АЛЮМІНІЙ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Алюміній являє собою металевий елемент , що належить до (III A) групі 13 періодичної таблиці елементів і який представлений символ А. Це легкий метал з низькою щільністю і твердістю. Завдяки амфотерним властивостям деякі вчені її класифікували як металоїд.

Це пластичний і дуже ковкий метал, саме тому його використовують для виготовлення дроту, тонких алюмінієвих листів, а також будь-якого типу предмета чи фігури; наприклад, знамениті банки з їх сплавами, або алюмінієва фольга, в яку загортають їжу або десерти.

М’ята алюмінієва фольга, один із найпростіших та найпоширеніших предметів, виготовлений із цього металу. Джерело: Пікселі.

Квас (гідратний калієвий сульфат алюмінію) люди використовували з давніх часів у медицині, шкіряній шкірі та як морилку для фарбування тканин. Таким чином, його мінерали були відомі назавжди.

Однак алюміній як метал був виділений дуже пізно, у 1825 році Ерстедом, що призвело до наукової діяльності, яка дозволила його промислове використання. На той момент алюміній був металом з найвищим виробництвом у світі після заліза.

Алюміній міститься головним чином у верхній частині земної кори, що становить 8 мас.% Його. Він відповідає третьому найпоширенішому елементу, його перевершують кисень і кремній у своїх кремнеземних і силікатних мінералах.

Боксит - це асоціація мінералів, серед яких: оксид алюмінію (оксид алюмінію) та оксиди металів заліза, титану та кремнію. Він являє собою основний природний ресурс для видобутку алюмінію.

Історія

Галузь

У Месопотамії 5000 років до н. C. Вони вже виготовляли кераміку, використовуючи глини, які містили сполуки алюмінію. Тим часом 4000 років тому вавилоняни та єгиптяни використовували алюміній у деяких хімічних сполуках.

Перший письмовий документ, пов’язаний із галимою, зробив грецький історик Геродот у V столітті до н. Глин був використаний як морильник при фарбуванні тканин і для захисту деревини, за допомогою якої були розроблені фортечні двері, від пожеж.

Таким же чином Пліній «Старійшина» в І столітті відноситься до квасцов, сьогодні відомого як галун, як до речовини, що використовується в медицині та морді.

Починаючи з 16 століття, квасцов використовували для дублення шкіри та як проклеювання паперу. Це була желеподібна речовина, яка надавала консистенції паперу і дозволяла використовувати його в письмовій формі.

У 1767 році швейцарський хімік Торберн Бергман досяг синтезу квасців. Для цього він нагрівав місячний сірчану кислоту, а потім додав у розчин калій.

Розпізнавання в глиноземі

У 1782 р. Французький хімік Антуан Лавуазьє вказав, що оксид алюмінію (Al ₂ O ₃ ) є оксидом якогось елемента. Це має таку спорідненість до кисню, що його відокремлення було важким. Тому тоді Лавуазьє передбачив існування алюмінію.

Пізніше, в 1807 р., Англійський хімік сер Хамфрі Деві піддав глинозему електроліз. Однак метод, який він застосував, дав сплав алюмінію з калієм і натрієм, тому він не міг виділити метал.

Деві зауважив, що глинозем має металеву основу, яку він спочатку позначав як «глинозем», заснований на латинському слові «alumen», назва, що використовується для глинозему. Пізніше Деві змінив ім'я на "алюміній", поточне англійське ім'я.

У 1821 році німецькому хіміку Ейларду Мітчерліху вдалося виявити правильну формулу глинозему: Al ₂ O ₃ .

Ізоляція

Того ж року французький геолог П'єр Бертьє виявив мінерал алюмінію у родовищі червоно-глинистої скелі у Франції, у регіоні Ле Бо. Бертьє позначив мінерал як боксит. Цей мінерал в даний час є основним джерелом алюмінію.

У 1825 році датський хімік Ганс Крістіан Ерстед виготовив металеву планку з передбачуваного алюмінію. Він описав це як "шматок металу, який за кольором і блиском нагадує олово". Ерстед зміг досягти цього за рахунок зменшення хлориду алюмінію, AlCl ₃ , калійною амальгамою.

Однак вважалося, що дослідник отримує не чистий алюміній, а сплав алюмінію та калію.

У 1827 р. Німецькому хіміку Фрідріху Велеру вдалося виготовити близько 30 грам алюмінієвого матеріалу. Потім, після 18 років слідчої роботи, Wöehler у 1845 р. Домігся виготовлення кульок розміром з головкою шпильки, з металевим блиском і сіруватим кольором.

Уелер навіть описав деякі властивості металу, такі як колір, питома вага, пластичність і стійкість.

Промислове виробництво

У 1855 р. Французький хімік Анрі Сент-Клер Девіль удосконалив метод Велера. Для цього він використовував відновлення хлориду алюмінію або хлориду натрію хлориду металевим натрієм, використовуючи кріоліт (Na ₃ AlF ₆ ) в якості потоку.

Це дозволило промислове виробництво алюмінію в Руані, Франція, а між 1855 і 1890 роками було досягнуто 200 тонн алюмінію.

У 1886 році французький інженер Пол Еро та американський студент Чарльз Холл самостійно створили метод виробництва алюмінію. Спосіб складається з електролітичного відновлення оксиду алюмінію в розплавленому кріоліті з використанням постійного струму.

Метод був ефективним, але в ньому виникли проблеми з високою потребою в електроенергії, що зробило дорожче виробництво. Еро вирішив цю проблему, створивши свою галузь у місті Нойгаузен (Швейцарія), тим самим скориставшись Водоспадом Рейну як генератором електроенергії.

Спочатку Холл оселився в Пітсбурзі (США), але згодом переселив свою галузь поблизу Ніагарського водоспаду.

Нарешті, в 1889 році Карл Джозеф Байєр створив метод отримання глинозему. Це полягає в нагріванні бокситу в закритій ємності лужним розчином. Під час нагрівання фракція глинозему відновлюється в сольовому розчині.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішність

Алюмінієве металеве відро. Джерело: Carsten Niehaus

Сріблясто-сірий колір із металевим блиском (зображення зверху). Це м'який метал, але він твердне з невеликою кількістю кремнію та заліза. Крім того, він характеризується тим, що він дуже пластичний і ковкий, оскільки можна виготовити алюмінієві листи товщиною до 4 мкм.

Атомна вага

26 981 u

Атомне число (Z)

13

Точка плавлення

660,32 ºC

Точка кипіння

2470 ºC

Щільність

Температура навколишнього середовища: 2,70 г / мл

Температура плавлення (рідина): 2,375 г / мл

Його щільність значно низька порівняно з іншими металами. З цієї причини алюміній досить легкий.

Тепло синтезу

10,71 кДж / моль

Тепло випаровування

284 кДж / моль

Молярна калорійність

24,20 Дж / (моль К)

Електронегативність

1,61 за шкалою Полінга

Енергія іонізації

-По-перше: 577,5 кДж / моль

-Друге: 1,816,7 кДж / моль

-Третє: 2744,8 кДж / моль

Теплове розширення

23,1 мкм / (мК) при 25 ° С

Теплопровідність

237 Вт / (м К)

Алюміній має теплопровідність утричі більше, ніж у сталі.

Електричний опір

26,5 nΩ м при 20 ºC

Його електропровідність становить 2/3 від міді.

Магнітний порядок

Парамагнітний

Твердість

2,75 за шкалою Мооса

Реактивність

Алюміній стійкий до корозії, тому що, потрапляючи на повітря, тонкий шар оксиду Al ₂ O _3, який утворюється на його поверхні, запобігає продовженню окислення всередині металу.

У кислотних розчинах він реагує з водою, утворюючи водень; тоді як в лужних розчинах він утворює іон алюмінату (AlO ₂ ^- ).

Розведені кислоти не можуть її розчиняти, але вони можуть бути в присутності концентрованої соляної кислоти. Однак алюміній стійкий до концентрованої азотної кислоти, хоча його атакують гідроксиди для отримання водню та іона алюмінату.

Порошковий алюміній спалюють у присутності кисню та вуглекислого газу, утворюючи оксид алюмінію та карбід алюмінію. Він може піддаватися корозії хлориду, присутнього в розчині хлориду натрію. З цієї причини використання алюмінію в трубах не рекомендується.

Алюміній окислюється водою при температурі нижче 280 ºC.

2 Al (s) + 6 H ₂ O (g) => 2Al (OH) ₃ (s) + 3H ₂ (g) + тепло

Структура та електронна конфігурація

Алюміній, будучи металевим елементом (з деякими металоїдними барвниками), його атоми Al взаємодіють між собою завдяки металевому зв’язку. Цією ненаправленою силою керують його валентні електрони, які розсіяні по всьому кристалу у всіх його розмірах.

За електронною конфігурацією алюмінію ці валентні електрони є такими:

3s ² 3p ¹

Тому алюміній є тривалентним металом, оскільки він має три валентні електрони; два в орбіталі 3s і один в 3p. Ці орбіталі перетинаються, утворюючи молекулярні орбіталі 3s і 3p, настільки зближені, що в кінцевому підсумку утворюють смуги провідності.

S смуга s повна, тоді як у p діапазону багато вакансій для більшої кількості електронів. Ось чому алюміній - хороший провідник електрики.

Металевий зв’язок алюмінію, радіус його атомів та його електронні характеристики визначають кристал fcc (кубічний центр). Такий кристал FCC є, мабуть, єдиним відомим алотропом алюмінію, тому він, безперечно, витримує високі тиски, що діють на нього.

Окислювальні числа

Електронна конфігурація алюмінію негайно вказує на те, що він здатний втратити до трьох електронів; тобто він має високу тенденцію до утворення катіона Al ³⁺ . Коли припущення про існування цього катіону в сполуці, отриманій з алюмінію, кажуть, що він має число окислення +3; як відомо, це найбільш поширене для алюмінію.

Однак є й інші можливі, але рідкісні номери окислення цього металу; такі як: -2 (Al ^2- ), -1 (Al ^- ), +1 (Al ⁺ ) і +2 (Al ²⁺ ).

Наприклад, в Al ₂ O ₃ алюміній має число окислення +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); тоді як в AlI і AlO +1 (Al ⁺ F ^- ) і +2 (Al ²⁺ O ^2- ) відповідно. Однак, за нормальних умов або ситуацій, Al (III) або +3 - це найбільше число окиснення; оскільки Al ³⁺ є ізоелектронним для неонового благородного газу.

Ось чому в шкільних підручниках завжди і з поважних причин вважається, що алюміній має +3 як єдине число чи стан окислення.

Де знайти та отримати

Алюміній зосереджений у зовнішній межі земної кори, будучи його третім елементом, перевершеним лише киснем і кремнієм. Алюміній становить 8% від маси земної кори.

Він міститься в магматичних породах, головним чином: алюмосилікатах, польових шпатах, польових спатоїдах і міках. Також у червонуватих глинах, як це буває з бокситами.

- Боксити

Шахта бокситів. Джерело: Користувач: VargaA

Боксити - це суміш мінералів, яка містить гідратний глинозем і домішки; наприклад, оксиди заліза і титану і діоксид кремнію з такими масовими відсотками:

-На ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O конституції 12-30%.

Глинозем міститься в бокситі в гідратованому вигляді з двома варіантами:

-моногідрати (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), які мають дві кристалографічні форми, беміт та діаспору

-Тригідрати (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), представлені гіб-сайтом .

Боксит є основним джерелом алюмінію і постачає більшу частину алюмінію, отриманого при видобутку.

- Поклади алюмінію

Зміни

В основному боксити утворюють 40-50% Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ і 3-10% SiO ₂ .

Гідротермальний

Алюніт.

Магматичний

Глиноземні гірські породи, які містять мінерали, такі як сієніти, нефелін та анортити (20% Al ₂ O ₃ ).

Метаморфний

Силікати алюмінію (андалузит, силіліманіт і кіаніт).

Детрики

Поклади каоліну та різні глини (32% Al ₂ O ₃ ).

- Експлуатація бокситів

Боксит видобувають під відкритим небом. Після того, як гірські породи або глини, що містять їх, збираються, їх подрібнюють і подрібнюють на кульових і брусових млинах до отримання частинок діаметром 2 мм. У цих процесах оброблений матеріал залишається зволоженим.

При отриманні глинозему слід процес, створений Байєром у 1989 р. Основний боксит засвоюється додаванням гідроксиду натрію, утворюючи солюбілізований алюмінат натрію; при цьому забруднюючі речовини оксиди заліза, титану та кремнію залишаються в суспензії.

Забруднювачі декантирують, а триагідр алюмінію осаджують з алюмінату натрію шляхом охолодження та розведення. Згодом тригідратний глинозем сушать, отримуючи безводний глинозем і воду.

- Електроліз глинозему

Для отримання алюмінію оксид алюмінію піддають електролізу, як правило, за методом, створеним Холлом-Еро (1886). Процес полягає в переведенні розплавленого глинозему в кріоліт.

Кисень зв’язується з вуглецевим анодом і виділяється у вигляді вуглекислого газу. Тим часом вивільнений алюміній осідає на дні електролітичної комірки, де він накопичується.

Сплави

Алюмінієві сплави зазвичай ідентифікуються чотирма числами.

1xxx

Код 1xxx відповідає алюмінію з чистотою 99%.

2xxx

Код 2xxx відповідає сплаву алюмінію з міддю. Це міцні сплави, які використовувались в аерокосмічних апаратах, але вони тріснули від корозії. Ці сплави відомі як дюралюміній.

3хх

Код 3xxx охоплює сплави, в які до алюмінію додається марганець та невелика кількість магнію. Вони є сплавами, дуже стійкими до зносу, використовуючи сплав 3003 при розробці кухонного посуду, а також 3004 - у баночках для напоїв.

4xxx

Код 4xxx являє собою сплави, в які в алюміній додається кремній, що знижує температуру плавлення металу. Цей сплав використовується при виготовленні зварювальних дротів. Сплав 4043 застосовується при зварюванні автомобілів і конструкційних елементів.

5хх

Код 5xxx охоплює сплави, де магній в основному додається до алюмінію.

Вони є міцними сплавами, стійкими до корозії морської води, використовуються для виготовлення посудин під тиском та різних морських застосувань. Сплав 5182 використовується для виготовлення кришок содових банок.

6хх

Код 6xxx охоплює сплави, в які кремній і магній додаються до сплаву з алюмінієм. Ці сплави є ливарними, зварюваними та стійкими до корозії. Найпоширеніший сплав цієї серії використовується в архітектурі, рамах велосипедів, а також в конструкції iPhone 6.

7xxx

Код 7xxx позначає сплави, в які додається цинк до алюмінію. Ці сплави, які також називають Ергалом, стійкі до руйнувань і мають велику твердість, використовуючи сплави 7050 та 7075 в літакобудуванні.

Ризики

Пряме опромінення

Контакт з алюмінієвою пудрою може викликати роздратування шкіри та очей. Тривалий високий вплив алюмінію може викликати грипоподібні симптоми, головний біль, лихоманку та озноб; Крім того, можуть виникати біль у грудях та стискання.

Вплив дрібного алюмінієвого пилу може спричинити рубцювання легенів (легеневий фіброз) із симптомами кашлю та задишки. OSHA встановив обмеження в 5 мг / м ³ для впливу алюмінієвого пилу в 8-годинний робочий день.

Значення біологічної толерантності до професійного впливу алюмінію було встановлено при 50 мкг / г креатиніну в сечі. Зниження продуктивності в нейропсихологічних тестах відбувається, коли концентрація алюмінію в сечі перевищує 100 мкг / г креатиніну.

Рак молочної залози

Алюміній використовується як гідрохлорид алюмінію в антиперспірантних дезодорантах, пов'язаний з розвитком раку молочної залози. Однак ця залежність не була чітко встановлена, серед іншого, тому що абсорбція гідрохлориду алюмінію шкірою становить лише 0,01%.

Нейротоксичні ефекти

Алюміній є нейротоксичним, і у людей з професійним впливом він був пов'язаний з неврологічними захворюваннями, до яких відноситься хвороба Альцгеймера.

Мозок хворих на Альцгеймера має високу концентрацію алюмінію; але невідомо, чи є причиною захворювання чи наслідком його.

Наявність нейротоксичних ефектів було визначено у пацієнтів на діалізі. У цій процедурі в якості фосфатного сполучного використовувались солі алюмінію, які виробляли високі концентрації алюмінію в крові (> 100 мкг / л плазми).

Уражені пацієнти виявили дезорієнтацію, проблеми з пам’яттю та в запущених стадіях - деменцію. Нейротоксичність алюмінію пояснюється тим, що мозок важко усунути і впливає на його функціонування.

Споживання алюмінію

Алюміній присутній у багатьох продуктах харчування, особливо в чаї, спеціях і взагалі в овочах. Європейський орган з безпеки харчових продуктів (EFSA) встановив граничну толерантність до вживання алюмінію в їжу 1 мг / кг маси тіла щодня.

У 2008 році EFSA підрахувала, що добовий прийом алюмінію в їжу коливався між 3 та 10 мг на добу, саме тому робиться висновок, що він не становить небезпеки для здоров'я; а також використання алюмінієвого посуду для приготування їжі.

Програми

- Як метал

Електричні

Алюміній - хороший електричний провідник, тому його використовують у сплавах в електричних лініях електропередачі, двигунах, генераторах, трансформаторах та конденсаторах.

Будівництво

Алюміній використовується у виробництві дверних та віконних рам, перегородок, огорож, покриттів, теплоізоляторів, стель тощо.

Транспорт

Алюміній використовується у виробництві деталей для автомобілів, літаків, вантажних автомобілів, велосипедів, мотоциклів, катерів, космічних кораблів, залізничних вагонів тощо.

Контейнери

Алюмінієві банки для різних сортів їжі. Джерело: Pxhere.

Алюміній використовують для виготовлення банок для напоїв, пивних бочок, лотків тощо.

Головна

Алюмінієві відра. Джерело: Пікселі.

Алюміній використовується для виготовлення кухонного начиння: каструлі, каструлі, каструлі та обгортковий папір; крім меблів, світильників тощо.

Відбивна сила

Алюміній ефективно відбиває променисту енергію; від ультрафіолетового світла до інфрачервоного випромінювання. Відбивна потужність алюмінію у видимому світлі становить близько 80%, що дозволяє використовувати його як відтінок у лампах.

Крім того, алюміній зберігає свою срібну відбивну характеристику навіть у вигляді тонкого порошку, тому його можна використовувати при виробництві срібних фарб.

- Сполуки алюмінію

Глинозем

Він використовується для виготовлення металевого алюмінію, ізоляторів та свічок запалювання. При нагріванні глинозему він набуває пористу структуру, яка поглинає воду, використовуючи для висихання газів і слугуючи сидінням для дії каталізаторів у різних хімічних реакціях.

Сульфат алюмінію

Застосовується у виробництві паперу та як поверхневий наповнювач. Сульфат алюмінію служить для утворення глинозему калієвого алюмінію. Це найпоширеніший випускник із численними додатками; наприклад, виготовлення медикаментів, фарб та морилки для фарбування тканин.

Хлорид алюмінію

Це найбільш використовуваний каталізатор у реакціях Фріделя-Ремесла. Це синтетичні органічні реакції, що використовуються при приготуванні ароматичних кетонів та антрахінону. Гідратований хлорид алюмінію використовується як актуальний антиперспірант та дезодорант.

Гідроксид алюмінію

Він використовується для водонепроникних тканин і виробництва алюмінатів.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Алюміній. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Алюміній. PubChem База даних. CID = 5359268. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminium
4. Редактори Encyclopeedia Britannica. (13 січня 2019 р.). Алюміній. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
5. УК Русал. (sf). Історія алюмінію. Відновлено з: aluminileader.com
6. Університет Ов'єдо. (2019). Алюмінієва металургія. . Відновлено з: unioviedo.es
7. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (6 лютого 2019 р.). Алюмінієві або алюмінієві сплави. Відновлено з: thinkco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Вплив впливу алюмінію на здоров'я. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Ельзев'є. (2019). Алюмінієві сплави. Відновлено з: sciencedirect.com
10. Наталія Г.М. (16 січня 2012 р.). Доступність алюмінію в їжі. Відновлено: споживач.е