Войти
Алюминий (алюминий в американском и канадском английский ) - это химический элемент с символом Alи атомный номер 13. Это серебристо-белый, мягкий, немагнитный и пластичный металл из группы бора. По массе алюминий является самым распространенным металлом в земной коре и третьим по распространенности элемента (после кислорода и кремния ). Содержание алюминия уменьшается по сравнению с другими элементами на больших глубинах мантии Земли и за ее пределами. Основная руда алюминия - боксит. Металлический алюминий обладает высокой реакционной способностью, поэтому нативные образцы редко и ограничиваются экстремальными восстанавливающими средами. Вместо этого он встречается в более чем 270 различных минералах..
Алюминий отличается низкой плотностью и его способностью противостоять коррозии за счет явления пассивации.. Алюминий и его сплавы имеют жизненно важное значение для аэрокосмической отрасли и важны для транспорта и строительных направлений, таких как фасады зданий и оконные рамы. оксиды и сульфаты являются наиболее полезными соединениями алюминия.
Несмотря на широкое распространение в окружающей среде, ни один живой организм не использует соли алюминия метаболически, но алюминий хорошо переносится растениями и животными. Постоянный интерес, исследования продолжаются.
Из изотопов алюминия только. Al. является стабильным. Это согласуется с тем, что алюминий имеет нечетный атомный номер. Это единственный первоначальный изотоп алюминия, то есть единственный изотоп, который существовал на Земле в его нынешнем виде с момента образования планеты. Практически весь алюминий на Земле присутствует в виде этого изотопа, что делает его мононуклидным элементом и означает, что его стандартный атомный вес такой же, как у изотопа. Стандартный атомный вес низкого по сравнению со многими другими металлами, имеет последствия для элемента (см. ниже). Это делает алюминий очень полезный в ядерном магнитном резонансе (ЯМР), его единственная стабильная изотопная высокая чувствительность ЯМР.
Все другие изотопы алюминия радиоактивны. Самым стабильным из является Al : хотя он присутствовал вместе со стабильным Al в межзвездной среде, из которой образовалась Солнечная система, он также был произведен звездным нуклеосинтезом, его период полураспада составляет всего 717 000 лет, и поэтому обнаруживаемое не сохранилось с момента образования планеты. Однако мельчайшие следы Al образуются из аргона в атмосфере в результате расщепления, вызванного протонами космических лучей. Отношение Al к Be использовалось для радиодирования геологических процессов в масштабе времени от 10 до 10 лет, в частности переноса, осаждения, отложений хранения, захоронения. раз и эрозия. Большинство ученых-метеоритов считают, что энергия, выделяемая при распаде Al, ответственна за плавление и дифференциацию некоторых астероидов после их образования 4,55 миллиарда лет назад.
Остальные изотопы алюминия с массовыми числами в диапазоне от 22 до 43 имеют период полураспада значительно меньше часа. Известно три метастабильных состояний, все с периодом полураспада менее минуты.
Атом алюминия имеет 13 электронов, размещенная в электронной конфигурации из [Ne ] 3s 3p, с тремя электронами за пределами стабильной конфигурации благородного газа. Соответственно, объединенные первые три энергии ионизации алюминия намного ниже, чем энергия одной четвертой ионизации. Такая электронная конфигурация для других хорошо охарактеризованных членов этой группы, бор, галлий, индий и таллий ; это также ожидается для нихония. Алюминий может относительно легко отдавать три своих внешних электрона во многих химических реакциях (см. ниже). Электроотрицательность алюминия составляет 1,61 (шкала Полинга).
Микрофотография STEM - HAADF высокого разрешения Al вдоль оси зоны [001] Свободный атом алюминия имеет радиус, равный 143 пм. После удаления трех крайних электронов радиус сжимается до 39 пм для 4-координированного атома или 53,5 пм для 6-координированного атома. При стандартной температуре и давлении атомы алюминия (когда на них не атомы других элементов) образуют гранецентрированную кубическую кристаллическую систему, связанную металлической связью, необходимой крайними электроны элементами; следовательно, алюминий (в этих условиях) - это металл. Эта кристаллическая система характерна для многих других металлов, таких как свинец и медь ; размер элементарной ячейки алюминия сопоставим с размером этих других металлов. Однако его не разделяют другие члены его группы; бор имеет ионизацию, слишком большая металлизация, таллий имеет гексагональной плотноупакованной гексагональной плотноупакованной конструкции, галлий и индий имеют необычные структуры, которые не имеют плотноупакованными, как у алюминия и таллия. Для возможности металлической связи доступно небольшое количество электронов, металлический алюминий, мягкий с низкой температурой плавления и низкое удельным сопротивлением, что характерно для постпереходных металлов.
Металлический алюминий имеет внешний вид от серебристо-белого до тускло-серого, в зависимости от шероховатости поверхности. Свежая алюминиевая пленка хорошим отражателем (приблизительно 92%) видимого света и отличным отражателем (до 98%) среднего и дальнего инфракрасного излучение.
Плотность алюминия составляет 2,70 г / см, что составляет около 1/3 плотности стали, что намного ниже, чем у других обычно встречающихся металлов, что делает алюминиевые детали легко узнаваемыми по их легкости. Низкая плотность алюминия по сравнению с большинством других металлов помогает с тем, что его ядро намного легче, а разница в размере элементарной ячейки не компенсирует эту разницу. Единственными более легкими металлами являются металлы групп 1 и 2, которые, за исключением бериллия и магния, слишком реакционноспособны для использования в конструкции ( и бериллий очень токсичен). Алюминий не такой прочный и жесткий, как сталь, но низкая плотность компенсирует это в аэрокосмической отрасли и во многих других областях, где малый вес и относительно высокая прочность имеют решающее значение.
Pure алюминий довольно мягкий и непрочный. В большинстве случаев вместо них используются различные алюминиевые сплавы из-за их высокой прочности и твердости. предел текучести чистого алюминия составляет 7–11 МПа, в то время как алюминиевые сплавы имеют пределы текучести в диапазоне от 200 МПа до 600 МПа. Алюминий пластичный с относительным удлинением 50-70% и ковкий, что позволяет легко вытягивать и экструдировать. Он также легко подвергается механической обработке, а низкая температура плавления 660 ° C позволяет легко отливать.
Алюминий является отличным термическим и электрическим проводником, имеющий около 60% теплопроводности меди, как термической, так и электрической, и имея при этом только 30% плотности меди. Алюминий способен к сверхпроводимости, с критической температурой сверхпроводимости 1,2 кельвином и критическим магнитным полем около 100 гаусс (10 миллитес ). Он парамагнитен и поэтому практически не подвержен влиянию статических полей. Однако высокая электропроводность означает, что на него сильно влияют переменные магнитные поля из-за индукции вихревых токов.
Алюминий сочетает в себе характеристики металлов и после перехода. Он имеет характерные физические свойства постпереходного металла с более поздними, чем ожидалось, межатомными расстояниями, ему мало доступных электронов для металлических связей, как у его более тяжелых родственников группы 13. Кроме того, поскольку Al представляет собой небольшой и сильно заряженный катион, он является сильным поляризующим, и связывание в соединениях алюминия имеет тенденцию к ковалентности ; это поведение аналогично поведению бериллия (Be), и оба они отображают пример диагонального соотношения .
Базовое ядро под валентной оболочкой алюминия является ядром предыдущего благородного газа, тогда как те из его более тяжелых конгенеров галлий и индий, таллий и нихоний также включают заполненную d-подоболочку в некоторых случаях заполненную f-подоболочка. Следовательно, внутренние электроны алюминия почти полностью экранируют валентные электроны, в отличие от электронов тяжелых родственников алюминия. Таким образом, алюминий является наиболее электроположительным металлом в своей группе, а его гидроксид на самом деле более щелочной, чем у галлия. Алюминий также имеет небольшое сходство с металлоидным бором в той же группе: соединения AlX 3 являются валентными изоэлектронными соединениями BX 3 (они имеют одинаковую валентную электронную структуру), и оба ведут себя как кислоты Льюиса и легко образуют аддукты. Кроме того, одним из основных мотивов химии является структура является регулярной медицинской структурой, а алюминий важной части многих икосаэдрических квазикристаллических сплавов, включая класс Al - Zn - Mg.
Алюминий имеет высокое химическое сродство к кислороду, что делает его пригодным для использования в качестве восстанавливающего агента в реакции термит. Мелкодисперсный порошок жидкого алюминия взрывоопасен при контакте с ким кислородом ; Однако при нормальных условиях алюминий образует тонкий оксидный слой (~ 5 нм при комнатной температуре), который защищает металл от коррозии кислородом, водой или разбавленной кислотой, процесс, называемый пассивацией. Из-за его общей устойчивости к коррозии алюминий является одним из немногих металлов, который делает его важным компонентом формы красок серебристого цвета. Алюминий не подвергается воздействию окисляющих кислот из-за его пассивации. Это позволяет использовать алюминий для хранения реагентов, таких как азотная кислота, концентрированная серная кислота и некоторые органические кислоты.
В горячей концентрированной соляной кислоте, алюминий реагирует с водой с выделением водорода, а в водном гидроксид натрия или гидроксиде калия при комнатной температуре с образование алюминатов - защитная пассивация в этих условиях. Царская водка также растворяет алюминий. Алюминий такой подвержен коррозии растворенными хлоридами, как обычный хлорид натрия, поэтомуняя сантехника никогда не изготавливается из алюминия. Оксидный слой на алюминии также разрушается при контакте с ртутью из-за амальгамирования или солями некоторых электроположительных металлов. Таким образом, самые прочные алюминиевые сплавы менее устойчивы к коррозии из-за гальванических используют с легированной медью, а коррозионная стойкость алюминия значительно снижена водными солями, особенно в присутствии разнородных металлов..
Алюминий реагирует с большинством неметаллов при нагревании, образуя соединения, такие как нитрид алюминия (AlN), сульфид алюминия (Al 2S3) и галогениды алюминия. (AlX 3). Он образует широкий спектр интерметаллических соединений, включая металлы из каждой группы периодической таблицы.
Подавляющее большинство соединений, включая все алюминийсодержащие минералы и все коммерчески значимые соединения алюминия содержат алюминий в степени окисления 3+. Координационное число таких соединений варьируется, но обычно Al является шести- или четырехкоординатным. Почти все соединения алюминия (III) бесцветны.
Гидролиз алюминия как функция pH. Скоординированные молекулы воды не показаны. (Данные Baes and Mesmer) В водном растворе Al существует в виде гексааквакатиона [Al (H 2O)6], имеющего приблизительное значение pKa, равное 10. Такие растворы являются кислыми, поскольку этот катион может действовать как донора протонов и постепенно гидролизуют до тех пор, пока не образуется осадок гидроксида алюминия, Al (OH) 3. Это полезно для осветление воды, поскольку осадок образует зародыши на взвешенных частицах в воде, следовательно, их удаляет. Еще большее повышение pH приводит к растворению гидроксида снова в виде алюмината, [ Образуется Al (H 2O)2(OH) 4 ].
Гидроксид алюминия образует как соли, так и алюминаты и растворяется в кислоте и щелочи, а также при плавлении с кислотными и основными оксидов. Такое поведение Al (OH) 3 называется амфотеризм и характерно для слабоосновных катионов, которые образуют нерастворимые гидроксиды и чьи гидратированные част ицы также могут отдавать свои протоны. это тот алюминий са Его со слабыми кислотами гидролизуют в воде до водного гидроксида и соответствующего неметаллического гидрида: например, сульфид алюминия дает сероводород. Однако некоторые соли, такие как карбонат алюминия, существуют в водном растворе, но как таковые нестабильны;и только неполный гидролиз имеет место для солей с сильными кислотами, таких как галогениды, нитрат и сульфат. По аналогичным причинам безводные соли алюминия нельзя получить путем нагревания их «гидратов»: гидратированный хлорид алюминия на самом деле не является AlCl 3 · 6H 2 O, а [Al (H 2O)6] Cl 3, и связи Al - O настолько сильны, что нагревания недостаточно для их разрыва и образования вместо этих связей Al - Cl:
Все четыре тригалогенида хорошо известны. В отличие от структур трех более тяжелых тригалогенидов, фторид алюминия (AlF 3). Каждый атом алюминия окружен шестью атомами фтора в искаженной октаэдрическом расположении, где используется шесть координат алюминия, объясняющая его нелегкость и нерастворимость. Такие звенья {AlF 6 } также существуют в сложных фторидах, таких как криолит, Na 3 AlF 6. AlF 3 плавится при 1290 ° C (2354 ° F) и образует реакции по реакции оксида алюминия с газообразным фтористым водородом при 700 ° C (1292 ° F).
У более тяжелых галогенидов координационные числа ниже. Другие тригалогениды представляют собой димерными или полимерными с тетраэдрическими четырехкоординатными центрами алюминия. Трихлорид алюминия (AlCl 3) имеет слоистую полимерную структуру ниже его плавления 192,4 ° C (378 ° F), но при плавлении превращается в точки плавления Al 2Cl6. При более высоких температурах они все больше диссоциируют на тригональные плоские мономеры AlCl 3, аналогичные структуры BCl 3. трибромида алюминия и трииодида алюминия, образуют димеры Al 2X6во всех трех фазах и, следовательно, не демонстрирует столь значительных свойств при фазовом переходе. Эти материалы получают обработкой металлического алюминия галогеном. Тригалогениды алюминия образуют множество аддитивных соединений или комплексов; их кислая природа Льюиса делает их полезными в качестве катализаторов для силы Фриделя - Крафтса. Трихлорид алюминия широко используется в промышленности, включая эту реакцию, например, при производстве антрахинонов и стирола ; он также часто используется в качестве реагента для преобразования фторидов неметаллов в соответствующие хлориды (реакция трансгалогенирования ).
Алюминий образует один стабильный оксид химической формулы Al2O3, обычно называемый глинозем. В природе встречается в минерале корунд, α-оксид алюминия; есть также фаза γ-оксида алюминия. твердость по Моосу 9), имеет высокую температуру плавления 2045 ° С (3713 ° F), очень низкую летучесть, химически инертен и является хорошим электроизолятором, часто используется в абразивных материалах (такие как зубная паста), в качестве огнеупорного материала, так и в керамика, а также является исходным материалом для электролитического производства металлического алюминия. Sapphire и рубин - это нечистый корунд, загрязненный следовыми количествами других ме таллов. Двумя вызывающий оксидно-гидроксидами, AlO (OH), являются бемит и диаспор. Существует три основных тригидроксида: байерит, гиббсит и, которые различаются по его кристаллической структуре (полиморфы ). Также известны многие другие промежуточные и родственные структуры. Большинство из них производится из руд с помощью различных мокрых процессов с использованием кислоты и основания. Нагрев гидроксидов приводит к образованию корунда. Эти материалы имеют решающее значение для производства алюминия и сами по себе полезны. Некоторые смешанные оксидные фазы также очень полезны, такие как шпинель (MgAl 2O4), Na-β-оксид алюминия (NaAl 11O17) и трикальцийалюминат (Ca 3Al2O6, важная минеральная фаза в портландцементе ).
Единственными стабильными халькогенидами при нормальных условиях являются сульфид алюминия (Al 2S3), селенид (Al 2Se3) и (Al 2Te3). Все три получают реакцией их элементов при температуре около 1000 ° C (1832 ° F) и быстро полностью гидролизуются в воде с получением гидроксида алюминия и соответствующий халькогенид водорода. алюминий представляет собой небольшой атом по отношению к этому халькогенам, они имеют четырехкоординатный тетраэдрический алюминий с различными полиморфами, связанными структурами, связанными с вюрцитом, с двумя третьими частями металла занят либо упорядоченным (α), либо случайным (β) образом; сульфид также имеет γ-форму, связанную с γ-оксидом алюминия, и необычную высокотемпературная гексагональная формула, где половина алюминия имеет тетраэдрическую форму, а другая половина имеет тригональную бипирамидную пятикоординированность.
Четыре пниктида - нитрид алюминия (AlN), фосфид алюминия (AlP), арсенид алюминия (AlAs) и антимонид алюминия (AlSb) - известные. Все они являются полупроводниками III-V изоэлектронными кремнию и германию, все из, кроме AlN, имеют цинковой обманки. Все могут быть получены путем прямых реакций их элементов при высокой температуре (и, возможно, при высоком давлении).
Алюминиевые сплавы хорошо сочетаются с большинством других металлов (за безопасность щелочных металлов и металлы 13 группы) и более 150 интерметаллидов с другими металлами. Подготовка включает совместное нагревание неподвижных металлов в размерах с последующим охлаждением и отжигом. Связь в них преимущественно металлическая, и кристаллическая структура в первую очередь зависит от эффективности упаковки.
Есть несколько соединений с более низкими степенями окисления. Существует несколько соединений алюминия (I) : AlF, AlCl, AlBr и Al существуют в газовой фазе, когда соответствующий тригалогенид нагревается с алюминием, и при криогенных температурах. Стабильным производным монойодида алюминия является циклический аддукт, образованный с триэтиламином, Al 4I4(NEt 3)4. Al 2 O и Al 2 Простые соединения алюминия (II) задействуются или наблюдаются в реакциях металлического Al с окислителями. Например, монооксид алюминия, AlO, обнаружен в газовой фазе после взрыва и в. более тщательно исследованы соединения формулы R 4Al2, которые содержат связь Al - Al и где R представляет собой большой органический лиганд.
Структура триметилалюминия, соединения, содержащиеего пятикоординированный углерод. Разнообразные соединения эмпирической формулы AlR 3 и AlR 1,5 Cl 1,5 существуют. триарилы алюминия представляют собой реактивные, летучие и бесцветные жидкости или легкоплавкие твердые вещес тва. Они самопроизвольно воспламеняются в воздухе и вступают в реакцию с водой, поэтому они необходимы при обращении с водой. Они часто образуют димеры, в отличие от своих борных аналогов, но эта тенденция уменьшается для алкилов с разветвленной цепью (например, Pr, Bu, Me 3 CCH 2); например, триизобутилалюминий существует как равновесная смесь мономера и димера. Эти димеры, такие как триметилалюминий (Al 2Me6), обычно содержат образованные димеризацией с некоторой алкильной группой образующий мостик между обоими атомами алюминия. Это твердые кислоты, которые легко реагируют с лигандами, образуя аддукты. В промышленности они в основном используются в реакциях внедрения алкенов, как обнаружил Карл Циглер, наиболее важные в «реакциях роста», которые образуют неразветвленные первичные алкены и спирты с длинной цепью, а также в полимеризации при низком давлении этен и пропен. Существует также несколько гетероциклических и кластерных соединений Al - N.
Наиболее важных в промышленности гидридом алюминия алюмогидрид лития (LiAlH 4), который используется в качестве восстановителя в органической химии. Его можно получить из гидрида лития и трихлорида алюминия. Самый простой гидрид, гидрид алюминия или алан, не так важен. Это полимер с формулой (AlH 3)n, в отличие от соответствующей гидрида бора, который представляет собой димер с формулой (BH 3)2.
Алюминий - содержание частиц в Солнечной системе составляет 3,15 ppm (частей на миллион). Это двенадцатое место по распространенности среди всех элементов и третье место по распространенности элементов с нечетными атомными номерами, после водорода и азота. Единственный стабильный изотоп алюминия, Al, является восемнадцатым по численности ядром во Вселенной. Он почти полностью создается в результате слияния углерода в массивных звездах, которые позже становятся сверхновыми типами II : в результате этого образования образуется Mg, который после захвата Некоторые меньшие количества Al образуются в водороде, сжигающем оболочках эволюционирующих звезд, где Mg может захватывать свободные протоны. ь алюминий, существующий в настоящее время представляет собой Al. Al присутствовал в ранней Солнечной системе с учетом 0,005% относительной системы до Al, но его период полураспада 728 000 лет слишком мал для того, чтобы какое-либо исходное ядро могло выжить; Следовательно, Ал вымер. В отличие от Al, при этом ядро Mg захватывает свободный протон. следовые количества Al, которые действительно существуют, являются наиболее распространенным излучателем гамма-излучения в межзвездном газе ; если бы исходный Al все еще присутствовал, карты гамма-лучей Млечного Пути были бы ярче.
боксит, основная алюминиевая руда. Красно-коричневый цвет обусловлен присутствием минералов оксида железа. В целом Земля содержит около 1,59% алюминия по массе (седьмое место по содержанию по массе). Алюминий в большей степени присутствует в земной коре, чем во Вселенной в целом, потому что алюминий легко образует оксид, связывается с горными породами и остается в земной коре, в то время как менее химически активные металлы опускаются в ядро. В земной коре алюминий является самым распространенным металлическим элементом (8,23% по массе) и третьим по распространенности из всех элементов (после кислорода и кремния). Большое количество силикатов в земной коре содержат алюминий. Напротив, мантия Земли состоит всего на 2,38% алюминия по массе. Алюминий также присутствует в морской воде в концентрации 2 мкг / кг.
Из-за его сильного сродства к кислороду алюминий почти никогда не встречается в элементарном состоянии; вместо этого он находится в оксидах или силикатах. Полевые шпаты, наиболее распространенная группа минералов в земной коре, представляет собой алюмосиликаты. Алюминий также встречается в минералах берил, криолит, гранат, шпинель и бирюза. Примеси в Al 2O3, такие как хром и железо, дают драгоценные камни рубин и сапфир, соответственно. Самородный металлический алюминий может быть обнаружен только в качестве незначительной фазы в средах с низкой летучестью кислорода , таких как недра некоторых вулканов. Самородный алюминий обнаружен в холодных выходах на северо-восточном континентальном склоне Южно-Китайского моря. Возможно, что эти отложения возникли в результате бактери восстановления >оксидроксоалюмината Al (OH) 4.
Хотя алюминий является обычным и широко распространенным материалом, не все минералы являются экономически жизнеспособными источниками металлов. Почти весь металлический алюминий производится из или боксита (AlO x (OH) 3–2x). Бокситы возникают как продукт выветривания коренной породы с низким содержанием железа и кремнезема в тропических климатических условиях. В 2017 году большая часть бокситов была добыта в Австралии, Китае, Гвинее и Индии.
Фридрих Велер, химик, который первым подробно описал металлический элементарный алюминий История алюминия имеет сформированы с использованием квасцов. Первое письменное упоминание о квасцах, сделанное греческим историком Геродотом, относится к V веку до нашей эры. Известно, что древние использовали квасцы в качестве красителя протравы и для защиты города. После крестовых походов квасцы, незаменимый товар в европейской тканевой промышленности, стали предметом международной торговли; он был завезен в Европу из восточного Средиземноморья до середины 15 века.
Природа квасцов оставалась неизвестной. Около 1530 г. швейцарский врач Парацельс предположил, что квасцы были солью квасцовой земли. В 1595 году немецкий врач и химик Андреас Либавиус экспериментально подтвердил это. В 1722 году немецкий химик Фридрих Хоффманн объявил, что верит в то, что основание квасцов представляет собой отдельную землю. В 1754 году немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф синтезировал глинозем путем кипячения глины в серной кислоте и последующего добавления поташа.
. Попытки получить металлический алюминий относятся к 1760 году. Однако первая успешная попытка была завершен в 1824 году датским физиком и химиком Гансом Кристианом Орстедом. Он прореагировал безводный хлорид алюминия с амальгамой калия , получив кусок металла, похожий на олово. Он представил свои результаты и продемонстрировал образец нового металла в 1825 году. В 1827 году немецкий химик Фридрих Вёлер повторил Эрстед, но не идентифицировал алюминия. (Причина этого несоответствия была обнаружена только в 1921 году.) Он провел аналогичный эксперимент в том же году, смешав безводный хлорид алюминия с калием, и получил порошок алюминия. В 1845 году он смогить небольшие кусочки металла и описал некоторые физические свойства этого металла. В течение многих лет после этого Велер считался первооткрывателем алюминия.
Статуя Антероса на площади Пикадилли в Лондоне была построена в 1893 году и является одной из первых статуй. отлита из алюминия. Гороскоп метод Велера не позволял получить большое количество алюминия, металл оставался редким; его стоимость превышала стоимость золота. Первое промышленное производство алюминия было основано в 1856 году французским химиком Анри Этьеном Сент-Клер Девиль и его товарищами. Девиль обнаружил, что трихлорид алюминия можно восстановить с помощью натрия, который был менее дорогим, чем калий, который использовал Велер. Даже тогда алюминий все еще был невысокой чистоты, и производимый алюминий отличался по свойствам в зависимости от образца.
Первый промышленный метод крупномасштабного производства разработан независимо в 1886 году французским инженером Полем Эру и Американский инженер Чарльз Мартин Холл ; теперь он известен как процесс Холла - Эру. Процесс Холла-Эру превращает глинозем в металл. Австрийский химик Карл Йозеф Байер в 1889 году открыл способ очистки бокситов с получением глинозема, теперь известный как Байера. Современное производство металлического алюминия основано на методике Байера и Холла. –Héroult процессов.
Цены на алюминий упали, и алюминий стал широко известен в ювелирных изделиях, предметах повседневного обихода, оправе для очков, оптических инструментов, посуде и фольге в 1890-х и начале 20-го века. Способность алюминия образовывать твердые, легкие сплавы с другими металлами обеспечила этот металлу множество применений в то время. Во время Первой мировой войны основное правительство требовали больших партий алюминия для легких прочных планеров.
К середине 20 века алюминий стал повседневной жизни и важным компонентом домашней утвари.. В середине 20-го века алюминий стал металлический для гражданского строительства, который нашел применение в основной конструкции, так и во внутренней отделке. Они используются в военной технике как для самолетов, так и для двигателей наземных бронетранспортеров. Первый искусственный спутник Земли, запущенный в 1957 г., состоял из двух отдельных алюминиевых полусфер, соединенных вместе, и все последующие космические аппараты в какой-то степени использовался алюминий. алюминиевая банка была изобретена в 1956 году и использовалась в хранилище для напитков в 1958 году.
Мировое производство алюминия с 1900 годаНа протяжении 20 века производство алюминия быстро росло: в то время как в мире производство алюминия в 1900 году состав 6800 метрических тонн, годовое производство впервые превысило 100000 метрических тонн в 1916 году; 1 000 000 тонн в 1941 г.; 10 000 000 тонн в 1971 году. В 1970-е годыший спрос на алюминий сделал его биржевым товаром; он поступил на Лондонскую биржу металлов, старейшую промышленную биржу металлов в мире, в 1978 году. Объем производства продолжал расти: годовое производство алюминия превысило 50 000 000 метрических тонн в 2013 году.
реальная цена алюминия снизилась с 14 000 долларов за метрическую тонну в 1900 году до 2340 долларов в 1948 году (в долларах США 1998 года). Затраты на добычу и переработку были снижены из-за технического прогресса и масштабов экономии. Однако необходимость разработки месторождений с более низким качеством использования и быстро растущих производственных затрат (прежде всего, энергии) увеличили чистую стоимость алюминия; реальная цена начала роста в 1970-х годах с ростом стоимости энергии. Производство перемещалось из промышленно развитых стран в страны, где производство было дешевле. Себестоимость производства в конце 20 века изменилась из-за технологических достижений, более низких цен на энергоносители, обменных курсов доллара США и цен на глиноземе. Совокупная доля стран БРИК в первичном и первичном потреблении в первом десятилетии 21 века. Китай аккумулирует большую часть мирового производства благодаря изобилию ресурсов, дешевой правительственной стимулам; он также увеличил свою долю потребления с 2% в 1972 году до 40% в 2010 году. В Соединенных Штатах Америки и Японии большая часть алюминия потреблялась при транспортировке, машиностроении, строительстве и упаковке.
Алюминий назван в честь глинозема, встречающегося в природе оксида алюминия, а название глинозема происходит от квасцов, минерала, из которого он был получен. Слово «квасцы» происходит от латинского слова alumen, что означает «горькая соль». Слово alumen происходит от протоиндоевропейского корня * alu, что означает «горький» или «пиво».
Американская реклама 1897 года с написанием алюминия Британский химик Хамфри Дэви, который провел ряд экспериментов, направленное выделение металла, считается человеком, назвавшим элементом. Первое название, предложенное для металла, выделяемого из квасцов, было алюм, Дэви в 1808 году в статье о его электрохимических исследованиях, опубликованной в Философские труды Королевского общества. Это предложение подверглось критике со стороны современных химиков из Франции, Германии и Швеции, чтобы металл был назван в честь оксида алюминия, из которого он будет изолирован. В январе 1811 г. в кратком изложении одной из лекций Дэви в Королевском обществе было предложено название «алюминий» - это самое раннее известное опубликованное письмо, в котором использовалось любое из современных написаний. Однако в следующем году Дэви опубликовал учебник химии, в котором остановился на написании алюминия. С тех пор оба написания сосуществовали; однако их использование разделено по регионам: алюминий используется в других местах.
Правописание Дэви «алюминий» согласуется с латинскими названиями металлов., которые заканчиваются на -um, например aurum (золото), argentum (серебро), ferrum (железо), обозначение вновь открытых элементов путем замены путем суффикса -a или -ite в названии оксида на -um: лантан был назван в честь его оксида лантана, магния для магнезии, тантала для танталита, молибдена для молибденита (также известный как молибден), церий для церия и торий для тория соответственно. Написание -ium не соответствует этому образцу, поэтому оксид алюминия называется оксидом алюминия, а не оксидом алюминия. Однако другие недавно открытые элементы того времени имели имена с суффиксом -ium, такие как калий, натрий, кальций и стронций.
В 1812 году британский ученый Томас Янг написал анонимный обзор. книги, в которой он использует название «алюминий», который, по его мнению, имеет «менее классический звук». Это название прижилось: если в Британии иногда использовалось написание -um, то в американском научном языке с самого начала использовалось -ium. Большинство ученых использовали -ium во всем мире в 19 веке; оно по-прежнему остается стандартом для многих других, основанных на латыни, где имя имеет то же происхождение. В 1828 году американский лексикограф Ноа Вебстер использовал исключительно алюминиевое написание в своем Американском языке английского языка. В 1830-х годах орфография -ум начала получать распространение в наших Штатах; к 1860-м годам это написание стало распространенным вне науки. В 1892 году Холл использовал написание -um в своем рекламном листе для своего нового электролитического метода производства металла, несмотря на то, что он постоянно использовал написание -ium для всех патентах, которые он подал в период с 1886 по 1903 год. Впечатление было предположено, что это был опечатка, а не преднамеренная. К 1890 году оба написания были распространены в США в целом, а вариант -ium был немного более распространен; к 1895 году ситуация изменилась; к 1900 году алюминий стал вдвое более распространенным, чем алюминий; в течение следующего десятилетия в американском употреблении преобладала орфография -um. В 1925 году Американское химическое общество приняло это написание.
Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) принял алюминий в качестве стандартного международного названия элемента. в 1990 году. В 1993 году они признали алюминия приемлемым; последнее издание 2005 г. номенклатуры неорганической химии ИЮПАК также подтверждает это написание. В публикациях ИЮПАК в качестве основного используется написание -ium, но при необходимости перечисляются оба варианта.
| Страна | Объем производства. (тыс.. тонн) |
|---|---|
| Китай | 31,873 |
| Россия | 3,561 |
| Канада | 3,208 |
| Индия | 2,896 |
| Объединенные Арабские Эмираты | 2,471 |
| Австралия | 1635 |
| Норвегия | 1247 |
| Бахрейн | 971 |
| Саудовская Аравия | 869 |
| США | 818 |
| Бразилия | 793 |
| Южная Африка | 701 |
| Исландия | 700 |
| Всего в мире | 58,800 |
Производство алюминия требует Большие затраты энергии, поэтому производители, как правило, размещают плавильные заводы в местах, где электроэнергия в изобилии и недорогая. По состоянию на 2012 год лучшие в мире алюминиевые заводы расположены в Китае, России, Бахрейне, Арабских Эмиратах и Южной Африке.
В 2016 году Китай был ведущим индикатором алюминия с мировая доля в пятьдесят пять процентов; Следующими по величине стран-производителями были Россия, Канада, Индия и Объединенные Арабские Эмираты.
Согласно докладу International Resource Panel «Запасы металлов в обществе», глобальный на душу населения запас алюминия, используемого в обществе (например, в автомобилях, зданиях, электронике и т.д.), составляет 80 кг (180 фунтов). Большая часть этого приходится на более развитые страны (350–500 кг (770–1100 фунтов) на душу населения), а не на менее развитые страны (35 кг (77 фунтов) на душу населения).
Боксит превращается в оксид алюминия по технологии Байера. Боксит смешивают до однородного состава, а затем измельчают. Полученную суспензию смешивают с горячим раствором гидроксида натрия ; смесь обрабатывается в варочном котле при давлении, значительно превышающем атмосферное, при этом гидроксид алюминия растворяется в боксите, а примеси превращаются в относительно нерастворимые соединения:
Al (OH) 3 + Na + OH → Na + [Al (OH) 4]После этой реакции суспензия имеет температуру выше температуры кипения при атмосферном давлении. Он охдается за счет удаления пара при понижении давления. Остаток боксита отделяют от раствора и выбрасывают. В раствор, свободные от твердых частиц, засевают мелкие кристаллы гидроксида алюминия; это вызывает разложение [Al (OH) 4 ] до гидроксида алюминия. После осаждения примерно половины алюминия смесь отправляют в классификаторы. Маленькие кристаллы гидроксида алюминия собираются в качестве затравки; крупные частицы превращаются в оксид алюминия при нагревании; избыток удаляет выпариванием, (при необходимости) очищают и рециркулируют.
Превращение оксида алюминия в металлический алюминий достигается с помощью процесса Холла-Эру. В этом энергоемком процессе раствор оксида алюминия в расплавленной (950 и 980 ° C (1740 и 1800 ° F)) смеси криолита (Na 3 AlF 6) с фторидом кальция подвергается электролизу с получением металлического алюминия. Жидкий металлический алюминий опускается на дно раствор, отводится и обычно отливается в большие блоки, называемые алюминиевыми заготовками для дальнейшей обработки.
Экструзия алюминиевых заготовок Аноды Электролизная ячейка изготовлена из углерода - наиболее устойчивого к фторидной коррозии материала - и либо спекается в процессе, либо сначала спекается. Первые, также называемые анодами Содерберга, малоэффективные, выделяющийся во время обжига дым, требует больших затрат для сбора, поэтому их заменяют предварительным обжигом анодами, хотя они экономят энергию и труд для предварительного обжига катодов. Углерод для анодов предпочтительно должен быть чистым, чтобы ни алюминий, ни электролит не загрязнялись золой. Несмотря на сопротивляемость углерода коррозии, его расход составляет 0,4–0,5 кг на каждый килограмм произведенного алюминия. Катоды изготовлены из антрацита ; высокая чистота для них не требуется, поскольку примеси выщелачиваются очень медленно. Расход катода составляет 0,02–0,04 кг на каждый килограмм произведенного алюминия. Ячейка обычно прекращает работу через 2–6 лет после выхода из строя катода.
Процесс Холла-Эру производит алюминий с чистотой выше 99%. Дальнейшая очистка может быть проведена с помощью процесса Хупса. Этот процесс включает электролиз расплавленного алюминия с электролитом из фторидов натрия, бария и алюминия. Полученный алюминий имеет чистоту 99,99%.
Электроэнергия составляет от 20 до 40% стоимости производства алюминия, в зависимости от местоположения плавильного завода. Производство алюминия потребляет примерно 5% электроэнергии, производимой в США. Из-за этого были изучены альтернативы процедуры Холла - Эру, но ни одна из них не оказалась экономически целесообразной.
Обычные бункеры для вторичных отходов вместе с бункерами для не вторичных отходов. Контейнер с желтой крышкой помечен как «алюминий». Родос, Греция. Восстановление металла посредством вторичной переработки стало полезным стандартом алюминиевой промышленности. Вторичная переработка была малозаметной деятельностью до конца 1960-х годов, когда растущее использование алюминиевых банок для напитков к ней внимание общественности. Переработка включает плавление лома, процесс, который требует только 5% энергии, используемой для производства алюминия из руды, хотя значительная часть (до 15% исходного материала) теряется в виде окалины (зола- как оксид). Плавильная печь с алюминиевым стеком производит значительно меньше окалины, со значениями ниже 1%.
Белый окалин от производства первичного алюминия и от операций вторичной переработки все еще содержит полезные количества алюминия, который может быть извлечен промышленным способом. В результате производятся алюминиевые заготовки вместе с очень сложными отходами. С этими отходами трудно справиться. Он реагирует с водой с выделением смеси газов (включая, среди прочего, водород, ацетилен и аммиак ), которая самовоспламеняется при контакте с воздухом; контакт с влажным воздухом приводит к выделению большого количества газообразного аммиака. Несмотря на эти трудности, отходы используются в качестве наполнителя в асфальте и бетоне.
с алюминиевым корпусом Austin A40 Sports (ок. 1951) Мировое производство алюминия в 2016 году составило 58,8 миллиона метрических тонн. Он превосходит любой другой металл, кроме железа (1231 миллион метрических тонн).
Алюминий почти всегда легирован, что улучшает его механические свойства, особенно при закалке. Например, обычная алюминиевая фольга и банки для напитков представляют собой сплавы с содержанием алюминия от 92% до 99%. Основными легирующими агентами являются медь, цинк, магний, марганец и кремний <790.>(например, дюралюминий ) с содержанием других металлов в несколько процентов по массе.
Алюминиевая банка Основные области применения металлического алюминия:
Подавляющее большинство (около 90%) оксида алюминия превращается в металлический алюминий. Будучи очень твердым материалом (твердость по Моосу 9), оксид алюминия широко используется в качестве абразива; был введен химически инертным, он может сообщить в высокореактивных средах, таких как натриевые лампы высокого давления. Оксид алюминия обычно используется в качестве катализатора промышленных процессов; например процесс Клауса для превращения сероводорода в серу на нефтеперерабатывающих заводов и в алкилат аминов. Многие промышленные катализаторы являются нанесенными на оксидом алюминия, что означает, что дорогой материал катализатора диспергирован по поверхности инертного оксида алюминия. Другое основное использование - в качестве осушителя или абсорбента.
Лазерное нанесение оксида алюминия на подложку Некоторые сульфаты алюминия имеют промышленное и коммерческое применение. Сульфат алюминия (в форме гидрата) производится ежегодно в несколько миллионов метрических тонн. Около двух третей расходуется на очистку воды . Следующее важное применение - производство бумаги. Он также используется в качестве протравы при крашении, протравливании семян, дезодорировании минеральных масел, дублении кожи и производстве других соединений алюминия. Два вида квасцов, квасцы аммония и квасцы калия, ранее использовались в качестве протравы и при дублении кожи, но их использование значительно сократилось из-за доступности сульфата алюминия высокой чистоты. Безводный хлорид алюминия используется в качестве катализатора в химической и нефтехимической промышленности, в красильной промышленности, а также в синтезе различных неорганических и органических соединений. Гидроксихлориды алюминия используются для очистки воды, в бумажной промышленности и в качестве антиперспирантов. Алюминат натрия используется для очистки воды и в качестве ускорителя затвердевания цемента.
Многие соединения алюминия имеют нишевое применение, например:
Схема поглощения алюминия кожей человека. Несмотря на его широкое распространение в земной коре, алюминий не имеет известной функции в биологии. При pH 6–9 (актуально для большинства природных вод) алюминий осаждается из воды в виде гидроксида и, следовательно, недоступен; большинство элементов, ведущих себя таким образом, не имеют биологической роли или токсичны. Соли алюминия в высшей степени нетоксичны, сульфат алюминия имеет LD50 6207 мг / кг (перорально, мышь), что соответствует 435 г для человека весом 70 кг (150 фунтов).
Для большинства людей алюминий не так токсичен, как тяжелые металлы. Алюминий классифицируется Министерством здравоохранения и социальных служб США как неканцероген. Существует мало доказательств того, что нормальное воздействие алюминия представляет риск для здорового взрослого человека, и есть доказательства отсутствия токсичности, если он потребляется в количествах не более 40 мг / день на кг массы тела. Большая часть потребляемого алюминия покидает организм с калом; большая часть его небольшой части, которая попадает в кровоток, выводится с мочой.
Алюминий, хотя и редко, может вызывать резистентную к витамину D остеомаляцию, эритропоэтин -резистентная микроцитарная анемия и изменения центральной нервной системы. Особому риску подвержены люди с почечной недостаточностью. Хроническое употребление гидратированных силикатов алюминия (для контроля избыточной кислотности желудочного сока) может привести к связыванию алюминия с содержимым кишечника и усилению выведения других металлов, таких как железо или цинк ; достаточно высокие дозы (>50 г / день) могут вызвать анемию.
Существует пять основных форм алюминия, поглощаемых человеческим организмом: свободный сольватированный трехвалентный катион (Al (водн.)); низкомолекулярные нейтральные растворимые комплексы (LMW-Al (водн.)); высокомолекулярные нейтральные растворимые комплексы (HMW-Al (водн.)); низкомолекулярные заряженные растворимые комплексы (LMW-Al (L) n(водн.)); нано- и микрочастицы (Al (L) n (s)). Они транспортируются через клеточные мембраны или клеточные эпи- / эндотелии пятью основными путями: (1) параклеточным ; (2) трансцеллюлярный ; (3) активный транспорт ; (4) каналы; (5) адсорбционный или рецептор-опосредованный эндоцитоз.Во время инцидента с загрязнением воды в Камелфорде в 1988 г. люди в Камелфорде загрязнили питьевую воду сульфатом алюминия на несколько недель. В окончательном отчете об инциденте в 2013 году сделан вывод о маловероятности того, что это вызвало долгосрочные проблемы со здоровьем.
Алюминий подозревался в качестве возможной причины болезни Альцгеймера, но исследования это более 40 лет не обнаружило убедительных доказательств причинного эффекта.
Алюминий увеличивает эстроген -зависимую экспрессию гена в груди человека раковые клетки, культивируемые в лаборатории. В очень высоких дозах алюминий связан с изменением функции гематоэнцефалического барьера. Небольшой процент людей имеет контактную аллергию на алюминий и испытывает зудящую красную сыпь, головную боль, боль в мышцах, суставах, плохую память, бессонницу, депрессию, астму, синдром раздраженного кишечника или другие симптомы при контакте с продуктами содержащий алюминий.
Воздействие порошкового алюминия или сварочного дыма может вызвать фиброз легких. Мелкодисперсный алюминиевый порошок может воспламениться или взорваться, создав дополнительную опасность на рабочем месте.
Продукты питания являются основным источником алюминия. Питьевая вода содержит больше алюминия, чем твердая пища; однако алюминий, содержащийся в продуктах питания, может абсорбироваться больше, чем алюминий из воды. Основными источниками орального воздействияалюминия на человека являются продукты питания (из-за его использования в пищевых добавках, упаковке продуктов питания и напитков и кухонной утвари), питьевая вода (из-за его использования при очистке воды в городских условиях) и содержащие алюминий лекарства (в частности, антацидные препараты). / противоязвенные и забуференные препараты аспирина). Диетическое воздействие у европейцев составляет в среднем 0,2–1,5 мг / кг в неделю, но может достигать 2,3 мг / кг в неделю. Более высокие уровни воздействия алюминия в основном ограничены горняками, рабочими алюминиевого производства и диализными пациентами.
Потребление антацидов, антиперспирантов, вакцин, и косметика предоставляют возможные пути воздействия. Употребление кислой пищи или жидкостей с алюминием увеличивает абсорбцию алюминия, а мальтол, как было показано, увеличивает накопление алюминия в нервных и костных тканях.
В случае необходимости при подозрении на внезапное поступление большого количества алюминия единственное лечение - мезилат дефероксамина, который может быть назначен для выведения алюминия из организма с помощью хелатирования. Тем не менее, это следует применять с осторожностью, поскольку это снижает не только уровни содержания алюминия в кузове, но и уровни других металлов, таких как медь или железо.
"Хвосты бокситов "хранилище в Штаде, Германия. В алюминиевой промышленности ежегодно образуется около 70 миллионов тонн этих отходов. Высокие уровни алюминия наблюдаются вблизи мест добычи; небольшое количество алюминия выбрасывается в окружающую среду на угольных электростанциях или печи для сжигания. Алюминий, находящийся в воздухе, вымывается дождем или обычно осаждается, но мелкие частицы алюминия остаются в воздухе в течение длительного времени.
Кислотные осадки является основным естественным фактором мобилизации алюминия из природных источников и основной причиной воздействия алюминия на окружающую среду; однако основным фактором присутствия алюминия в соленой и пресной воде являются промышленные процессы, которые также выделяют алюминий в воздух.
В воде алюминий действует как токсичный агент на жаберных дышащих животных, таких как рыба, вызывая потер ю ионов плазмы - и гемолимфы, что приводит к осморегуляторным неудача. Органические комплексы алюминия могут легко абсорбироваться и мешать метаболизму млекопитающих и птиц, хотя на практике это случается редко.
Алюминий является основным фактором, снижающим рост растений на кислых почвах. Хотя это обычно безвредно для роста растений в почвах с нейтральным pH, в кислых почвах концентрация токсичных катионов Al увеличивается и нарушает рост и функцию корней. Пшеница развилась устойчивость к алюминию, выделяющая органические соединения, которые связываются с вредными катионами алюминия . Сорго, как полагают, имеет тот же механизм допусков.
Производство алюминия сталкивается с собственными проблемами окружающей среды на каждом этапе производственного процесса. Основная проблема - выбросы парниковых газов. Эти газы возникают в результате потребления электроэнергии плавильными заводами и побочных продуктов переработки. Наиболее сильнодействующими из этих газов являются перфторуглероды, образующиеся в процессе плавки. Выделившийся диоксид серы является одним из основных предшественников кислотного дождя.
В испанском научном отчете от 2001 года утверждалось, что гриб Geotrichum Candidum потребляет алюминий в компакте. диски. Все другие отчеты ссылаются на этот отчет, и нет никаких подтверждающих оригинальных исследований. Более подробно зарегистрировано, что бактерия Pseudomonas aeruginosa и гриб Cladosporium resinae обычно обнаруживаются в топливных баках самолетов, в которых используется топливо на основе керосина (не avgas ), а лабораторные культуры могут разлагать алюминий. Однако эти формы жизни не атакуют и не потребляют алюминий напрямую; скорее, металл подвергается коррозии из-за микробных отходов.
 | На Викискладе есть медиафайлы, связанные с Алюминий. |
 | Викиисточник содержит текст 1911 Британская энциклопедия статья Алюминий. |
Категория: алюминий.