ilustra proprietățile chimice ale aluminiului. Ecuații ale reacțiilor de interacțiune cu:

• acizi- AL + HCL = ACI3 + H2;
• alcalii- 2Al + 6H20 + 2NaOH = Na + 3H2;
• halogeni- AL + Hal = ALHal 3 ;
• gri- 2AL + 3S = AL 2 S 3.

În general, cea mai importantă proprietate a substanței în cauză este capacitatea sa ridicată de a restabili alte elemente din compușii lor.

Capacitate regenerativă

Proprietățile reducătoare ale aluminiului sunt clar vizibile în reacțiile de interacțiune cu oxizii altor metale. Le extrage cu ușurință din compoziția substanței și le permite să existe într-o formă simplă. De exemplu: Cr 2 O 3 + AL = AL 2 O 3 + Cr.

În metalurgie, există o întreagă metodă de producere a substanțelor bazate pe reacții similare. Se numește aluminotermie. Prin urmare, în industria chimică acest element este utilizat în mod specific pentru producerea altor metale.

Distribuția în natură

În ceea ce privește prevalența printre alte elemente metalice, aluminiul se află pe primul loc. Este conținut în scoarța terestră 8,8%. Dacă îl comparăm cu nemetale, atunci locul lui va fi al treilea, după oxigen și siliciu.

Datorită activității sale chimice ridicate, nu se găsește sub formă pură, ci doar ca parte a diferiților compuși. De exemplu, există multe minereuri, minerale și roci cunoscute care conțin aluminiu. Cu toate acestea, este extras doar din bauxită, al cărei conținut în natură nu este foarte mare.

Cele mai comune substanțe care conțin metalul în cauză:

• feldspați;
• bauxită;
• granite;
• silice;
• aluminosilicați;
• bazalt si altele.

În cantități mici, aluminiul se găsește în mod necesar în celulele organismelor vii. Unele specii de mușchi și locuitori marini sunt capabile să acumuleze acest element în corpul lor de-a lungul vieții.

Chitanță

Proprietățile fizice și chimice ale aluminiului fac posibilă obținerea acestuia doar într-un singur mod: prin electroliza unei topituri a oxidului corespunzător. Cu toate acestea, acest proces este complex din punct de vedere tehnologic. Punctul de topire al AL 2 O 3 depăşeşte 2000 0 C. Din această cauză, nu poate fi supus electrolizei direct. Prin urmare, procedați după cum urmează.

Randamentul produsului este de 99,7%. Cu toate acestea, este posibil să se obțină metal și mai pur, care este folosit în scopuri tehnice.

Aplicație

Proprietățile mecanice ale aluminiului nu sunt atât de bune încât să poată fi utilizat în forma sa pură. Prin urmare, aliajele pe bază de această substanță sunt cele mai des folosite. Există multe dintre acestea, le puteți numi pe cele mai de bază.

1. Duraluminiu.
2. Aluminiu-mangan.
3. Aluminiu-magneziu.
4. Aluminiu-cupru.
5. Silumini.
6. Avial.

Principala lor diferență este, în mod natural, aditivii de la terți. Toate sunt pe bază de aluminiu. Alte metale fac materialul mai durabil, mai rezistent la coroziune, mai rezistent la uzură și mai ușor de prelucrat.

Există mai multe domenii principale de aplicare a aluminiului, atât sub formă pură, cât și sub formă de compuși (aliaje) ai acestuia.

Împreună cu fierul și aliajele sale, aluminiul este cel mai important metal. Acești doi reprezentanți ai tabelului periodic au găsit cea mai extinsă aplicație industrială în mâinile omului.

Proprietățile hidroxidului de aluminiu

Hidroxidul este cel mai comun compus pe care îl formează aluminiul. Proprietățile sale chimice sunt aceleași cu cele ale metalului în sine - este amfoter. Aceasta înseamnă că este capabil să prezinte o natură dublă, reacționând atât cu acizii, cât și cu alcalii.

Hidroxidul de aluminiu în sine este un precipitat gelatinos alb. Se obține ușor prin reacția unei sări de aluminiu cu un alcali sau prin reacția cu acizi, acest hidroxid dă sarea și apa corespunzătoare obișnuite. Dacă reacția are loc cu un alcalin, se formează hidroxocomplecși de aluminiu, în care numărul său de coordonare este 4. Exemplu: Na - tetrahidroxoaluminat de sodiu.

1. Nu interactioneaza cu H2.

2. Cum reacționează un metal activ cu aproape toate nemetalele fără încălzire dacă filmul de oxid este îndepărtat.

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

2Al + 3Cl2 → 2AlCl3

Al + P → AlP

3. Reacţionează cu H2O:

Aluminiul este un metal reactiv cu o mare afinitate pentru oxigen. În aer se acoperă cu o peliculă protectoare de oxid. Dacă filmul este distrus, aluminiul interacționează activ cu apa.

2Al + 6H20 = 2Al(OH)3 + 3H2

4. Cu acizi diluați:

2Al + 6HCI → 2AlCI3 + 3H2

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

Nu reacționează cu HNO3 și H2SO4 concentrat în condiții normale, ci numai când este încălzit.

5. Cu alcalii:

2Al + 2NaOH 2NaAlO2 + 3H2

Aluminiul formează complexe cu soluții apoase de alcalii:

2Al + 2NaOH + 10 H2O = 2Na + - + 3H2

sau Na,

Na3, Na2– hidroxoaluminați. Produsul depinde de concentrația alcaline.

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

Al 2 O 3 (alumina) se găsește în natură sub formă de corindon mineral (apropiat de diamant ca duritate). Pietrele prețioase rubin și safir sunt, de asemenea, Al 2 O 3, colorate cu impurități de fier și crom

Oxid de aluminiu– amfoter. Când se topește cu alcalii, se obțin săruri ale acidului meta-aluminiu HAlO2. De exemplu:

Reacționează și cu acizii

Sediment alb gelatinos hidroxid de aluminiu se dizolvă în acizi

Al(OH)3 + 3HCI = AlCl3 + 3H2O,

iar în exces față de soluțiile alcaline, prezintă amfoteritate

Al(OH)3 + NaOH + 2H20 = Na

Când este fuzionat cu alcalii, hidroxidul de aluminiu formează săruri ale acizilor meta-aluminiu sau orto-aluminiu

Al(OH)3Al2O3 + H2O

Sărurile de aluminiu sunt puternic hidrolizate. Sărurile de aluminiu și acizii slabi sunt transformate în săruri bazice sau sunt supuse hidrolizei complete:

AlCl 3 + HOH ↔ AlOHCl 2 + HCl

Al +3 + HOH ↔ AlOH +2 + H + pH>7 apare în stadiul I, dar atunci când este încălzit poate apărea și în stadiul II.

AlOHCl 2 + HOH ↔ Al(OH) 2 Cl + HCl

AlOH +2 + HOH ↔ Al(OH) 2 + + H +

În timpul fierberii poate apărea și stadiul III

Al(OH) 2 Cl + HOH ↔ Al(OH) 3 + HCl

Al(OH) 2 + + HOH ↔ Al(OH) 3 + H +

Sărurile de aluminiu sunt foarte solubile.

AlCl 3 - clorură de aluminiu este un catalizator în rafinarea petrolului și diverse sinteze organice.

Al 2 (SO 4) 3 × 18H 2 O - sulfatul de aluminiu este utilizat pentru purificarea apei din particulele coloidale captate de Al (OH) 3 formate în timpul hidrolizei și reducerii durității

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

În industria pielăriei, servește ca mordant pentru sfărâmarea țesăturilor de bumbac - KAl(SO 4) 2 × 12H 2 O - sulfat de potasiu aluminiu (alum de potasiu).

Principala utilizare a aluminiului este producerea de aliaje pe baza acestuia. Duraluminul este un aliaj de aluminiu, cupru, magneziu și mangan.

Silumin – aluminiu și silicon.

Principalul lor avantaj este densitatea scăzută și rezistența satisfăcătoare la coroziunea atmosferică. Carcasa sateliților artificiali Pământului și navelor spațiale sunt realizate din aliaje de aluminiu.

Aluminiul este folosit ca agent reducător în topirea metalelor (aluminotermie)

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

Folosit și pentru sudarea cu termită a produselor metalice (un amestec de aluminiu și oxid de fier Fe 3 O 4) numită termită dă o temperatură de aproximativ 3000 ° C.

Acest metal ușor, cu o tentă alb-argintiu, se găsește aproape peste tot în viața modernă. Proprietățile fizice și chimice ale aluminiului îi permit să fie utilizat pe scară largă în industrie. Cele mai cunoscute zăcăminte sunt în Africa, America de Sud și Caraibe. În Rusia, siturile de minerit de bauxită sunt situate în Urali. Liderii mondiali în producția de aluminiu sunt China, Rusia, Canada și SUA.

Al minerit

În natură, acest metal argintiu, datorită activității sale chimice ridicate, se găsește doar sub formă de compuși. Cele mai cunoscute roci geologice care conțin aluminiu sunt bauxita, alumina, corindonul și feldspatul. Bauxita și alumina sunt de importanță industrială; zăcămintele acestor minereuri fac posibilă extragerea aluminiului în formă pură.

Proprietăți

Proprietățile fizice ale aluminiului fac ușor să trageți semifabricate din acest metal în sârmă și să le rulați în foi subțiri. Acest metal nu este durabil; pentru a crește acest indicator în timpul topirii, este aliat cu diverși aditivi: cupru, siliciu, magneziu, mangan, zinc. În scopuri industriale, o altă proprietate fizică a aluminiului este importantă - capacitatea sa de a se oxida rapid în aer. Suprafața unui produs din aluminiu în condiții naturale este de obicei acoperită cu o peliculă subțire de oxid, care protejează eficient metalul și previne coroziunea acestuia. Când această peliculă este distrusă, metalul argintiu se oxidează rapid, iar temperatura acestuia crește considerabil.

Structura interioara din aluminiu

Proprietățile fizice și chimice ale aluminiului depind în mare măsură de structura sa internă. Rețeaua cristalină a acestui element este un tip de cub centrat pe față.

Acest tip de zăbrele este inerent multor metale, cum ar fi cuprul, bromul, argintul, aurul, cobaltul și altele. Conductivitatea termică ridicată și capacitatea de a conduce electricitatea au făcut din acest metal unul dintre cele mai populare din lume. Proprietățile fizice rămase ale aluminiului, al căror tabel este prezentat mai jos, dezvăluie pe deplin proprietățile sale și arată domeniul de aplicare a acestora.

Aliaj de aluminiu

Proprietățile fizice ale cuprului și aluminiului sunt de așa natură încât, atunci când o anumită cantitate de cupru este adăugată unui aliaj de aluminiu, rețeaua sa cristalină devine distorsionată, iar rezistența aliajului în sine crește. Aliarea aliajelor ușoare se bazează pe această proprietate a Al de a le crește rezistența și rezistența la medii agresive.

Explicația procesului de întărire constă în comportamentul atomilor de cupru din rețeaua cristalină de aluminiu. Particulele de Cu tind să cadă din rețeaua cristalină de Al și sunt grupate în zonele sale speciale.

Acolo unde atomii de cupru formează grupuri, se formează o rețea cristalină de tip mixt CuAl 2, în care particulele de metal argintiu sunt incluse simultan atât în ​​rețeaua cristalină generală de aluminiu, cât și în rețeaua de tip mixt CuAl 2. Forțele legăturilor interne într-o rețea distorsionată sunt mult mai mari decât în ​​cea obișnuită. Aceasta înseamnă că rezistența substanței nou formate este mult mai mare.

Proprietăți chimice

Este cunoscută interacțiunea aluminiului cu acidul sulfuric și clorhidric diluat. Când este încălzit, acest metal se dizolvă ușor în ele. Acidul azotic concentrat la rece sau foarte diluat nu dizolvă acest element. Soluțiile apoase de alcali afectează în mod activ substanța, în timpul reacției formând aluminați - săruri care conțin ioni de aluminiu. De exemplu:

Al203 +3H2O+2NaOH=2Na

Compusul rezultat se numește tetrahidroxoaluminat de sodiu.

O peliculă subțire de pe suprafața produselor din aluminiu protejează acest metal nu numai de aer, ci și de apă. Dacă această barieră subțire este îndepărtată, elementul va interacționa violent cu apa, eliberând hidrogen din aceasta.

2AL+6H20=2AL(OH)3+3H2

Substanța rezultată se numește hidroxid de aluminiu.

AL (OH) 3 reacționează cu alcalii, formând cristale de hidroxoaluminat:

Al(OH)2 +NaOH=2Na

Dacă această ecuație chimică se adaugă celei anterioare, obținem formula de dizolvare a unui element într-o soluție alcalină.

Al(OH)3+2NaOH+6H20=2Na +3H2

Arderea aluminiului

Proprietățile fizice ale aluminiului îi permit să reacționeze cu oxigenul. Dacă pulberea acestui metal sau folie de aluminiu este încălzită, ea se aprinde și arde cu o flacără albă, orbitoare. La sfârşitul reacţiei se formează oxid de aluminiu Al2O3.

Alumină

Oxidul de aluminiu rezultat are denumirea geologică de alumină. În condiții naturale, apare sub formă de corindon - cristale dure transparente. Corindonul este foarte dur, cu un rating de duritate de 9. Corindonul în sine este incolor, dar diverse impurități îl pot transforma în roșu și albastru, rezultând pietre prețioase cunoscute în bijuterii ca rubine și safire.

Proprietățile fizice ale oxidului de aluminiu permit acestor pietre prețioase să fie cultivate în condiții artificiale. Pietrele prețioase industriale sunt folosite nu numai pentru bijuterii, ci sunt folosite în fabricarea de instrumente de precizie, ceasuri și alte lucruri. Cristalele artificiale de rubin sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în dispozitivele laser.

O varietate de corindon cu granulație fină, cu un număr mare de impurități, aplicată pe o suprafață specială, este cunoscută de toată lumea ca șmirghel. Proprietățile fizice ale oxidului de aluminiu explică proprietățile abrazive ridicate ale corindonului, precum și duritatea și rezistența acestuia la frecare.

Hidroxid de aluminiu

Al2(OH)3 este un hidroxid amfoter tipic. În combinație cu un acid, această substanță formează o sare care conține ioni de aluminiu încărcați pozitiv; în alcalii formează aluminați. Natura amfoterică a unei substanțe se manifestă prin faptul că se poate comporta atât ca acid, cât și ca alcalin. Acest compus poate exista atât sub formă de jeleu, cât și sub formă solidă.

Este practic insolubil în apă, dar reacționează cu majoritatea acizilor și alcalinelor active. Proprietățile fizice ale hidroxidului de aluminiu sunt folosite în medicină; este un mijloc popular și sigur de reducere a acidității în organism; este folosit pentru gastrită, duodenită și ulcere. În industrie, Al 2 (OH) 3 este utilizat ca adsorbant; purifică perfect apa și precipită elementele dăunătoare dizolvate în ea.

Utilizare industrială

Aluminiul a fost descoperit în 1825. La început, acest metal era evaluat mai mult decât aurul și argintul. Acest lucru s-a explicat prin dificultatea extragerii acestuia din minereu. Proprietățile fizice ale aluminiului și capacitatea sa de a forma rapid o peliculă de protecție pe suprafața sa au făcut dificilă studiul acestui element. Abia la sfârșitul secolului al XIX-lea a fost descoperită o metodă convenabilă de topire a unui element pur adecvat pentru utilizare la scară industrială.

Ușurința și capacitatea de a rezista la coroziune sunt proprietățile fizice unice ale aluminiului. Aliajele acestui metal argintiu sunt folosite în fabricarea de rachete, automobile, nave, avioane și instrumente, precum și în producția de tacâmuri și tacâmuri.

Ca metal pur, Al este utilizat la fabricarea de piese pentru echipamente chimice, fire electrice și condensatoare. Proprietățile fizice ale aluminiului sunt astfel încât conductivitatea sa electrică nu este la fel de mare ca cea a cuprului, dar acest dezavantaj este compensat de ușurința metalului în cauză, ceea ce face posibilă realizarea firelor de aluminiu mai groase. Deci, cu aceeași conductivitate electrică, un fir de aluminiu cântărește jumătate decât un fir de cupru.

Nu mai puțin importantă este utilizarea Al în procesul de aluminizare. Acesta este numele dat reacției de saturare a suprafeței unui produs din fontă sau oțel cu aluminiu pentru a proteja metalul de bază împotriva coroziunii atunci când este încălzit.

În prezent, rezervele cunoscute de minereuri de aluminiu sunt destul de comparabile cu nevoile oamenilor pentru acest metal argintiu. Proprietățile fizice ale aluminiului pot prezenta în continuare multe surprize cercetătorilor săi, iar domeniul de aplicare al acestui metal este mult mai larg decât s-ar putea imagina.

Denumirea Aluminiu provine din latină. alumen - deci în 500 î.Hr. e. numit alaun de aluminiu, care era folosit ca mordant pentru vopsirea țesăturilor și pentru tăbăcirea pieilor. Omul de știință danez H. K. Oersted în 1825, acționând cu amalgam de potasiu pe AlCl 3 anhidru și apoi distilând mercurul, a obținut aluminiu relativ pur. Prima metodă industrială de producere a aluminiului a fost propusă în 1854 de chimistul francez A. E. Saint-Clair Deville: metoda a constat în reducerea clorurii duble de aluminiu și sodiu Na 3 AlCl 6 cu sodiu metalic. Asemănător ca culoare cu argintul, aluminiul a fost foarte scump la început. Din 1855 până în 1890, au fost produse doar 200 de tone de aluminiu. Metoda modernă de producere a aluminiului prin electroliza topiturii criolit-alumină a fost dezvoltată în 1886 simultan și independent de C. Hall în SUA și P. Heroux în Franța.

Distribuția aluminiului în natură.În ceea ce privește abundența în natură, aluminiul ocupă locul 3 după oxigen și siliciu și pe locul 1 între metale. Conținutul său în scoarța terestră este de 8,80% din greutate. Aluminiul nu apare sub formă liberă datorită activității sale chimice. Sunt cunoscute câteva sute de minerale de aluminiu, în principal aluminosilicați. Bauxita, alunita și nefelina sunt de importanță industrială. Rocile nefeline sunt mai sărace în alumină decât bauxita, dar utilizarea lor complexă produce subproduse importante: sodă, potasiu, acid sulfuric. În URSS a fost dezvoltată o metodă pentru utilizarea integrată a nefelinelor. Minereurile de nefeline din URSS formează, spre deosebire de bauxită, zăcăminte foarte mari și creează oportunități practic nelimitate pentru dezvoltarea industriei aluminiului.

Proprietățile fizice ale aluminiului. Aluminiul combină un set foarte valoros de proprietăți: densitate scăzută, conductivitate termică și electrică ridicată, ductilitate ridicată și rezistență bună la coroziune. Poate fi ușor forjat, ștanțat, rulat, desenat. Aluminiul este bine sudat prin gaz, contact și alte tipuri de sudare. Rețeaua de aluminiu este centrată pe față cubică cu parametrul a = 4,0413 Å. Proprietățile aluminiului, ca toate metalele, depind, prin urmare, de puritatea acestuia. Proprietăţi ale aluminiului de înaltă puritate (99,996%): densitate (la 20°C) 2698,9 kg/m 3 ; tpl 660,24°C; punct de fierbere aproximativ 2500°C; coeficient de dilatare termică (de la 20° la 100°C) 23,86·10 -6 ; conductivitate termică (la 190°C) 343 W/m·K, capacitatea termică specifică (la 100°С) 931,98 J/kg·K. ; conductivitate electrică în raport cu cuprul (la 20 °C) 65,5%. Aluminiul are rezistență scăzută (rezistență la tracțiune 50-60 Mn/m2), duritate (170 Mn/m2 conform Brinell) și ductilitate ridicată (până la 50%). În timpul laminarii la rece, rezistența la tracțiune a aluminiului crește la 115 MN/m2, duritatea - până la 270 MN/m2, alungirea relativă scade la 5% (1 MN/m2 ~ și 0,1 kgf/mm2). Aluminiul este foarte lustruit, anodizat și are o reflectivitate ridicată aproape de argint (reflectează până la 90% din energia luminii incidente). Având o mare afinitate pentru oxigen, aluminiul din aer este acoperit cu o peliculă subțire, dar foarte puternică de oxid de Al 2 O 3, care protejează metalul de oxidarea ulterioară și determină proprietățile sale anticorozive ridicate. Rezistența filmului de oxid și efectul său protector scad foarte mult în prezența impurităților de mercur, sodiu, magneziu, cupru etc. Aluminiul este rezistent la coroziune atmosferică, mare și apa dulce, practic nu interacționează cu nitric concentrat sau foarte diluat. acid, acizi organici, produse alimentare.

Proprietățile chimice ale aluminiului.Învelișul exterior de electroni a atomului de aluminiu este format din 3 electroni și are structura 3s 2 3p 1. În condiții normale, aluminiul din compuși este 3-valent, dar la temperaturi ridicate poate fi monovalent, formând așa-numiții subcompuși. Subhalogenuri de aluminiu, AlF și AlCl, stabile numai în stare gazoasă, în vid sau în atmosferă inertă, când temperatura scade, se descompun (disproporționat) în Al pur și AlF 3 sau AlCl 3 și de aceea pot fi folosite pentru a produce aluminiu ultrapur. . Când este încălzit, aluminiul măcinat fin sau pudră arde puternic în aer. Prin arderea aluminiului într-un curent de oxigen, se atinge temperaturi de peste 3000°C. Proprietatea aluminiului de a interacționa activ cu oxigenul este folosită pentru a restabili metalele din oxizii lor (aluminotermie). La căldură roșu închis, fluorul interacționează energetic cu aluminiul, formând AlF 3 . Clorul și bromul lichid reacționează cu aluminiul la temperatura camerei, iodul - când sunt încălzite. La temperaturi ridicate, aluminiul se combină cu azotul, carbonul și sulful, formând nitrură de AlN, carbură de Al 4 C 3 și, respectiv, sulfură de Al 2 S 3. Aluminiul nu interacționează cu hidrogenul; Hidrura de aluminiu (AlH 3) X a fost obţinută indirect. De mare interes sunt hidrurile duble de aluminiu și elementele grupelor I și II ale sistemului periodic de compoziție MeH n · n AlH 3, așa-numitele hidruri de aluminiu. Aluminiul se dizolvă ușor în alcalii, eliberând hidrogen și formând aluminați. Majoritatea sărurilor de aluminiu sunt foarte solubile în apă. Soluțiile de săruri de aluminiu prezintă o reacție acidă datorită hidrolizei.

Producția de aluminiu.În industrie, aluminiul este produs prin electroliza aluminei Al 2 O 3 dizolvată în criolitul topit NasAlF 6 la o temperatură de aproximativ 950 ° C. Se folosesc electrolizoare cu trei modele principale: 1) electrolizoare cu anozi continui cu autococere și alimentare cu curent lateral. , 2) la fel, dar cu o sursă de curent superioară și 3) electrolizoare cu anozi coapți. Baia de electrolit este o carcasă de fier, căptușită în interior cu material termoizolant și electric - cărămizi refractare și căptușită cu plăci și blocuri de cărbune. Volumul de lucru este umplut cu un electrolit topit format din 6-8% alumină și 94-92% criolit (de obicei cu adăugarea de AlF 3 și aproximativ 5-6% dintr-un amestec de fluoruri de potasiu și magneziu). Catodul este fundul băii, anodul este blocuri de carbon arse scufundate în electrolit sau electrozi umpluți cu autococere. Când trece curentul, aluminiul topit este eliberat la catod, care se acumulează pe vatră, iar la anod - oxigen, care formează CO și CO 2 cu anodul de carbon. Alumina, principalul material consumabil, are cerințe ridicate pentru puritate și dimensiunea particulelor. Prezența în el a oxizilor de elemente mai electropozitive decât aluminiul duce la contaminarea aluminiului. Cu un conținut suficient de alumină, baia funcționează normal la o tensiune electrică de ordinul 4-4,5 V. Băile sunt conectate la o sursă de curent continuu în serie (în serie de 150-160 de băi). Electrolizatoarele moderne funcționează la curenți de până la 150 kA. De obicei, aluminiul este îndepărtat din băi folosind o oală cu vid. Aluminiul topit cu o puritate de 99,7% este turnat în forme. Aluminiul de înaltă puritate (99,9965%) este obținut prin rafinarea electrolitică a aluminiului primar folosind așa-numita metodă cu trei straturi, care reduce conținutul de impurități Fe, Si și Cu. Studiile procesului de rafinare electrolitică a aluminiului folosind electroliți organici au arătat posibilitatea fundamentală de a obține aluminiu cu o puritate de 99,999% cu un consum relativ scăzut de energie, dar până acum această metodă are o productivitate scăzută. Pentru purificarea profundă a aluminiului, se utilizează topirea zonei sau distilare prin subfluoruri.

În timpul producției electrolitice de aluminiu, pot apărea șocuri electrice, temperaturi ridicate și gaze nocive. Pentru a evita accidentele, căzile sunt izolate fiabil; lucrătorii folosesc cizme uscate din pâslă și îmbrăcăminte de protecție adecvată. O atmosferă sănătoasă este menținută printr-o ventilație eficientă. La inhalarea constantă a prafului din aluminiu metalic și oxidul acestuia, poate apărea aluminoză pulmonară. Lucrătorii angajați în producția de aluminiu au adesea cataruri ale tractului respirator superior (rinită, faringită, laringită). Concentrația maximă admisă în aer de praf de aluminiu metalic, oxid și aliaje ale acestuia este de 2 mg/m3.

Aplicarea aluminiului. Combinația de proprietăți fizice, mecanice și chimice ale aluminiului determină utilizarea sa pe scară largă în aproape toate domeniile tehnologiei, în special sub forma aliajelor sale cu alte metale. În inginerie electrică, aluminiul înlocuiește cu succes cuprul, în special în producția de conductori masivi, de exemplu, în linii aeriene, cabluri de înaltă tensiune, magistrale de comutație, transformatoare (conductivitatea electrică a aluminiului atinge 65,5% din conductibilitatea electrică a cuprului și este de peste trei ori mai ușor decât cuprul; cu o secțiune transversală care oferă aceeași conductivitate, masa firelor de aluminiu este jumătate din cea a cuprului). Aluminiul ultra-pur este utilizat în producția de condensatoare și redresoare electrice, a căror acțiune se bazează pe capacitatea peliculei de oxid de aluminiu de a trece curentul electric într-o singură direcție. Aluminiul ultrapur, purificat prin topire în zone, este utilizat pentru sinteza compușilor semiconductori de tip A III B V, utilizați pentru producerea dispozitivelor semiconductoare. Aluminiul pur este utilizat la producerea diferitelor tipuri de reflectoare de oglindă. Aluminiul de înaltă puritate este utilizat pentru a proteja suprafețele metalice împotriva coroziunii atmosferice (placare, vopsea din aluminiu). Având o secțiune transversală de absorbție a neutronilor relativ scăzută, aluminiul este folosit ca material structural în reactoarele nucleare.

Rezervoarele din aluminiu de mare capacitate stochează și transportă gaze lichide (metan, oxigen, hidrogen etc.), acizi azotic și acetic, apă curată, peroxid de hidrogen și uleiuri comestibile. Aluminiul este utilizat pe scară largă în echipamentele și aparatele din industria alimentară, pentru ambalarea alimentelor (sub formă de folie) și pentru producerea diferitelor tipuri de produse de uz casnic. Consumul de aluminiu pentru finisarea clădirilor, structurilor arhitecturale, de transport și sportive a crescut brusc.

În metalurgie, aluminiul (în plus față de aliajele pe bază de acesta) este unul dintre cei mai obișnuiți aditivi de aliaj în aliajele pe bază de Cu, Mg, Ti, Ni, Zn și Fe. Aluminiul este, de asemenea, folosit pentru dezoxidarea oțelului înainte de a-l turna într-o matriță, precum și în procesele de producere a anumitor metale prin metoda aluminotermiei. Pe baza de aluminiu, SAP (pulbere de aluminiu sinterizat) a fost creat folosind metalurgia pulberilor, care are rezistenta ridicata la caldura la temperaturi de peste 300°C.

Aluminiul este folosit la producerea de explozivi (amonial, alumotol). Diferiți compuși de aluminiu sunt utilizați pe scară largă.

Producția și consumul de aluminiu este în continuă creștere, depășind semnificativ rata de creștere a producției de oțel, cupru, plumb și zinc.

Geochimia aluminiului. Caracteristicile geochimice ale aluminiului sunt determinate de afinitatea sa mare pentru oxigen (în minerale, aluminiul este inclus în octaedre și tetraedre de oxigen), valență constantă (3) și solubilitatea scăzută a majorității compușilor naturali. În procesele endogene din timpul solidificării magmei și formării rocilor magmatice, aluminiul intră în rețeaua cristalină a feldspaților, mica și alte minerale - aluminosilicați. În biosferă, aluminiul este un migrant slab; este rar în organisme și hidrosferă. Într-un climat umed, unde resturile în descompunere ale vegetației abundente formează mulți acizi organici, Aluminiul migrează în soluri și ape sub formă de compuși coloidali organominerale; Aluminiul este adsorbit de coloizi și depus în partea inferioară a solurilor. Legătura dintre aluminiu și siliciu este parțial ruptă și în unele locuri la tropice se formează minerale - hidroxizi de aluminiu - boehmit, diaspore, hidrargilit. Majoritatea aluminiului face parte din aluminosilicați - caolinit, beidelit și alte minerale argiloase. Mobilitatea slabă determină acumularea reziduală de aluminiu în crusta de intemperii a tropicelor umede. Ca urmare, se formează bauxită eluvială. În epocile geologice trecute, bauxita s-a acumulat și în lacuri și zonele de coastă ale mărilor din regiunile tropicale (de exemplu, bauxite sedimentare din Kazahstan). În stepe și deșerturi, unde există puțină materie vie și apele sunt neutre și alcaline, aluminiul aproape că nu migrează. Migrația aluminiului este cea mai energică în zonele vulcanice, unde se observă râuri foarte acide și apele subterane bogate în aluminiu. În locurile în care apele acide se amestecă cu cele alcaline - ape de mare (la gurile râurilor și altele), Aluminiul se depune cu formarea de depozite de bauxită.

Aluminiu în corp. Aluminiul face parte din țesuturile animalelor și plantelor; în organele mamiferelor, s-a găsit de la 10 -3 până la 10 -5% aluminiu (pe bază brută). Aluminiul se acumulează în ficat, pancreas și glandele tiroide. În produsele vegetale, conținutul de aluminiu variază de la 4 mg la 1 kg de substanță uscată (cartofi) la 46 mg (napi galbeni), în produsele de origine animală - de la 4 mg (miere) la 72 mg la 1 kg de substanță uscată ( vită). În dieta umană zilnică, conținutul de aluminiu ajunge la 35-40 mg. Organisme cunoscute a fi concentratoare de aluminiu, de exemplu, mușchi (Lycopodiaceae), care conțin până la 5,3% aluminiu în cenușa lor și moluște (Helix și Lithorina), care conțin 0,2-0,8% aluminiu în cenușă. Prin formarea de compuși insolubili cu fosfații, aluminiul perturbă alimentația plantelor (absorbția fosfaților de către rădăcini) și a animalelor (absorbția fosfaților în intestine).

În scoarța terestră există mult aluminiu: 8,6% din greutate. Ocupă primul loc între toate metalele și al treilea între alte elemente (după oxigen și siliciu). Există de două ori mai mult aluminiu decât fierul și de 350 de ori mai mult decât cuprul, zincul, cromul, staniul și plumbul la un loc! Așa cum a scris în urmă cu peste 100 de ani în manualul său clasic Bazele Chimiei D.I. Mendeleev, dintre toate metalele, „aluminiul este cel mai comun în natură; Este suficient să subliniem că face parte din argilă pentru a clarifica distribuția universală a aluminiului în scoarța terestră. Aluminiul sau metalul alaunului (alumen) se mai numește și argilă, deoarece se găsește în lut.”

Cel mai important mineral al aluminiului este bauxita, un amestec de oxid de bază AlO(OH) și hidroxid de Al(OH)3. Cele mai mari zăcăminte de bauxită sunt situate în Australia, Brazilia, Guineea și Jamaica; producţia industrială se desfăşoară şi în alte ţări. Alunita (piatră de alaun) (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH) 3 și nefelina (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 sunt de asemenea bogate în aluminiu. În total, se cunosc peste 250 de minerale care conțin aluminiu; majoritatea sunt aluminosilicați, din care se formează în principal scoarța terestră. Când intemperii, se formează argila, a cărei bază este caolinitul mineral Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O. Impuritățile de fier colorează de obicei argila maro, dar există și argilă albă - caolin, care este folosit pentru a face produse din portelan si faianta.

Ocazional, se găsește un corindon mineral excepțional de dur (al doilea după diamant) - oxidul cristalin Al 2 O 3, adesea colorat de impurități în culori diferite. Varietatea sa albastră (un amestec de titan și fier) ​​se numește safir, cea roșie (un amestec de crom) se numește rubin. Diverse impurități pot colora, de asemenea, așa-numitul corindon nobil verde, galben, portocaliu, violet și alte culori și nuanțe.

Până de curând, se credea că aluminiul, ca metal extrem de activ, nu putea să apară în natură în stare liberă, dar în 1978, aluminiul nativ a fost descoperit în rocile Platformei Siberiei - doar sub formă de cristale sub formă de fir. 0,5 mm lungime (cu o grosime a firului de câțiva micrometri). Aluminiul nativ a fost descoperit și în solul lunar adus pe Pământ din regiunile Mărilor Crizei și Abundenței. Se crede că aluminiul metalic poate fi format prin condensare din gaz. Se știe că atunci când halogenurile de aluminiu - clorură, bromură, fluor - sunt încălzite, acestea se pot evapora cu mai mult sau mai puțin ușurință (de exemplu, AlCl 3 se sublimează deja la 180 ° C). Cu o creștere puternică a temperaturii, halogenurile de aluminiu se descompun, transformându-se într-o stare cu o valență metalică mai mică, de exemplu, AlCl. Când un astfel de compus se condensează cu scăderea temperaturii și absența oxigenului, în faza solidă are loc o reacție de disproporționare: unii dintre atomii de aluminiu sunt oxidați și trec în starea trivalentă obișnuită, iar unii sunt redusi. Aluminiul monovalent poate fi redus doar la metal: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . Această ipoteză este susținută și de forma sub formă de fir a cristalelor native de aluminiu. De obicei, cristalele cu această structură se formează datorită creșterii rapide din faza gazoasă. Este probabil ca pepitele microscopice de aluminiu în solul lunar să fi fost formate într-un mod similar.

Denumirea de aluminiu provine din latinescul alumen (genul aluminis). Acesta a fost numele de alaun, sulfat dublu de potasiu-aluminiu KAl(SO 4) 2 · 12H 2 O), care a fost folosit ca mordant pentru vopsirea țesăturilor. Numele latin probabil că se întoarce la grecescul „halme” - saramură, soluție de sare. Este curios că în Anglia aluminiul este aluminiu, iar în SUA este aluminiu.

Multe cărți populare despre chimie conțin o legendă conform căreia un anume inventator, al cărui nume nu a fost păstrat de istorie, i-a adus împăratului Tiberius, care a condus Roma în anii 14–27 d.Hr., un vas dintr-un metal care seamănă cu culoarea argintului, dar mai usoara. Acest dar l-a costat pe maestru viața: Tiberius a ordonat executarea lui și distrugerea atelierului, pentru că se temea că noul metal ar putea deprecia valoarea argintului din vistieria imperială.

Această legendă se bazează pe o poveste a lui Pliniu cel Bătrân, un scriitor și cărturar, autor roman Istoria naturala– enciclopedia cunoștințelor științelor naturii din cele mai vechi timpuri. Potrivit lui Pliniu, noul metal a fost obținut din „pământ argilos”. Dar argila conține aluminiu.

Autorii moderni fac aproape întotdeauna o rezervă că toată această poveste nu este altceva decât un basm frumos. Și acest lucru nu este surprinzător: aluminiul din roci este extrem de strâns legat de oxigen și trebuie cheltuită multă energie pentru a-l elibera. Cu toate acestea, recent au apărut date noi privind posibilitatea fundamentală de a obține aluminiu metalic în vremuri străvechi. După cum a arătat analiza spectrală, decorațiile de pe mormântul comandantului chinez Zhou-Zhu, care a murit la începutul secolului al III-lea. AD, sunt realizate dintr-un aliaj format din 85% aluminiu. Ar fi putut anticii să obțină aluminiu gratuit? Toate metodele cunoscute (electroliza, reducerea cu sodiu metalic sau potasiu) sunt eliminate automat. Ar putea fi găsit aluminiu nativ în vremuri străvechi, cum ar fi, de exemplu, pepite de aur, argint și cupru? Acest lucru este, de asemenea, exclus: aluminiul nativ este un mineral rar care se găsește în cantități nesemnificative, astfel încât meșterii antici nu au putut găsi și colecta astfel de pepițe în cantitatea necesară.

Cu toate acestea, o altă explicație pentru povestea lui Pliniu este posibilă. Aluminiul poate fi recuperat din minereuri nu numai cu ajutorul electricității și a metalelor alcaline. Există un agent reducător disponibil și utilizat pe scară largă încă din cele mai vechi timpuri - cărbunele, cu ajutorul căruia oxizii multor metale sunt reduse la metale libere atunci când sunt încălzite. La sfârșitul anilor 1970, chimiștii germani au decis să testeze dacă aluminiul ar fi putut fi produs în antichitate prin reducerea cu cărbune. Au încălzit un amestec de argilă cu pulbere de cărbune și sare de masă sau potasiu (carbonat de potasiu) într-un creuzet de lut la căldură roșie. Sarea era obținută din apa de mare, iar potasa din cenușa plantelor, pentru a folosi doar acele substanțe și metode care erau disponibile în timpurile străvechi. După ceva timp, zgura cu bile de aluminiu a plutit la suprafața creuzetului! Randamentul de metal a fost mic, dar este posibil ca în acest fel metalurgiștii antici să poată obține „metalul secolului al XX-lea”.

Proprietățile aluminiului.

Culoarea aluminiului pur seamănă cu argintul; este un metal foarte ușor: densitatea sa este de numai 2,7 g/cm 3 . Singurele metale mai ușoare decât aluminiul sunt metalele alcaline și alcalino-pământoase (cu excepția bariului), beriliul și magneziul. De asemenea, aluminiul se topește cu ușurință - la 600 ° C (sârma subțire de aluminiu poate fi topit pe un arzător obișnuit de bucătărie), dar fierbe doar la 2452 ° C. În ceea ce privește conductivitatea electrică, aluminiul se află pe locul 4, al doilea după argint (este se află pe primul loc), cuprul și aurul, care, având în vedere ieftinitatea aluminiului, are o mare importanță practică. Conductivitatea termică a metalelor se modifică în aceeași ordine. Este ușor să verificați conductivitatea termică ridicată a aluminiului prin scufundarea unei linguri de aluminiu în ceai fierbinte. Și încă o proprietate remarcabilă a acestui metal: suprafața sa netedă și strălucitoare reflectă perfect lumina: de la 80 la 93% în regiunea vizibilă a spectrului, în funcție de lungimea de undă. În regiunea ultravioletă, aluminiul nu are egal în acest sens și doar în regiunea roșie este ușor inferior argintului (în ultraviolete, argintul are o reflectivitate foarte scăzută).

Aluminiul pur este un metal destul de moale - de aproape trei ori mai moale decât cuprul, astfel încât chiar și plăcile și tijele de aluminiu relativ groase sunt ușor de îndoit, dar atunci când aluminiul formează aliaje (există un număr mare de ele), duritatea sa poate crește de zece ori.

Starea de oxidare caracteristică a aluminiului este +3, dar datorită prezenței 3 neumplute R- și 3 d-orbitali, atomii de aluminiu pot forma legături suplimentare donor-acceptor. Prin urmare, ionul Al 3+ cu o rază mică este foarte predispus la formarea complexului, formând o varietate de complexe cationice și anionice: AlCl 4 –, AlF 6 3–, 3+, Al(OH) 4 –, Al(OH) 6 3–, AlH 4 – și multe altele. Sunt cunoscute și complexele cu compuși organici.

Activitatea chimică a aluminiului este foarte mare; în seria potențialelor electrodului se află imediat în spatele magneziului. La prima vedere, o astfel de afirmație poate părea ciudată: la urma urmei, o tigaie sau o lingură de aluminiu este destul de stabilă în aer și nu se prăbușește în apă clocotită. Aluminiul, spre deosebire de fier, nu ruginește. Se pare că, atunci când este expus la aer, metalul este acoperit cu o „armuire” incoloră, subțire, dar durabilă, de oxid, care protejează metalul de oxidare. Deci, dacă introduceți un fir gros de aluminiu sau o placă de 0,5–1 mm grosime în flacăra arzătorului, metalul se topește, dar aluminiul nu curge, deoarece rămâne într-o pungă de oxidul său. Dacă privați aluminiul de filmul său protector sau îl desfaceți (de exemplu, prin scufundarea lui într-o soluție de săruri de mercur), aluminiul își va dezvălui imediat adevărata esență: deja la temperatura camerei va începe să reacționeze energic cu apa, eliberând hidrogen. : 2Al + 6H20® 2Al(OH)3 + 3H2. În aer, aluminiul, dezbrăcat de filmul său protector, se transformă în pulbere de oxid liber chiar sub ochii noștri: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 . Aluminiul este activ în special în stare fin zdrobită; Când este suflat într-o flacără, praful de aluminiu arde instantaneu. Dacă amestecați praf de aluminiu cu peroxid de sodiu pe o farfurie ceramică și picurați apă pe amestec, și aluminiul se aprinde și arde cu o flacără albă.

Afinitatea foarte mare a aluminiului pentru oxigen îi permite să „lueze” oxigenul din oxizii unui număr de alte metale, reducându-le (metoda aluminotermiei). Cel mai faimos exemplu este amestecul de termită, care, atunci când este ars, eliberează atât de multă căldură încât fierul rezultat se topește: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Această reacție a fost descoperită în 1856 de către N.N. Beketov. În acest fel, Fe 2 O 3, CoO, NiO, MoO 3, V 2 O 5, SnO 2, CuO și o serie de alți oxizi pot fi reduse la metale. La reducerea Cr 2 O 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, B 2 O 3 cu aluminiu, căldura de reacție nu este suficientă pentru a încălzi produsele de reacție peste punctul lor de topire.

Aluminiul se dizolvă ușor în acizi minerali diluați pentru a forma săruri. Acidul azotic concentrat, oxidând suprafața aluminiului, favorizează îngroșarea și întărirea peliculei de oxid (așa-numita pasivare a metalului). Aluminiul tratat în acest fel nu reacționează nici măcar cu acidul clorhidric. Folosind oxidarea anodică electrochimică (anodizare), pe suprafața aluminiului se poate crea o peliculă groasă, care poate fi vopsită cu ușurință în diferite culori.

Deplasarea metalelor mai puțin active de către aluminiu din soluții de săruri este adesea împiedicată de o peliculă protectoare pe suprafața aluminiului. Acest film este distrus rapid de clorura de cupru, astfel încât reacția 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu are loc ușor, care este însoțită de încălzire puternică. În soluțiile alcaline puternice, aluminiul se dizolvă ușor cu eliberarea de hidrogen: 2Al + 6NaOH + 6H 2 O ® 2Na 3 + 3H 2 (se formează și alți hidroxocomplecși anionici). Natura amfoteră a compușilor de aluminiu se manifestă și prin dizolvarea ușoară a oxidului și hidroxidului său proaspăt precipitat în alcalii. Oxidul cristalin (corindon) este foarte rezistent la acizi și alcalii. Atunci când sunt topite cu alcalii, se formează aluminați anhidri: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. Aluminatul de magneziu Mg(AlO 2) 2 este o piatră de spinel semiprețioasă, de obicei colorată cu impurități într-o mare varietate de culori .

Reacția aluminiului cu halogenii are loc rapid. Dacă o sârmă subțire de aluminiu este introdusă într-o eprubetă cu 1 ml de brom, atunci, după scurt timp, aluminiul se aprinde și arde cu o flacără strălucitoare. Reacția unui amestec de pulberi de aluminiu și iod este inițiată de o picătură de apă (apa cu iod formează un acid care distruge pelicula de oxid), după care apare o flacără strălucitoare cu nori de vapori de iod violet. Halogenurile de aluminiu în soluţii apoase au o reacţie acidă datorită hidrolizei: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Reacția aluminiului cu azotul are loc numai peste 800 ° C cu formarea de nitrură AlN, cu sulf - la 200 ° C (se formează sulfura Al 2 S 3), cu fosfor - la 500 ° C (se formează fosfură AlP). Când borul este adăugat la aluminiul topit, se formează boruri din compoziția AlB 2 și AlB 12 - compuși refractari rezistenți la acizi. Hidrura (AlH) x (x = 1,2) se formează numai în vid la temperaturi scăzute în reacția hidrogenului atomic cu vaporii de aluminiu. Hidrura de AlH 3, stabilă în absenţa umidităţii la temperatura camerei, se obţine într-o soluţie de eter anhidru: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. Cu un exces de LiH, se formează hidrură de litiu aluminiu asemănătoare sărurilor LiAlH 4 - un agent reducător foarte puternic utilizat în sinteza organică. Se descompune instantaneu cu apă: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al(OH) 3 + 4H 2.

Productie de aluminiu.

Descoperirea documentată a aluminiului a avut loc în 1825. Acest metal a fost obținut pentru prima dată de fizicianul danez Hans Christian Oersted, când l-a izolat prin acțiunea amalgamului de potasiu asupra clorurii de aluminiu anhidru (obținut prin trecerea clorului printr-un amestec fierbinte de oxid de aluminiu și cărbune). ). După ce a distilat mercurul, Oersted a obținut aluminiu, deși era contaminat cu impurități. În 1827, chimistul german Friedrich Wöhler a obținut aluminiu sub formă de pulbere prin reducerea hexafluoraluminatului cu potasiu:

Na3AlF6 + 3K® Al + 3NaF + 3KF. Mai târziu a reușit să obțină aluminiu sub formă de bile metalice lucioase. În 1854, chimistul francez Henri Etienne Saint-Clair Deville a dezvoltat prima metodă industrială de producere a aluminiului - prin reducerea topiturii de tetracloroaluminat cu sodiu: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Cu toate acestea, aluminiul a continuat să fie un metal extrem de rar și scump; nu era cu mult mai ieftin decât aurul și de 1500 de ori mai scump decât fierul (acum doar de trei ori). În anii 1850 a fost făcută un zdrănător din aur, aluminiu și pietre prețioase pentru fiul împăratului francez Napoleon al III-lea. Când un lingou mare de aluminiu produs printr-o nouă metodă a fost expus la Expoziția Mondială de la Paris în 1855, a fost privit ca și cum ar fi o bijuterie. Partea superioară (sub formă de piramidă) a Monumentului Washington din capitala SUA a fost realizată din aluminiu prețios. La acea vreme, aluminiul nu era cu mult mai ieftin decât argintul: în SUA, de exemplu, în 1856 era vândut la un preț de 12 dolari pe liră (454 g), iar argintul cu 15 dolari. În volumul 1 al celebrului Dicționarul Enciclopedic Brockhaus, publicat în 1890, Efron spunea că „aluminiul este încă folosit în principal pentru fabricarea de... bunuri de lux”. Până atunci, în întreaga lume erau extrase anual doar 2,5 tone de metal. Abia spre sfârșitul secolului al XIX-lea, când a fost dezvoltată o metodă electrolitică de producere a aluminiului, producția sa anuală a început să se ridice la mii de tone, iar în secolul al XX-lea. – milioane de tone. Aceasta a transformat aluminiul dintr-un metal semiprețios într-un metal disponibil pe scară largă.

Metoda modernă de producere a aluminiului a fost descoperită în 1886 de un tânăr cercetător american, Charles Martin Hall. În copilărie a devenit interesat de chimie. După ce a găsit vechiul manual de chimie al tatălui său, a început să-l studieze cu sârguință și să efectueze experimente, o dată chiar a primit o mustrare de la mama lui pentru că a deteriorat fața de masă. Și 10 ani mai târziu a făcut o descoperire extraordinară care l-a făcut celebru în întreaga lume.

Fiind student la vârsta de 16 ani, Hall a auzit de la profesorul său, F. F. Jewett, că dacă cineva ar putea dezvolta o modalitate ieftină de a produce aluminiu, acea persoană nu numai că ar face un mare serviciu umanității, ci ar face și o avere uriașă. Jewett știa ce spune: se antrenase anterior în Germania, lucrase cu Wöhler și discutase cu el despre problemele producției de aluminiu. Jewett a adus și o mostră din metalul rar cu el în America, pe care le-a arătat studenților săi. Deodată, Hall a declarat public: „Voi primi acest metal!”

Au continuat șase ani de muncă grea. Hall a încercat să obțină aluminiu folosind diferite metode, dar fără succes. În cele din urmă, a încercat să extragă acest metal prin electroliză. La acea vreme nu existau centrale electrice; curentul trebuia generat folosind baterii mari de casă din cărbune, zinc, acizi azotic și sulfuric. Hall a lucrat într-un hambar unde a înființat un mic laborator. A fost ajutat de sora lui Julia, care era foarte interesată de experimentele fratelui ei. Ea și-a păstrat toate scrisorile și jurnalele de lucru, care fac posibilă trasarea literală a istoriei descoperirii zi de zi. Iată un fragment din memoriile ei:

„Charles a fost întotdeauna într-o dispoziție bună și chiar și în cele mai rele zile a fost capabil să râdă de soarta inventatorilor ghinionişti. În vremuri de eșec, a găsit mângâiere la vechiul nostru pian. În laboratorul său de acasă a lucrat ore lungi fără pauză; iar când putea să părăsească montajul o vreme, se grăbea prin casa noastră lungă să se joace puțin... Știam că, jucându-mă cu atât de farmec și simțire, se gândea în permanență la munca lui. Și muzica l-a ajutat cu asta.”

Cel mai dificil lucru a fost să selectați un electrolit și să protejați aluminiul de oxidare. După șase luni de muncă obositoare, în creuzet au apărut în sfârșit câteva bile mici de argint. Hall a alergat imediat la fostul său profesor pentru a-i spune despre succesul său. „Domnule profesor, am înțeles!” exclamă el, întinzându-și mâna: în palma lui zăceau o duzină de bile mici de aluminiu. Acest lucru s-a întâmplat la 23 februarie 1886. Și exact două luni mai târziu, la 23 aprilie a aceluiași an, francezul Paul Héroux a obținut un brevet pentru o invenție similară, pe care a făcut-o independent și aproape simultan (alte două coincidențe sunt și ele izbitoare: atât Hall, cât și Héroux s-au născut în 1863 și au murit în 1914).

Acum primele bile de aluminiu produse de Hall sunt păstrate la American Aluminium Company din Pittsburgh ca o relicvă națională, iar la colegiul său există un monument pentru Hall, turnat din aluminiu. Jewett a scris ulterior: „Descoperirea mea cea mai importantă a fost descoperirea omului. Charles M. Hall a fost cel care, la vârsta de 21 de ani, a descoperit o metodă de reducere a aluminiului din minereu și, astfel, a făcut din aluminiu acel metal minunat care este acum utilizat pe scară largă în întreaga lume.” Profeția lui Jewett s-a împlinit: Hall a primit o largă recunoaștere și a devenit membru de onoare al multor societăți științifice. Dar viața lui personală nu a avut succes: mireasa nu a vrut să se împace cu faptul că logodnicul ei își petrece tot timpul în laborator și a rupt logodna. Hall și-a găsit mângâiere în colegiul natal, unde a lucrat pentru tot restul vieții. După cum a scris fratele lui Charles, „Colegiul a fost soția lui, copiii lui și orice altceva – toată viața lui”. Hall a lăsat moștenirea colegiului cea mai mare parte a moștenirii sale - 5 milioane de dolari. Hall a murit de leucemie la vârsta de 51 de ani.

Metoda lui Hall a făcut posibilă producerea de aluminiu relativ ieftin la scară largă folosind electricitate. Dacă din 1855 până în 1890 s-au obținut doar 200 de tone de aluminiu, atunci în următorul deceniu, folosind metoda lui Hall, 28.000 de tone din acest metal au fost deja obținute în întreaga lume! Până în 1930, producția anuală globală de aluminiu a ajuns la 300 de mii de tone. Acum, peste 15 milioane de tone de aluminiu sunt produse anual. În băi speciale la o temperatură de 960–970 ° C, este supusă o soluție de alumină (tehnică Al 2 O 3) în criolit topit Na 3 AlF 6, care este extras parțial sub formă de mineral și parțial sintetizat special. la electroliză. Aluminiul lichid se acumulează în fundul băii (catod), oxigenul este eliberat la anozii de carbon, care ard treptat. La tensiune joasă (aproximativ 4,5 V), electrolizatoarele consumă curenți uriași - până la 250.000 A! Un electrolizor produce aproximativ o tonă de aluminiu pe zi. Producția necesită multă energie electrică: este nevoie de 15.000 de kilowați-oră de energie electrică pentru a produce 1 tonă de metal. Această cantitate de energie electrică este consumată de o clădire mare de 150 de apartamente pentru o lună întreagă. Producția de aluminiu este periculoasă pentru mediu, deoarece aerul atmosferic este poluat cu compuși volatili de fluor.

Aplicarea aluminiului.

Chiar și D.I. Mendeleev a scris că „aluminiul metalic, având o mare ușurință și rezistență și variabilitate scăzută în aer, este foarte potrivit pentru unele produse”. Aluminiul este unul dintre cele mai comune și mai ieftine metale. Este dificil să ne imaginăm viața modernă fără ea. Nu e de mirare că aluminiul este numit metalul secolului al XX-lea. Se pretează bine la prelucrare: forjare, ștanțare, laminare, trefilare, presare. Aluminiul pur este un metal destul de moale; Este folosit pentru a face fire electrice, piese structurale, folie alimentară, ustensile de bucătărie și vopsea „argintie”. Acest metal frumos și ușor este utilizat pe scară largă în construcții și în tehnologia aviației. Aluminiul reflectă foarte bine lumina. Prin urmare, este folosit pentru a face oglinzi folosind metoda depunerii metalului în vid.

În aeronave și inginerie mecanică, la fabricarea structurilor de construcții se folosesc aliaje de aluminiu mult mai dure. Unul dintre cele mai cunoscute este un aliaj de aluminiu cu cupru și magneziu (duralumin, sau pur și simplu „duralumin”; numele provine de la orașul german Duren). După întărire, acest aliaj capătă o duritate specială și devine de aproximativ 7 ori mai puternic decât aluminiul pur. În același timp, este de aproape trei ori mai ușor decât fierul. Se obține prin aliarea aluminiului cu mici adaosuri de cupru, magneziu, mangan, siliciu și fier. Siluminile sunt utilizate pe scară largă - turnarea aliajelor de aluminiu și siliciu. De asemenea, sunt produse aliaje de înaltă rezistență, criogenice (rezistente la îngheț) și rezistente la căldură. Straturile de protecție și decorative se aplică cu ușurință pe produsele din aliaje de aluminiu. Ușurința și rezistența aliajelor de aluminiu sunt deosebit de utile în tehnologia aviației. De exemplu, rotoarele elicopterelor sunt fabricate dintr-un aliaj de aluminiu, magneziu și siliciu. Bronzul de aluminiu relativ ieftin (până la 11% Al) are proprietăți mecanice ridicate, este stabil în apa de mare și chiar în acid clorhidric diluat. Din 1926 până în 1957, în URSS au fost bătute monede cu valori nominale de 1, 2, 3 și 5 copeici din bronz aluminiu.

În prezent, un sfert din tot aluminiul este folosit pentru nevoile de construcție, aceeași cantitate este consumată de ingineria transporturilor, aproximativ 17% este cheltuită pe materiale de ambalare și conserve, iar 10% în inginerie electrică.

Multe amestecuri inflamabile și explozive conțin și aluminiu. Alumotol, un amestec turnat de trinitrotoluen și pulbere de aluminiu, este unul dintre cei mai puternici explozivi industriali. Amonalul este o substanță explozivă constând din nitrat de amoniu, trinitrotoluen și pulbere de aluminiu. Compozițiile incendiare conțin aluminiu și un agent oxidant - nitrat, perclorat. Compozițiile pirotehnice Zvezdochka conțin, de asemenea, pudră de aluminiu.

Un amestec de pulbere de aluminiu cu oxizi metalici (termita) este folosit pentru producerea anumitor metale si aliaje, pentru sudarea sinelor si in munitie incendiara.

Aluminiul a găsit, de asemenea, o utilizare practică ca combustibil pentru rachete. Pentru a arde complet 1 kg de aluminiu, este nevoie de aproape de patru ori mai puțin oxigen decât pentru 1 kg de kerosen. În plus, aluminiul poate fi oxidat nu numai de oxigenul liber, ci și de oxigenul legat, care face parte din apă sau dioxid de carbon. Când aluminiul „arde” în apă, se eliberează 8800 kJ la 1 kg de produse; aceasta este de 1,8 ori mai mică decât în ​​timpul arderii metalului în oxigen pur, dar de 1,3 ori mai mult decât în ​​timpul arderii în aer. Aceasta înseamnă că în loc de compuși periculoși și scumpi, apa simplă poate fi folosită ca oxidant pentru un astfel de combustibil. Ideea utilizării aluminiului ca combustibil a fost propusă încă din 1924 de către omul de știință și inventatorul autohton F.A. Tsander. Conform planului său, este posibil să se utilizeze elemente din aluminiu ale unei nave spațiale ca combustibil suplimentar. Acest proiect îndrăzneț nu a fost încă implementat practic, dar majoritatea combustibililor solizi cunoscuți în prezent pentru rachete conțin aluminiu metalic sub formă de pulbere fină. Adăugarea a 15% aluminiu la combustibil poate crește temperatura produselor de ardere cu o mie de grade (de la 2200 la 3200 K); Viteza de curgere a produselor de ardere din duza motorului crește, de asemenea, considerabil - principalul indicator de energie care determină eficiența combustibilului pentru rachete. În acest sens, doar litiul, beriliul și magneziul pot concura cu aluminiul, dar toate sunt mult mai scumpe decât aluminiul.

Compușii de aluminiu sunt, de asemenea, utilizați pe scară largă. Oxidul de aluminiu este un material refractar și abraziv (smirghel), o materie primă pentru producția de ceramică. De asemenea, este folosit pentru a face materiale cu laser, rulmenți pentru ceasuri și pietre de bijuterii (rubine artificiale). Oxidul de aluminiu calcinat este un adsorbant pentru purificarea gazelor și lichidelor și un catalizator pentru o serie de reacții organice. Clorura de aluminiu anhidru este un catalizator în sinteza organică (reacția Friedel-Crafts), materia primă pentru producerea de aluminiu de înaltă puritate. Sulfatul de aluminiu este folosit pentru purificarea apei; reactionand cu bicarbonatul de calciu pe care il contine:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O, formează fulgi de oxid-hidroxid care, depunându-se, captează și, de asemenea, sorb la suprafață pe cei din impurități în suspensie și chiar microorganisme în apă. În plus, sulfatul de aluminiu este folosit ca mordant pentru vopsirea țesăturilor, tăbăcirea pielii, conservarea lemnului și dimensionarea hârtiei. Aluminatul de calciu este o componentă a materialelor cimentare, inclusiv cimentul Portland. Granatul de ytriu aluminiu (YAG) YAlO 3 este un material laser. Nitrura de aluminiu este un material refractar pentru cuptoarele electrice. Zeoliții sintetici (aparțin aluminosilicaților) sunt adsorbanți în cromatografie și catalizatori. Compușii organoaluminiu (de exemplu, trietilaluminiu) sunt componente ale catalizatorilor Ziegler-Natta, care sunt utilizați pentru sinteza polimerilor, inclusiv cauciucul sintetic de înaltă calitate.

Ilya Leenson

Literatură:

Tihonov V.N. Chimia analitică a aluminiului. M., „Știință”, 1971
Biblioteca populară de elemente chimice. M., „Știință”, 1983
Craig N.C. Charles Martin Hall și metalul său. J.Chem.Educ. 1986, voi. 63, nr 7
Kumar V., Milewski L. Charles Martin Hall și Marea Revoluție a Aluminiului. J.Chem.Educ., 1987, voi. 64, nr 8