Алуминий

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Алуминий
Алуминий – сребристобял метал
Сребристобял метал
Спектрални линии на алуминий
МагнезийАлуминийСилиций
B

Al

Ga
Периодична система
Общи данни
Име, символ, Z Алуминий, Al, 13
Група, период, блок 133p
Химическа серия слаб метал
Електронна конфигурация [Ne] 3s2 3p1
e- на енергийно ниво 2, 8, 3
CAS номер 7429-90-5
Свойства на атома
Атомна маса 26,9815386 u
Атомен радиус 143  pm
Ковалентен радиус 121±4 pm
Радиус на ван дер Ваалс 184 pm
Степен на окисление 3, 2, 1, −1, −2
Оксид Al2O3 (амфотерен)
Електроотрицателност
(Скала на Полинг)
1,61
Йонизационна енергия I: 577,5 kJ/mol
II: 1816,7 kJ/mol
III: 2744,8 kJ/mol
(още)
Физични свойства
Агрегатно състояние твърдо вещество
Кристална структура кубична стенноцентрирана
Плътност 2700 kg/m3
Температура на топене 933,47 K (660,47 °C)
Температура на кипене 2743 K (2470 °C)
Специф. топлина на топене 10,71 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение 284 kJ/mol
Налягане на парата
P (Pa) 1 10 102 103 104 105
T (K) 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Скорост на звука 5000 m/s при 25 °C
Специф. ел. съпротивление 28,2×10-3 Ω.mm2/m
Топлопроводимост 237 W/(m·K)
Магнетизъм парамагнитен[1]
Модул на еластичност 70 GPa
Модул на срязване 26 GPa
Модул на свиваемост 76 GPa
Коефициент на Поасон 0,35
Твърдост по Моос 2,75
Твърдост по Викерс 160 – 350 MPa
Твърдост по Бринел 160 – 550 MPa
История
Наименуван от латинското alumen – „стипчив“
Откритие Ханс Кристиан Оерстед (1824 г.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР
26Al радио 7,17×105 г. β+ 26Mg
ε 26Mg
γ
27Al 100 % стабилен

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 ковък 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.[2] 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.[3]

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).[4]

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.

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.[5]

В земната кора алуминият е най-изобилният (8,3% по маса) метален елемент и третият сред всички елементи след кислорода и силиция.[4] 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 е в състава главно на вулканичните скали, преди всичко във вид на алумосиликати и слюди; в почвата, в състава на глината, основният състав на която, съответстващ на минерала каолин, Al2O3•2SiO2•2H2O, и в боксита, Al2O•xH2O.[6] Алуминият присъства и в много други минерали, като берил, криолит, гранат, шпинел и тюркоаз. Кристалният Al2O3 (корунд) с примеси от хром или желязо съставлява съответно скъпоценните камъни рубин и сапфир, а с берилий - аквамарин.[6] Корундът се добива като природен абразив. Значение има и минералът креолит.

Самороден алуминий се среща само като малка фракция в лишена от кислород среда, като вътрешността на някои вулкани.[7] 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.[8]

Въпреки че алуминият е 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.[9] Най-големи залежи на боксит има в Австралия, Бразилия, Гвинея и Ямайка.

История[редактиране | редактиране на кода]

Английският химик Сър Хъмфри Дейви

Съединенията на алуминия са били познати от древни времена. През 1809г.[6] английският химик Хъмфри Дейви го описва като „Aluminum“ и се опитва да го произведе, осъществявайки електролиза на глина. За първи път е получен в груб (нечист)[6] вид през 1825 г. от датския физик Ханс Кристиан Оерстед.

Немският химик Фридрих Вльолер през 1827г., използвайки редукия с калий, произвел алуминиева пудра, а през 1845г. и малки зрънца на метала, от които определил някой от неговите свойстваː специфично тегло, еластичност и стабилност на въздух.[6] По нареждане на Наполеон Трети на френския химик Анри Сент-Клер Дьовил били отпуснати средства за намиране на промишлен способ за получаване на алуминий.[6] Скоро след това Дьовил разработил такъв способ, но той се оказал много скъп и по това време алуминият струвал повече от златото. Новият метал бил представен на публиката през 1855г. на Парижкото изложение. От него се изработвали ювелирни изделия и някои скъпи предмети.[6] По-късно, когато имало достатъчно много електричска енергия и тя била по-евтина, 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, напрежение от 5 волта и ток над 100 000 ампера,[6] 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. За получаването на 1 тон алуминий се изразходва повече от 16 000 kwh електроенергия.[6]

Свойства[редактиране | редактиране на кода]

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 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.[10] 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. Атомното му тегло е 26,9815. Температурата му на топене 660,323°C е приета за фиксирана точка по ITS-90 (Международна температурна скала-90), а на кипене е 2519°C. Плътността на алуминия е 2,70g/cm3.[6]

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 (3000 – 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.[11]

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.[12]

Благодарение на кубичната решеткаалуминият притежава добра пластична деформация, което го прави хехнологичен – лесно се подава на валцоване, пресоване, коване и щамповане. Много от алуминиевите сплави не стават крехки даже при температура на телен водород и хелий.[6] Издръжливостта на разтегляне на алуминия не е голяма – 6-8 kg/mm2, но на неговите сплави е 10 пъти повече, каквато е на среднолегирана стомана.[6]

Алуминият притежава едновременно висока топлопроводност и електропроводност (от техническите метали само меда го превъзхожда по тези характеристики). Той има висока отражателна способност и лесно се полира. Чистият алуминий и някои от негови сплави притежават много висока корозивна издръжливост във водата, в това число и в кипяща.[6]

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, бетаплюс разпад),[6] но 99,9% от естествения алуминий са от изотопа 27Al, синтезиран в звездите при термоядрено горене на въглерода. В земната атмосфера 26Al се образува от аргон под въздействието на протони в космическите лъчи.

28Al има живот от 2,2414 минути, бетаминус разпад. Останалите изотопи имат период на полуразпадсекунди и части от секундата.[6]

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.[13] Алуминий-26 изпуска бетаплюс частици с маскимална енергия 1,17MeV и последващо гама-излъчване, като най-интензивни са гама-квантите с енергия 1808 keV. Той да се образува при облъчването на циклотрон на магнезиева мишена с дейтони по реакцията 25Mg(d,n)26Al. Относителната активност обаче на получения изотоп е много малка и неговото използване е ограничено.[6]

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.[14]

Изотопът алуминий-28 се образува при облъчване на алуминий с неутрони и се използва в неутрино-активационния анализ за количественото определяне на алуминия в образци. Той претърпява β-разпад с последващо излъчване на гама-кванти с енергия от 1778 keV.[6]

Облъчвайки алуминиево фолио с алфа-частици от плутониев източник, Ирен Кюри и Фредерик Жулио Кюри убедително показали съществуването на изкуствената радиоактивност, като по химичен път отдели радиоактивен фосфор с период на полуразпад 2,498 минути, образувал се по реакцията 27Al(α,n)30P.[6]

Химични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Алуминият е метал от 13 група (3А) и следователно има три валентни електрона. Проявява 3+ степен на окисление, но при повишена температура образува едновалентни и двуваленти съединенияː AlCl, Al2O, AlO.

Алуминият има значителна устойчивост на корозия, тъй като при излагане на въздух по повърхността му се образува тънък слой от диалуминиев триоксид, който е плътен и предотвратява оксидацията в дълбочина.[15] Първите части на този слой към алуминия повтарят квисталната му решетка, образувайки много здраво съединение с него.[6] Възможно е специално да се израства химично или електрохимично удебелен слой и да се въвеждат различни пълнители, като може да се придаде и някакъв цвят на повърхността.[6] Високоякостните алуминиеви сплави са по-податливи на корозия, поради галваничните реакции с участващата в тях мед.[10] 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:

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.[16])

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.[17]

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

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

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

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:

С твърда алкална основа на стопилка се получава натриев метаалуминат и се отделя водород:

Процесът е окислително-редукционен.

Алуминият не взаимодейства с много органични вещества и хранителни продукти.[6]

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,[3] базиран на две основни химически реакции:

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:

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 3850
3 Flag of Canada (Pantone).svg Канада 2920
4 Flag of Australia (converted).svg Австралия 1950
5 Flag of the United States.svg САЩ 1720
6 Flag of Brazil.svg Бразилия 1550
7= Flag of India.svg Индия 1400
7= Flag of the United Arab Emirates.svg ОАЕ 1400
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%.[3][18]

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.[19] По тази причина алуминиевите заводи често се разполагат на места с изобилна и евтина електроенергия, например в Обединените арабски емирства[20], Норвегия[21] и Исландия,[22] 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).[19][23][24]

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.[25] През 2013 година в страната са добити 77 милиона тона боксит.[26] Австралийските залежи на боксит са с относително високо съдържание на силиций, но за сметка на това са плитко разположени и относително лесни за добиване.[27]

Рециклиране[редактиране | редактиране на кода]

От техническа гледна точка, 100% от алуминия 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 рециклиране 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.[28][29]

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 оксид, 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 2000 евро за тон (чистота от 99,7 %, през: октомври 2013).[30]

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

  1. CRC Press 2000.
  2. Shakhashiri 2007.
  3. а б в Frank 2009.
  4. а б Greenwood 1997, с. 217.
  5. Cameron 1957.
  6. а б в г д е ж з и к л м н о п р с т у ф х Лефтеров, Димитър. Химичните елементи и техните изотопи. Издателство на БАН „Проф. Марин Дринов“, 2015. ISBN 978-954-322-831-7. с. 284-287.
  7. Barthelmy 2008.
  8. Chen 2011, с. 363 – 370.
  9. Guilbert 1986, с. 774 – 795.
  10. а б Polmear 1995.
  11. Macleod 2001, с. 158 – 159.
  12. Cochran 1958, с. 132 – 142.
  13. Dickin 2013.
  14. Dodd 1986, с. 89 – 90.
  15. Vargel 2004.
  16. U.S. Department of Energy 2008.
  17. Beal 1999, с. 90.
  18. Totten 2003, с. 40.
  19. а б Emsley 2001, с. 24.
  20. Dipaola 2013.
  21. hydro.com 2015.
  22. Hilmarsson 2015.
  23. Brown 2009.
  24. Schmitz 2006, с. 27.
  25. Australian Aluminium Council 2007a.
  26. USGS 2014.
  27. Australian Aluminium Council 2007b.
  28. Ohio Department of Natural Resources 2003.
  29. afsinc.org 2004.
  30. 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: