Основные свойства алюминия

Несмотря на то что алюминий (Al) стоит на первом месте по распространенности на планете, впервые в качестве металла он был получен лишь в 1825 году. У ученого из Дании Ханса Эрстеда получилось, воздействуя на хлорид Al при помощи амальгамы калия, выделить металл. С этого опыта и началось знакомство людей с простым парамагнитным веществом, известным сегодня как алюминий.

Общие свойства металла

По приблизительным подсчетам ученых, в недрах земли находится до 8 % алюминия, вот только в чистом виде его не найти. Связано это с высокой активностью элемента, а потому его находят только в соединении с другими веществами. Самые известные из них:

• бокситы — это руда, в составе которой сочетаются оксиды Al, кремния и железа, из нее получают огнеупорный глинозем;
• алуниты, более известные как квасцовые камни;
• корунды, среди которых сапфиры и рубины, а также смесь из α-оксида Al с магнетитом, образующая наждак;
• глиноземы — группа веществ, в которой присутствуют разные соединения, например, каолина с известняком или магнезитом;
• бериллы, среди которых драгоценные изумруды и аквамарины.

Важно: «Следы» алюминия можно найти не только в земной коре, но и воде, но только в виде фторидов. Так как последние токсичны, водоемы, в которых купаются люди или из которых берется вода для снабжения населенных пунктов, должны регулярно проверяться на их концентрацию. В большинстве случаев эти дозы малы — не более 0,001 мг/л, но бывают и исключения.

Так как создание чистого алюминия — это дорогостоящее производство, то и изделия из него будут отличаться высокой ценой. Чаще используются сплавы, например, с железом, титаном или медью. В зависимости от добавленных компонентов металл приобретает новые свойства, но даже с ними Al легко поддается обработке.

До 1854 года, когда химику из Франции Анри Сент-Клер Девилю удалось выделить чистый металл при помощи расплавления хлоридов алюминия и натрия путем электролиза, его производили лишь в малых количествах в лабораторных условиях. Французский ученый нашел способ изготавливать Al в промышленных масштабах, но технология была настолько дорогая и энергозатратная, что итоговый материал стоил дороже золота.

Физические параметры

Этот элемент относится:

• к легким металлам, то есть входит в группу постпереходных химических элементов, обладающих свойствами металлов;
• к парамагнетикам — веществам, обладающим магнитной восприимчивостью, так как они способны намагничиваться во внешнем поле;
• к антикоррозийным металлам, так как способен при взаимодействии с воздухом мгновенно создавать окисную пленку;
• к простому типу веществ, в основе которого атомы всего лишь одного элемента.

Дополнительные физические параметры:

• цвет — серебристый;
• фактура — матовая;
• плавление при t +660 °С;
• теплоемкость — 900 Дж/(кг/К);
• легкость обработки — высокий уровень пластичности, позволяющий изготавливать из него как тончайшую фольгу, так и детали разной формы, проволоку и многое другое;
• плотность — в твердой форме 2700 кг/м3, а в жидкой — 2380 кг/м3;
• электропроводность — 37·106 См/м;
• теплопроводность — 203,5 Вт/(м·К));
• прочность — 90 МПа.

В зависимости от чистоты или связи с другими элементами Al может менять свои свойства, от чего зависит область его применения:

1. Технический (слабо очищенный) металл применяют для создания сплавов, проводов, полупроводников. Чистый вид используется для изготовления микросхем.
2. Высокая электропроводность позволяет использовать алюминий в производстве электротоваров.
3. Чем чище металл, тем выше его теплопроводность. Чтобы показатели понизить, к нему добавляют магний или марганец, а для увеличения — серебро или медь. Благодаря теплопроводности Al используют для изготовления радиаторов отопления.
4. «Умение» металла защищаться от коррозии созданием окисной пленки позволяет применять его для производства пищевых контейнеров, например, консервных банок, в фермерстве — теплиц, в авиационной промышленности — самолетов.
5. Отсутствие реакций с водой, азотной и другими кислотами, а также солями позволяет его использовать в агрессивных средах, например, в химических лабораториях.

Важно: На самом деле существует множество сплавов Al с другими веществами, что делает его востребованным практически во всех сферах — от промышленных до бытовых.

Химические параметры

Этот металл считается высокоактивным, то есть легко вступающим в соединения с другими химическими элементами, но при условии, что его лишат возможности создавать защитную пленку. Сделать это можно, обработав Al солью аммония или в процессе амальгамирования, то есть соединив с ртутью. Чтобы пленка больше не проявлялась, достаточно добавить к алюминию олово или индий.

Еще одна способность металла — восстановительная. Он может отделять различные элементы из соединений, а также взаимодействовать с простыми веществами. Ниже представлена таблица, что образуется при реагировании с некоторыми из них:

Важно: С металлами и их сплавами Al способен взаимодействовать только при нагревании, а вот растворить его можно в двух кислотах — серной и соляной с образованием солей.

Еще один химический параметр алюминия — амфотерность, то есть способность реагировать как с кислотными, так и щелочными веществами.

Получение алюминия

Чтобы получить этот металл, требуется много электричества, поэтому процесс считается дорогостоящим, а заводы по его производству строят недалеко от электростанций. Для выделения алюминия необходимо использовать его оксид Al₃O₂ — растворить его в расплавленном гексафтороалюминате натрия (формула Na₃AlF₆, другое название «криолит»). Этот процесс называется электролизом. Получение алюминия этим способом весьма затратное, однако сейчас рассматривается еще один вариант: сначала производится алюмокарбид — соединение Al с углеродом (формула Al₄C₃), который подвергается нагреванию до 2 000 °С с дальнейшим выделением металла.

Соединения с алюминием

Специалисты выделяют более 30 сочетаний различных веществ с алюминием. Среди них:

• гидрид Al — бинарное соединение неорганического типа с водородом AlH₃, применяется как ракетное топливо и восстановитель;
• борат — неорганическое сочетание бора и алюминия Al₂O₃ - B₂O₃;
• триметилалюминий — соединение, образующее бесцветную жидкость, но, в отличие от алюминия, легко воспламеняется при контакте с воздухом Al(CH₃)3.

Чаще всего эти соединения используются при производстве топлива для ракет или в качестве катализаторов.

Кроме них существуют:

1. Фториды Al 3 сочетание фтора с этим металлом (AlF₃). Фтористое соединение алюминия используется при изготовлении стекол, оптических приборов и кожаных изделий.
2. Алюмокалиевые квасцы — это соединение из трех компонентов: соли алюминия, калия и соляной кислоты (KAl(SO₄)2 * 12H₂O). Представляют собой прозрачные беловатые кристаллы, используются при изготовлении косметики.
3. Алюмонатриевые квасцы — это соединение натрия, соляной кислоты и алюминия (NaAl(SO₄)2 · 12H₂O). Используется в качестве пищевой добавки и отвердителя при производстве кожзаменителя.
4. Силикат — сочетание соли алюминия и кислорода с кремниевой кислотой (Al₂O₃•SiO₂).
5. Хлорид алюминия — соединение соли этого металла с соляной кислотой (AlCl₃). Применяется при производстве алюминия электролитическим способом.
6. Карбид — сочетание алюминия с углеродом (Al₃C₄). Применяется в качестве реагента, когда необходимо определить количество трития в воде или в пиротехнике для большей «искристости».

Кроме безопасных и полезных соединений существуют и токсичные — нитраты, сульфаты, ацетаты и другие. Если они накапливаются в воде или почве, а затем в пище, то способны привести к отравлению токсинами. Оно сопровождается рвотой, болями в животе, поносом. Кроме соединений с этим металлом также есть сплавы с ним, которые применяются во многих отраслях промышленности.

Сплавы

Металлургические заводы в основном выпускают продукцию из алюминия с добавлением других элементов. Связано это с тем, что такие изделия и стоят дешевле, чем чистый Al, и придают ему новые свойства. Чаще всего к нему добавляют цинк, марганец, медь, магний и кремний, хотя встречаются сплавы с титаном или литием, но реже. Они распределяются на литейные и конструкционные (деформированные) типы. Ниже представлены некоторые из них и их свойства:

Использование алюминия

Область применения этого металла или сплавов с ним не ограничена. Изделия из алюминия встречаются в быту, в сельскохозяйственной и промышленной сферах. Основное применение:

1. Авиастроение. Для создания самолетов любого типа — от гражданских до военных — требуется прочный, но легкий металл. Сплав алюминия с медью и цинком как раз таковым и является. Он способен выдерживать высокие нагрузки, перепады температур, оставаться прочным при механических воздействиях, например, при ударах градом. Чтобы построить гидроплан, авиаконструкторы применяют сплав этого металла с магнием.
2. Космическая отрасль. Для постройки шаттлов или спутников требуется материал, способный сохранять свою целостность в условиях вакуума. Он должен выдерживать высокие нагрузки при старте и не менять своих свойств при выходе из атмосферы. Таким является металл марки 2219. Кроме перечисленных качеств, его можно использовать, когда необходим контакт с жидким гелием.
3. Кораблестроение. Суда и катера из алюминия получаются не менее прочными, чем из стали, но значительно меньшего веса, что упрощает управление ими и повышает грузоподъемность. Кроме изготовления корпусов этот металл используют при создании надпалубных сооружений, гидролокационных систем и других элементов судов.
4. Железнодорожные грузоперевозки. Из металла делают цистерны для подвижных составов, которые способны перевозить как агрессивные вещества, так и топливо, все виды масел, продукты нефтепереработки, сырую нефть. Цистерны из алюминия надежно защищают груз от перепадов температур, воздействия воздуха и неблагоприятных погодных условий.
5. Автомобилестроение. Трудно переоценить значение этого металла в данной сфере. Из него делают корпуса, детали, решетки радиаторов, электронику и многое другое.
6. Металлургия. Учитывая восстановительные свойства алюминия, его применяют при промышленном производстве кальция и хрома. Без порошка из него не обойтись при раскислении стали.
7. Заводы по производству проката. Из алюминия делают все, что может пригодиться в строительстве или в инженерных коммуникациях. Основной металлопрокат — это листы, трубы разного диаметра, уголки и переходники к ним, проволока, круги и многое другое.
8. Химическая сфера. Свойства алюминия делают его лучшим материалом для производства емкостей для хранения или перевозки различных химикатов.
9. Нефтеперерабатывающая промышленность. Из этого металла изготавливают насосы, бурильное оборудование, компрессоры и многое другое.
10. Электроника. Алюминий подходит для изготовления полупроводников, микросхем, кабелей и проводов, заменяя более дорогую медь, но не уступая ей в свойствах.
11. Быт и сфера обслуживания. Практически в каждой семье есть изделия из этого металла. Это могут быть ковши, столовые приборы, тарелки, кастрюли и сковородки. Также из него делают банки, фольгу, упаковочные материалы и т. п.
    
12. Фармацевтика. Алюминий используют не только для производства крышек для флаконов, но и добавляют в препараты для лечения заболеваний органов ЖКТ.
13. Дизайн. Его используют для украшения интерьера, внешней или внутренней облицовки стен.
14. Строительная сфера. Начиная с прошлого века, этот материал стали использовать для усиления конструкций домов, для создания таких сооружений, как стадионы, общественные и коммерческие здания. Сегодня его используют для возведения небоскребов, а первым таким «великаном», построенным на основе металлоконструкций, стал знаменитый на весь мир Empire State Building в Нью-Йорке. Каркасы теплиц из алюминия отличаются прочностью, легкостью и долговечностью, поэтому они пришли на смену конструкциям из дерева. Основные преимущества Al в строительстве:
    • небольшой вес, что очень важно при строительстве высоток, так как он не оказывает значительную нагрузку на фундамент;
    • легкость обработки — материал можно резать, варить или сверлить при необходимости;
    • придание нужной формы — от листа или круга до труб;
    • устойчивость к воздействию внешней среды — ему не страшны ни вода, ни ветер, ни воздух, ни перепады температур от – 80 до + 300 °С, что придает ему морозоустойчивость и огнестойкость.

Таким образом, можно считать, что алюминий — самый популярный и распространенный металл на планете. Его используют во многих производствах либо в качестве соединения с другими химическими элементами, либо в виде сплавов с металлами. Сфера применения Al не имеет ограничений — от быта до тяжелой и легкой промышленности.