CO TO JEST ALUMINIUM?

Lekkie, trwałe, odporne na korozję i funkcjonalne - to połączenie cech, które uczyniły aluminium głównym materiałem konstrukcyjnym naszych czasów. Aluminium znajduje się w domach, w których mieszkamy, samochodach, pociągach i samolotach, którymi podróżujemy, telefonach komórkowych i komputerach, półkach lodówek i nowoczesnych wnętrzach. Ale jeszcze 200 lat temu niewiele wiedziano o tym metalu.

„To, co przez wieki wydawało się niemożliwe do zrealizowania, co wczoraj było tylko odważnym marzeniem, dziś staje się prawdziwym zadaniem, a jutro osiągnięciem”.

Siergiej Pawłowicz Korolew
naukowiec, projektant, twórca praktycznej astronautyki

Aluminium - srebrno-biały metal, 13. element układ okresowy pierwiastków Mendelejew. Niewiarygodne, ale prawdziwe: aluminium jest najpopularniejszym metalem na Ziemi, stanowi ponad 8% całkowitej masy skorupa Ziemska, i jest trzecim najliczniej występującym pierwiastkiem chemicznym na naszej planecie po tlenie i krzemie.

Jednocześnie aluminium nie występuje w naturze w czystej postaci ze względu na jego wysoką aktywność chemiczną. Dlatego dowiedzieliśmy się o tym stosunkowo niedawno. Formalnie aluminium pozyskano dopiero w 1824 roku, a do rozpoczęcia jego produkcji przemysłowej minęło kolejne pół wieku.

Aluminium najczęściej występuje w składzie w naturze ałun. Są to minerały, które łączą dwie sole kwasu siarkowego: jedną na bazie metalu alkalicznego (lit, sód, potas, rubid lub cez), a drugą na bazie metalu trzeciej grupy układu okresowego pierwiastków, głównie glinu.

Ałun jest nadal używany do uzdatniania wody, w gotowaniu, medycynie, kosmetologii, w przemyśle chemicznym i innych. Nawiasem mówiąc, aluminium otrzymało swoją nazwę właśnie dzięki ałunu, który po łacinie nazywano alumnem.

korund

Rubiny, szafiry, szmaragdy i akwamaryn to minerały aluminium.
Pierwsze dwa dotyczą korundu - jest to tlenek glinu (Al 2 O 3) w postaci krystalicznej. Ma naturalną przezroczystość, a pod względem wytrzymałości ustępuje tylko diamentom. Szkło kuloodporne, iluminatory w samolotach, ekrany smartfonów wykonane są z szafiru.
I jeden z mniej wartościowych minerałów korundowych - szmergiel służy jako materiał ścierny, w tym do tworzenia papieru ściernego.

Do tej pory prawie 300 różne połączenia i minerały aluminium – od skalenia, który jest głównym minerałem skałotwórczym na Ziemi, po rubin, szafir czy szmaragd, które nie są już tak powszechne.

Hans Christian Oersted(1777-1851) - duński fizyk, członek honorowy Akademii Nauk w Petersburgu (1830). Urodził się w mieście Rudkörbing w rodzinie farmaceuty. W 1797 ukończył Uniwersytet w Kopenhadze, w 1806 został profesorem.

Ale bez względu na to, jak powszechne było aluminium, jego odkrycie stało się możliwe dopiero wtedy, gdy do dyspozycji naukowców pojawiło się nowe narzędzie, które pozwala im dzielić złożone substancje na proste - Elektryczność .

W 1824 roku duński fizyk Hans Christian Oersted uzyskał aluminium w procesie elektrolizy. Był zanieczyszczony zanieczyszczeniami potasu i rtęci biorącymi udział w reakcje chemiczne był to jednak pierwszy przypadek pozyskania aluminium.

Aluminium jest nadal produkowane przy użyciu elektrolizy.

Surowcem do produkcji aluminium jest dziś kolejna ruda aluminium powszechna w przyrodzie - boksyty. Jest to skała gliniasta, składająca się z różnych modyfikacji wodorotlenku glinu z domieszką tlenków żelaza, krzemu, tytanu, siarki, galu, chromu, wanadu, soli węglanowych wapnia, żelaza i magnezu - prawie połowa układu okresowego. Z 4-5 ton boksytu wytwarza się średnio 1 tonę aluminium.

boksyty

Boksyt został odkryty w 1821 roku przez geologa Pierre'a Berthiera w południowej Francji. Rasa otrzymała swoją nazwę na cześć miejscowości Les Baux, gdzie została znaleziona. Około 90% światowych rezerw boksytów koncentruje się w krajach strefy tropikalnej i subtropikalnej - w Gwinei, Australii, Wietnamie, Brazylii, Indiach i Jamajce.

Otrzymywany z boksytu glinka. Jest to tlenek glinu Al 2 O 3 , który ma postać białego proszku iz którego w procesie elektrolizy w hutach aluminium wytwarzany jest metal.

Produkcja aluminium wymaga ogromne ilości Elektryczność. Do wyprodukowania jednej tony metalu potrzeba około 15 MWh energii – tyle przez cały miesiąc zużywa 100-mieszkaniowy budynek, dlatego najrozsądniej jest budować huty aluminium w pobliżu potężnych i odnawialnych źródeł energii. Bardzo optymalne rozwiązanie – elektrownie wodne, reprezentujący najpotężniejszy ze wszystkich rodzajów „zielonej energii”.

właściwości aluminium

Aluminium posiada rzadką kombinację cennych właściwości. Jest to jeden z najlżejszych metali w przyrodzie: jest prawie trzy razy lżejszy od żelaza, ale jednocześnie jest mocny, niezwykle plastyczny i nie ulega korozji, ponieważ jego powierzchnia jest zawsze pokryta najcieńszym, ale bardzo mocnym tlenkiem film. Nie jest magnetyczna, dobrze przewodzi prąd i tworzy stopy z prawie wszystkimi metalami.

Światło

Trzy razy lżejszy od żelaza

Trwały

Porównywalna wytrzymałością do stali

Plastikowy

Podatny na wszystkie rodzaje obróbki mechanicznej

Brak korozji

Cienka warstwa tlenku chroni przed korozją

Aluminium łatwo poddaje się obróbce ciśnieniowej, zarówno na gorąco, jak i na zimno. Nadaje się do walcowania, rysowania, tłoczenia. Aluminium nie pali się, nie wymaga specjalnego malowania i nie jest toksyczne, w przeciwieństwie do plastiku.

Plastyczność aluminium jest bardzo wysoka: można z niego wykonać arkusze o grubości do 4 mikronów i najcieńszy drut. Super chudy folia aluminiowa trzy razy cieńszy niż ludzki włos. Ponadto w porównaniu z innymi metalami i materiałami jest bardziej ekonomiczny.

Wysoka zdolność do tworzenia związków o różnych pierwiastki chemiczne zrodził wiele stopów aluminium. Nawet niewielka część zanieczyszczeń znacząco zmienia właściwości metalu i otwiera nowe obszary jego zastosowania. Na przykład połączenie aluminium z krzemem i magnezem w Życie codzienne można znaleźć dosłownie na drodze – w postaci odlewanych kół, silników, elementów podwozia i innych części współczesnego samochodu. A jeśli dodasz do Stop aluminium cynk, to może trzymasz go teraz w rękach, ponieważ to ten stop jest używany do produkcji etui telefony komórkowe i tabletki. Tymczasem naukowcy nadal wynajdują nowe i nowe stopy aluminium.
Zapasy aluminium
Około 75% aluminium wyprodukowanego w ciągu całego istnienia branży jest nadal w użyciu.

Obraz użyty w tym artykule © Shutterstock and © Rusala.

Aluminium i jego właściwości

Aluminium jest pierwiastkiem chemicznym trzeciej grupy D.I. Mendelejew.

Gatunki i skład chemiczny (%) aluminium pierwotnego (GOST 11069–74)

*Dla sumy tytanu, wanadu, chromu i manganu.

** Dopuszczalny jest udział masowy żelaza co najmniej 0,18%.

*** „E” - w gatunkach o gwarantowanych właściwościach elektrycznych.

Aluminium o czystości technicznej stosowane do produkcji półproduktów i produktów przez odkształcenie jest zawarte w GOST 4784-74

Skład chemiczny (%) aluminium technicznego

* B: 0,02%; Ti+V: 0,02%

**B: 0,05%; Ti+V: 0,02%

Gwarantowane właściwości mechaniczne (co najmniej) blach od AD0, AD1

ALUMINIUM, pierwiastek chemiczny III grupy układu okresowego, liczba atomowa 13, względna masa atomowa 26,98. W naturze reprezentowany jest tylko przez jeden stabilny nuklid 27 Al. Szereg radioaktywnych izotopów aluminium zostało sztucznie uzyskanych, najdłużej żyjący - 26 Al ma okres połowicznego rozpadu 720 tysięcy lat.

aluminium w przyrodzie. W skorupie ziemskiej jest dużo aluminium: 8,6% wagowo. Zajmuje pierwsze miejsce wśród wszystkich metali i trzecie wśród innych pierwiastków (po tlenie i krzemie). Aluminium jest dwa razy więcej niż żelaza i 350 razy więcej niż miedzi, cynku, chromu, cyny i ołowiu razem wziętych! Jak pisał ponad 100 lat temu w swoim klasycznym podręczniku Podstawy chemii DI. Mendelejew, ze wszystkich metali, „aluminium jest najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie; wystarczy wskazać, że jest to część gliny, aby ogólny rozkład glinu w skorupie ziemskiej był jasny. Aluminium lub metal ałunu (alumen) jest zatem inaczej nazywany gliną, która znajduje się w glinie.

Najważniejszym minerałem glinu jest boksyt, mieszanina zasadowego tlenku AlO(OH) i wodorotlenku Al(OH) 3 . Największe złoża boksytu znajdują się w Australii, Brazylii, Gwinei i Jamajce; produkcja przemysłowa prowadzona jest również w innych krajach. Alunit (kamień ałunowy) (Na, K) 2 SO 4 Al 2 (SO 4) 3 4Al (OH) 3, nefelin (Na, K) 2 O Al 2 O 3 2SiO 2 są również bogate w aluminium. W sumie znanych jest ponad 250 minerałów, w tym aluminium; większość z nich to glinokrzemiany, z których powstaje głównie skorupa ziemska. Kiedy są zwietrzałe, tworzy się glina, której podstawą jest mineralny kaolinit Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O. Zanieczyszczenia żelazne zwykle zabarwiają glinę na brązowo, ale zdarzają się też glinki białe - kaolin, z którego wykonuje się porcelanę i produkty fajansowe.

Sporadycznie odnajduje się wyjątkowo twardy (drugi po diamentach) mineralny korund - krystaliczny tlenek Al 2 O 3, często zabarwiony zanieczyszczeniami w różnych kolorach. Jej niebieska odmiana (domieszka tytanu i żelaza) nazywana jest szafirem, czerwona (domieszka chromu) to rubin. Różne zanieczyszczenia mogą zabarwić tzw. korund szlachetny również na zielono, żółto, pomarańczowo, fioletowo i inne kolory i odcienie.

Do niedawna uważano, że aluminium jako metal bardzo aktywny nie może występować w przyrodzie w stanie wolnym, jednak w 1978 roku w skałach Platformy Syberyjskiej odkryto aluminium rodzime - w postaci wąsów o długości zaledwie 0,5 mm (o grubości gwintu kilku mikrometrów). Rodzime aluminium znaleziono również w glebie księżycowej dostarczanej na Ziemię z regionów Mórz Kryzysów i Obfitości. Zakłada się, że metaliczne aluminium może powstawać przez kondensację z gazu. Wiadomo, że halogenki glinu - chlorek, bromek, fluorek - podgrzane, mogą łatwiej lub gorzej odparować (np. AlCl 3 sublimuje już w 180 ° C). Przy silnym wzroście temperatury halogenki glinu rozkładają się, przechodząc do stanu o niższej wartościowości metalu, na przykład AlCl. Gdy taki związek kondensuje ze spadkiem temperatury i brakiem tlenu, w fazie stałej zachodzi reakcja dysproporcjonowania: niektóre atomy glinu ulegają utlenieniu i przechodzą w zwykły stan trójwartościowy, a niektóre są redukowane. Aluminium jednowartościowe można zredukować tylko do metalu: 3AlCl  2Al + AlCl 3 . Założenie to potwierdza również włóknisty kształt rodzimych kryształów aluminium. Zazwyczaj kryształy o tej strukturze powstają w wyniku szybkiego wzrostu z fazy gazowej. Prawdopodobnie w podobny sposób powstały mikroskopijne bryłki aluminium w glebie księżycowej.

Nazwa aluminium pochodzi od łacińskiego alumen (rodzaj przypadku aluminis). Tzw. ałun, podwójny siarczan potasowo-glinowy KAl (SO 4) 2 12H 2 O), który stosowano jako zaprawę podczas barwienia tkanin. Prawdopodobnie łacińska nazwa pochodzi od greckiego „halme” - solanka, roztwór soli. Ciekawe, że w Anglii aluminium to aluminium, a w USA to aluminium.

W wielu popularnych książkach o chemii istnieje legenda, że ​​pewien wynalazca, którego historia nazwiska nie zachowała się, przyniósł cesarzowi Tyberiuszowi, który rządził Rzymem w 14-27 rne, miskę wykonaną z metalu przypominającego kolor srebrny, ale zapalniczka. Ten dar kosztował mistrza życie: Tyberiusz kazał go rozstrzelać i zniszczyć warsztat, ponieważ obawiał się, że nowy metal może zdewaluować srebro w cesarskim skarbcu.

Legenda ta oparta jest na historii Pliniusza Starszego, rzymskiego pisarza i uczonego, autora Historia naturalna- encyklopedie wiedzy przyrodniczej z czasów starożytnych. Według Pliniusza nowy metal uzyskano z „ziemi gliniastej”. Ale glina zawiera aluminium.

Współcześni autorzy prawie zawsze zastrzegają, że cała ta historia to nic innego jak piękna bajka. I nie jest to zaskakujące: aluminium w skałach jest niezwykle silnie związane z tlenem, a jego uwolnienie wymaga dużo energii. Ostatnio jednak pojawiły się nowe dane dotyczące fundamentalnej możliwości pozyskiwania metalicznego aluminium w starożytności. Jak wykazała analiza spektralna, dekoracje na grobie chińskiego dowódcy Zhou-Zhu, który zmarł na początku III wieku. AD, wykonane są ze stopu, który w 85% składa się z aluminium. Czy starożytni mogli uzyskać wolne aluminium? Wszystkie znane metody (elektroliza, redukcja metalicznym sodem lub potasem) są automatycznie eliminowane. Czy w starożytności można było znaleźć rodzime aluminium, takie jak na przykład bryłki złota, srebra, miedzi? To również jest wykluczone: rodzime aluminium jest najrzadszym minerałem, który występuje w znikomych ilościach, więc starożytni mistrzowie nie mogli znaleźć i zebrać takich bryłek w odpowiedniej ilości.

Możliwe jest jednak również inne wyjaśnienie historii Pliniusza. Aluminium można odzyskiwać z rud nie tylko za pomocą elektryczności i metali alkalicznych. Od czasów starożytnych istnieje dostępny i szeroko stosowany środek redukujący - jest to węgiel, za pomocą którego tlenki wielu metali są redukowane do wolnych metali po podgrzaniu. Pod koniec lat 70. niemieccy chemicy postanowili sprawdzić, czy aluminium można było wytwarzać w starożytności poprzez redukcję węglem. Podgrzali mieszaninę gliny z proszkiem węglowym i solą kuchenną lub potażu (węglanem potasu) w tyglu glinianym do czerwonego ciepła. Sól pozyskiwano z wody morskiej, a potas z popiołu roślinnego, aby używać tylko tych substancji i metod, które były dostępne w starożytności. Po jakimś czasie żużel z aluminiowymi kulkami unosił się na powierzchni tygla! Produkcja metalu była niewielka, ale możliwe, że w ten sposób starożytni metalurdzy mogli pozyskać „metal XX wieku”.

właściwości aluminium. Kolor czystego aluminium przypomina srebro, jest to bardzo lekki metal: jego gęstość to tylko 2,7 g/cm3. Lżejsze od aluminium są tylko metale alkaliczne i ziem alkalicznych (z wyjątkiem baru), beryl i magnez. Aluminium również łatwo się topi - w temperaturze 600°C (cienki drut aluminiowy można stopić na zwykłym palniku kuchennym), ale wrze dopiero w temperaturze 2452°C. Pod względem przewodności elektrycznej aluminium zajmuje 4 miejsce, ustępując tylko srebru (jest na pierwszym miejscu), miedź i złoto, co ze względu na taniość aluminium ma ogromne znaczenie praktyczne. Przewodność cieplna metali zmienia się w tej samej kolejności. Łatwo jest zweryfikować wysoką przewodność cieplną aluminium, zanurzając aluminiową łyżkę w gorącej herbacie. I jeszcze jedna niezwykła właściwość tego metalu: jego gładka, błyszcząca powierzchnia doskonale odbija światło: od 80 do 93% w widzialnym obszarze widma, w zależności od długości fali. W zakresie ultrafioletu aluminium nie ma sobie równych pod tym względem i tylko w obszarze czerwonym jest nieco gorsze od srebra (w ultrafiolecie srebro ma bardzo niski współczynnik odbicia).

Czyste aluminium jest raczej miękkim metalem - prawie trzy razy bardziej miękkim niż miedź, więc nawet stosunkowo grube aluminiowe płyty i pręty łatwo się zgina, ale gdy aluminium tworzy stopy (jest ich ogromna liczba), jego twardość może wzrosnąć dziesięciokrotnie.

Charakterystyczny stan utlenienia aluminium wynosi +3, ale ze względu na obecność niewypełnionego 3 R- i 3 d-orbitale atomy glinu mogą tworzyć dodatkowe wiązania donor-akceptor. Dlatego jon Al 3+ o małym promieniu jest bardzo podatny na tworzenie kompleksów, tworząc różne kompleksy kationowe i anionowe: AlCl 4 – , AlF 6 3– , 3+ , Al(OH) 4 – , Al(OH) 6 3 – , AlH 4 – i wiele innych. Znane są również kompleksy ze związkami organicznymi.

Aktywność chemiczna aluminium jest bardzo wysoka; w szeregu potencjałów elektrod jest tuż za magnezem. Na pierwszy rzut oka takie stwierdzenie może wydawać się dziwne: w końcu aluminiowa patelnia lub łyżka jest dość stabilna w powietrzu i nie zapada się we wrzącej wodzie. Aluminium w przeciwieństwie do żelaza nie rdzewieje. Okazuje się, że w powietrzu metal pokryty jest bezbarwną, cienką, ale mocną „zbroją” tlenku, która chroni metal przed utlenianiem. Tak więc, jeśli do płomienia palnika wprowadzi się gruby drut aluminiowy lub płytę o grubości 0,5–1 mm, metal topi się, ale aluminium nie płynie, ponieważ pozostaje w worku swojego tlenku. Jeśli pozbawisz aluminium folii ochronnej lub ją poluzujesz (na przykład przez zanurzenie w roztworze soli rtęci), aluminium natychmiast pokaże swoją prawdziwą istotę: już w temperaturze pokojowej zacznie energicznie reagować z wodą z uwolnieniem wodór: 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2. W powietrzu pozbawione warstwy ochronnej aluminium na naszych oczach zamienia się w sypki proszek tlenkowy: 2Al + 3O 2  2Al 2 O 3. Aluminium jest szczególnie aktywne w stanie drobno rozdrobnionym; pył aluminiowy, wdmuchnięty w płomień, natychmiast się wypala. Jeśli zmieszasz pył aluminiowy z nadtlenkiem sodu na płycie ceramicznej i dodasz do niej wodę, aluminium również zapali się i pali białym płomieniem.

Bardzo wysokie powinowactwo glinu do tlenu pozwala mu „odbierać” tlen z tlenków szeregu innych metali, odtwarzając je (metoda aluminotermiczna). Najbardziej znanym przykładem jest mieszanka termitowa, podczas spalania której wydziela się tak dużo ciepła, że ​​powstałe żelazo ulega stopieniu: 8Al + 3Fe 3 O 4  4Al 2 O 3 + 9Fe. Reakcja ta została odkryta w 1856 roku przez NN Beketova. W ten sposób można przywrócić metalom Fe 2 O 3 , CoO, NiO, MoO 3 , V 2 O 5 , SnO 2 , CuO oraz szereg innych tlenków. Podczas redukcji Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 za pomocą aluminium, ciepło reakcji nie wystarcza do ogrzania produktów reakcji powyżej ich temperatury topnienia.

Aluminium łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach mineralnych, tworząc sole. Stężony kwas azotowy, utleniając powierzchnię aluminium, przyczynia się do pogrubienia i utwardzenia filmu tlenkowego (tzw. pasywacja metalu). Obrobione w ten sposób aluminium nie reaguje nawet z kwasem solnym. Stosując elektrochemiczne utlenianie anodowe (anodowanie) na powierzchni aluminium można stworzyć grubą warstwę, którą można łatwo pomalować na różne kolory.

Wypieranie mniej aktywnych metali z roztworów soli przez aluminium jest często utrudnione przez warstwę ochronną na powierzchni aluminium. Ten film jest szybko niszczony przez chlorek miedzi, więc reakcja przebiega łatwo.

3CuCl2 + 2Al  2AlCl3 + 3Cu,

towarzyszy intensywny upał. W silnie alkalicznych roztworach aluminium łatwo rozpuszcza się z uwolnieniem wodoru:

2Al + 6NaOH + 6H 2 O  2Na 3 + 3H 2

(powstają również inne anionowe kompleksy hydrokso). Amfoteryczny charakter związków glinu przejawia się również w łatwym rozpuszczaniu się jego świeżo wytrąconego tlenku i wodorotlenku w alkaliach. Krystaliczny tlenek (korund) jest bardzo odporny na kwasy i zasady. Po połączeniu z alkaliami powstają bezwodne gliniany:

Al2O3 + 2NaOH  2NaAlO2 + H2O.

Glinian magnezu Mg (AlO 2) 2 to półszlachetny spinel, zwykle barwiony domieszkami w szerokiej gamie kolorów.

Aluminium gwałtownie reaguje z halogenami. Jeśli do probówki z 1 ml bromu wprowadzi się cienki drut aluminiowy, to po krótkim czasie aluminium zapala się i pali jasnym płomieniem. Reakcja mieszaniny proszków glinu i jodu jest inicjowana przez kroplę wody (woda z jodem tworzy kwas, który niszczy warstwę tlenku), po czym pojawia się jasny płomień z pałeczkami purpurowej oparów jodu. Halogenki glinu w roztworach wodnych są kwaśne w wyniku hydrolizy: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Reakcja aluminium z azotem zachodzi tylko powyżej 800 ° C z utworzeniem azotku AlN, z siarką w 200 ° C (powstaje siarczek Al 2 S 3), z fosforem w 500 ° C (powstaje fosforek AlP). Po wprowadzeniu boru do roztopionego aluminium powstają borki o składzie AIB2 i AIB12 - związki ogniotrwałe odporne na działanie kwasów. Wodorek (AlH) x (x = 1,2) powstaje tylko w próżni w niskich temperaturach w reakcji atomowego wodoru z parami aluminium. Wodorek AlH 3 stabilny przy braku wilgoci w temperaturze pokojowej otrzymuje się w bezwodnym roztworze eterowym: AlCl 3 + LiH  AlH 3 + 3LiCl. Z nadmiarem LiH powstaje wodorotlenek litowo-glinowy LiAlH 4 - bardzo silny reduktor stosowany w syntezie organicznej. Natychmiast rozkłada się z wodą: LiAlH 4 + 4H 2 O  LiOH + Al (OH) 3 + 4H 2.

Zdobycie aluminium. Udokumentowane odkrycie glinu miało miejsce w 1825 roku. Duński fizyk Hans Christian Oersted po raz pierwszy uzyskał ten metal, kiedy wyizolował go przez działanie amalgamatu potasu na bezwodny chlorek glinu (otrzymany przez przepuszczenie chloru przez gorącą mieszaninę tlenku glinu i węgla). Po wypędzeniu rtęci Oersted uzyskał aluminium, jednak zanieczyszczone zanieczyszczeniami. W 1827 r. niemiecki chemik Friedrich Wöhler uzyskał aluminium w postaci proszku poprzez redukcję heksafluoroglinianu potasu:

Na3AlF6 + 3K  Al + 3NaF + 3KF.

Później udało mu się uzyskać aluminium w postaci błyszczących metalowych kulek. W 1854 roku francuski chemik Henri Etienne Saint-Clair Deville opracował pierwszą przemysłową metodę wytwarzania aluminium - poprzez redukcję stopionego tetrachloroglinianu sodu: NaAlCl 4 + 3Na  Al + 4NaCl. Jednak aluminium nadal było niezwykle rzadkim i drogim metalem; kosztował niewiele taniej niż złoto i 1500 razy drożej niż żelazo (obecnie tylko trzy razy). Ze złota, aluminium i kamieni szlachetnych w latach 50. XIX wieku wykonano grzechotkę dla syna cesarza Francji Napoleona III. Kiedy w 1855 roku na Wystawie Światowej w Paryżu wystawiono dużą sztabkę aluminium uzyskaną nową metodą, postrzegano ją jako klejnot. Górna część (w formie piramidy) Pomnika Waszyngtona w stolicy USA została wykonana ze szlachetnego aluminium. W tym czasie aluminium było niewiele tańsze od srebra: na przykład w USA w 1856 r. Sprzedano je w cenie 12 USD za funt (454 g), a srebro 15 USD. W 1. tomie słynnego Słownik encyklopedyczny Brockhausa i Efrona powiedział, że „aluminium jest nadal używane głównie do ubierania… luksusowych przedmiotów”. Do tego czasu na całym świecie wydobywano tylko 2,5 tony metalu rocznie. Dopiero pod koniec XIX wieku, kiedy opracowano metodę elektrolitycznego pozyskiwania aluminium, jego roczna produkcja zaczęła sięgać tysięcy ton, a w XX wieku. – mln ton. Dzięki temu aluminium stało się powszechnie dostępnym metalem półszlachetnym.

Nowoczesną metodę wytwarzania aluminium odkrył w 1886 roku młody amerykański badacz Charles Martin Hall. Jako dziecko zainteresował się chemią. Po znalezieniu starego podręcznika do chemii ojca zaczął go pilnie studiować, a także eksperymentować, raz nawet otrzymał od matki skarcenie za zniszczenie obrusu. A 10 lat później dokonał niezwykłego odkrycia, które uwielbiło go na całym świecie.

Będąc studentem w wieku 16 lat, Hall usłyszał od swojego nauczyciela, F.F. Jewetta, że ​​jeśli komuś uda się opracować tani sposób na pozyskanie aluminium, to ta osoba nie tylko zapewni ludzkości ogromną przysługę, ale także zarobi ogromne pieniądze. fortuna. Jewett wiedział, o czym mówi: wcześniej szkolił się w Niemczech, pracował dla Wöhlera i omawiał z nim problemy pozyskiwania aluminium. Wraz z nim do Ameryki Jewett przywiózł również próbkę rzadkiego metalu, który pokazał swoim uczniom. Nagle Hall zadeklarował głośno: „Pójdę po ten metal!”

Trwało sześć lat ciężkiej pracy. Hall próbował pozyskać aluminium różnymi metodami, ale bez powodzenia. W końcu spróbował wydobyć ten metal za pomocą elektrolizy. W tym czasie nie było elektrowni, prąd trzeba było pozyskiwać przy pomocy dużych domowych baterii z węgla, cynku, kwasu azotowego i siarkowego. Hall pracował w stodole, gdzie założył małe laboratorium. Asystowała mu jego siostra Julia, bardzo zainteresowana eksperymentami brata. Zachowała wszystkie jego listy i dzienniki pracy, które pozwalają dosłownie dzień po dniu prześledzić historię odkrycia. Oto fragment jej wspomnień:

„Charles był zawsze w dobrym humorze i nawet w najgorsze dni potrafił śmiać się z losu nieszczęsnych wynalazców. W chwilach niepowodzeń znajdował ukojenie przy naszym starym pianinie. W swoim domowym laboratorium pracował długie godziny bez przerwy; a kiedy mógł na chwilę wyjść z planu, pędził przez nasz długi dom, żeby się trochę pobawić... Wiedziałem, że bawiąc się z takim wdziękiem i uczuciem, ciągle myślał o swojej pracy. A muzyka mu w tym pomogła.

Najtrudniejsze było znalezienie elektrolitu i zabezpieczenie aluminium przed utlenianiem. Po sześciu miesiącach wyczerpującej pracy w tyglu pojawiło się wreszcie kilka małych srebrnych kulek. Hall natychmiast pobiegł do swojego byłego nauczyciela, aby opowiedzieć o swoim sukcesie. „Profesorze, mam to!” wykrzyknął, wyciągając rękę: w jego dłoni leżał tuzin małych aluminiowych kulek. Stało się to 23 lutego 1886 roku. I dokładnie dwa miesiące później, 23 kwietnia tego samego roku, Francuz Paul Héroux wyciągnął patent na podobny wynalazek, którego dokonał niezależnie i prawie jednocześnie (uderzające są dwa inne zbiegi okoliczności: oba Hall i Héroux urodzili się w 1863 i zmarli w 1914).

Teraz pierwsze aluminiowe kulki uzyskane przez Halla są przechowywane w American Aluminium Company w Pittsburghu jako narodowy relikt, aw jego uczelni znajduje się odlany z aluminium pomnik Halla. Następnie Jewett napisał: „Moim najważniejszym odkryciem było odkrycie człowieka. To Charles M. Hall, w wieku 21 lat, odkrył sposób na odzyskiwanie aluminium z rudy, dzięki czemu aluminium stało się wspaniałym metalem, który jest obecnie szeroko stosowany na całym świecie. Spełniła się przepowiednia Jewetta: Hall zyskał szerokie uznanie, został honorowym członkiem wielu towarzystw naukowych. Ale jego życie osobiste zawiodło: panna młoda nie chciała pogodzić się z tym, że jej narzeczony spędza cały czas w laboratorium i zerwała zaręczyny. Hall znalazł ukojenie w swoim rodzinnym college'u, gdzie pracował do końca życia. Jak napisał brat Karola: „Uczelnia była jego żoną, dziećmi i wszystkim, przez całe życie”. Hall przekazał również uczelni większość swojego spadku - 5 milionów dolarów.Hall zmarł na białaczkę w wieku 51 lat.

Metoda Halla umożliwiła uzyskanie stosunkowo niedrogiego aluminium przy użyciu energii elektrycznej na dużą skalę. Jeśli w latach 1855-1890 uzyskano tylko 200 ton aluminium, to w ciągu następnej dekady, zgodnie z metodą Halla, na całym świecie pozyskiwano 28 000 ton tego metalu! Do 1930 r. światowa roczna produkcja aluminium osiągnęła 300 000 ton. Obecnie rocznie produkuje się ponad 15 milionów ton aluminium. W specjalnych kąpielach w temperaturze 960-970 ° C roztwór tlenku glinu (techniczny Al 2 O 3) poddaje się elektrolizie w stopionym kriolicie Na 3 AlF 6, który jest częściowo wydobywany w postaci minerału, a częściowo specjalnie zsyntetyzowany. Na dnie wanny (katody) gromadzi się płynne aluminium, tlen uwalniany jest na anodach węglowych, które stopniowo wypalają się. Przy niskim napięciu (około 4,5 V) elektrolizery pobierają ogromne prądy - do 250 000 A! W ciągu dnia jeden elektrolizer wytwarza około tony aluminium. Produkcja wymaga dużych ilości energii elektrycznej: 15 000 kilowatogodzin energii elektrycznej zużywa się na wyprodukowanie 1 tony metalu. Taka ilość energii elektrycznej zużywa duży 150-mieszkaniowy budynek przez cały miesiąc. Produkcja aluminium jest niebezpieczna dla środowiska, ponieważ powietrze atmosferyczne jest zanieczyszczone lotnymi związkami fluoru.

Zastosowanie aluminium. Więcej D.I. Mendelejew napisał, że „metalowe aluminium, charakteryzujące się dużą lekkością i wytrzymałością oraz niską zmiennością w powietrzu, jest bardzo odpowiednie dla niektórych produktów”. Aluminium jest jednym z najpopularniejszych i najtańszych metali. Bez niej trudno wyobrazić sobie współczesne życie. Nic dziwnego, że aluminium nazywane jest metalem XX wieku. Dobrze nadaje się do obróbki: kucia, tłoczenia, walcowania, ciągnienia, prasowania. Czyste aluminium jest dość miękkim metalem; służy do wykonywania przewodów elektrycznych, elementów konstrukcyjnych, folii spożywczej, przyborów kuchennych oraz farby „srebrnej”. Ten piękny i lekki metal znajduje szerokie zastosowanie w budownictwie i technice lotniczej. Aluminium bardzo dobrze odbija światło. Dlatego jest używany do produkcji luster - poprzez osadzanie metalu w próżni.

W lotnictwie i inżynierii mechanicznej, przy wytwarzaniu konstrukcji budowlanych, stosuje się znacznie twardsze stopy aluminium. Jednym z najbardziej znanych jest stop aluminium z miedzią i magnezem (duraluminium lub po prostu „duraluminium”; nazwa pochodzi od niemieckiego miasta Düren). Stop ten po hartowaniu nabiera szczególnej twardości i staje się około 7 razy mocniejszy od czystego aluminium. Jednocześnie jest prawie trzy razy lżejszy od żelaza. Otrzymywany jest przez stopowanie aluminium z niewielkimi dodatkami miedzi, magnezu, manganu, krzemu i żelaza. Siluminy są szeroko rozpowszechnione - odlewanie stopów aluminium z krzemem. Produkowane są również stopy wysokowytrzymałe, kriogeniczne (mrozoodporne) i żaroodporne. Powłoki ochronne i dekoracyjne są łatwo nakładane na produkty wykonane ze stopów aluminium. Lekkość i wytrzymałość stopów aluminium były szczególnie przydatne w technice lotniczej. Na przykład śmigła helikopterów są wykonane ze stopu aluminium, magnezu i krzemu. Stosunkowo tani brąz aluminiowy (do 11% Al) ma wysokie właściwości mechaniczne, jest stabilny w wodzie morskiej, a nawet w rozcieńczonym kwasie solnym. Z brązu aluminiowego w ZSRR w latach 1926-1957 bito monety o nominałach 1, 2, 3 i 5 kopiejek.

Obecnie jedna czwarta całego aluminium jest wykorzystywana na potrzeby budowlane, tyle samo zużywa inżynieria transportowa, około 17% przeznacza się na materiały opakowaniowe i puszki, 10% - na elektrotechnikę.

Aluminium zawiera również wiele mieszanin palnych i wybuchowych. Alumotol, odlewana mieszanina trinitrotoluenu z proszkiem aluminiowym, jest jednym z najsilniejszych przemysłowych materiałów wybuchowych. Amonal to substancja wybuchowa składająca się z azotanu amonu, trinitrotoluenu i proszku aluminiowego. Kompozycje zapalające zawierają glin i środek utleniający - azotan, nadchloran. Kompozycje pirotechniczne „Zvezdochka” zawierają również sproszkowane aluminium.

Mieszanina proszku aluminiowego z tlenkami metali (termit) służy do otrzymywania niektórych metali i stopów, do spawania szyn, w amunicji zapalającej.

Aluminium znalazło również praktyczne zastosowanie jako paliwo rakietowe. Całkowite spalenie 1 kg aluminium wymaga prawie czterokrotnie mniej tlenu niż 1 kg nafty. Ponadto aluminium może zostać utlenione nie tylko wolnym tlenem, ale także tlenem związanym, który jest częścią wody lub dwutlenku węgla. Podczas „spalania” aluminium w wodzie uwalniane jest 8800 kJ na 1 kg produktów; to 1,8 razy mniej niż przy spalaniu metalu w czystym tlenie, ale 1,3 razy więcej niż przy spalaniu w powietrzu. Oznacza to, że jako utleniacz takiego paliwa zamiast niebezpiecznych i drogich związków można zastosować zwykłą wodę. Pomysł wykorzystania aluminium jako paliwa został zaproponowany już w 1924 roku przez rosyjskiego naukowca i wynalazcę F.A. Zandera. Zgodnie z jego planem aluminiowe elementy statku kosmicznego mogą być wykorzystane jako dodatkowe paliwo. Ten śmiały projekt nie został jeszcze w praktyce zrealizowany, ale większość obecnie znanych stałych paliw rakietowych zawiera metaliczny aluminium w postaci drobno rozdrobnionego proszku. Dodanie 15% aluminium do paliwa może podnieść temperaturę produktów spalania o tysiąc stopni (z 2200 do 3200 K); znacznie wzrasta również szybkość wyrzucania produktów spalania z dyszy silnika - główny wskaźnik energii, który określa wydajność paliwa rakietowego. Pod tym względem tylko lit, beryl i magnez mogą konkurować z aluminium, ale wszystkie są znacznie droższe niż aluminium.

Szeroko stosowane są również związki glinu. Tlenek glinu jest materiałem ogniotrwałym i ściernym (szmerglowym), surowcem do produkcji ceramiki. Wytwarza się z niego również materiały laserowe, łożyska zegarków, kamienie jubilerskie (sztuczne rubiny). Kalcynowany tlenek glinu jest adsorbentem do oczyszczania gazów i cieczy oraz katalizatorem szeregu reakcji organicznych. Bezwodny chlorek glinu jest katalizatorem syntezy organicznej (reakcja Friedela-Craftsa), materiałem wyjściowym do otrzymywania aluminium o wysokiej czystości. Siarczan glinu służy do oczyszczania wody; reagując z zawartym w nim wodorowęglanem wapnia:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca (HCO 3) 2  2AlO (OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O,

tworzy płatki tlenkowo-wodorotlenkowe, które osadzając się wychwytują, a także absorbują zawieszone zanieczyszczenia, a nawet mikroorganizmy w wodzie na powierzchni. Ponadto siarczan glinu stosuje się jako zaprawę do barwienia tkanin, garbowania skóry, konserwacji drewna i klejenia papieru. Glinian wapnia jest składnikiem spoiw, w tym cementu portlandzkiego. Granat itrowo-aluminiowy (YAG) YAlO 3 jest materiałem laserowym. Azotek glinu jest materiałem ogniotrwałym do pieców elektrycznych. Zeolity syntetyczne (należą do glinokrzemianów) są adsorbentami w chromatografii i katalizatorach. Związki glinoorganiczne (np. trietyloglinu) są składnikami katalizatorów Zieglera-Natty, które wykorzystywane są do syntezy polimerów, w tym wysokiej jakości kauczuku syntetycznego.

Klasyfikacja i podstawowe właściwości metali: niskie potencjały jonizacyjne i zastosowanie jako reduktory. Cechy struktury elektronicznej i położenia w układ okresowy elementy. Badanie niemetali na bazie krzemu i jego związków.

Surgut Uniwersytet stanowy Katedra Chemii STRESZCZENIE