Алюміній

Брусок алюмінія

Алюмі́ній (Aluminium, від лат. alumen ― галун), Al — хімічний елемент з протонним числом Z = 13.

Історична довідка

Згадки про галун (див. Галуни алюмінієво-калієві) ― сполуку Алюмінію, яку використовували як протраву для фарбування ― є в працях Геродота та Плінія Старшого. «Землю», яка була в основі галунів, тобто алюміній оксид, уперше добуто 1754 А. С. Маргграфом, згодом її названо глиноземом. Синонім назви елемента ― глинець ― походить від слова глина, його використовували в 1920-х.

У 1808 Г. Деві визначив металічний елемент у складі галунів і назвав його алюміум, а згодом ― алюмінум. 1808–1810 він безуспішно намагався електролізом добути цей метал з глинозему. Уперше алюміній добув Г. К. Ерстед у 1825 термічним відновленням безводного алюміній хлориду амальгамою калію.

1827 Ф. Велер замість амальгами застосував чистий калій для відновлення алюмінію й вперше доволі точно описав властивості цього металу.

1854 А. Сент-Клер Девіль (1818–1881, Франція) удосконалив метод Велера й налагодив промислове виробництво алюмінію. 1855 отримані перші зливки металу масою 6–8 кг, які експонували на Всесвітній виставці праць промисловості, сільського господарства і красних мистецтв у м. Парижі. Через дороговизну алюмінію, на виставці його помістили поруч зі скарбами з державної казни, а імператор Наполеон ІІІ використовував посуд з алюмінію на державних прийомах.

1865 М. М. Бекетов (1827–1911, Росія) застосував для добування алюмінію реакцію між кріолітом і магнієм. У м. Гмелінгемі (Німеччина) 1885 збудовано завод, який працював за методом Бекетова (за п’ять років виплавлено алюміній масою 58 т — понад 25 % усього світового виробництва алюмінію впродовж 1854–1890).

1854 Р. В. Бунзену вдалося добути алюміній електролізом подвійного хлориду Натрію й Алюмінію NaCl ∙ AlCl3. Промисловий спосіб добування алюмінію електролізом розтопу глинозему в кріоліті розробили незалежно один від одного Ч. М. Голл (1863–1914, США) та П. Еру в 1886.

Перший алюмінієвий завод в Україні запрацював 1933 у м. Запоріжжі.

Характеристика

Положення в періодичній системі хімічних елементів

Хімічний елемент 3 періоду 13 групи періодичної системи елементів (3а підгрупи короткої форми), порядковий номер 13, відносна атомна маса 26,9815385(7). Природний Алюміній складається з одного стабільного нукліда 27Al (100 %). Електронна конфігурація [Ne] 3s23p1. Ступені окиснення в сполуках -2, -1, +1, +2, +3 (стійкий). Енергії йонізації 577,5 (+1), 1816,7 (+2), 2744,8 (+3) кДж/моль; електронегативність за Л. Полінгом 1,61; атомний радіус 143 пм, ковалентний радіус 121±4 пм, ван-дер-ваальсовий радіус 184 пм; йонний радіус (Al3+ ) 39 (4-координований) та 53,5 (6-координований) пм. У всіх своїх стійких сполуках Алюміній має ступінь окиснення +3. У катіонних, аніонних та електронейтральних координаційних сполуках координаційне число Алюмінію дорівнює 4 або 6 за рахунок sp3- та sр3d2-гібридизації його валентних орбіталей атомних.

Фізичні властивості

Проста речовина Алюмінію ― м’який, білий, легкий та дуже блискучий (нагадує срібло) метал, який має високу електро- (38Hg) та теплопровідність і світловідбивну здатність. Кристали алюмінію мають гранецентровані кубічні ґратки; tтопл = 933.47 K (660,32 °C), tкип = 2743 K (2470 °C); густина 2699 кг/м3 (2375 кг/м3 у рідкому стані), питомий електричний опір 28,2 нОм · м, теплопровідність 237 Вт/(м · К). Домішки зменшують електропровідність, але поліпшують механічні властивості алюмінію. Твердість, визначена за методом Ю. А. Брінелля (1849–1925, Швеція) ― 160―550 МПа, за Мооса шкалою твердості мінералів ― 2,75, Юнга модуль ― 70 ГПа. Алюміній легко обробляти, відливати у форми, протягувати та штампувати. Його властивості значно залежать від домішок, наприклад, границя плинності чистого металу становить 7–11 МПа, хоча для його стопів (сплавів) вона становить від 200 МПа до 600 МПа. У відполірованому вигляді алюміній має найвищу після срібла відбивальну здатність для білого та інфрачервоного світла.

Хімічні властивості

Алюміній — активний метал. В електрохімічному ряду напруг він стоїть між магнієм та цинком. Деяка пасивність алюмінію в хімічних реакціях за звичайних умов (20–25 °С, Р = 1 атм) зумовлена утворенням на його поверхні тонкої й дуже міцної оксидної плівки, товщина якої дорівнює 10-5 мм. Алюміній активно розчиняється в кислотах-неокисниках: 2Аl + 6НСl = 2АlСl3 + 3Н2↑. Концентровані сульфатна й нітратна кислоти пасивують алюміній, їхні розчини середньої концентрації поступово його розчиняють:

10Аl + 36НNО3 = 10Al(NO3)3 + 3N2↑ + 18Н2О.

Алюміній дуже легко розчиняється в лугах з утворенням розчинних у воді гідроксидоалюмінатів: 2А1 + 6NaOH + 6Н2О = 2Na3[Al(OH)6] + 3Н2↑.

Відома сполука Алюмінію з Гідрогеном (воднем) ― алюміній гідрид AlH3 та (у стопах) інтерметалічні сполуки Алюмінію FeAl3, Fe3SiAl12, Al2Si2Al9 або FeAl 6. За нагрівання алюмінію на повітрі він згоряє яскравим білим полум’ям з утворенням оксиду:

4Аl + 3О2 = 2Аl2О3, ∆Н_289^0=-1650 кДж⁄моль.

Завдяки великій теплоті утворення А12О3 алюміній відновлює оксиди металічних елементів, нітрати, хлорати та інші сполуки.

Алюміній оксид може існувати у вигляді кількох кристалічних форм, з яких найстійкішими є α-А12О3 та γ-А12О3. Перша з них — це білі тугоплавкі кристали (плавляться за 2050 °С) з ромбоедричними ґратками, у яких атом Алюмінію оточений шістьма атомами Оксигену.

Аl2О3 виявляє амфотерні властивості: Аl2О3 + K2СО3 □(→┴t ) 2KАlO2 + СО2↑;

Аl2О3 + 6KHSO4 □(→┴t ) Al2(SO4)3 + 3K2SO4 + 3H2O. Алюміній гідроксид Аl(ОН)3 — полімерна драглиста сполука розчинна в сильних кислотах і лугах.

З кислотами алюміній гідроксид утворює солі. У водному розчині існує гідратований безбарвний йон [А1(Н2О)6]3+. Солі Алюмінію більшості сильних кислот розчинні у воді й кристалізуються у вигляді гідратів, наприклад, Al2(SO4)3 ∙ 18Н2О, Аl(NO3)3 ∙ 9Н2О, АlСl3 ∙ 6Н2О, тощо. Алюміній сульфат із сульфатами Натрію, Калію, амонію під час кристалізації з розчину утворює безбарвні кристали галунів загального складу MeAl(SO4)2 ∙ 12Н2О. Солі Алюмінію у водному розчині гідролізовані.

Алюміній активно реагує з галогенами. За кімнатної температури в атмосфері фтору алюміній вкривається плівкою алюміній флуориду AlF3. Хлор і рідкий бром реагують з алюмінієм уже на холоді. Суміш порошків йоду та алюмінію спалахує, якщо внести в неї краплину води, яка є каталізатором. Унаслідок нагрівання галогенідів АlНаl3 з алюмінієм утворюються похідні Алюмінію(І): АlHаl3 + 2Аl = 3AlНаl, які за температур, нижчих від 1000 °С, розкладаються: 3АlHаl = 2Аl + АlHаl3. З алюміній хлориду та літій гідриду в діетиловому етері (див. Ефір діетиловий) добувають літій тетрагідридоалюмінат ― гідрогенізувальний агент: 4LiH + AlCl3 = Li[AlH4] + 3LiСl, з якого можна добути алюміній гідрид: 3Li[AlH4] + АlСl3 = 3LiCl + 4АlН3. Алюміній гідрид поступово виділяється у вигляді білої аморфної маси полімерної будови (AlH3)x. Вище за 100 °С він розкладається на прості речовини, а водою повністю гідролізується.

Унаслідок сильного нагрівання порошку алюмінію з азотом, сіркою та вуглецем утворюються, відповідно, нітрид, сульфід і карбід Алюмінію ― AlN, Al2S3, Al4C3.

Алюміній нітрид — білий порошок, який не розкладається за нагрівання до 1800 °С. Кристалічний алюміній нітрид не взаємодіє із сильними кислотами й поступово розкладається гарячими розчинами лугів. Кристали алюміній нітриду дуже тверді, вони термостійкі, електропровідні. Алюміній сульфід Al2S3 — білі голчасті кристали з температурою топлення 1120 °С. Водою повністю розкладається на А1(ОН)3 та H2S. Жовтий алюміній карбід А14С3 ефективніше добувати нагріванням до 2000 °С алюміній оксиду з вугіллям. Він розкладається водою на Аl(ОН)3 та СН4.

Поширення в природі

Алюміній третій серед елементів (після О, Si) за поширенням у земній корі й перший серед металічних елементів; його масова частка становить 8,05 %. Природний Алюміній має один стабільний нуклід (_13^27)Аl. Найважливіші мінерали: корунд, боксит та кріоліт. Проте основна маса Алюмінію міститься в алюмосилікатах (ортоклаз, слюда, нефелін, каолін Н4Al2Si2O9 тощо), які становлять основну масу земної кори. Під дією дощів та вуглекислого газу алюмосилікати вивітрюються (див. Вивітрювання) з утворенням глини, яка є сумішшю каоліну з піском, вапняком, оксидами Феруму та іншими речовинами. Трапляються прозорі кристали корунду, забарвлені незначними домішками оксидів Cr2O3 (рубін) або Ті2О3 та Fe2O3 (сапфір).

Добування

Добувають алюміній електролізом розтопленої суміші кріоліту й алюміній оксиду (6–8 %). За цим методом добувають алюміній, уміст якого становить близько 98,9 %. Щоб добути алюміній високої чистоти (99,99 %), його електролітично рафінують. Дуже чистий алюміній добувають нагріванням алюміній флуориду AlF3 з алюмінієм до 1100 °С. Унаслідок цього утворюється AlF, який диспропорціонує з виділенням дуже чистого алюмінію.

Застосування

Алюміній — один із найважливіших технічних металів, у якому поєднуються такі якості, як легкість, міцність, корозійна стійкість і здатність утворювати стопи з цінними властивостями. Алюміній високопластичний, його легко кувати, прокатувати в тонкі листи (товщиноюдо 0,01 мм). Алюмінієву фольгу використовують у харчовій промисловості, а також для виготовлення конденсаторів. Оскільки алюміній має високу електропровідність, яка дорівнює 0,6 електропровідності міді, з нього виготовляють електричні дроти, що вдвічі легші за мідні. Основне застосування алюміній оксиду — це електролітичне добування алюмінію. Завдяки великій твердості корунду та алюміній нітриду з них виготовляють абразиви. Також алюміній нітрид використовують у виробництві світлодіодів, матеріалів із нановолокна, матеріалів для високотеплопровідної кераміки ― підкладки для виробництва високочастотних резисторів, корпусів електронних схем. Дрібнозернисту різновидність корунду — наждак — застосовують для очищення металевих поверхонь та для виготовлення наждачного паперу. Рубін та сапфір використовують для виготовлення годинникових підшипників, як дорогоцінні камені, а рубін, крім того, застосовують у квантових генераторах. Одну з форм дегідратованого Алюміній гідроксиду — алюмогель ― використовують у техніці як адсорбент.

Практичне значення мають й алюмінати: орто-алюмінати Кальцію та Магнію в суміші із їхніми силікатами використовують як цемент. Штучні алюмосилікати — пермутити NaAlSiO4 ∙ nН2О ― як йоніти для зм’якшення води. Галуни застосовують у медицині як кровоспинний засіб, для дублення шкіри, а також як протраву для фарбування тканин.

Алюміній силікат (біла глина, каолін) та палений галун застосовують зовнішньо, зазвичай у вигляді присипок, мазей та паст для лікування шкірних захворювань. Алюміній гідроксид уживають усередину як засіб для зниження кислотності за виразкової (див. Виразка) хвороби шлунка та кишки дванадцятипалої, гострих та хронічних гастритах і харчових отруєннях. Алюміній фосфат має противиразкову, адсорбувальну, обволікальну дію, знижує кислотність шлункового соку.

Фізіологічна дія

Алюміній відіграє важливу фізіологічну роль в організмі ― бере участь в утворенні фосфатних та білкових комплексів; процесах регенерації кісткової, сполучної та епітеліальної тканини; справляє, залежно від концентрації, гальмівну або активізувальну дію на травні ферменти; здатний упливати на функцію паращитовидних залоз. Алюміній у надлишкових кількостях може становити серйозну небезпеку для здоров’я. У цілому Алюміній відносять до токсичних (імунотоксичних) елементів. Токсична доза для людини становить близько 5 г.

Література

  1. Голуб А. М. Загальна та неорганічна хімія : в 2 ч. Київ : Вища школа, 1971. Ч. 2. 416 с.
  2. Некрасов Б. В. Основы общей химии : в 2 т. Москва : Химия, 1973. Т. 2. 688 с.
  3. Greenwood N. N. Chemistry of the Elements. 2nd ed. Oxford; Boston : Butterworth-Heinemann, 1997. 1340 p.
  4. Степаненко О. М., Рейтер Л. Г., Ледовських В. М. та ін. Загальна та неорганічна хімія : в 2 ч. Київ : Педагогічна преса, 2002. Ч. 1. 508 с.
  5. Григор'єва, В. В., Самійленко, В. М., Сич, А. М. та ін. Загальна хімія. Київ : Вища школа, 2009. 472 с.
  6. Грешта В. Л., Климов О. В., Лисиця О. В. та ін. Кольорові метали і сплави. Запоріжжя : Запорізький національний технічний університет, 2015. 335 с.

Автор ВУЕ

О. А. Голуб

Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Голуб О. А. Алюміній // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/%D0%90%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D1%96%D0%BD%D1%96%D0%B9
Дата звернення: 7.12.2019.


Оприлюднено

Оприлюднено: 25.07.2019