Само название металла «алюминий» произошло от латинского слова «Аluminium». Химический символ рассматриваемого элемента является набором из двух первых букв названия - «Al », в периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева он находится в третьей группе, имеет атомный номер тринадцать и атомную массу 26,9815.

Давайте рассмотрим основные химические свойства элемента. Алюминий представляет собой легкий, мягкий металл бело-серебристого цвета. Он довольно быстро окисляется, обладает удельной плотностью 2,7 г/ см³ и температурой плавления равной 660 градусам по Цельсию.

Алюминий является самым распространенным в земной коре металлом и находится на третьем месте по распространенности среди всех атомов после таких веществ, как кислород и кремний. В природе рассматриваемый химический элемент представлен одним лишь стабильным нуклидом « 27 Al ». Искусственным путем были получены различные радиоактивные изотопы алюминия, из которых самым долгоживущим является « 26 Al », период его полураспада составляет целых 720 тысяч лет.

Как уже было отмечено выше, алюминий является самым распространенным металлом в земной коре нашей планеты и занимает третье место среди всех известных химических элементов земной коры. Хотелось бы заметить, что на долю данного металла приходится около восьми процентов состава вообще всей земной коры.

В настоящее время промышленная добыча алюминия в основной своей части проводится методом переработки бокситной руды. На всем земном шаре каждый год добывается от восьмидесяти до девяноста миллионов тонн бакситной руды. Не многим меньше тридцати процентов от мирового объема добычи приходится на Австралию, а пятнадцать процентов разведанных мировых запасов бокситной руды приходится на Ямайку. При сохранении нынешнего уровня международного потребления и производства алюминия, существующих разведанных запасов металла будет вполне достаточно для удовлетворения потребностей человечества на несколько сотен лет.

Если рассмотреть все существующие на сегодняшний день металлы, можно заметить, что алюминий имеет наиболее разностороннее применение в самых разных отрасляхпромышленности. Давайте рассмотрим подробно, в каких производствах наиболее часто используют алюминий как металл.

Довольно широко алюминий используется в машиностроительной отрасли. Всем известно, что из данного металла изготавливают самолеты, кроме того металл используют в производстве автомобилей, морских и речных судов, изготовлении деталей для других машин и оборудования.

В химической отрасли промышленности алюминий используется в качестве так называемого восстановителя. В строительной сфере данный металл широко применяется при изготовлении оконных рам, а также входных и межкомнатных дверей, элементов отделки, других элементов.

Алюминий используется и в пищевой отрасли промышленности в качестве вспомогательного материала при изготовлении упаковочных изделий. Кроме всего прочего алюминий широко используется при изготовлении товаров для быта, например, алюминиевые столовые приборы (ложки, вилки, кухонные ножи), или алюминиевая фольга, предназначенная для хранения продуктов питания и другие товары.

История

Само название металла «Алюминий» произошло от латинского «aluminium», которое в свою очередь произошло от латинского слова «alumen». Так в древности назвали квасцы, представляющие собой сульфат калия и алюминия, химическая формула которых имеет вид KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O. Эти квасцы долгое время использовались в качестве вспомогательного средства для выделки и обработки кожи, а также в качестве вяжущего средства.

Алюминий обладает высокой химической активностью, именно поэтому для того, чтобы отрыть и выделить чистый алюминий понадобилось примерно около ста лет. Еще в конце восемнадцатого века, в 1754 году немецкий ученый-химик А. Маргграф сделал вывод о том, что из квасцов может быть получено твердое тугоплавкое вещество, другими словами оксид алюминия. Маргграф описывал это немного другими словами, оно говорил, что вполне реально получить из квасцов «землю» (в то время так и называли твердое тугоплавкое вещество). Немного позднее стало известно, что точь-в-точь такая же «земля» может быть получена и из самой обыкновенной глины, в результате чего эту «землю» начали называть глиноземом.

Алюминий как металл люди сумели получить лишь в 1825 году. Первооткрывателем в данной сфере стал датский ученый-физик Х. К. Эрстед. Он обработал сплавом калия и ртути (в химии данная смесь называется амальгамой натрия) вещество AlCl 3 , т.е. хлорид алюминия. Такое вещество можно было получить из обыкновенного глинозема. По завершении эксперимента Эрстед просто осуществил отгонку ртути, после чего удалось выделить порошок алюминия, имеющий серый оттенок.

Более четверти века данный способ был единственно возможным в мире методом получения металлического алюминия, но чуть позже удалось его модернизировать. В 1854 году французский ученый-химик А. Э. Сент-Клер Девиль предложил собственный метод получения алюминия как металла. При выделении алюминия он использовал металлический натрий, из которого удавалось получать совершенно новый металл, так и появились первые в истории слитки настоящего металлического алюминия. В то время алюминий стоил очень дорого, данный металл считался драгоценным и из него изготавливали различные ювелирные украшения и дорогие аксессуары.

Промышленное получение алюминия началось еще позже, лишь в самом конце 19 века. В 1886 году французский ученый П. Эру и американский ученый Ч. Холл независимо друг от друга разработали и предложили промышленный метод производства алюминия как металла путем процесса электролиза расплава сложных химических смесей, включающих в себя фторид и оксид алюминия, а также другие вещества.

Но в конце девятнадцатого века электричество еще не использовалось настолько широко, чтобы позволить развернуться алюминиевой промышленности во весь размах, ведь процесс производства алюминия требует огромных затрат электроэнергии. Именно этот фактор стал причиной оттягивания широкого индустриального производства алюминия еще на несколько десятков лет. На промышленном уровне алюминий начали получать только в двадцатом веке.

На нашей родине Алюминий начали добывать немного позже, чем на Западе. Произошло это во времена сталинского режима и промышленного прогресса экономики Советского Союза. 14 мая 1932 года впервые в СССР был промышленным путем получен первый индустриальный алюминий. Произошло это знаменательное событие на Волховском алюминиевом комбинате, который был построен прямо возле Волховской гидроэлектростанции. С тех пор алюминий широко производится во многих странах мира и не менее широко используется в самых разных сферах жизни современного общества.

Нахождение в природе

Алюминий является одним из самых распространенных веществ на нашей планете. Среди всех известных на сегодняшний день металлов, находящихся в земной коре, он находится на первом месте, а среди всех химических элементов земной коры он занимает третье место, уступая лишь кислороду и кремнию. На долю алюминия приходится примерно 8,8 процентов от общей массы земной коры.

Алюминия на Земле в два раза больше чем железа, в триста пятьдесят раз больше чем вместе взятых меди, хрома, цинка, свинца и олова. Алюминий входит в состав огромнейшего количества самых разных минералов, основную часть из которых составляют алюмосиликаты и горные породы. Соединения алюминия как химического элемента содержат глины, базальты, а также граниты, полевые шпаты и другие природные образования.

При всем многообразии пород и минералов, в которых содержится алюминий, главным сырьем для промышленного уровня производства алюминия являются лишь бокситы, месторождения которых встречаются очень и очень редко. На территории Российской Федерации подобные месторождения можно найти только в Сибири и на Урале. Кроме того, промышленное значение имеют нефелины и алуниты.

Важнейшим на сегодня минералом алюминия является боксит, представляющий собой смесь основного оксида, химическая формула которого AlO(OH) с гидроксидом, химическая формула Al(OH) 3 . Самые крупные месторождения бокситов располагаются в таких странах, как Австралия (около 30% мировых запасов), Ямайка, Бразилия и Гвинея. Промышленная добыча бокситов ведется и в других странах мира.

Довольно богат алюминием алунит (так называемый квасцовый камень), химическая формула которого выглядит следующим образом (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH), а также нефелин химическая формула (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 . Но известно еще более двухсот пятидесяти минералов, в составе которых присутствует алюминий. Большинство этих минералов составляют алюмосиликаты, из которых в большей степени и образована земная кора нашей планеты. При выветривании данных минералов образуется глина, в основе которой содержится минерал каолинит, химическая формула которого имеет вид Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O. В глине обычно присутствуют примеси железа, которые придают ей буроватый цвет, но иногда встречается и чистая белая глина, которая называется каолин. Такая глина широко применяется при изготовлении различных изделий из фарфора, а также фаянсовых изделий.

Исключительно редко встречается очень твердый минерал корунд, уступающий по твердости лишь алмазу. Минерал представляет собой кристаллический оксид, имеет химическую формулу Al 2 O 3 , часто он бывает окрашен за счет примесей других элементов в различные цвета. Существует синяя разновидность данного минерала, которая получила свою окраску по причине наличия примесей железа и титана, это всем известный драгоценный камень сапфир. Корунд с красной примесью называют рубином, он получил такой цвет за счет примеси хрома. Различные примеси могут окрасить так называемый благородный минерал корунд и в другие цвета, среди которых зеленый, желтый, фиолетовый, оранжевый, а также другие самые разные цвета и оттенки.

Алюминий как микроэлемент может присутствовать в тканях жителей нашей планеты: растений и животных. В природе встречаются существа с организмами-концентраторами алюминия, они накапливают металл в некоторых своих органам. К таким организмам можно отнести плаунов и некоторых моллюсков.

Применение

Алюминий и его сплавы занимают второе место по применению, уступая лишь железу и его сплавам. Широкое применение алюминия в различных сферах во многом связано с его уникальными свойствами: малая плотность, коррозийная стойкость в воздухе, высокая электро- и теплопроводность, а также сравнительно высокая прочность. Алюминий легко поддается обработке: штамповка, ковка, прокатка и т.д.

Электропроводность алюминия довольно высока (65,5% электропроводности меди) высокая прочность, поэтому из чистого алюминия изготавливают проволоку и фольгу для упаковки. Но основную часть алюминия расходуют для изготовления сплавов. Сплавы алюминия имеют высокую плотность, хорошую коррозийную стойкость, тепло- и электропроводность, пластичность, жаропрочность. На поверхность таких сплавов можно легко нанести декоративные или защитные покрытия.

Разнообразие сплавов из алюминия обусловлено различными добавками, образующими с ним интерметаллические соединения или растворы. Основная часть алюминия используется при изготовлении легких сплавов: силумина, дуралюмина и др. Такой сплав после закалки становится около 7 раз прочнее чистого алюминия и легче железа в три раза. Его производят путем сплава алюминия с медью, магнием, марганцем, кремнием и железом.

Широко используются силумины, т.е. сплавы алюминия с кремнием. Также производятся жаропрочные и криогенные сплавы. Необыкновенная легкость и прочность сплавов из алюминия очень пригодилась при производстве летательных аппаратов. К примеру, из сплава алюминия с магнием и кремнием делают вертолетные винты. Алюминиевая бронза (11% алюминия) обладает высокой устойчивостью не только в морской воде, но и в соляной кислоте. В Советском Союзе с 26 по 57 гг. из такого сплава чеканили монеты достоинством от 1 до 5 копеек. В металлургии алюминий применяют как основу для сплавов, а также как легирующую добавку в сплавах на основе магния, железа, меди, никеля и т.д.

Алюминиевые сплавы широко применяются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении, автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Из сплава алюминия был изготовлен первый на Земле искусственный спутник. Циркалой - сплав алюминия циркония – широко применяется в ядерном ракетостроении. Алюминий применяют и при производстве взрывчатки. Литая смесь из тринитротолуола и алюминиевого порошка, т.е. алюмотол, является одним из самых мощных взрывчатых промышленных веществ. Зажигательные составы кроме алюминия содержат окислитель перхлорат, нитрат. Пиротехнический состав «Звездочки» также включает в себя алюминий. Термит, т.е. смесь алюминиевого порошка с оксидами других металлов, применяется для получения различных сплавов и металлов, в зажигательных боеприпасах, для сварки рельс.

Стоит отметить возможность окрашивания оксидной пленки алюминия на поверхности металла, которые получают электрохимическим способом. Такой алюминий называют анодированным. Анодированный алюминий напоминающий внешне золото и служит материалом для изготовления бижутерии.

Применяя изделия из алюминия в быту нужно понимать, что хранить в алюминиевой посуде или нагревать в ней можно только жидкости с нейтральной кислотностью, например воду. Если же в алюминиевой кастрюле сварить кислые щи, пища приобретет малоприятный металлический привкус. Поэтому использование посуды из алюминия не желательно.

Около четверти всего производимого в мире алюминия приходится на строительство, столько же на транспортное машиностроение, около 15% идет на изготовление упаковочных материалов, и десятая часть расходуется в радиоэлектронике.

Производство

Чарльз Мартин Холл еще в 1886 году открыл современный способ производства алюминия. В возрасте16-ти лет он услышал, как его учитель Ф.Ф.Джуэтт сказал, что человек, открывший дешевый способ производства алюминия станет не только безумно богатым, но и сделает огромную услугу всему человечеству. Джуэтт показал своим ученикам небольшой образец ербристого металла, после чего Чарлз Мартин Холл заявил, что найдет способ его получения.

На протяжении шести лет Холл работал с алюминием, перепробовав все способы, но безрезультатно. Наконец он решил воспользоваться электролизом. Электростанций в то далекое время еще не было, поэтому электрический ток получали из огромных угольно-цинковых батарей с серной и азотной кислотами. Холл устроил в своем сарае небольшую лабораторию. Его сестра Джулия всячески помогала брату, ей удалось сохранить все его записи, благодаря которым открытие можно проследить по дням.

Самым трудным в работе был подбор электролита, а также защита алюминия от окисления. Спустя полгода изнурительной работы наконец-таки удалось добыть несколько шариков металла. Под действием эмоций Холл немедленно прибежал к своему уже бывшему преподавателю и показал ему серебристые шарики со словами «Я получил его!». Этот случай произошел 23.02.1886г. Как бы это ни показалось странным, но француз Поль Эру через два месяца после этой даты взял патент на изобретение. На самом деле они не зависимо друг от друга практически одновременно открыли способ получения алюминия. Что интересно, года рождения и смерти этих ученых также совпадают.

Тот первый десяток шариков, которые удалось произвести Холлу, хранится в Питтсбурге в Американской Алюминиевой компании. Данный предмет считается национальной реликвией. В Питтсбургском колледже стоит памятник холлу, отлитый из алюминия.

21-летний ученый, как и предсказывал его учитель, получил всемирное признание, стал знаменитым и богатым человеком. Все у него было хорошо, только не в личном плане. Невеста Холла не могла смириться с тем, что ее жених все время проводит в лаборатории, и в последствии расторгнута помолвку, так и не выйдя замуж. После этого Холл вернулся в родной колледж, где работал вплоть до конца жизни. Говорили, что колледж для Холла был и матерью, и женой, и детьми. Чарльз Мартин Холл завещал родному колледжу большую половину своего наследства, а именно 5000000 долларов (в то время это была просто космическая сумма). Холл умер от лейкемии, когда ему был 51 год.

Метод, разработанный Холлом и Эру, позволил получать огромное количество алюминия при помощи электричества. Сравнительно недорогой метод довольно скоро вышел на промышленный уровень. Если сравнить, сколько алюминия было получено до и после открытия, все сразу станет ясно. С 1855 по 1890 год было произведено всего 200 тонн метала, тогда как с 1890 до 1900 по методу Чарльза Мартина Холла во всем мире получили уже 28000 тонн металла. К началу 30-х годов ХХ века мировое производство алюминия за год достигало цифры 300 тысяч тонн. На сегодняшний день каждый год производится около 15 миллионов тонн алюминия.

В специально предназначенных ваннах при температуре около 965 °С технический Al2O3 (раствор глинозема) подвергают электролизу в Na3AlF6, т.е. расплавленном криолите, который синтезируют частично или добывают в виде минерала. На дне ванны накапливается жидкий алюминий (катод), а на внутренних анодах, которые постепенно обгорают, выделяется кислород. Если напряжение будет низким и составит около 4,5 В, потребление тока будет равно примерно 250 тысячам А. Для получения 1 тонны алюминия требуется 1 сутки и 15 тысяч кВ/ч электричества. Для сравнения, трехподъездному девятиэтажному дому этой энергии хватило бы более чем на месяц. На производстве алюминия образуются летучие соединения, поэтому получение металла считается экологически опасным производством.

Физические свойства

С точки зрения общих физических свойств алюминий представляет собой типичный металл. Его кристаллическая решетка является кубической, гранецентрированной. Параметр металла а равен 0,40403 нм. Температура плавления алюминия в чистом виде составляет 660 градусов по Цельсию, температура кипения металла равна 2450 градусам по Цельсию, плотность вещества составляет 2,6989 грамм на метр кубический. У рассматриваемого металла температурный коэффициент линейного расширения равен примерно 2,5·10 -5 К -1 . Алюминий обладает стандартным электронным потенциалом, который можно представить как Al 3+ /Al-1,663В.

Исходя из массы металла, можно заявить, что алюминий является одним из самых легких металлических веществ на планете. Легче его только такие металлы, как магний и бериллий, а также щелочноземельные и щелочные металлы, за вычетом бария. Расплавить алюминий довольно просто, для этого необходимо нагреть металл до температуры 660 градусов по Цельсию. К примеру, тонкую алюминиевую проволоку можно расплавить на обыкновенной конфорке простой домашней газовой плиты. Но вот достичь температуры кипения намного сложнее, алюминий начинает закипать лишь при достижении 2452 градусов Цельсия.

По своим электропроводящим свойствам алюминий занимает четвертое место среди всех остальных металлов. Он уступает серебру, которое, к стати, находится на первом месте, а также уступает меди и золоту. Данный факт обуславливает широкое практическое применение металла, что во многом обусловлено его относительной дешевизной. В точно таком же порядке меняется и теплопроводность вышеописанных металлов. В способности алюминия быстро проводить тепло довольно легко убедиться на практике, для этого достаточно просто опустить в горячий чай или кофе алюминиевую ложку, при этом Вы сразу почувствуете, насколько быстро ложка нагрелась.

Еще одним редким, а во многом и уникальным свойством алюминия является его отражающая способность. Ровная отполированная блестящая поверхность металла отлично отражает световые лучи. Отражается от восьмидесяти до девяноста процентов света в видимой области спектра, точная цифра во многом зависит от длины самой волны. В области ультрафиолетового излучения алюминию вообще нет равных среди других металлов, здесь его отражающие способности просто уникальны. К примеру, серебро, именно в ультрафиолете обладает очень низкой отражательной способностью. А вот в ультракрасной области алюминий по своим отражающим способностям уступает серебру.

Чистый алюминий, лишенный всяческих примесей, является довольно мягким металлом. Хотелось бы отметить, что он примерно втрое мягче той же меди. Именно поэтому довольно толстые алюминиевые стержни или планки удивительно легко сгибаются без применения особых усилий. Но это лишь в чистом виде, в некоторых из десятков известных сплавов алюминия твердость металла возрастает в разы и даже в десятки раз.

Кроме всего прочего алюминий имеет очень низкую подверженность коррозийным воздействиям внешней среды.
Алюминий и его сплавы по способу получения можно разделить на три вида:

• - деформируемые;
• - подвергаемые обработке давлением;
• - литейные, которые используются в виде фасонного литья.

Сплавы алюминия можно разделить и по применению термообработки:

• - термически не упрочняемые;
• - термически упрочняемые.

За вычетом вышеописанных классификаций сплавы алюминия можно разделить и по системам легирования.

Химические свойства

Алюминий - довольно активный металл. Антикоррозийные свойства алюминия обусловлены тем, что на воздухе он покрывается толстой оксидной пленкой Al 2 О 3 , препятствующей дальнейшему проникновению кислорода. Пленка также образуется, если металл поместить в концентрат азотной кислоты.

Степень окисления, характерная алюминию равна +3. Но алюминий способен образовывать и донорно-акцепторные связи за счет незаполненных 3d- и 3р-орбиталей. Именно поэтому такой ион, как Al3+ склонен к комплексообразованию, и образует анионные и катионные комплексы: AlF 6 3- , AlCl 4 - , Al(OH) 4 - ,Al(OH) 6 3- и многие другие. Существуют и комплексы с органическими соединениями.

По своей химической активности алюминий находится сразу за магнием. Это может показаться странным, ведь изделия из алюминия не разрушаются ни на воздухе, ни в кипящей воде, в отличие от железа алюминий не ржавеет. Но все это обусловлено наличием защитной оксидной оболочки алюминия. Если на горелке начать нагревать тонкую до 1мм пластинку металла, он будет плавиться, но течь не станет, т.к. всегда находится в оксидной оболочке. Но если лишить алюминий его защитной «брони», чего можно достичь путем погружения в раствор из ртутных солей, он сразу начинает проявлять свою «слабость». Даже при комнатной температуре он энергично реагирует с водой, выделяя водород 2Al + 6H 2 O -> 2Al(OH) 3 + 3H 2 . А, находясь на воздухе, алюминий, лишенный защитной пленки, просто превращается в порошок 2Al + 3O 2 -> 2Al 2 O 3 . В раздробленном состоянии алюминий особенно активен, пыль металла моментально сгорает на огне. Если взять и смешать пыль алюминия с пероксидом натрия, а затем капнуть водяную смесь, алюминий легко вспыхнет и сгорит белым пламенем.

Благодаря своей плотной связи с кислородом, алюминий может буквально «отнимать» кислород у оксидов других металлов. Например, термитная смесь. При ее горении выделяется так много тепла, что при этом полученное железо начинает плавиться 8Al + 3Fe 3 O 4 -> 4Al 2 O 3 + 9Fe. Данным методом восстанавливаются до металлов CoO, Fe 2 O 3 , NiO, V 2 O 5 , MoO 3 и ряд других оксидов. Однако при алюминотермии оксидов Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 теплоты реакции не хватает для достижения температуры плавления продуктов реакции.

Алюминий может легко растворяться в минеральных кислотах, образуя соли. Концентрат азотной кислоты способствует утолщению пленки из оксида металла, после такой обработки алюминий перестает реагировать даже на воздействие соляной кислоты. При помощи анодирования на поверхности металла образуется толстая пленка, которую можно легко окрасить в различные цвета.

Реакция 3CuCl 2 + 2Al -> 2AlCl 3 + 3Cu проходит довольно легко, в результате образуется много тепла, все это обусловлено быстрым разрушением защитной пленки за счет хлорида меди. При сплавлении металла со щелочами, образуются так называемые безводные алюминаты: Al 2 O 3 + 2NaOH -> 2NaAlO 2 + H 2 O. Существует и полудрагоценный алюминат Mg(AlO2)2, это камень шпинель.

Алюминий вступает в бурную реакцию с галогенами. Если в 1 мл брома поместить тонкую проволоку из алюминия, она через какое-то время ярко загорится. Если смешать порошки алюминия и йода, реакцию можно инициировать каплей воды, после чего можно заметить яркое пламя и фиолетовый дым от йода. Галогены алюминия всегда имеют кислую реакцию AlCl 3 + H 2 O -> Al(OH)Cl 2 + HCl, что обусловлено гидролизом.

С азотом алюминий вступает в реакцию лишь при температуре 800°С, при этом образуется нитрид AlN, с фосфором при температуре 500° С, при этом образуется фосфид AlP. С серой реакция начинается при достижении 200°С, при этом образуется сульфид Al 2 S 3 . Бориды AlB 2 и AlB 12 образуются при добавлении бора в расплавленный алюминий.

Алюминий - важнейший легкий металл, входит в третью группу периодической системы Д.И. Менделеева, атомный номер 13, радиус атома 1,43 А, радиус иона 0,86 А°, атомный вес 26,97.
Электронное строение нейтрального атома алюминия характеризуется заполненным внутренним К-слоем с двумя электронами на 1s-орбите (1s2) и заполненным L-слоем с двумя электронами на 2s-opбитe и шестью электронами на 2р орбите (2s22p6) Во внешнем (валентном) M слое атома алюминия находятся три электрона два на Зх-орбите и один на Зр-орбите (3s23p).
В химических соединениях алюминий обычно трехвалентен (Al3+). Однако в определенных условиях существуют соединения одновалентного (Al+) алюминия (субсоединения), например Al2S, Al2O, AlF, AlCl и др. Энергия ионизации первого Зр-электрона атома алюминия составляет 137,3, а второго и третьего 3s электронов соответственно 430,6 и 652,1 ккал*г-атом. Таким образом, в атоме алюминия Зр-электрон удерживается значительно слабее, чем каждый из парных 35-электронов, и может быть потерян ранее других электронов. Образовавшийся ион одновалентного алюминия и способен дать соответствующие соединения низшей валентности. Последние представляют не только теоретический интерес, с возможностью возникновения этих соединений приходится считаться при электролитическом получении алюминия. Кроме того, с участием субсоединений могут быть осуществлены также процессы извлечения алюминия из электротермических сплавов и его рафинирования.
Для алюминия установлено существование трех искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами 26, 28 и 29 и периодами полураспада, соответственно равными 7 сек, 2,3 мин. и 6,7 мин Устойчивых изотопов у алюминия нет.
Элементарная кристаллическая решетка алюминия - куб с центрированными гранями. Размер ребра элементарного куба 4,04 А°.
Плотность алюминия как твердого, так и расплавленного снижается по мере увеличения степени его чистоты Для твердого металла чистотой 99,75% Al плотность составляет 2,703, а для металла чистотой 99,996% Al 2,6989; плотность расплавленного алюминия чистотой 99,75% Al при 1000° равна 2,289.
Температура плавления алюминия возрастает по мере повышения степени его чистоты. Металл чистотой 99,6%) Al плавится при 658,7°, а температура плавления алюминия чистотой 99,996% Al 660,24°.
Увеличение объема алюминия при его плавлении составляет 6,6%.
Температура кипения алюминия при атмосферном давлении близка к 2500° Теплота плавления алюминия: удельная 93 ккал/г и атомная 2520 ккал/г-атом. Атомная теплота испарения алюминия находится в пределах 56 800-62 140 ккал/г-атом Истинная теплоемкость Жидкого алюминия в интервале 982-1273° К может быть принята постоянной и равной 7 кал/г-атом.
Электропроводность алюминия возрастает по мере повышения степени его чистоты. Для твердого металла чистотой 99,5% Al электропроводность составляет 62,5% по отношению к электропроводности ме ди, а для металла чистотой 99,996% Al 64,94%. Наиболее сильное влияние на снижение электропроводности оказывают примеси титана, ванадия, хрома и марганца. Удельное электрическое» сопротивление жидкого алюминия при 950° равно 30*10в-5 ом*см.
Механические свойства алюминия также в сильной степени зависят от его чистоты. Алюминий высокой чистоты значительно мягче, пластичнее технического металла, но обладает пониженной механической прочностью Алюминий чистотой 99,996% Al характеризуется, например, следующими механическими свойствами: сопротивление на разрыв 11,41 кг/мм2 для холоднокатаного металла и 4,81 кг/мм2 для отожженного; сопротивление сжатию соответственно 10,8 и 1,26 кг/мм2 и удлинение 5,5 и 48,8%.
Алюминий обладает большой химической активностью- энергия образования его соединений с кислородом, галоидами, серой и углеродом весьма велика, в ряду напряжений он занимает место среди наиболее электроотрицательных элементов (нормальный электродный потенциал его - 1,36 в).
Отличительной особенностью алюминия является его склонность энергично реагировать с кислородом, в частности с кислородом воздуха. Поэтому на воздухе алюминий покрывается тонкой, но очень проч ной пленкой окиси алюминия. Электронномикроскопические исследования показывают, что эта пленка окиси алюминия сплошная и беспористая. Она защищает алюминий от дальнейшего окисления и обусловливает большую коррозионную стойкость металла.
Пленка окиси алюминия на поверхности твердого металла имеет толщину примерно 2*10в-5 см. Интенсивность окисления алюминия возрастает с повышением температуры, в особенности выше точки его плавления, причем зависит от примесей металлов, присутствующих в алюминии Наличие в алюминии примесей магния, кальция, натрия, кремния и меди усиливает его окисление. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей сильно понижается, и эти места уязвимы для коррозии. Напротив, окисная пленка имеет исключительно большое сцепление с поверхностью алюминия высокой степени чистоты, обладающего ничтожным содержанием примесей. Такой металл поэтому оказывается чрезвычайно стойким в отношении химических реагентов (например, неорганических кислот), загрязненной атмосферы, морской воды.
Реакция взаимодействия алюминия с кислородом, приводящая к образованию окиси алюминия:

2Аl + 1,5О2 = Al2O8,

экзотермична и идет со значительно большим выделением тепла, чем для многих других металлов.
Теплота окисления алюминия при 22° и постоянном давлении, определенная сжиганием чистейшего электролитического рафинированного алюминия в кислороде, равна 402900±300 кал/г-моль. С помощью весьма точных калориметрических измерений теплота образования All2O3 (корунда) также получена весьма близкой к этой величине: 399 040 кал/г-моль при 25°.
Безводная окись алюминия (глинозем) существует в форме двух модификаций, с которыми приходится иметь дело при производстве глинозема и электролитическом получении алюминия.
Первая из них α-Al2O3, или корунд, встречается в естественных горных породах. Все виды гидратов окиси алюминия (гидроаргиллит, бемит, диаспор) при нагревании до 1200° превращаются в α-Al2O3. Кристаллизуется корунд в гексагональной системе. Корунд отличается высокой твердостью, занимая в минералогической шкале предпоследнее перед алмазом место - девятое. Он практически не гигроскопичен и имеет из всех модификации глинозема наибольший удельный вес (3,9-4,0 г/см3).
Вторая модификация безводного глинозема γ-Al2O3 кристаллизуется в кубической системе. В природе γ-Al2O3 не встречается и образуется при обезвоживании трехводной окиси алюминия - гидраргиллита Al(OH)3 в температурном интервале 500-900°, отличается большой дисперсностью и гигроскопичностью. Удельный вес γ-Al2O3 равен 3,77 г/см3 При нагревании γ-Al2O3 выше 900° начинается его превращение в α-Al2O3, которое полностью завершается при 1200°.
Технический глинозем, получаемый щелочными способами для электролитического производства алюминия, представляет собой смесь α-Al2O3 и γ-Al2O3, причем содержание корунда составляет 30-45%.
Безводный глинозем является термически стойким окислом с высокой температурой плавления (2050°) и кипения (2980°). Молярная теплота плавления Al2O3 равна 6000 кал/г-моль, а удельная 58,8 кал/г; теплота испарения Al2O3 составляет 11790 кал/г-моль.
В химическом отношении глинозем-типичное амфотерное соединение, основные и кислотные свойства которого выражены примерно в равной степени Поэтому он с одинаковой легкостью растворяется и в кислотах, и в щелочах. Наименьшей скоростью растворения обладает при этом α-Al2O3, большей - γ-Al2O3. Особенно же быстро растворяются гидроокиси алюминия, которые в растворах кислот ведут себя как Основания, образуя алюминиевые соли соответствующих кислот, а в растворах оснований проявляют себя как кислоты, давая соли этих оснований - алюминаты.
Последние образуются также при непосредственном взаимодействии глинозема с окислами щелочных и щелочноземельных металлов при высоких температурах.
При нагревании Al2O3 в смеси с металлическим алюминием при температуре выше 1200° в вакууме (остаточное давление 10в-3 мм рт. ст.) образуется летучая субокись алюминия Al2O:

Al2O3 (тв) + 4Аl(ж) ⇔ 3Аl2O3 (г),

Интенсивное взаимодействие алюминия с хлором практически происходит выше 100° с образованием хлорида алюминия и выделением 161,4 ккал/г-моль AlCl3. Ниже 440° молекула хлорида алюминия отвечает формуле Al2Cl6; в интервале 440-600° наблюдается частичная диссоциация: Al2Cl6⇔2АlСl3, выше 600° состав хлорида алюминия выражается формулой А1С1з. Образование удвоенной молекулы хлорида алюминия 2АlСl3 → Al2Cl6 сопровождается выделением 29 ккал/г-моль AlCl3. Хлорид алюминия крайне гигроскопичен и на воздухе подвергается гидролизу с образованием HCl.
При нагревании в инертной атмосфере или в вакууме с металлическим алюминием хлорид алюминия образует субхлорид AlCl. Последний существует только в газовой фазе или в расплавленной среде при высокой температуре, а при охлаждении примерно до 800° вновь распадается на нормальный хлорид алюминия и металлический алюминий:

2Аl(ж) + AlCl3 (г) ⇔ 3АlCl(г).

С фтором алюминий образует фторид алюминия AlF3, который в большой степени отличается от хлорида алюминия по своим свойствам. Если хлорид алюминия является химическим соединением с ковалент ной связью и молекулярной кристаллической решеткой, обладает низкой температурой плавления и кипения (соответственно 190 и 183°), то во фториде алюминия химическая связь в основном ионная, что выра жается его высокой температурой плавления и кипения. Так, AlF3 при атмосферном давлении возгоняется, не плавясь, будучи нагрет примерно до 1000-1100°, причем упругость паров AlF3 достигает одной атмосферы при 1260°. В вакууме (остаточное давление 10в-2 мм рт. ст.) AlF3 начинает сублимировать при температуре около 700°. Попытки расплавить AlF3 в бомбе под давлением при температуре около 1500° не дали положительных результатов.
При нагревании в вакууме или в инертной среде с металлическим алюминием фторид алюминия (так же как и хлорид) образует соединение низшей валентности - субфторид:

2Аl (ж) + AlF3 (тв) ⇔ 3AlF (г).

С серой алюминий взаимодействует непосредственно при высокой температуре (выше 1000°) с образованием сульфида алюминия Al2S3. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла (141 ккал/г-моль Al2S3) При восстановительной плавке сульфида железа с глиноземом также образуется сульфид алюминия. Температура плавления сульфида алюминия 1100°. Он полностью разлагается водой с образованием Al(OH)3 и H2S При нагревании в вакууме смеси Al2S3 и Al до 1300° образуется субсульфид алюминия Al2S, который при охлаждении разлагается на металл и нормальный сульфид
С азотом алюминий непосредственно соединяется при 800° с образованием нитрида AlN. Реакция эта сопровождается довольно значительным выделением тепла (74 ккал/г-моль AlN). Чистый нитрид алюминия представляет собой белый порошок, не изменяющийся при нагревании до 2000°. Выше этой температуры он начинает распадаться на элементы, под давлением 4 ат AlN плавится при 2200°. Водой он медленно разлагается на Al(OH)3 и NH3. Нитрид алюминия кристаллизуется в гексагональной системе. Всегда в тех или иных количествах в алюминиевой ванне образуется карбонитрид алюминия Al5C3N.
С углеродом алюминий образует карбид алюминия Al4C3, причем для этого на воздухе смесь угля и алюминия должна быть нагрета примерно до 2000°. В атмосфере водорода или в вакууме порошкообразный алюминий и углеродистый материал реагируют при 1000-1200°. Присутствие криолита облегчает образование карбида алюминия, что, в частности, может быть обусловлено растворением изолирующей пленки Al2O3 с поверхности алюминия в расплавленном криолите, а также и другими причинами.
Реакция образования карбида алюминия из элементов протекает с выделением тепла (63,2 ккал/г-моль Al2O3). Чистый карбид алюминия окрашен в ярко-желтый цвет и имеет удельный вес 2,36 г/см3. При нагревании выше 2000° Al4C3 распадается с выделением графита. Вода разлагает карбид алюминия с образованием гидрата окиси алюминия и метана. На воздухе карбид алюминия окисляется, давая глинозем и свободный углерод.
Пространственная кристаллическая решетка карбида алюминия имеет резко выраженный слоистый характер.
Образование карбида алюминия протекает очень энергично в условиях высоких температур (выше 1000°) при взаимодействии углеродистых материалов с субхлоридом и субфторидом алюминия.
Необходимо также отметить, что при образовании молекулы карбида алюминия из трех атомов углерода и четырех атомов алюминия объем вещества увеличивается на 20%.
В тех или иных количествах Al4C3 всегда образуется в алюминиевой ванне.
С водородом алюминий, по видимому, химически не взаимодействует, однако весьма энергично растворяет его. Растворимость водорода в расплавленном алюминии при 1000° составляет 0,2 см3 в 1 см3 Al В алюминиевой ванне источником водорода является влага, подвергающаяся электролизу с выделением H2 на катоде.
Алюминий впервые в 1825 г. был выделен в свободном виде датским физиком Эрстедом действием амальгамы калия на хлористый алюминий. Позднее, в 1827 г., немецкий химик Велер улучшил способ Эрстеда, заменив амальгаму калия металлическим калием. В 1854 г. Сен Клер-Девилль во Франции применил способ Велера для первого промышленного производства алюминия, внеся в него дальнейшие улучшения: вместо калия им был использован более дешевый натрий, а вместо гигроскопичного хлорида алюминия более стойкий двойной хлорид алюминия и натрия. В 1865 г русским физико-химиком Н. Н. Бекетовым была установлена возможность вытеснения алюминия магнием из криолита. Эта реакция в 1888 г. была применена затем для производства алюминия на первом немецком заводе в Гмеленгене.
Производство алюминия этими так называемыми химическими способами существовало с 1854 по 1890 гг. Однако в течение 35 лет с их помощью было получено в общей сложности всего около 200 т алюминия
В конце 80-х годов прошлого столетия химические способы были вытеснены электролитическим способом, который, обеспечивая значительное технологическое преимущество металлургического процесса, позволил резко снизить стоимость алюминия и создал возможность быстрого развития алюминиевой промышленности. Основоположниками современного электролитического способа производства алюминия являются Эру во Франции и Холл в США, которые в 1886 г. независимо друг от друга заявили почти аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите.
С момента появления патентов Эру и Холла собственно и начинается современная алюминиевая промышленность, которая за 75 лет своего существования выросла в одну из крупнейших отраслей мирового хозяйства. Особенно сильное развитие алюминиевая промышленность получила в последние 15 лет, что связано как со стратегическим значением алюминия, так и со все расширяющимися областями его технического применения Если в 1946 г мировая выплавка алюминия составила 774 тыс. т, то к 1960 г. она возросла почти в пять раз, достигнув примерно 3,5 млн. г. По общему объему его производства алюминий занимает в настоящее время следующее после железа место, опередив в этом отношении медь Первое место по выплавке алюминия принадлежит США.
Из других капиталистических стран крупную алюминиевую промышленность имеют Канада, Франция, Англия, Италия, ФРГ, Норвегия, Швеция, Япония.
Среди стран народной демократии наиболее развитой алюминиевой промышленностью располагает Венгрия. В начале пятидесятых годов были пущены первые алюминиевые заводы в Польше и Чехословакии Большие перспективы для развития алюминиевой промышленности имеются в Китайской Народной Республике.
Первые попытки организации производства алюминия в нашей стране относятся к 90-м годам прошлого столетия, когда под Москвой для получения алюминия химическим способом был построен небольшой завод, просуществовавший, однако, очень короткое время (с 1885 по 1889 гг.).
В 90-х годах прошлого столетия австрийским химиком Байером в России был разработан щелочной гидрохимический способ производства глинозема из бокситов, играющий основную роль в современной металлургии алюминия.
В начале этого столетия П.П. Федотьевым и другими русскими учеными был выполнен в области изучения современного способа производства алюминия ряд теоретических исследований, получивших мировую известность. Однако лишь после Великой Октябрьской социалистической революции были созданы условия для организации и развития алюминиевой промышленности в нашей стране.
Первые опыты электролитического получения алюминия в значительном масштабе были осуществлены в 1929 г. на заводе «Красный Выборжец» в Ленинграде под руководством П.П. Федотьева. В 1930 г. в Ленинграде же был пущен опытный алюминиевый завод, который сыграл большую роль в развитии советской алюминиевой промышленности. На этом заводе в течение четырех лет испытываюсь различное оборудование, обучались кадры рабочих и инженерно-технического персонала для первых алюминиевых предприятий.
В 1932 г. состоялся пуск Волховского алюминиевого завода, со оружейного на рудной базе тихвинских бокситов и электроэнергии Волховской гидроэлектростанции, а в 1933 г. - Днепровского алюминиевого завода на электроэнергии Днепровской гидроэлектростанции К этому же времени были сооружены и пущены Полевской криолитный завод, а также Московский и Днепровский электродные заводы для снабжения алюминиевых заводов фтористыми солями и углеродистыми изделиями
В 1938 г вступил в эксплуатацию Тихвинский глиноземный завод, расположенный в непосредственной близости к месторождению тихвинских бокситов. Далее, в 1939 г., был пущен Уральский алюминиевый завод на рудной базе высококачественных североуральских бокситов, а во время Великой Отечественной войны и в последующие годы - еще ряд алюминиевых заводов, расположенных в различных районах страны
Дальнейшее развитие алюминиевой промышленности в нашей стране будет происходить на базе последовательной ее электрификации и, в частности, сооружения мощных гидроэлектростанций. Характерной чертой при этом является продвижение алюминиевой промышленности России в восточные районы в Сибирь, где сооружаются Иркутский и Красноярский алюминиевые заводы (последний на рудной базе местных нефелиновых пород), и в Казахстан, где будет построен Павлодарский алюминиевый завод, рудной базой для которого будут служить тургайские бокситы
Алюминиевая промышленность, созданная в нашей стране за годы советской власти, уже сейчас занимает одно из первых мест в мире, имея все возможности для своего дальнейшего еще более интенсивного развития.
Алюминий – легкий, пластичный и прочный металл, широко востребованный в современной промышленности благодаря уникальному сочетанию его свойств, среди которых – высокая тепло- и электропроводность, пластичность, малая плотность, непроницаемость и долговечность.

Алюминий представляет собой химический элемент 3-й группы периодической системы Менделеева, имеет атомный номер 13 и атомную массу 26,98154. По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов и четвертое среди всех элементов, его содержание в земной коре достигает 8,8% по массе. Алюминий входит в состав многочисленных минералов и горных пород, соединения алюминия содержат базальты, граниты, глины, полевые шпаты и т.д. Однако главным сырьем для промышленного получения алюминия являются значительно менее распространенные бокситы и гиббситы, а также алуниты и нефелины.

Чистый алюминий представляет собой легкий металл серебристо-белого цвета, имеющий кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (параметр а = 0,40403 нм, z = 4, пространственная группа Fт3т). Температура плавления алюминия 660С, температура кипения около 2450С, плотность металла 99,996%-ной чистоты - 2,6989 г/см3 , температурный коэффициент линейного расширения – около 2,5 10–5 К–1, а стандартный электродный потенциал составляет А13+/А1° -1,663В в кислой среде и -2,35 В в щелочной.

Химически алюминий является достаточно активным металлом. На воздухе его поверхность немедленно покрывается прочной беспористой пленкой оксида Al2О3, которая перекрывает дальнейший доступ кислорода и останавливает реакцию, что обуславливает высокую коррозионную стойкость алюминия. Аналогичная защитная пленка на поверхности алюминия образуется также при его помещении в концентрированную азотную кислоту.

Алюминий легко вступает в реакцию с щелочами, давая алюминаты. При 25С алюминий образует с бромом, хлором, йодом и фтором соответственно бромид, хлорид, иодид и фторид алюминия. Порошкообразный металл при температуре выше 800С образует с азотом нитрид алюминия. При взаимодействии атомарного водорода с парами алюминия получается гидрид алюминия – бесцветный аморфный порошок, гидролизуемый водой.

При взаимодействии с серой при температуре выше 200С образуются бесцветные кристаллы сульфида алюминия, при взаимодействии с фосфором при 500С – желтовато-серые кристаллы фосфида алюминия, а при взаимодействии расплавленного металла с бором – желто-серые или коричневые кристаллы борида алюминия.

С некоторыми металлами и неметаллами алюминий образует сплавы, в которых содержатся интерметаллические соединения – алюминиды. Такие соединения обычно отличаются тугоплавкостью, а также имеют высокую твердость и жаропрочность. Алюминиды выступают в качестве модификаторов сплавов и применяются для придания изделиям высоких механических свойств.

Промышленное производство алюминия начинается с химической переработки бокситов, путем которой получают чистый оксид алюминия Al2O3. Затем в электролизной ванне расплавляют криолит, а затем добавляют в полученный расплав немного оксида алюминия и других веществ, улучшающих условия проведения последующего химического процесса. При электролиза расплава на катоде образуется расплавленный металл с содержанием алюминия более 99,7%.

Чистый алюминий используется для изготовления проволоки и фольги, используемой в качестве упаковочного материала. Однако большая часть выплавляемого алюминия идет на получение различных сплавов, которые по сравнению с чистым алюминием повышенной устойчивостью к коррозии и более высокими технологическими свойствами. К таким сплавам относятся дуралюмин, силумин и другие.

Сплавы алюминия широко применяются в архитектуре и строительстве, а автомобиле- и судостроении, в авиационной и космической технике, а также в быту. Сплав алюминия и циркония (циркалой) используется в ядерном ракетостроении. Из анодированного алюминия, внешним видом напоминающего золота, изготавливается различная бижутерия.