Алюми́ний (химический символ — Al, от ), ранее также гли́ний (от , устар., ср. , , см. также глинозём) — химический элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы, IIIA) третьего периода периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 13.
Простое вещество алюминий — лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к атмосферной коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.
Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости элемент в земной коре (после кислорода и кремния).
История Название элемента образовалось от — квасцы.
Достоверных сведений о получении алюминия до XIX века нет. Встречающееся иногда со ссылкой на «Естественную историю» Плиния утверждение, что алюминий был известен при императоре Тиберии, основано на неверном толковании источника.
Впервые алюминий был получен датским физиком Хансом Эрстедом в 1825 году. Он восстановил хлорид этого элемента амальгамой калия при нагревании и выделил металл. Позже способ Эрстеда был улучшен Фридрихом Вёлером, он использовал для восстановления хлорида алюминия до металла чистый металлический калий и он же описал химические свойства алюминия.
Впервые полупромышленным способом алюминий получил в 1854 г. Сент-Клер Девиль по методу Вёлера, заменив калий на более безопасный натрий. Год спустя на Парижской выставке 1855 г. он продемонстрировал слиток металла, а в 1856 г. получил алюминий электролизом расплава двойной соли хлорида алюминия-натрия.
До развития широкомасштабного промышленного электролитического способа получения алюминия из глинозёма этот металл был дороже золота. Так, в 1889 году британцы, желая почтить богатым подарком русского химика Д. И. Менделеева, подарили ему аналитические весы, у которых чашки были изготовлены из золота и алюминия Урок № 49. Алюминий .
В России алюминий назвали в то время «серебром из глины» или, сокращённо, глинием, так как главной составляющей частью глины является глинозём Al2O3. Промышленный способ получения металла электролизом расплава Al2O3 в криолите, разработали независимо друг от друга Ч. Холл и П. Эру в 1886 г.
Соединения алюминия, например, двойная соль алюминия и калия — квасцы KAl(SO4)2 • 12H2O — известны и использовались с глубокой древности.
Нахождение в природе
Распространённость
По распространённости в земной коре занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14 %Короновский Н. В., Якушова А. Ф. Основы геологии ..
Природные соединения алюминия В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из природных минералов алюминия: Бокситы — Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3) Нефелины — KNa3[AlSiO4]4 Алуниты — (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3 Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3) Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al2O3 Полевые шпаты — (K,Na)2O·Al2O3·6SiO2, Ca[Al2Si2O8] Каолинит — Al2O3·2SiO2 · 2H2О Монтмориллонит — (Na,Ca)0,33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al2О3 · 6SiO2 Хризоберилл (александрит) — BeAl2O4.
Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях (жерла вулканов) найдены ничтожные количества самородного металлического алюминия.
В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в водоёмах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л. В морской воде его концентрация 0,01 мг/лRiley J. P., Skirrow G. Chemical Oceanography, V. 1, 1965..
Изотопы алюминия
Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al с ничтожными следами 26Al, наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при расщеплении ядер аргона 40Ar протонами космических лучей с высокими энергиями.
Получение
Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению с другими металлами, восстановление алюминия до металла из природных оксидов и алюмосиликатов более сложно в связи с его высокой реакционной способностью и с высокой температурой плавления всех его руд, например таких, как бокситы, корунды.
Обычное восстановление до металла обжигом оксида с углеродом (как например, в металлургических процессах восстановления железа) — невозможно, так как сродство к кислороду у алюминия выше, чем у углерода.
Возможно получение алюминия посредством неполного восстановления алюминия с образованием промежуточного продукта — карбида алюминия Al4C3, который далее подвергается разложению при 1900—2000 °С с образованием металлического алюминия. Этот способ производства алюминия изучается. Предположительно он более выгоден, чем классический электролитический способ производства алюминия (), так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO2.
Современный метод получения, процесс Холла — Эру, был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.
Электролиз в расплаве криолита:
Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодных графитовых электродов и около 17 МВт·ч электроэнергии (~61 ГДж)Краткая химическая энциклопедия. Т. 1 (А—Е). — М.: Советская энциклопедия. 1961..
Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году восстановлением металлическим калием безводного хлорида алюминия (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):
Физические свойства
Металл серебристо-белого цвета, лёгкий плотность — 2712 кг/м³ температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C удельная теплота плавления — 390 кДж/кг температура кипения — 2518,8 °C удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг удельная теплоёмкость — 897 Дж/(кг·K) (молярная теплоёмкость 24,2 Дж·моль−1·К−1 или 24,35 Дж·моль−1·К−1) временное сопротивление литого алюминия — 10—12 кг/мм², деформируемого — 18—25 кг/мм², сплавов — 38—42 кг/мм² Твёрдость по Бринеллю — 24—32 кгс/мм² высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу Модуль Юнга — 70 ГПа Коэффициент Пуассона — 0,34 Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·106 См/м — 65 % от электропроводности меди) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), обладает высокой светоотражательной способностью. Слабый парамагнетик. Температурный коэффициент линейного расширения 24,58 К−1 (20—200 °C). Удельное электрическое сопротивление 0,0262—0,0295 Ом·мм²/м Температурный коэффициент электрического сопротивления 4,3 K−1. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 К. Твёрдость по Моосу — 2,75
При нормальных условиях образует кристаллы .
Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью, магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).
Теплопроводность алюминия вдвое больше, чем железа и равна половине теплопроводности меди.
Химические свойства
При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с O2, HNO3 (без нагревания), H2SO4(конц), но легко реагирует с HCl и H2SO4(разб). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Не допустить образования оксидной плёнки можно, добавляя к алюминию такие металлы, как галлий, индий или олово. При этом поверхность алюминия смачивают легкоплавкие эвтектики на основе этих металлов.
Легко реагирует с простыми веществами:
с кислородом, образуя оксид алюминия:
с галогенами при комнатной температуре (кроме фтора), образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:
с другими неметаллами реагирует при нагревании:
со фтором, образуя фторид алюминия:
с серой, образуя сульфид алюминия:
с азотом, образуя нитрид алюминия:
с углеродом, образуя карбид алюминия:
с фосфором, образуя фосфид алюминия:
Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:
Со сложными веществами:
с водой (после удаления защитной оксидной плёнки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):
с парами воды (при высокой температуре):
со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):
Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:
При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:
восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):
Применение
Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьём в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углепластиками). После строительства и производства упаковки — алюминиевых банок и фольги — крупнейшей отраслью-потребителем металла является энергетикаДни алюминия: насколько отрасль важна для промышленности и экономики // 1 марта 2024.
Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).