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 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 сребристобял мек немагнитен дуктилен метал, най-изобилният метал в земната кора и третият най-изобилен химичен елемент в нея, след кислорода и силиция. Той съставя около 8% от масата 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. Въпреки широкото разпространение на алуминия в природата, солите му не се метаболизират от никоя известна форма на живот, като растенията и животните добре понасят метала.[2]

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. Сред химичните му съединения най-голямо стопанско значение имат оксидите и сулфатите.

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.

Име[редактиране | редактиране на кода]

Името на елемента идва от латинската дума alumen за Alaun (стипца). Две имена за елемента се употребяват: Aluminium (в света) и Aluminum (в САЩ и Канада).[3]

Международният съюз за чиста и приложна химия (IUPAC) решава през 1990 година, че името на елемента е Aluminium, след 3 години признава също и Aluminum като възможен вариант.

Свойства[редактиране | редактиране на кода]

Изотопи[редактиране | редактиране на кода]

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.[4]

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.[5]

Физични свойства[редактиране | редактиране на кода]

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.[6] 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.[7]

Алуминият е добър проводник на топлина и електричество, с 59% от топлопроводимостта и електропроводимостта на медта, но с 30% от нейната плътност. Той има свръхпроводникови свойства със свръхпроводникова критична температура от 1,2 K и критично магнитно поле около 10 mT.[8]

Химични свойства[редактиране | редактиране на кода]

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.[9] Високоякостните алуминиеви сплави са по-податливи на корозия, поради галваничните реакции с участващата в тях мед.[6] Корозионната устойчивост може да бъде силно намалена и от присъствието на различни соли или контакта с някои метали.

В силно киселинни разтвори алуминият реагира с водата, отделяйки водород, а в силно алкални образува алуминати, като защитното пасивиране при такива условия е пренебрежимо:

2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 3 H2
2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2

Алуминият се оксидира и от чиста вода при температури под 280 °C, като 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 за възстановяване на металния алуминий.[10])

Хлоридите, като обикновената готварска сол, също предизвикват корозия в алуминия, съпътствана от образуване на алуминиев трихлорид, което е сред основните причини водопроводите да не се изработват от този метал.[11]

2Al + 3Cl2 → 2AlCl3

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

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
С твърда алкална основа на стопилка се получава натриев алуминиев диоксиди и се отделя водород:
2Al + 6NaOH + 6H20 = 2NaAlO2 + 3H2
Процесът е окислително-редукционен.

Наличие в природата[редактиране | редактиране на кода]

Устойчивите алуминиеви атомни ядра се образуват при ядрен синтез на водород с магнезий в големите звезди или свръхнови.[12]

В земната кора алуминият е най-изобилният (8,3% по маса) метален елемент и третият сред всички елементи след кислорода и силиция.[3] Поради силната си реактивност с кислорода, алуминият почти не се среща в чист вид, а най-често свързан в оксиди и силикати. Фелдшпатите, най-разпространената група минерали в земната кора, са алумосиликати. Алуминият присъства и в много други минерали, като берил, криолит, гранат, шпинел и тюркоаз. Al2O3 с примеси от хром или желязо съставлява съответно скъпоценните камъни рубин и сапфир.

Самороден алуминий се среща само като малка фракция в лишена от кислород среда, като вътрешността на някои вулкани.[13] Има сведения за залежи на самороден алуминий в дълбоките североизточни части на Южнокитайско море, като съществува хипотеза, че той е образуван чрез редукция на Al(OH)4 от бактерии.[14]

Въпреки че алуминият е изключително широко разпространен елемент, повечето алуминиеви минерали не са икономична суровина за производството на метала. Почти всичкия метален алуминий се произвежда от рудата боксит (AlOx(OH)3–2x). Бокситът се среща като продукт на изветряне на скали с ниско съдържание на желязо и силиций при тропически климатични условия.[15] Най-големи залежи на боксит има в Австралия, Бразилия, Гвинея и Ямайка.

Производство[редактиране | редактиране на кода]

Бокситът е основна алуминиева руда - червенокафявият цвят се дължи на присъствието на минерали на желязото

При производството на алуминий от боксит се използва Байеровият процес,[2] базиран на две основни химически реакции:

Al2O3 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + H2O
2 H2O + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH

Извличането на алуминия е възможно, тъй като междинният натриев алуминат NaAlO2 е разтворим в силно алкална вода, докато останалите съставни части на рудата не са. В зависимост от качеството на боксита, количеството на добития алуминиев оксид е около половината на отделяния отпадъчен червен шлам.

За получаването на метален алуминий от алуминиевия оксид се използва енергоемкият процес на Хол-Еру. При него се извършва електролиза на разтвор на алуминиевия оксид в разтопена при 980 °C смес от криолит (Na3AlF6) и калциев флуорид (CaF2) - на катода се отделя алуминий, а на анода - кислород:

Al3+ + 3 e → Al
2 O2− → O2 + 4 e

След това металният алуминий се утаява на дъното на разтвора и се изгребва, като обикновено се излива в големи блокове за последваща обработка. Въглеродният анод частично реагира с получавания кислород, образувайки въглероден диоксид, и трябва да се заменя периодично. Катодите също ерозират в резултат на електрохимични процеси, поради което след пет до десет години, в зависимост от прилагания ток, електролитната клетка трябва да се изгради наново.

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

Процесът на Хол-Еру произвежда алуминий с чистота над 99%. Допълнително пречистване може да се извърши чрез процеса на Хупс. Той се базира на електролиза на разтопен алуминий с електролит от натрий, барий и алуминиев флуорид и дава възможност за чистота от 99,99%.[2][16]

Електролизата на алуминий при процеса на Хол-Еру е свързана със значителна консумация на енергия — средните стойности в световен мащаб са около 15±0,5 kW·h/kg (52-56 MJ/kg), като най-съвременните инсталации постигат 12,8 kW·h/kg (46,1 MJ/kg). На електроенергията се падат около 20 до 40% от себестойността на произвеждания алуминий, в зависимост от разположението на завода. В Съединените щати производството на алуминий консумира към 5% от цялото производство на електричество.[17] По тази причина алуминиевите заводи често се разполагат на места с изобилна и евтина електроенергия, например в Обединените арабски емирства[18], Норвегия[19] и Исландия,[20] които разполагат с големи залежи на природен газ или възобновяеми енергийни източници.

Най-големите производители на алуминий в света са Китай (около една пета от световното производство), Русия и Канада (главно в Квебек и Британска Колумбия).[17][21][22]

В продължение на половин век, до 2007 година, когато е изпреварена от Китай, Австралия е най-големият производител и износител на рафиниран боксит (алуминиев оксид) в света.[23] През 2013 година в страната са добити 77 милиона тона боксит.[24] Австралийските залежи на боксит са с относително високо съдържание на силиций, но за сметка на това са плитко разположени и относително лесни за добиване.[25]

Рециклиране[редактиране | редактиране на кода]

От техническа гледна точка 100% от алуминият подлежи на рециклиране без загуба на неговите качества. Според някои оценки общото количество използван днес по света алуминий (в автомобили, сгради, електроника и т.н.) е около 80 kg на човек от населението, концентриран главно в развитите страни (350-500 kg/човек при 35 kg/човек в слаборазвитите страни). Възстановяването на метала чрез рициклиране е от съществено значение за алуминиевата промишленост.

Рециклирането се извършва чрез претопяване на алуминиев скрап - процес, който изисква едва 5% от енергията, използвана при производството на алуминий от руда, въпреки че в зависимост от технологията 1 до 15% от изходния материал се губи във вид на пепеловидни оксиди.[26][27]

История[редактиране | редактиране на кода]

Английският химик Сър Хъмфри Дейви

Съединенията на алуминия са били познати от древни времена. През 1808 г. английският химик Хъмфри Дейви го описва като „Aluminum“ и се опитва да го произведе. За първи път е получен в чист вид през 1825 г. от датския физик Ханс Кристиан Оерстед. По това време алуминият струва повече от златото. Цената на алуминия пада за десет години с 90 %.

През 1866 г. почти едновременно и независимо един от друг Чарлс Мартин 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 | редактиране на кода]

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.

Цената на алуминия на световния пазар от ок. 2005 г. се движи около 2 000 евро за тон (чистота от 99,7 %, през: октомври 2013).[28]

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

  1. Shakhashiri 2007.
  2. а б в Frank 2009.
  3. а б Greenwood 1997, с. 217.
  4. Dickin 2013.
  5. Dodd 1986, с. 89-90.
  6. а б Polmear 1995.
  7. Macleod 2001, с. 158-159.
  8. Cochran 1958, с. 132-142.
  9. Vargel 2004.
  10. U.S. Department of Energy 2008.
  11. Beal 1999, с. 90.
  12. Cameron 1957.
  13. Barthelmy 2008.
  14. Chen 2011, с. 363-370.
  15. Guilbert 1986, с. 774-795.
  16. Totten 2003, с. 40.
  17. а б Emsley 2001, с. 24.
  18. Dipaola 2013.
  19. hydro.com 2015.
  20. Hilmarsson 2015.
  21. Brown 2009.
  22. Schmitz 2006, с. 27.
  23. Australian Aluminium Council 2007a.
  24. USGS 2014.
  25. Australian Aluminium Council 2007b.
  26. Ohio Department of Natural Resources 2003.
  27. afsinc.org 2004.
  28. Primary Aluminium. In: London Metal Exchange.
Цитирани източници

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]

Уикикниги
В Уикикниги има на разположение:
Уикикниги
В Уикикниги има на разположение:

Вижте още[редактиране | редактиране на кода]