Алюминий

Алюми́ний (химический символ — Al, от лат. Aluminium) — химический элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы, IIIA) третьего периода периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13.

Простое вещество алюминий — это лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью, магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Теплопроводность алюминия вдвое больше, чем железа и равна половине теплопроводности меди.

История открытия

Название элемента образовалось от лат. alumen — квасцы.

Впервые алюминий был получен датским физиком Хансом Эрстедом в 1825 году. Он восстановил хлорид этого элемента амальгамой калия при нагревании и выделил металл. Позже способ Эрстеда был улучшен Фридрихом Вёлером, он использовал для восстановления хлорида алюминия до металла чистый металлический калий и он же описал химические свойства алюминия.

Впервые полупромышленным способом алюминий получил в 1854 г. Сент-Клер Девиль по методу Вёлера, заменив калий на более безопасный натрий. Год спустя на Парижской выставке 1855 г. он продемонстрировал слиток металла, а в 1856 г. получил алюминий электролизом расплава двойной соли хлорида алюминия-натрия.

До развития широкомасштабного промышленного электролитического способа получения алюминия из глинозёма этот металл был дороже золота. В 1889 году британцы, желая почтить богатым подарком русского химика Д. И. Менделеева, подарили ему аналитические весы, у которых чашки были изготовлены из золота и алюминия.

В России алюминий назвали в то время «серебром из глины» или, сокращённо, глинием, так как главной составляющей частью глины является глинозём Al₂O₃. Промышленный способ получения металла электролизом расплава Al₂O₃ в криолите разработали независимо друг от друга Ч. Холл и П. Эру в 1886 г.

Соединения алюминия, например, двойная соль алюминия и калия — квасцы KAl(SO₄)₂ • 12H₂O — известны и использовались с глубокой древности.

Применение

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьём в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время медленно вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углеволокном).

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем. Меньшую электропроводность алюминия (3,7·10⁷ См/м) по сравнению с медью (5,84·10⁷ См/м), для сохранения одинакового электрического сопротивления, компенсируют увеличением площади сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является образование на его поверхности прочной диэлектрической оксидной плёнки, затрудняющей пайку и за счёт ухудшения контактного сопротивления вызывающей повышенное нагревание в местах электрических соединений, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на надёжности электрического контакта и состоянии изоляции. Поэтому, в частности, 7-я редакция Правил устройства электроустановок, принятая в 2002 году, запрещает использовать алюминиевые проводники сечением менее 16 мм² — что, фактически, ограничивает его область применения силовой и магистральной проводкой, обслуживаемой профессионалами, при монтаже нивелирующими указанный недостаток специальными средствами.

• Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
• Алюминий и его сплавы не приобретают хрупкость при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике. Однако известен случай приобретения хрупкости криогенными трубами из алюминиевого сплава из-за их гибки на медных кернах при разработке РН Энергия.
• Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью вакуумного напыления делает алюминий оптимальным материалом для изготовления зеркал.
• В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
• Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например, клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
• Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
• Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.
• Плохая проводимость звука позволяет использовать алюминий для подавления шумов в аудио-аппаратуре.
• Как компонент термита, смесей для алюмотермии.
• В пиротехнике.
• Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.
• Ограничено применяется как протектор при анодной защите.
• Алюминий — очень сильный раскислитель, поэтому его применяют при производстве сталей, что особенно важно при продувке передельного чугуна с ломом в конвертере. Присадки этого относительно дешёвого раскислителя в расплав позволяют полностью связать растворённый кислород — «успокоить» сталь и избежать возникновения пористости слитков и отливок вследствие окисления углерода и выделения пузырьков оксида углерода.

Алюминий используется как основа для многих сплавов.

Алюмоэнергетика использует алюминий как универсальный вторичный энергоноситель. Его применения в этом качестве:

• Окисление алюминия в воде для производства водорода и тепловой энергии.
• Окисление алюминия кислородом воздуха для производства электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.

Биологичекая роль

Несмотря на широкую распространённость в природе, на данный момент не известно ни одно живое существо, использующее алюминий в метаболизме — это «мёртвый» металл. Отличается слабым токсическим действием (намного меньшим, чем у «тяжёлых» металлов), но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела):

• ацетат алюминия — 0,2—0,4;
• гидроксид алюминия — 3,7—7,3;
• алюминиевые квасцы — 2,9.

В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек. Несмотря на возможность выведения из организма, согласно исследованиям алюминий способен накапливаться в тканях костей, мозга, печени и почек.

Норматив содержания алюминия в воде хозяйственно-питьевого использования в России составляет 0,2 мг/л. При этом данная ПДК может быть увеличена до 0,5 мг/л главным государственным санитарным врачом по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения.

По некоторым биологическим исследованиям, поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера, но эти исследования были позже раскритикованы, и вывод о связи одного с другим опровергался.

Соединения алюминия также, возможно, стимулируют рак молочной железы при применении антиперспирантов на основе хлорида алюминия. Но научных данных, подтверждающих это меньше, чем противоположных.