Алуминий

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
13 MgалуминийSi
B

Al

Ga
Външен вид
сребристобял сребристобял
Общи данни
Име, символ, № алуминий, Al, 13
Химическа серия Метал
Група, период, блок III, 3, p
Свойства на атома
Атомна маса 26.9815386 u
Атомен радиус 143 pm
Ковалентен радиус 121±4 pm
Радиус на ван дер Ваалс 184 pm
Електронна конфигурация [Ne] 3s2 3p1
e- на енергийно ниво 2, 8, 3
Кристална структура кубична стенноцентрирана
Физични свойства
Агрегатно състояние Твърдо вещество
Плътност 2700 kg/m³
Температура на топене 933,47 K (660,32 °C)
Температура на кипене 2792 K (2519 °C)
Специф. топлина на топене kJ/mol
Специф. топлина на изпарение kJ/mol
Скорост на звука m/s при K
Други
Специф. ел. съпротивление 0,029 Ω.mm²/m
Топлопроводимост W/(m·K)
Йонизационен потенциал kJ/mol

Алуминият е сребристобял химичен елемент, метал от група 13 и период 3 на периодичната система. Той се означава със символа Al и има атомен номер 13. При стайна температура е твърдо вещество, неразтворимо във вода.

Алуминият е най-изобилният метал в земната кора и третият най-изобилен химичен елемент в нея, след кислорода и силиция. Той съставя около 8% от теглото на твърдата покривка на Земята. Химически активен, алуминият рядко се среща в природата в чист вид, а обикновено е съставна част от някой от повече от 270-те съдържащи алуминий минерали.[1] Сред тях основен източник за промишлен добив на алуминий е бокситът.

Характерни за алуминия са относително ниската му плътност и устойчивостта му на корозия, дължаща се на пасивирането чрез образуване на плътен повърхностен слой от оксиди. Конструктивните елементи, изготвени от алуминиеви сплави, играят ключова роля в авиацията и намират значително приложение в другите клонове на транспорта и в строителството. Химическите свойства на алуминия го правят полезен като катализатор или добавъчен материал в различни химични смеси, като взривните вещества, базирани на амониев нитрат. Въпреки че електропроводимостта му е значително по-ниска от тази на медта, алуминият е често използвана алтернатива при производството на електрически проводници, поради по-ниската му плътност и цена.

Изотопи[редактиране | edit source]

Алуминият има девет изотопа с масови числа от 23 до 30. От тях в природата се срещат само стабилният изотоп 27Al и радиоактивният 26Al (с период на полуразпад 7,2×105 години), но 99,9% от естествения алуминий са от изотопа 27Al. В земната атмосфера 26Al се образува от аргон под въздействието на протони в космическите лъчи.

Изотопите на алуминия намират практическо приложение в датирането на океански седименти, манганови конкреции, ледников лед, метеорити, кварц в скални формации. Съотношението на 26Al към 10Be се използва при изучаване на геоложките процеси в периода преди 105 до 106 години.[2]

При метеоритите, след тяхното откъсване от изходния астрономически обект, слънчевите лъчи предизвикват образуването на значителни количества 26Al. След падането на Земята атмосферата силно забавя този процес и разпада на 26Al може да се използва за определяне на времето, преди което метеоритът е паднал. Тези изследвания показват, че 26Al е бил сравнително изобилен по времето, когато се е образувала Слънчевата система. Повечето изследователи на метеоритите смятат, че енергията, отделяна при разпадането на 26Al е причината за разтопяването и диференциацията на някои астероиди, настъпили след тяхното образуване преди 4,55 милиарда години.[3]

Физични свойства[редактиране | edit source]

Ецвана повърхност на алуминий с висока чистота (99.9998%), размери: 55×37 mm

Алуминият е относително мек, траен, лек, дуктилен и ковък метал с цвят, вариращ от сребрист до мътносив в зависимост от грапавината на повърхността. Той е неразтворим в алкохол, макар че под определени форми е разтворим във вода. Границата на провлачане на чистия алуминий е 7-11 MPa, а при някои алуминиеви сплави достига 200 до 600 MPa.[4] Алуминият има около три пъти по-ниска плътност и модул на еластичност от стоманата, но е значително по-лесен за обработка, включително за изливане, изтегляне и екструдиране. Алуминиевите атоми образуват кристална решетка с кубична стенноцентрирана структура.

Алуминият е сред малкото метали, които запазват пълната си сребриста отражателна способност и във вид на фин прах, което го прави основен компонент на много сребърни бои. В ултравиолетовия (200–400 nm) и инфрачервения интервал (3 000–10 000 nm) алуминиевата основа за огледала има най-добра отражателна способност сред металните основи. Във видимия интервал при 400–700 nm алуминият отстъпва с малко на калая и среброто, а при 700-3000 nm - на среброто, златото и медта.[5]

Алуминият е добър проводник на топлина и електричество, с 62% от електропроводимостта на медта. Той има свръхпроводникови свойства със свръхпроводникова критична температура от 1,2 K и критично магнитно поле около 10 mT.[6]

Химични свойства[редактиране | edit source]

Алуминият има значителна устойчивост на корозия, тъй като при излагане на въздух по повърхността му се образува тънък слой от алуминиев оксид, който е плътен и предотвратява оксидацията в дълбочина. Високоякостните алуминиеви сплави са по-податливи на корозия, поради галваничните реакции с участващата в тях мед.[4] Корозионната устойчивост може да бъде силно намалена и от присъствието на различни соли или контакта с някои метали.

Алуминият се окислява във вода, отделяйки водород и топлина:

2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 3 H2

Тази реакция има практическо значение за производството на водород. Затрудненията при този процес идват от образуващия се оксиден слой, който забавя реакцията, и от разходите за съхранение на енергията възстановяване на металния алуминий.[7]

При взаимодействие с вода в алкална среда резултатът е алуминиев трихидроксид:

2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2

Алуминият взаимодейства и пряко с кислород, в резултат на което се получава диалуминиев триоксид:

4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 + Q(топлина)

При пряко взаимодействие с водород не може да се получи алуминиев трихидрид, той се получава по косвен начин:

3 LiAlH4 + AlCl3 → 4 AlH3 + 3 LiCl

Алуминият взаимодейства с други неметали, например при реакция с хлор се получава алуминиев трихлорид:

2Al + 3Cl2 → 2AlCl3

Когато алуминият взаимодейства с воден разтвор на киселини се образуват комплексни соли:

2 Al + 6 HCl + 12H2O → 2 [Al(H2O)6]Cl3 + 3 H2

Алуминият има двойствен химичен характер - взаимодейства с киселини и основи, като оксидите и хидроксидите му са амфотерни. При взаимодействие на алуминий с разтвор на основи се получава хексахидроксоалуминат и се отделя водород:

2Al + 6NaOH + 6Н2О → 2Na3[Al(OH)6] + 3Н2

История[редактиране | edit source]

Съединенията на алуминия са били познати от древни времена. За първи път е получен в чист вид през 1825 г от датския физик Оерстед. През 1866 г. почти едновременно и независимо един от друг Ч. М. Хол в САЩ и П. Ерц във Франция открили съвременния промишлен метод за получаване на алуминий. Това става чрез електролиза на разтвор от Al2O3 в стопен криолит (Na3AlF6). Процесът се извършва при температура от 1000 градуса в специални електрически пещи, като на анода се отделя кислород, а на катода — течен алуминий. Последният се събира на дъното на пещта, откъдето се премахва периодически.

Приложение[редактиране | edit source]

Широко се прилага като конструктивен материал. Основните качества на алуминия са лекота, податлив на щамповане, висока топлопроводимост, устойчив на корозия (всъщност много бързо взаимодейства с кислорода от въздуха и се покрива с плътен слой окис, който е корозоустойчив; в техниката се използват и други процеси за пасивиране повърхността на алуминиевите изделия). Тези свойства правят алуминия извънредно популярен при производството на кухненски прибори.

Основният недостатък на алуминия е малката механична здравина. Ето защо обикновено се използва сплав с малки количества мед и магнезий, известна под името дуралуминий (дурал). Тя широко се използва в производството на самолети и други летателни апарати, както и във военната техника. Дуралуминият е як като желязо, но е три пъти по-лек от него. За направата на алуминиево фолио и опаковки на храни се използва алуминий, легиран с минимални количества силиций, желязо, манган и магнезий. Алуминият се използва в металургията при получаването на някои метали от метални оксиди. Този процес се нарича алуминотермия. Освен това алуминият се използва за направата на огледала чрез алуминиево фолио. Друго приложение намира в медицината за направата на протези, а също така и за прочистване на вода чрез алуминиеви соли.

Добив[редактиране | edit source]

Държава Продукция
(хил.тона, 2010)
 Свят 41 400
1 Flag of the People's Republic of China.svg Китай 16 800
2 Flag of Russia.svg Русия 3 850
3 Flag of Canada.svg Канада 2 920
4 Flag of Australia.svg Австралия 1 950
5 Flag of the United States.svg САЩ 1 720
6 Flag of Brazil.svg Бразилия 1 550
7= Flag of India.svg Индия 1 400
7= Flag of the United Arab Emirates.svg ОАЕ 1 400
9 Flag of Bahrain.svg Бахрейн 870
10= Flag of Norway.svg Норвегия 800
10= Flag of South Africa.svg ЮАР 800

Бележки[редактиране | edit source]

  1. Shakhashiri 2007.
  2. Dickin 2013.
  3. Dodd 1986, с. 89-90.
  4. а б Polmear 1995.
  5. Macleod 2001, с. 158-159.
  6. Cochran 1958, с. 132-142.
  7. U.S. Department of Energy 2008.
Цитирани източници

Вижте още[редактиране | edit source]