Алуминий

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

Al

Ga
Външен вид

сребристобял

сребристобял
Общи данни
Име, символ, № Алуминий, Al, 13
Химическа серия слаб метал
Група, период, блок 13, 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
Оксидационни с-ния (оксид) 3 (амфотерен)
Кристална структура кубична стенноцентрирана Cubic-face-centered.svg
Физични свойства
Агрегатно състояние твърдо вещество
Плътност 2700 kg/
Температура на топене 933,47 K (660,32 °C)
Температура на кипене 2792 K (2519 °C)
Специф. топлина на топене 284 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение 10,71 kJ/mol
Скорост на звука 5000 m/s
Други
Електроотрицателност 1,61 (скала на Полинг)
Специф. топлинен капацитет 24,20 J/(kg·K)
Специф. ел. съпротивление 0,029 Ω.mm²/m
Топлопроводимост 237 W/(m·K)
Йонизационен потенциал 577,5 kJ/mol
Изотопи

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.[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]

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.[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 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.[6]

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.[7] 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.

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.[8])

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.[9]

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.

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.[10]

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.[11]

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:

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 Китайска народна република Китай 16 800
2 Русия Русия 3 850
3 Канада Канада 2 920
4 Австралия Австралия 1 950
5 Съединени американски щати САЩ 1 720
6 Бразилия Бразилия 1 550
7= Индия Индия 1 400
7= Обединени арабски емирства ОАЕ 1 400
9 Бахрейн Бахрейн 870
10= Норвегия Норвегия 800
10= Република Южна Африка 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 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.[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 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 2 000 евро за тон (чистота от 99,7 %, през: октомври 2013).[28]

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

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]