Оглавление 227 228 229 230 231 — — — 270 

Алюминий (Aluminium); ат. вес 26,98. Алюминий является самым распространенным металлом в природе. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 7,45 весовых процента. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы. Это сложная горная норода, содержащая глинозем (Аl2O3). К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунитK2SO4 • Al2 (SO4)3 • 2Аl2O3 • 6Н2O и нефелин Na2O • Al2O3 • 2SiO2.

СССР располагает огромными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, мощные месторождения которых имеются у нас на Урале, в Башкирской АССР, в Казахстане и других местах, богатейшим источником алюминия является нефелин, залегающий совместно с апатитом в Хибинах. Значительные залежи алюминиевого сырья имеются в Западной и Восточной Сибири.

Несмотря на широкое распространение в природе, алюминий до конца прошлого столетия принадлежал к числу редких металлов. Впервые он был получен Велером в 1827 г. действием металлического калия на хлористый алюминий. Затем до конца 80-х годов прошлого столетия алюминий получали путем выделения металлическим натрием из расплавленной двойной соли АlС3 • NaCl, что обходилось, конечно, очень дорого. В 50-х годах прошлого столетия 1 кг алюминия стоил еще около 500 руб.

Схема ванны для получения алюминия

Рис. 151. Схема ванны для получения алюминия:
1 — корпус ванны; 2 — анодная шина; 3 — тепловая изоляция; 4 — угольная набивка; 5 — катодная шина

С открытием электролитического способа получения алюминия (1886 г.) .и применением этого способа в заводском масштабе цена на алюминий стала быстро падать: перед мировой войной 1914—1918 гг. 1 кг алюминия стоил уже около 1 руб. В настоящее время алюминий получается в громадных количествах электролизом окиси алюминия, растворенной в расплавленном криолите.

На рис. 151 схематично изображена установка, служащая для получения алюминия. Она состоит из железного ящика (ванны), выложенного изнутри графитом или плитами из спрессованного угля, которые являются катодом при электролизе. Анодом служат несколько угольных пластин, соединенных общей оправой. Ящик наполняют смесью чистой окиси алюминия и криолита. Прибавление криолита необходимо для понижения температуры плавления, так как окись алюминия очень тугоплавка. При включении тока криолит плавится и растворяет в себе окись алюминия, которая и подвергается электролизу. Процесс ведется при температуре около 1000°, силе тока около 35 000 ампер и среднем напряжении 4—5 вольт. На катоде выделяется алюминий, а на аноде кислород. Выделяющийся алюминий собирается на дне ванны, откуда его время от времени выпускают. По мере выделения алюминия в расплав добавляют новые порции окиси алюминия.

Месторождения криолита, этого очень важного для алюминиевой промышленности минерала, встречаются очень редко. Большие количества его имеются только в Гренландии. Поэтому обычно криолит получают искусственным путем — взаимодействием гидрата окиси алюминия с плавиковой кислотой и последующей нейтрализацией кислого раствора содой.

Чистую окись алюминия получают переработкой природного боксита. Необходимость применения чистой окиси алюминия вызывается тем, что очистка выплавленного алюминия весьма трудна; поэтому для получения чистого металла предпочитают очищать исходные материалы.

Интересны темпы роста алюминиевой промышленности. Мировая добыча алюминия, которая в 1900 г. составляла всего 10 тыс. т. в 1938 г. достигла 567 тыс. т, а в период второй мировой войны только в капиталистических странах производилось около 1 ;млн. т алюминия в год. Бывший еще недавно очень редким, алюминий по масштабам производства и потребления занял в настоящее время среди металлов одно из первых мест. В 1957 г. выплавка алюминия в капиталистических странах составила 2,7 млн. т.

В дореволюционной России алюминий не производился, и в годы первой мировой войны этот металл ввозился из других стран. Так, в 1915 г. было ввезено около 5 тыс. т алюминия.

Первый алюминиевый завод в СССР (Волховский) был пущен в 1932 г. Через два года после этого вступил в строй второй завод (Днепровский), а уже в 1935 г. наша страна заняла по размерам производства алюминия третье место в мире. В последующие годы алюминиевая промышленность продолжала бурно развиваться. В 1955 г. выплавка алюминия возросла по сравнению с выплавкой 1950 г. в 2,8 раза, а в 1965 г. производство намечено увеличить в 2,8—3 раза по сравнению с 1958 г.

Первое время после открытия электролитического способа получения алюминия производство его опиралось исключительно на данные практики. Научные основы этого процесса были со-зданы лишь в начале 10-х годов нынешнего столетия. Большую роль в развитии теории электрометаллургии алюминия сыграли работы П. П. Федотьева и его учеников.

Алюминий представляет собой серебристо-белый легкий металл уд. веса 2,7, плавящийся при 660,1°. Он обладает большой тягучестью и сопротивлением разрыву, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.

При обыкновенной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что быстро покрывается тонким плотным слоем окиси, предохраняющим металл от дальнейшего окисления. Уничтожение этого слоя, например путем амальгамирования алюминия, вызывает быстрое окисление металла, сопровождающееся довольно сильным разогреванием .

Нормальный потенциал алюминия равен —1,66 вольта. Несмотря на это, алюминий вследствие образования на его поверхности плотного, чрезвычайно трудно растворимого слоя гидроокиси алюминия не вытесняет водород из воды . Амальгамированный алюминий энергично взаимодействует с водой с выделением водорода.

Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий, особенно при нагревании. Так же легко растворяется алюминий и в щелочах с образованием алюминатов — соединений, аналогичных цинкатам, содержащих анион [Аl(ОН)4]Напротив, холодная азотная кислота не только не растворяет алюминий, но делает его «пассивным», после чего он не растворяется и в разбавленных серной и соляной кислотах.

Если порошок алюминия (или тонкую алюминиевую фольгу) сильно нагреть, то он воспламеняется и сгорает ослепительным белым пламенем, образуя окись алюминия. Горение происходит чрезвычайно быстро; например, тонкий листок алюминия сгорает в 0,01 сек.

Ввиду своей легкости и сравнительной устойчивости в отношении коррозии алюминий получил чрезвычайно щирокое применение. Главными потребителями его являются авиа- и автопромышленность, где алюминий применяется в виде различных легких сплавов. Прибавка небольших количеств других металлов, не изменяя сколько-нибудь значительно веса алюминия, очень повышает его прочность.

Наиболее важным из сплавов алюминия является дур ал коми н, содержащий около 95% алюминия, 4% меди, 0,5% магния и 0,5% марганца. Большое распространение получили также магналий (сплав,. содержащий до 12% магния) и силумин (сплав алюминия и кремния) В электротехнической промышленности алюминий постепенно вытесняет медь как материал для проводов. Хотя электропроводность алюминия составляет около 60% электропроводности меди, но это понижение компенсируется легкостью алюминия, позволяющей делать провода более толстыми: при одинаковой электропроводности алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

Очень важным является применение алюминия для так называемого алитирования, заключающегося в насыщении поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании.

Алитирование производится или путем погружения изделия в расплавленный алюминий или, чаще, путем нагревания изделия в смеси порошкообразного алюминия с окисью алюминия. При нагревании алюминий проникает в поверхностный слой изделия, образуя с железом твердый раствор. Алитированные стальные изделия выдерживают нагревание на воздухе до 900°, не подвергаясь окислению.

Отметим еще применение алюминия для устройства простейших выпрямителей переменного тока. Выпрямитель составляется из алюминиевого и железного (или свинцового) электродов, погруженных в раствор соды. Такой прибор пропускает ток только в одном направлении, при котором алюминий является катодом. Если включить алюминиевый выпрямитель в цепь переменного тока, то получается пульсирующий ток постоянного направления.

В виде тонкого порошка алюминий применяется в качестве краски для покрытия железа, хорошо предохраняющей его от коррозии, в качестве литографской краски, а также для составления некоторых взрывчатых смесей типа аммоналов .Грубозернистый порошок алюминия применяется для восстановления многих металлов, , для осветительных ракет и для изготовления термита. Тонкая алюминиевая фольга служит для упаковки шоколада, конфет и других кондитерских изделий. Наконец, общеизвестно широкое применение алюминия для изготовления различных предметов домашнего обихода: кастрюль, ложек и т. п.

Алюминий образует только один окисел Al2O3 и во всех своих соединениях трехвалентен.

Окись алюминия Аl2O3, называемая также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. По твердости корунд занимает второе место после алмаза. Прозрачные кристаллы корунда, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — р у-бин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя глинозем в’ электрической печи. Они идут не столько для украшений, сколько для технических целей, например: для изготовления деталей точных приборов, для камней в часах и т. п. Из непрозрачных кристаллов корунда, содержащих большое количество примесей, состоит обыкновенный наждак.

Гидрат окиси алюминия Аl(ОН)3 выпадает в виде студенистого осадка при действии щелочей на растворы алюминиевых солей и легко переходит в коллоидное состояние. При нагревании Аl(ОН)3 постепенно теряет воду, образуя более бедные водой гидраты, например:

Гидрат окиси алюминия Аl(ОН)3

Гидрат окиси алюминия—типичная амфотерная гидроокись. С кислотами она образует соли, содержащие гидратированный ион алюминия [Аl(Н2O)6]••• со щелочами — соли, содержащие анион [Аl(ОН)4]’ и называемые алюмината ми (например, Na[Al(ОН)4]. Последние раньше рассматривались как соли мета-алюминиевой кислоты НАlO2. В соответствии с этим формула алюмината натрия изображалась следующим образом: NaAlO2.

Реакция образования алюмината может быть выражена уравнением:

Аl(ОН)3 + NaOH = Na[Al(OH)4] Al(OH)3 + OH’ = [Al(OH)4]’

Алюминаты получаются также при растворении металлического алюминия в щелочах:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Реакция протекает аналогично растворению цинка в щелочах.

Соли, содержащие ионы Аl•••, в водных растворах сильно ги-ролизованы и показывают кислую реакцию:

АlСl3 + Н2O ⇄ АlOНСl2 + НСl

или

Аl••• + Н2O ⇄ AlOH•• + H

Если раствор алюминиевой соли подвергнуть диализу, то благодаря постепенному удалению кислоты можно разложить всю соль. Выделяющийся гидрат окиси алюминия переходит при этом в коллоидный раствор.

Со слабыми кислотами гидрат окиси алюминия или образует основные соли или совсем не дает солей. Так, например, при действии раствора соды на раствор алюминиевой соли вместо карбоната алюминия получается гидрат окиси алюминия:

2Аl••• + 3СO3» + 3Н2O = 12Аl(OН)3 + 3СO2

Течение реакции можно представить себе следующим образом. Вследствие гидролиза в водных растворах алюминиевых солей устанавливается равновесие:

2Аl••• + 6Н2О⇄2АL(ОН)3 + 6Н

В свою очередь в растворе соды по той же причине имеется равновесие:

3CO3» + 3H2O ⇄ 3HCO3‘ + 3OH’

При сливании растворов ионы Н связываются с ионами ОН’ и НСО3‘ в молекулы воды и угольной кислоты. Молекулы же угольной кислоты разлагаются на воду и углекислый газ. Благодаря этому оба равновесия непрерывно смещаются вправо ,и в конце концов весь алюминий выпадает в осадок в виде Аl(ОН)3.

Из солей алюминия необходимо отметить следующие:

1. Хлорид алюминия, или хлористый алюминий, АlСl3. Безводный хлорид алюминия получается прямым действием хлора на алюминий. Он широко применяется в качестве катализатора при различных органических синтезах. В воде хлорид алюминия растворяется с выделением большого количества тепла. При выпаривании раствора происходит гидролиз, выделяется хлористый водород и получается гидрат окиси алюминия. Если выпаривание вести в присутствии избытка соляной кислоты, то можно получить кристаллы состава АlСl32О.

2. Сульфат алюминия Al2(SO4)3 • 18Н2O получается при действии горячей серной кислоты на глинозем или на чистую глину (каолин). Применяется для очистки воды , а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

3. Алюминиевые квасцы KAl(SO4)2 • 12Н2O— наиболее важная в техническом отношении соль алюминия. Применяется в больших количествах для дубления кож и в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие ее основано на том, что образующийся вследствие гидролиза Аl(OН)3 отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсорбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

4. Ультрамарин представляет собой общеизвестную синюю краску, которая в виде порошка употребляется в качестве «синьки» для белья. По химическому составу — это продукт присоединения Na2S3 к алюмосиликату Na2Al2Si2O3. Получается путем нагревания смеси каолина, серы и соды с небольшим количеством сахара.

228 229 230

Вы читаете, статья на тему Алюминий (Aluminium)