Алюминий

Алюминий(Al)
Атомный номер	13
Внешний вид	мягкий, лёгкий, серебристо-белый металл, быстро окисляющийся
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	26,.981539 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	143 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	577,2(5,98) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s2 3p1
Химические свойства
Ковалентный радиус	118 пм
Радиус иона	51 (+3e) пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,61
Электродный потенциал	-1,66 в
Степени окисления	3
Термодинамические свойства
Плотность	2,6989 г/см³
Удельная теплоёмкость	0,900 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	237 Вт/(м·K)
Температура плавления	933,5 K
Теплота плавления	10,75 кДж/моль
Температура кипения	2740 K
Теплота испарения	284,1 кДж/моль
Молярный объём	10,0 см³/моль
Кристаллическая решётка
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Период решётки	4,050 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	394,00 K

Алюми́ний (лат. Аluminium) — химический символ Al, III группа периодической системы Менделеева, атомный номер 13, атомная масса 26,9815, мягкий, лёгкий, серебристо-белый металл, быстро окисляющийся, удельная плотность 2,7 г/ см³, температура плавления 660 °C. По распространённости в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов.

История

Впервые получен в чистом виде электролизом, в 1825 году.

История алюминия. В 1807 году английский химик Гэмфри Дэви открыл вещество под названием "alum" ("квасцы"), которое представляло собой соль неизвестного металла, этот металл был назван им "алюмиум". Позднее, это название было преобразовано в "aluminium" ("алюминий"). Дэйви безуспешно пытался выделить этот металл с помощью электролиза (вещество практически не растворялось в воде). В 1825 году датскому физику Эрстеду удалось выделить алюминий, как отдельный элемент. Немецкий учёный Фридрих Вёлер в 1845 году провёл обширные исследования по изучению свойств этого металла, одно из которых была его необычайная лёгкость. Также он использовал новый способ получения алюминия. AlCl3 + 3K = 3KCl + Al

В 1886 году Поль Эру во Франции и Чарльз Холл из Огайо одновременно изобрели способ получения алюминия с помощью электролитического метода. Оба этих учёных родились в 1863 году и умерли в 1914 году в возрасте 51 года. Согласно этому методу расплаву подвергался не сам Al2O3, а его раствор в расплавленном криолите Na3AlF6. Данный процесс проводится в электрических печах при температуре 960°C. Способ, изобретённый двумя этими выдающимися учёными, используется и до сих пор.

Получение

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в ХХ веке.

Физические свойства

Серебристо-белый металл, плотность 2,7 г/см³, пластичный, высокая тепло- и электропроводность. Температура плавления 660 °C.

Нахождение в природе

• Бокситы – Al₂O₃ • H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)
• Нефелины – KNa₃[AlSiO₄]₄
• Алуниты – KAl(SO₄)₂ • 2Al(OH)₃
• Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах ).

        Вот некоторые из них:
Боксит Al2O3 • H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3) 

Нефелин - (Na, K)2O × Al2O3 × 2SiO2

Корунд - Al2O3
Полевой шпат(ортоклаз) - K2O × Al2O3 × 6SiO2  
Каолинит – Al2O3 × 2SiO2  × 2 H2O

Алунит – ( Na, K )2 SO4 × Al2( SO4 )3 × 4Al( OH )3

Химические свойства

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной пленкой и потому не реагирует с простыми веществами: с H₂O (t°); O₂, HNO₃ (без нагревания)). Al – активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

1) с кислородом:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

2) с галогенами:

2Al + 3Br₂ = 2Al₃Br₃

3) с другими неметаллами реагирует при нагревании:

с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃

с азотом, образуя нитрид алюминия:

2Al + N₂ = 2AlN

с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al + 3С = Al₄С₃

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S­

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃+ 3CH₄­

Со сложными веществами:

4) с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием):

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H_2­

5) со щелочами (с оброзованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H_2­

6) Легко растворяется в соляной и разбавленной серной киcлотах:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H_2­

2Al + 3H₂SO₄(разб) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

При нагревании растворяется в кислотах – окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

2Al + 6H₂SO₄(конц) = Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Al + 6HNO₃(конц) = Al(NO₃)₃ + 3NO_2­ + 3H₂O

7) восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe 2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr

Применение

Файл:Aluminum Metal.jpg

Кусок алюминия и американская монетка.

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, алюминиевая фольга в пищевой промышленности и для упаковки.

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

Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной плёнки его тяжело паять.

• Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
• В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
• Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
• Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
• Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя

• Как компонент термита, смесей для алюмотермии
• Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.

• Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов.
• Алюминиево-марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым.
• Алюминиево-медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками.
• Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
• Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
• Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборов используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

Ювелирные изделия

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

• Алюминий: горючее в ракетных топливах. Применяется в виде порошка и суспензий в углеводородах и др.
• Гидрид алюминия.
• Боранат алюминия.
• Триметилалюминий.
• Триэтилалюминий.
• Трипропилалюминий.

Теоретические характеристики топлив, образованных гидридом алюминия с различными окислителями.

Окислитель	Удельная тяга(Р1,сек)	Температура сгорания °С	Плотность топлива г/см3	Прирост скорости, ΔVид,25, м/сек	Весовое содерж.горючего %
Фтор	348,4 сек	5009°С	1,504	5328 м/сек	25%
Тетрафторгидразин	327,4 сек	4758°С	1,193	4434 м/сек	19%
ClF3	287,7 сек	4402°С	1,764	4762 м/сек	20%
ClF5	303,7 сек	4604°С	1,691	4922 м/сек	20%
Перхлорилфторид	293,7 сек	3788°С	1,589	4617 м/сек	47%
Окись фтора	326,5 сек	4067°С	1,511	5004 м/сек	38,5%
Кислород	310,8 сек	4028°С	1,312	4428 м/сек	56%
Перекись водорода	318,4 сек	3561°С	1,466	4806 м/сек	52%
N2O4	300,5 сек	3906°С	1,467	4537 м/сек	47%
Азотная кислота	301,3 сек	3720°С	1,496	4595 м/сек	49%

См. также

• Оксид алюминия
• Гидроксид алюминия
• Категория:Соединения алюминия

Ссылки

• Алюминий на Webelements
• Алюминий в Популярной библиотеке химических элементов
• Алю-Ckaut
• "Алюминий" - статья в Физической энциклопедии

Периодическая система элементов

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Uub

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

*

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

**

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

af:Aluminium ar:ألمنيوم ast:Aluminiu bg:Алуминий bn:অ্যালুমিনিয়াম bs:Aluminijum ca:Alumini co:Alluminiu cs:Hliník cy:Alwminiwm da:Aluminium de:Aluminium el:Αργίλιο en:Aluminium eo:Aluminio es:Aluminio et:Alumiinium eu:Aluminio fa:آلومینیوم fi:Alumiini fr:Aluminium gd:Almain gl:Aluminio (elemento) he:אלומיניום hr:Aluminij hu:Alumínium hy:Ալյումին id:Aluminium io:Aluminio is:Ál it:Alluminio ja:アルミニウム jbo:jinmrmalume ko:알루미늄 ksh:Allu ku:Bafûn la:Aluminium lb:Aluminium lt:Aliuminis lv:Alumīnijs mk:Алуминиум ml:അലൂമിനിയം ms:Aluminium nl:Aluminium nn:Aluminium no:Aluminium nov:Aluminie pl:Glin pt:Alumínio ro:Aluminiu sh:Aluminijum simple:Aluminium sk:Hliník sl:Aluminij sr:Алуминијум sv:Aluminium sw:Alumini ta:அலுமினியம் tg:Алюминий th:อะลูมิเนียม tr:Alüminyum ug:Alyumin uk:Алюміній uz:Alyuminiy vi:Nhôm zh:铝 zh-yue:鋁