АЛЮМИНИЙ (Aluminium; от лат. alumen (aluminis) — квасцы], Al — хим. элемент III группы периодической системы элементов; ат. н. 13,ат. м. 26,98154. Серебристо-белый металл, при обычных условиях покрыт тонкой окисной пленкой. Во всех  устойчивых   соединениях   алюминий трехвалентен, но при высоких т-рах может быть одновалентным (образуя субсоединения) и, значительно реже, двухвалентным. Состоит из стабильного изотопа 27Al . Впервые алюминий в свободном виде выделил в 1825 датский ученый X. К. Эрстед. Первый пром. способ произ-ва А. предложил в 1854 франц. химик А. Э. Сент-Клер Девиль.
АлюминийПо распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов. Его содержание в земной коре составляет 8,8%. В свободном состоянии в природе не встречается из-за высокой хим. активности. Главная масса алюминия сосредоточена в боксит, нефелин, алунит, каолин и др. Наиболее ценная алюминиевая руда — бокситы, где содержится около 50% окиси алюминия. Кристаллическая решетка алюминия гранецентрированная кубическая с периодом а = 4.0414А (т-ра 20° С), плотность (т-ра 20° С) 2,7 г/см³, tпл 660° С, tкип 2327° С, температурный коэфф. линейного расширения (т-ра 25° С) 24,3 X  10-6 град-1, удельная теплопроводность (т-ра 20° С) 0,538 кал/см • сек • град, удельная теплоемкость (т-ра 20° С) 0,215 кал/г, удельное электрическое сопротивление (т-ра 20° С) 2,66•10-6 ом • см, электрическое сопротивление проводникового алюминия не более 0,028 ом • мм2/м, температурный ко-эфф. электрического сопротивления А.— 0,004 градˉ¹. А. слабо парамагнитен. Отличается пластичностью, легко поддается прессованию, прокатке, ковке, штампованию и волочению.
Предел прочности на растяжение 8—10 кгс/мм2, предел текучести при растяжении 3 кгс/мм2, относительное удлинение 35 %, относительное сужение 80 %, твердость по Бринеллю 25, модуль норм, упругости 7100 кгс/мм2, модуль сдвига 2600 кгс/мм2. После холодной прокатки предел прочности возрастает до 18—25 кгс/мм2, твердость по Бринеллю — до 45 —60, относительное удлинение уменьшается до 3—5%. Алюминий отличается высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов — после серебра, меди и золота).
Примеси и легирующие добавки снижают электропроводность алюминия, особенно марганец, ванадий, хром и титан, в меньшей степени — никель, кремний, цинк, железо и медь. Так, электропроводность алюминия чистотой 99,997% составляет 65,5% электропроводности меди, а электропроводность А. чистотой 99,5% снижается до 62,5%. Алюминий относится к химически активным металлам. На воздухе быстро покрывается тонкой прочной окисной пленкой толщиной 50—100 А, защищающей   от   дальнейшего   окисления.
Пленка имеет высокое электр. сопротивление   (напряжение   пробоя превышает 500 в) и, в отличие от органических изоляторов, выдерживает высокие т-ры. Алюминий образует соединения почти со всеми элементами, растворяется  в к-тах и щелочах. Однако он может успешно использоваться в коррозионных средах,  в к-рых поверхностная защитная пленка окиси алюминия нерастворима. Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью в воде, в том числе кипящей и морской. Он устойчив в уксусной, лимонной, винной и др. органических к-тах.
Алюминий практически не взаимодействует с концентрированной азотной к-той, мн. органическими веществами   и   пищевыми  продуктами, Быстро растворяется в растворах едких щелочей (образуя алюминаты), соляной, плавиковой и бромистоводородной к-тах. Слабо взаимодействует с борной к-той. При обычных т-рах не взаимодействует с водой, парами воды, окисью и двуокисью углерода; при достаточно высоких т-рах способен реагировать с ними.  А. устойчив в растворах сернокислых нейтральных солей магния, натрия, а также гипосульфита. Мало влияют на А. сернистый газ, аммиак и сероводород.
Добавление к воде щелочей, солей, ртути, меди и ионов хлора увеличивает его  коррозию.  Водород растворяется в твердом алюминии, с повышением    т-ры   растворимость увеличивается (при т-ре 350° С она составляет 0,002   см3/100 г, а при т-ре 660° С — 0,036 см3/100 г). Компактный А. в среде азота покрывается тонкой пленкой нитрида. С галогенами, серой и фосфором А. взаимодействует при высоких т-рах. С более электроположительными элементами образует алюминиды. При нагревании алюминий восстанавливает большинство   окислов    др.   металлов, что используется в  алюмотермии. Производство алюминия заключается в получении окиси алюминия из алюминиевых   руд   щелочным,   кислотным, электротермическим или комбинированными способами, получении первичного металла электролизом окиси алюминия (в спец. аппаратах — электролизерах),    растворенной   в расплавленном криолите при т-ре около 950° С, и рафинировании этого металла.
Небольшие добавки фторидов кальция, магния и   натрия улучшают физико-хим. св-ва электролита,    повышая    эффективность электролизеров. Макс, содержание окиси алюминия в электролите — 6—8%.
В производстве используют электролизеры с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым или верхним подводом тока, электролизеры с обожженными анодами. Катодом служит подина ванны, анодом — погруженные   в   электролит угольные  обожженные  блоки или набивные самообжигающиеся электроды. Ванну эксплуатируют  при напряжении 4,0—4,5 в. Сила тока, подводимая   к   электролизерам,— 130—160 ка. Плотность тока на аноде 0,7—0,8  а/см², на катоде 0,4—0,5а/см².. Расход электроэнергии на произ-во 1mA. составляет 14 000— 15000квт-ч. Черновой алюминий содержит примеси от к-рых его очищают продуванием расплава хлором при т-ре 750—770 С в течение 10—15 мин, после чего разливают в чушки.
Чистоте первичного А, 99,7—99,5%. Перспективен хлоридный способ получения алюминия позволяющий уменьшить затраты энергии и слизать загрязнение окружающей среды. В зависимости от способа получения и хим. состава различают: Алюминий особой чистоты, А. высокой чистоты и А. технической чистоты. А. особой чистоты (марки А999) содержит не более 0,001% примесей. Получают его зонной плавкой и дистилляцией через субгалогениды электролитически рафинированного металла. Для более глубокой очистки эти способы   комбинируют.   Применяется для научно-исследовательских целей, в полупроводниковой и ядерной технике. Алюминий высокой  чисто-т ы (марок А995, А99, А97, А95) содержит от 0,005 до 0,05% примесей.
Получают алюминий из первичного металла технической чистоты дополнительным рафинированием по трехелойному способу, снижающему содержание примесей железа, кремния, титана, меди и др. Используется в основном при произ-ве специальной хим. аппаратуры, электр. конденсаторов и др. Алюминий технической  чистоты    (марок А85, А8, А7, А6, А5, АО, А и АЕ) содержит от 0,15 до 1,00% примесей. А. марок А85 и А8 применяют для  произ-ва   алюминиевого прока та, А. ма рок А 7, А6 и А5 — для получения алюминиевых сплавов, фольги, произ-ва кабельных  и токопроводящих  изделий, алюминиевого порошка, для плакирования и пр.
Для изготовления сплавов на алюминиевой и др. основах, спец. лигатур, кабельных и токопроводящих изделии применяют металл марки ДО, для подших-товки алюминиевых сплавов, изготовления лигатур, в алюмотер-мни — металл марки А, для произ-ва алюминиевой катанки — металл марки АЕ. А. высокой и технической чистоты выпускают в чушках массой 5; 15 и 1000 кг. Осн. виды алюминиевых     полуфабрикатов — листы, проволока и полосы.
Поставляют полуфабрикаты и изделия в горячекатаном,   нагартованном   и отожженном состоянии. Малая плотность металла, высокая электропроводность, достаточная механическая прочность и высокая коррозионная стойкость по отношению к некоторым хим. реагентам, а также низкая   себестоимость   обусловливают широкое применение А. в различных областях техники.
Относительно низкое сечение поглощения тепловых нейтронов, малая чувствительность структуры и мех. св-в к радиационному воздействию, а также значительная коррозионная стойкость в некоторых    средах-теплоносителях позволяют использовать А. как конструкционный материал ядерных реакторов, гл. обр. с водяным охлаждением. А. применяют также  для изготовления   защитных   оболочек тепловыделяющих элементов, трубопроводов. Алюминий служит основой для алюминия    сплавов,    легирующим элементом в магниевых, цинковых, медных, титановых и других сплавах.
На основе алюминия методом порошковой металлургии созданы спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся высокой жаропрочностью. А. используют для раскисления стали, получения некоторых металлов  методом алюмотермии, взрывчатых веществ, а также в композиционных материалах на различной основе. См. также Алюминиевая бронза, Алюминиевая латунь. Алюминиевый чугун, Алюми-нирование, Алитирование.
Природный алюминий — это стабильный изотоп  27Al
Несколько радиоактивных изотопов алюминия получены искусственно , из них … применяется как меченый атом .
По распространённости в литосфере алюминий занимает первое место среди металлов и общее третье место ( после кислорода и кремния ) . в следствие большой химической активности он не встречается в свободном состоянии .
Важные руды алюминия — бокситы Al2O3 · nH2O ( содержащего 32 — 60% Al2O3 ) , алунит K2SO4 · Al2( SO4 )3  · 2Al2O3 · 6H2O , каолин Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O , нефелин Na2O · Al2O3 · 2SiO2 , залегающий совместно с апатитом .
Алюминий входит также в состав многочисленных полевых шпатов : ортоклаза K[AlSiO8] , альбита Na[AlSi3O8] , цеолита , слюда и др .
Сложность получения алюминия обусловливается тем , что оксид алюминия не проводит электрический ток и отличается высокой температурой плавления 2050°C . Поэтому электролизу подвергают расплавленную смесь , содержащую 6 — 8% Al2O3 и 92 — 94%  криолита Na3[AlF6] . Кроме того , в расплав добавляют фториды кальция , магния или алюминия для понижения температуры плавления электролита и улучшения хода процесса . В результате всего этого удаётся вести процесс при температуре  960°C . Дно электролизёра , собранное из блоков спрессованного угля , служит катодом . Алюминиевые каркасы , расположенные сверху и заполненные угольными брикетами , играют роль анодов :
 
Al2O3 Al³+ AlO3³ˉ 
 
На катоде выделяется металлический алюминий :
 
Al³+ 3eˉ = Al
 
а на аноде газообразный кислород :
 
2AlO — 6e = ³/2O2+ Al2O3
 
По мере накопления на дне электролизёра расплавленного алюминия его выпускают , а расплав добавляют новые порции полутораокиси алюминия . Выделяющийся кислород взаимодействует с углём анода , который выгорает с выделением окиси и двуокиси углерода .
 
Металлические свойства выражены у алюминия гораздо сильнее , чем у бора , но химические связи алюминия с другими металлами ещё в основном ковалентного характера .
В отличие от бора атом алюминия имеет свободные d- подуровни на внешнем электронном уровне .
Кроме того, ион Al³  отличается небольшим радиусом при довольно высоком заряде и поэтому является комплексообразователем с координационными числами четыре ( как у бора ) и шесть .
Химически чистый алюминий — серебристо- белый металл плотность 2,7 г / см³ c температурой плавления 660,1°C , имеет гранецентрированную кубическую решетку , отличается хорошей пластичностью в холодном и горячем состояниях .
Алюминий — активный металл с большим сродством к кислороду . На воздухе быстро покрывается защитной оксидной плёнкой , а в воде — защитной плёнкой гидроксида . Разрушение защитной плёнки ( путём амальгамации ) приводит к быстрой коррозии алюминия на воздухе и к активному взаимодействию его с водой :
 
2Al + 6H2O = 2Al( OH )3 +3H2
Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий , но в разбавленных серной кислоте и соляной кислоте он легко растворяется :
 
2Al + 3H2SO4 = Al2( SO4 )  + 3H2
 
С водными растворами щелочей алюминий взаимодействует , образуя тетрагидроксодиаквааюминат :
 
2Al + 2NaOH + 10H2O = 2Na[Al( OH )4( H2O )2] + 3H2
 
но могут получатся и гидроксоалюминаты Na[Al( OH )5] или Na3[Al( OH )6] .
Взаимодействие с галогенами при обычной температуре , алюминий образует галиды — летучие и гигроскопичные вещества , дымящие на воздухе вследствие гидролиза :
 
AlCl3 + H2O   AlOHHCl2 + HCl
 
Непосредственная реакция с неметаллами , алюминий образует нитрид AlN ( при 800°C ) , сульфид Al2S3 ( при 1000°C ) , карбид Al4C3 ( при 2000°C ) . С водородом алюминий не реагирует , а полимерный гидрид его ( AlH3 )n получают косвенным путём .
Оксид Al2O3 — единственный для алюминия — может получен при нагревании на воздухе мелкораздробленного металла или алюминиевой фольги :
 
2Al +³/2 O2 = Al2O3
 
Это белое тугоплавкое , нерастворимое в воде вещество . Встречается в виде минерала корунда , занимающего по плотности 2 место после алмаза . Прозрачные кристаллы корунда бывают окрашены в красный или синий цвет ( рубин и сапфир ) . В настоящее время рубины получают искусственно для технических целей . Кристаллы рубинов приобрели значение как квантовые усилители ( генераторы ) электромагнитных излучений ; усилителями радиоволн называют мазерами , а усилителями световых волн — лазерами .
Непрозрачные , содержащие много примесей кристаллы корунда , известны как наждак , применяемый для шлифовки и обработки металлов .
Оксид алюминия амфотерен . При сплавлении его с едкими щелочами получаются соли мета алюминиевой кислоты HAlO2  например мета алюминат калия :
 
Al2O3 + 2KOH = 2KAlO2 + H2O
 
Он взаимодействует и с кислотами :
 
Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
 
Но сильно прокаленный оксид алюминия не растворяется ни в кислотах , ни в щелочах .
Измельченный и активированный метаалюминатом натрия оксид алюминия используют как минеральный ионообменник под названием ( окись алюминия для хроматографии )
Гидроксид алюминия Al( OH )3 осаждают , действуя щелочами на растворы солей :
 
AlCl3 + 3NaOH = Al( OH )3 + 3NaCl
 
Белый студенистый осадок гидроксида алюминия растворяется в кислотах :
 
Al( OH )3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O
 
Растворяется в избытке растворов щелочей :
 
Al( OH )3 + NaOH = Na[Al( OH )4]
 
то есть проявляет амфотерность .
Формула Na[Al( OH )4] не вполне соответствует составу продукта реакции , в действительности у алюминия координационное число равно шести и получается тетрагидрооксодиакваалюминат натрия :
 
Al( OH )3 + OH + 2H2O = [Al( OH )4( H2O )2]
 
Но при сплавлении со щелочами гидроксид алюминия образует соли метаалюминиевой или ортоалюминиевой кислот :
 
Al( OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O
 
или ортоалминат натрия :
 
Al( OH )3 + 3NaOH = Na3AlO3 + 3H2O
 
У гидроксида алюминия основные и кислотные свойства выражены приблизительно одинаково .
Соли алюминия хорошо растворимы в воде , легко гидролизуются и некоторые из них ( Al2S3 ) то есть на основание и кислоту .
Хлорид алюминия AlCl3 известен как катализатор в органическом синтезе .
Сульфат алюминия Al2( SO4 )3 · 18H2O применяется для очистки природных вод от коллоидных частиц , которые захватываются гидроксидом алюминия , образующимся при гидролизе соли .
Сульфат калия — алюминия ( алюмокалиевые квасцы ) KAl( SO4 )2 · 12H2O применяется в кожевенной промышленности , служит протравой при крашении хлопчатобумажных тканей .
 
Применение
Малая плотность , пластичность и устойчивость к коррозии обеспечили алюминию применение в авиа — и автопромышленности . Он входит в состав лёгких сплавов : дуралюмина ( сплав алюминия , меди , магния и марганца ) , силумина ( сплава алюминия и кремния ) и некоторых других . Из алюминиевых сплавов изготовляют корпуса искусственных спутников Земли и космических кораблей .
В электротехнике алюминий заменил медь как материал для изготовления проводов . Используется как восстановитель при выплавке металлов ( алюминотермия ) :
 
Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3
 
Алюминотермию , открыл Н.Н. Бекетовым в 1859 г. применяют и для сварки металлических деталей . При этом смесь порошкообразных алюминия и оксида железа ( II , III ) Fe3O4 называемую термитом :
 
8Al + 3Fe3O4 = 9Fe + 4Al2O3
 
в результате реакции развивается температура около 3000°C , получившееся железо плавится , стекая вниз и сваривает детали .
Помимо технического алюминий имеет также большое биологическое значение . Низкие концентрации ионов алюминия стимулируют некоторые процессы жизнедеятельности растений , например прорастание семян . Но более высокие концентрации ( > 2 мг/л раствора ) , снижают интенсивность фотосинтеза , нарушают фосфорный обмен , задерживают рост корневой системы .
Присутствие катионов Al в почве отчасти обусловливает вредную для растений обменную кислотность почвенного раствора . Ионы алюминия обычно поглощаются почвенными коллоидами , но под действием нейтральных солей ( например , хлорид калия ) они вытесняются из почвенного поглощающего комплекса .
В результате катионообменного процесса ионы алюминия переходят в почвенный раствор . Получившаяся при этом соль гидролизуется :
 
AlCl3 + H2O HCl + Al( OH )Cl2
 
В результате гидролиза происходит нежелательное повышение концентрации водородных ионов в почвенном растворе ( понижение величины pH ) .
 
Вы читаете, статья на тему алюминий