Alumiini puhtaassa muodossaan eristi ensin Friedrich Wöhler. Saksalainen kemisti lämmitti vedetöntä alkuainekloridia kaliummetallilla. Se tapahtui 1800-luvun jälkipuoliskolla. Ennen 1900-lukua kg alumiinia maksaa enemmän.

Vain rikkailla ja valtiolla oli varaa uuteen metalliin. Syynä korkeisiin kustannuksiin on vaikeus erottaa alumiinia muista aineista. Charles Hall ehdotti menetelmää elementin uuttamiseksi teollisessa mittakaavassa.

Vuonna 1886 hän liuotti oksidin kryoliittisulaan. Saksalainen sulki seoksen graniittiastiaan ja liitti siihen sähkövirran. Säiliön pohjalle on laskeutunut puhdasta metallia.

Alumiinin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

Mikä alumiini? Hopeanvalkoinen, kiiltävä. Siksi Friedrich Wöhler vertasi saamiaan metallirakeita. Mutta oli varoitus - alumiini on paljon kevyempää.

Plastisuus on lähellä arvokasta ja. alumiini on aine, ilman ongelmia venytys ohueksi langaksi ja levyiksi. Riittää, kun muistat folion. Se on valmistettu 13. elementin perusteella.

Alumiini on kevyttä sen pienen tiheyden vuoksi. Se on kolme kertaa vähemmän kuin raudan. Samanaikaisesti 13. elementti ei ole läheskään huonompi vahvuudeltaan.

Tämä yhdistelmä on tehnyt hopeametallista välttämättömän teollisuudessa, esimerkiksi autojen osien valmistuksessa. Puhumme käsityötuotannosta, koska alumiinin hitsaus mahdollista jopa kotona.

alumiininen kaava voit heijastaa aktiivisesti valoa, mutta myös lämpösäteitä. Elementin sähkönjohtavuus on myös korkea. Tärkeintä ei ole ylikuumentaa sitä. Se sulaa 660 asteessa. Nosta lämpötilaa hieman korkeammalle - se palaa.

Metalli vain katoaa alumiinioksidi. Se muodostetaan myös standardiolosuhteissa, mutta vain pintakalvon muodossa. Se suojaa metallia. Siksi se kestää korroosiota hyvin, koska hapen pääsy on estetty.

Oksidikalvo myös suojaa metallia vedeltä. Jos plakki poistetaan alumiinin pinnalta, alkaa reaktio H 2 O:n kanssa, jolloin vetykaasuja vapautuu jopa huoneenlämpötilassa. Jotta, alumiininen vene ei muutu savuksi vain aluksen runkoon levitetyn oksidikalvon ja suojamaalin ansiosta.

Aktiivisin alumiinin vuorovaikutus epämetallien kanssa. Reaktiot bromin ja kloorin kanssa tapahtuvat normaaleissakin olosuhteissa. Tämän seurauksena ne muodostuvat alumiinisuolat. Vetysuoloja saadaan yhdistämällä 13. alkuaine happoliuoksiin. Reaktio tapahtuu myös alkalien kanssa, mutta vasta oksidikalvon poistamisen jälkeen. Vapautuu puhdasta vetyä.

Alumiinin käyttö

Peileihin ruiskutetaan metallia. Hyvä valonheijastavuus. Prosessi tapahtuu tyhjiöolosuhteissa. He eivät valmista vain tavallisia peilejä, vaan myös peilipintaisia ​​esineitä. Näitä ovat: keraamiset laatat, kodinkoneet, lamput.

Duetto alumiini-kupari- duralumiinipohja. Sitä kutsutaan yksinkertaisesti Duraliksi. Kuten lisätty. Koostumus on 7 kertaa vahvempi kuin puhdas alumiini, joten se sopii koneenrakennukseen ja lentokonesuunnitteluun.

Kupari antaa 13. alkuaineelle lujuuden, mutta ei raskautta. Dural on 3 kertaa kevyempi kuin rauta. pieni alumiinin massa- autojen, lentokoneiden, laivojen keveyden pantti. Tämä yksinkertaistaa kuljetusta, käyttöä, alentaa tuotteiden hintoja.

Osta alumiinia autonvalmistajat pyrkivät myös siksi, että suojaavat ja koristeelliset yhdisteet levitetään helposti sen seoksiin. Maali levittyy nopeammin ja tasaisemmin kuin teräkselle, muoville.

Samaan aikaan seokset ovat muokattavia, helppoja käsitellä. Tämä on arvokasta, kun otetaan huomioon nykyaikaisten automallien mutkien ja rakentavien siirtymien massa.

13. elementti ei ole vain helppo värjätä, vaan se voi toimia myös itse väriaineena. Ostettu tekstiiliteollisuudesta alumiinisulfaatti. Se on kätevä myös painatuksessa, jossa tarvitaan liukenemattomia pigmenttejä.

Se on mielenkiintoista ratkaisu sulfaatti alumiini käytetään myös veden puhdistukseen. "Aineen" läsnä ollessa haitalliset epäpuhtaudet saostuvat ja neutraloituvat.

Neutraloi 13. alkuaineen ja hapot. Hän on erityisen hyvä tässä roolissa. alumiinihydroksidi. Sitä arvostetaan farmakologiassa, lääketieteessä, lisäämällä närästyslääkkeitä.

Hydroksidia määrätään myös haavaumiin, suoliston tulehdusprosesseihin. Joten on olemassa myös apteekkilääkkeitä alumiini. Acid mahassa - syy oppia lisää tällaisista lääkkeistä.

Neuvostoliitossa lyötiin myös pronssia, joihin oli lisätty 11 % alumiinia. Merkkien arvo on 1, 2 ja 5 kopekkaa. He aloittivat tuotannon vuonna 1926 ja valmistuivat vuonna 1957. Mutta alumiinitölkkien tuotantoa säilykkeitä varten ei ole lopetettu.

Haudutettu liha, saury ja muut turistien aamiaiset pakataan edelleen 13. elementtiin perustuviin astioihin. Tällaiset tölkit eivät reagoi ruoan kanssa, vaikka ne ovat kevyitä ja halpoja.

Alumiinijauhe on osa monia räjähtäviä seoksia, mukaan lukien pyrotekniikka. Teollisuudessa käytetään trinitrotolueeniin ja murskattuun alkuaineeseen 13 perustuvia kumouksellisia mekanismeja. Voimakas räjähdysaine saadaan myös lisäämällä alumiiniin ammoniumnitraattia.

Öljyteollisuus tarvitsee alumiinikloridi. Sillä on katalyytin rooli orgaanisen aineen hajotuksessa fraktioiksi. Öljyllä on kyky vapauttaa kaasumaisia, kevyitä bensiinityyppisiä hiilivetyjä, jotka ovat vuorovaikutuksessa 13. metallin kloridin kanssa. Reagenssin on oltava vedetön. Kloridin lisäämisen jälkeen seos kuumennetaan 280 celsiusasteeseen.

Rakentamisessa sekoitan usein natriumia ja alumiini. Se osoittautuu betonin lisäaineeksi. Natriumaluminaatti nopeuttaa sen kovettumista kiihdyttämällä hydraatiota.

Mikrokiteytysnopeus kasvaa, mikä tarkoittaa, että betonin lujuus ja kovuus kasvavat. Lisäksi natriumaluminaatti säästää liuokseen asetetut liittimet korroosiolta.

Alumiinin louhinta

Metalli sulkee kolme yleisintä maan päällä. Tämä selittää sen saatavuuden ja laajan käytön. Luonto ei kuitenkaan anna alkuainetta ihmiselle puhtaassa muodossaan. Alumiini on eristettävä erilaisista yhdisteistä. Suurin osa 13. alkuaineesta on bauksiiteissa. Nämä ovat saven kaltaisia ​​kiviä, jotka ovat keskittyneet pääasiassa trooppiselle vyöhykkeelle.

Bauksiitti murskataan, kuivataan, murskataan uudelleen ja jauhetaan pienen vesimäärän läsnäollessa. Siitä tulee paksu massa. Se lämmitetään höyryllä. Samaan aikaan suurin osa bauksiitista, joka ei myöskään ole huono, haihtuu. 13. metallin oksidi jää jäljelle.

Se sijoitetaan teollisuuskylpyihin. Ne sisältävät jo sulaa kryoliittia. Lämpötila pidetään noin 950 celsiusasteessa. Tarvitsemme myös sähkövirran, jonka teho on vähintään 400 kA. Eli elektrolyysiä käytetään, aivan kuten 200 vuotta sitten, kun Charles Hall eristi elementin.

Kuuman liuoksen läpi kulkeva virta katkaisee metallin ja hapen väliset sidokset. Tämän seurauksena kylpyjen pohja pysyy puhtaana alumiini. Reaktiot valmis. Prosessi saatetaan päätökseen valamalla sedimentistä ja lähettämällä ne kuluttajalle tai vaihtoehtoisesti käyttämällä niitä erilaisten metalliseosten muodostamiseen.

Alumiinin päätuotanto sijaitsee samassa paikassa kuin bauksiittiesiintymät. Edessä on Guinea. Lähes 8 000 000 tonnia 13. elementtiä on piilotettu sen suolistoon. Australia on 2. sijalla indikaattorilla 6 000 000. Brasiliassa alumiinia on jo 2 kertaa vähemmän. Maailmanlaajuisten varojen arvioidaan olevan 29 000 000 tonnia.

alumiinin hinta

Tonnista alumiinia pyydetään lähes 1500 dollaria. Nämä ovat värimetallipörssien tiedot 20.1.2016. Kustannukset päättävät teollisuusyritykset. Tarkemmin sanottuna alumiinin hintaan vaikuttaa niiden raaka-aineiden kysyntä. Se vaikuttaa toimittajien pyyntöihin ja sähkön hintaan, koska 13. elementin tuotanto on energiaintensiivistä.

Muut hinnat ovat alumiinille. Hän menee romahdukseen. Hinta ilmoitetaan kiloa kohden ja toimitettavan materiaalin luonne ratkaisee.

Joten sähkömetallista he antavat noin 70 ruplaa. Elintarvikelaatuisesta alumiinista saat 5-10 ruplaa vähemmän. Saman verran maksetaan moottorimetallista. Jos vuokrataan sekalajike, sen hinta on 50-55 ruplaa kilolta.

Halvin romutyyppi on alumiinilastut. Sillä se onnistuu saamaan vain 15-20 ruplaa. 13. elementille annetaan hieman enemmän. Tämä viittaa juoma- ja säilykkeisiin.

Alumiinipatterit ovat myös aliarvioituja. Romun kilohinta on noin 30 ruplaa. Nämä ovat keskimääräisiä lukuja. Eri alueilla, eri kohdissa alumiini hyväksytään kalliimmin tai halvemmalla. Usein materiaalikustannukset riippuvat toimitetuista määristä.

Alumiiniyhdisteet ovat olleet ihmisille tuttuja muinaisista ajoista lähtien. Yksi niistä oli sideaineita, jotka sisältävät alumiini-kaliumalunaa КAl(SO4)2. Niitä on käytetty laajalti. Niitä käytettiin peittausaineena ja veren tulpana. Puun kyllästäminen kaliumalunaliuoksella teki siitä palamattoman. Mielenkiintoinen historiallinen tosiasia on tiedossa, kuinka Arkelaos, Rooman komentaja persialaisten kanssa käydyn sodan aikana, käski siveltää puolustusrakenteina toimivat tornit alunalla. Persialaiset eivät koskaan onnistuneet polttamaan niitä.

Toinen alumiiniyhdisteistä oli luonnonsaveja, jotka sisältävät alumiinioksidia Al2O3.

Ensimmäiset yritykset saada alumiinia vasta XIX vuosisadan puolivälissä. Tanskalaisen tiedemiehen H.K. Oerstedin yritys onnistui. Sen saamiseksi hän käytti sulatettua kaliumia alumiinioksidin pelkistimenä. Mutta millaista metallia sitten saatiin, ei ollut mahdollista selvittää. Jonkin aikaa myöhemmin, kaksi vuotta myöhemmin, saksalainen kemisti Wehler hankki alumiinin, joka sai alumiinia kuumentamalla vedetöntä alumiinikloridia kaliummetallin kanssa. Saksalaisen tiedemiehen monivuotinen työ ei ollut turhaa. 20 vuoden ajan hän onnistui valmistamaan rakeista metallia. Se osoittautui samanlaiselta kuin hopea, mutta oli paljon kevyempi kuin se. Alumiini oli erittäin kallis metalli, ja 1900-luvun alkuun asti sen arvo oli korkeampi kuin kullan. Siksi alumiinia on käytetty museonäyttelynä monien, monien vuosien ajan. Noin 1807 Davy yritti suorittaa alumiinioksidin elektrolyysin, sai metallin, jota kutsuttiin alumiiniksi (alumiiniksi) tai alumiiniksi (alumiiniksi), joka käännetään latinasta alunaksi.

Alumiinin saaminen savesta ei kiinnostanut vain kemian tutkijoita, vaan myös teollisuusmiehiä. Alumiinin erottaminen muista aineista oli erittäin vaikeaa, mikä vaikutti siihen, että se oli kalliimpaa kuin kulta. Vuonna 1886 kemisti Ch.M. Hall ehdotti menetelmää, jolla oli mahdollista saada metallia suuria määriä. Suorittaessaan tutkimusta hän liuotti alumiinioksidia kryoliitti AlF3 nNaF -sulatukseen. Saatu seos laitettiin graniittiastiaan ja sulatteen läpi johdettiin jatkuva sähkövirta. Hän oli hyvin yllättynyt, kun hän jonkin ajan kuluttua löysi puhtaasta alumiinista valmistettuja plakkeja astian pohjalta. Tämä menetelmä on edelleen tärkein alumiinin tuotannossa teollisessa mittakaavassa. Syntynyt metalli kelpaa kaikkeen, paitsi lujuuteen, joka oli teollisuudelle välttämätöntä. Ja tämä ongelma on ratkaistu. Saksalainen kemisti Alfred Wilm sulatti alumiinia muiden metallien: kuparin, mangaanin ja magnesiumin kanssa. Tuloksena oli metalliseos, joka oli paljon vahvempi kuin alumiini.

§2. Miten saada

Menetelmä alumiinin valmistamiseksi Keksintö koskee menetelmää alumiinin valmistamiseksi erottamalla se elektrolyyttisesti vesiliuoksista samanaikaisesti vedyn kanssa. Menetelmässä käytetään nestemäistä metallikatodia, kuten galliumia. Metallin alumiinipitoisuus nostetaan 6 painoprosenttiin, seos poistetaan elektrolysaattorista, jäähdytetään välillä 98-26 °C ja alumiini eristetään kiteyttämällä, jolloin saadaan primäärinen kyllästetty kiinteä liuos, jossa on alumiinia. noin 80 paino-%. Eutektisen koostumuksen emäliuos-seos palautetaan elektrolyysiin katodimetallina ja primäärinen kiinteä liuos sulatetaan ja kiteytetään uudelleen alle 660 °C:n lämpötiloissa erottaen peräkkäin sekundaariset, tertiaariset jne. kiinteitä liuoksia nesteistä teknisen puhtauden alumiinin tuotantoon niistä. Vaihtoehtoiset alumiinin valmistusmenetelmät - karboterminen prosessi, Todt-prosessi, Kuwahara-prosessi, kloridien elektrolyysi, alumiinin pelkistys natriumilla - eivät osoittaneet etuja Eru-Hall-menetelmään verrattuna. Esillä olevan keksinnön prototyyppi on edellinen samanniminen ehdotuksemme nimikkeellä N. Alumiinin saaminen vesiliuoksista samanaikaisesti vedyn kanssa, mikä on tämän keksinnön ydin, on erittäin houkuttelevaa, mutta sitä ei voida toteuttaa passivointiprosessien vuoksi. kiinteästä alumiinikatodista vaihtelevan koostumuksen omaavilla oksidihydroksidikalvoilla. Yrityksemme toteuttaa prosessi emäksisessä aluminaatti-, rikkihappo-, suolahappo- ja typpihappoliuoksissa olivat yhtä epäonnistuneet. Tässä suhteessa ehdotamme alumiinin ja vedyn saamista virtaavalle nestemäiselle metallikatodille, esimerkiksi galliumkatodille tai katodille, joka koostuu galliumin ja alumiinin seoksesta. Myös muita matalassa lämpötilassa sulavia metalliseoksia voidaan käyttää. katodi. Tämän seurauksena elektrolyysi suoritetaan helposti ja ensimmäisen likiarvon mukaan yksinkertaisesti taatulla alumiinin vapautumisella katodiseokseen.

Teollisuudessa alumiinia saadaan elektrolyysillä Al2O3 Na3-kryoliittisulassa lämpötilassa 950 °C.

2Al2O3 = 4Al(3+) + 6O(2-) = 2Al + 3O2

Prosessien tärkeimmät reaktiot:

CaF2 + H2SO4 → 2HF + CaSO4 (15.h)

SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2

HF ja H2SiF6 ovat veteen jääneitä kaasumaisia ​​tuotteita. Syntyneen liuoksen desilikonisoimiseksi siihen lisätään ensin laskettu määrä soodaa:

H2SiF6 + Na2CO3 → Na2SiF6 + CO2 + H2O (15.i)

Heikosti liukeneva Na2SiF6 erotetaan ja jäljelle jäänyt fluorivetyhappoliuos neutraloidaan ylimäärällä soodaa ja alumiinihydroksidia, jolloin saadaan kryoliittia:

12HF + 3Na2CO3 + 2Al(OH)3 → 2(3NaF AlF3) + 3CO2 + 9H2O (15.c)

Samalla tavalla NaF:a ja AlF3:a voidaan saada erikseen, jos fluorivetyhapon silikonittomat liuokset neutraloidaan laskennallisella määrällä Na2CO3:a tai Al(OH)3:a.

Johdanto.

Noin 100 vuotta sitten Nikolai Gavrilovich Chernyshevsky sanoi alumiinista, että tälle metallille oli tarkoitettu suuri tulevaisuus, että alumiini oli sosialismin metalli. Hän osoittautui visionääriksi: 1900-luvulla. elementti nro 13 alumiinista tuli monien rakennemateriaalien perusta. Periodisen järjestelmän 3. periodin ja IIIA-ryhmän elementti. Hapetustilan atomin 3S23p1 elektronikaava on + III ja 0.

Elektronegatiivisuudella (1.47) se on sama kuin beryllium, sillä on amfoteerisia (happamia ja emäksisiä) ominaisuuksia. Yhdisteissä se voi olla kationien ja anionien koostumuksessa. Luonnossa neljänneksi yleisin alkuaine (ensimmäinen metallien joukossa) on kemiallisesti sitoutuneessa tilassa. Se on osa monia alumiinisilikaattimineraaleja, kiviä (graniitit, porfyyrit, basaltit, gneisset, liuskeet), erilaisia ​​savea (valkoista savea ns. kaoliini), bauksiitti ja alumiinioksidi Al2O3.

On mielenkiintoista jäljittää alumiinituotannon dynamiikkaa yli puolentoista vuosisadan ajan siitä, kun ihminen sai ensimmäisen kerran käteensä vaalean hopeanhohtoisen metallin palan.

Ensimmäisen 30 vuoden ajalta, vuosina 1825–1855, ei ole tarkkoja lukuja. Teollisia menetelmiä alumiinin valmistukseen ei ollut, laboratorioissa sitä saatiin parhaimmillaan kilogrammoina, vaan grammoina. Kun alumiiniharkko esiteltiin ensimmäisen kerran Pariisin maailmannäyttelyssä vuonna 1855, sitä pidettiin harvinaisena jalokivinä. Ja hän esiintyi näyttelyssä, koska juuri vuonna 1855 ranskalainen kemisti Henri Etienne Saint-Clair Deville kehitti ensimmäisen teollisen menetelmän alumiinin valmistamiseksi, joka perustuu elementin nro 13 syrjäyttämiseen natriummetallilla kaksoisnatriumkloridista ja alumiinista NaCl AlCl3.

36 vuoden ajan, vuosina 1855-1890, saatiin 200 tonnia alumiinimetallia Saint-Clair Deville -menetelmällä.

1800-luvun viimeisellä vuosikymmenellä (jo uudella menetelmällä) maailmassa saatiin 28 tuhatta tonnia alumiinia.

Vuonna 1930 tämän metallin maailmanlaajuinen sulatus oli 300 tuhatta tonnia.

Pelkästään kapitalistiset maat tuottivat vuonna 1975 noin 10 miljoonaa tonnia alumiinia, eivätkä nämä luvut ole korkeimmat. American Engineering and Mining Journal -lehden mukaan alumiinin tuotanto kapitalistisissa maissa väheni vuonna 1975 11 % eli 1,4 miljoonaa tonnia vuoteen 1974 verrattuna.

Yhtä silmiinpistäviä ovat muutokset alumiinin hinnassa. Vuonna 1825 se maksoi 1500 kertaa enemmän kuin rauta, nykyään se maksaa vain kolme kertaa. Nykyään alumiini on kalliimpaa kuin tavallinen hiiliteräs, mutta halvempaa kuin ruostumaton teräs. Jos laskemme alumiini- ja terästuotteiden kustannukset ottaen huomioon niiden painon ja suhteellisen korroosionkestävyyden, käy ilmi, että nykyään alumiinin käyttö on monissa tapauksissa paljon kannattavampaa kuin terästä.

Al:n fysikaaliset ominaisuudet

Hopeanvalkoinen, kiiltävä, sitkeä metalli. Ilmassa se on peitetty mattaisella Al2O3-suojakalvolla, joka on erittäin vakaa ja suojaa metallia korroosiolta; passivoituna väkevässä HNO3:ssa.

Fysikaaliset vakiot:

M = 26,982 27, p = 2,70 g/cm3

sp. 660,37 °С, tbp = 2500 °С

Kemialliset ominaisuudet A l

Kemiallisesti aktiivinen, amfoteerisia ominaisuuksia - reagoi happojen ja alkalien kanssa:

2AI + 6HCl = 2AICl3 + ZH2

2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na] + 3H2

2Al + 6NaOH(t) = 2NaAlO2+ + 3H2 + 2Na2O

Amalgamoitu alumiini reagoi voimakkaasti veden kanssa:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 ¯ + 3H2 + 836 kJ

Vahva pelkistävä aine kuumennettaessa on vuorovaikutuksessa hapen, rikin, typen ja hiilen kanssa:

4Al+3O2=2Al2O3, 2Al+3S=Al2S3

2Al+N2=2AlN, 4Al+3C=Al4Cz

Kloorin, bromin ja jodin kanssa reaktio etenee huoneenlämpötilassa (jodi vaatii katalyytin - tippa H2O:ta), muodostuu halogenideja AlCl3, AlBr3 ja AlI3.

Teollisesti tärkeä menetelmä alumiinilämpö:

2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

10Al + ZV2O5 = 5Al2O3 + 6V

Alumiini vähentää Nv:n N-III:ksi:

8Al + 30HNO3 (korkeasti laimennettu) \u003d 8Al (NO3) 3 + 3NH4NO3 + 9H2O

8Al + 18H2O + 5KOH + 3KNO3 = 8K + 3NH3

(Näiden reaktioiden taustalla oleva voima on atomivedyn H° väliaikainen vapautuminen ja toisessa reaktiossa stabiilin hydroksokompleksin muodostuminen [Al (OH) 4] 3-).

Al:n hankkiminen ja käyttö

Al:n saaminen teollisuudessa - Al2O3:n elektrolyysi sulassa kryoliitti Na3[AlF6] 950 °С:ssa:

Sitä käytetään reagenssina aluminotermiassa harvinaisten metallien valmistukseen ja teräsrakenteiden hitsaukseen.

Alumiini on tärkein rakennemateriaali, kevyiden korroosionkestävien metalliseosten (magnesiumin kanssa - duralumiini, tai duralumiini, jossa kupari-- alumiini pronssi, josta lyödään pieni muutos). Suuria määriä puhdasta alumiinia käytetään astioiden ja sähköjohtojen valmistukseen.

Alumiinioksidi Al 2 O 3

Valkoinen amorfinen jauhe tai erittäin kovat valkoiset kiteet. Fysikaaliset vakiot:

Mr = 101,96»102, p = 3,97 g/cm3 tsula = 2053°С, kiehumispiste = 3000°С

Kiteinen Al2O3 on kemiallisesti passiivinen, amorfinen on aktiivisempi. Reagoi hitaasti happojen ja emästen kanssa liuoksessa osoittaen amfoteerisia ominaisuuksia:

Al203 + 6HCl (väk.) = 2AICl3 + 3H2O

Al203 + 2NaOH (väk.) + 3H2O = 2Na

(NaAlO2 muodostuu alkalisulatteessa). Toista reaktiota käytetään bauksiittien "avaamiseen".

Alumiinin valmistuksen raaka-aineen lisäksi jauheena oleva Al2O3 toimii tulenkestävien, kemiallisesti kestävien ja hankaavien materiaalien komponenttina. Kiteiden muodossa sitä käytetään lasereiden ja synteettisten jalokivien (rubiinit, safiirit jne.) valmistukseen, jotka on värjätty muiden metallioksidien epäpuhtauksilla - Cr2O3 (punainen), Ti2O3 ja Fe2O3 (sininen).

Alumiinihydroksidi Al(OH)3

Valkoinen amorfinen (geelimäinen) tai kiteinen. Käytännössä veteen liukenematon. Fysikaaliset vakiot:

Mr = 78,00, p = 3,97 g/cm3,

t hajoaminen > 170 °С

Kuumennettaessa se hajoaa vaiheittain muodostaen välituotteen - metahydroksidi AlO(OH):

Näyttää amfoteerisia, yhtä voimakkaita happamia ja emäksisiä ominaisuuksia:

Kun fuusioidaan NaOH:n kanssa, muodostuu NaAlO.

varten vastaanottaminen sakka Al (OH) 3 -alkalia ei yleensä käytetä (koska sakan siirtyminen liuokseksi on helppoa), mutta alumiinisuoloja käsitellään ammoniakkihydraatilla;

Al (OH) 3 muodostuu huoneenlämpötilassa, ja vähemmän aktiivista AlO (OH) muodostuu kiehumisen aikana:

Kätevä tapa saada Al(OH)3 on kuljettaa CO2 hydroksokompleksiliuoksen läpi:

[Al(OH)4]- + CO2 = Al(OH)3¯+ HCO3-

Sitä käytetään alumiinisuolojen, orgaanisten väriaineiden synteesiin; lääkkeenä mahanesteen liikahappoisuuden hoitoon.

alumiinisuolat

Alumiinin ja vahvojen happojen suolat liukenevat hyvin veteen ja joutuvat suuressa määrin kationihydrolyysiin, mikä luo voimakkaasti happaman ympäristön, jossa metallit, kuten magnesium ja sinkki, liukenevat:

a) AlCl3 \u003d Alz ++ ZCl-

Al3++H2OÛAlOH2++H+

b) Zn+2H+=Zn2++H2

AlF3-fluoridi ja AlPO4-ortofosfaatti ovat veteen liukenemattomia, eikä vesiliuoksesta saostuessa muodostu lainkaan erittäin heikkojen happojen, esimerkiksi H2CO3, suoloja.

Alumiinin kaksoissuolat tunnetaan - aluna koostumus MIAl(SO4)2 12H2O (MI=Na+, K+, Rb+, Cs+, TI+, NH4+), yleisin niistä kaliumaluna KAl(SO4)212H2O.

Alumiinin binääriset yhdisteet

Yhdisteet, joissa on pääasiassa kovalenttisia sidoksia, kuten AlS3-sulfidi ja AlC3-karbidi.

Veden vaikutuksesta täysin hajotettu:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3+ 3H2S

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ CH4

Näitä yhdisteitä käytetään puhtaiden kaasujen - H2S ja CH4 - lähteinä.

Kiinnostus, kiinnostus...

8,80 % maankuoren massasta koostuu alumiinista, joka on planeettamme kolmanneksi yleisin alkuaine. Maailman alumiinin tuotanto kasvaa jatkuvasti. Nyt se on noin 2 % terästuotannosta painon mukaan laskettuna. Ja jos tilavuuden mukaan, niin 5 ... 6%, koska alumiini on melkein kolme kertaa kevyempi kuin teräs. Alumiini työnsi itsevarmasti kuparin ja kaikki muut ei-rautametallit kolmannelle ja sitä seuraaville sijalle, ja siitä tuli meneillään olevan rautakauden toiseksi tärkein metalli. Ennusteiden mukaan tämän vuosisadan loppuun mennessä alumiinin osuuden metallien kokonaistuotannosta tulisi olla 4 ... 5 painoprosenttia.

Tähän on monia syitä, tärkeimmät ovat toisaalta alumiinin yleisyys ja toisaalta erinomainen ominaisuuksien joukko - keveys, sitkeys, korroosionkestävyys, sähkönjohtavuus, monipuolisuus sanan täydessä merkityksessä. .

Alumiini tuli teknologiaan myöhään, koska se on luonnollisissa yhdisteissä tiukasti sidottu muihin alkuaineisiin, ensisijaisesti happeen ja hapen kautta piihin, ja näiden yhdisteiden tuhoaminen ja vaalean hopeanhohtoisen metallin vapauttaminen vaatii paljon vaivaa ja energiaa.

Ensimmäisen metallisen alumiinin vuonna 1825 hankki kuuluisa tanskalainen fyysikko Hans Christian Oersted, joka tunnettiin ensisijaisesti sähkömagnetismiin liittyvästä työstään. Oersted kuljetti klooria kuuman alumiinioksidin (alumiinioksidi Al2O3) ja hiilen seoksen läpi, ja tuloksena saatua vedetöntä alumiinikloridia kuumennettiin kaliumamalgaamin kanssa. Sitten, kuten Davy, joka ei muuten onnistunut saamaan alumiinia alumiinioksidin elektrolyysillä, amalgaami hajosi kuumentamalla, elohopea haihtui ja alumiini syntyi.

Vuonna 1827 Friedrich Wöhler sai alumiinia eri tavalla syrjäyttäen sen samasta kloridista kaliummetallilla. Ensimmäinen teollinen menetelmä alumiinin valmistamiseksi, kuten jo mainittiin, kehitettiin vasta vuonna 1855, ja alumiinista tuli teknisesti tärkeä metalli vasta 1800-1900-luvun vaihteessa. Miksi?

On itsestään selvää, että jokaista luonnollista alumiiniyhdistettä ei voida pitää alumiinimalmina. XIX vuosisadan puolivälissä ja jopa lopussa. venäläisessä kemiallisessa kirjallisuudessa alumiinia kutsuttiin usein saveksi, sen oksidia kutsutaan edelleen alumiinioksidiksi. Näillä termeillä - suora osoitus elementin nro 13 läsnäolosta kaikkialla esiintyvässä savessa. Mutta savi on melko monimutkainen kolmen oksidin konglomeraatti - alumiinioksidi, piidioksidi ja vesi (sekä erilaisia ​​​​lisäaineita); siitä on mahdollista erottaa alumiinioksidia, mutta se on paljon vaikeampaa kuin saada samaa alumiinioksidia melko yleisestä, yleensä punaruskeasta kivestä, joka on saanut nimensä Les Bauxin alueelta Etelä-Ranskassa.

Tämä kivi-bauksiitti sisältää 28-60 % Al2O3:a. Sen tärkein etu on, että se sisältää vähintään kaksi kertaa enemmän alumiinioksidia kuin piidioksidi. Ja piidioksidi on tässä tapauksessa haitallisin epäpuhtaus, siitä on vaikein päästä eroon. Näiden oksidien lisäksi bauksiitti sisältää aina rautaoksidia Fe2O3, se sisältää myös titaanin, fosforin, mangaanin, kalsiumin ja magnesiumin oksideja.

Toisen maailmansodan aikana, kun monilla sotivilla mailla ei ollut tarpeeksi bauksiitista saatua alumiinia, tarvittaessa käytettiin muun tyyppisiä raaka-aineita: Italia sai alumiinia Vesuviuksen laavasta, USA:sta ja Saksasta - kaoliinisaveista, Japanista - liuskeesta ja aluniitista. Mutta tämä alumiini maksoi keskimäärin viisi kertaa enemmän kuin bauksiittialumiini, ja sodan jälkeen, kun tämän kiven valtavat varat löydettiin Afrikasta, Etelä-Amerikasta ja myöhemmin Australiasta, alumiiniteollisuus ympäri maailmaa palasi perinteisiin bauksiittiraaka-aineisiin.

Neuvostoliitossa on tehtaalla testattuja menetelmiä alumiinin valmistukseen, joka perustuu nefelinosyeniitti- ja nefelinapatiittikiviin. Azerbaidžanin SSR:ssä aluniitin teollinen kehittäminen monimutkaisena raaka-aineena, mukaan lukien alumiini, alkoi kauan sitten. Mutta luonto ei riistänyt meiltä parasta alumiiniraaka-ainetta - bauksiittia. Meillä on Pohjois-Ural ja Turgai (sijaitsee Kazakstanissa) bauksiittia sisältävät alueet: bauksiittia on Länsi- ja Itä-Siperiassa, maan Euroopan osan luoteisosassa. Tikhvinin bauksiittiesiintymän ja Volkhovskajan vesivoimalan energian pohjalta kotimaisen alumiiniteollisuuden esikoinen, Volhovin alumiinitehdas, aloitti toimintansa vuonna 1932. Siperian valtavien vesivoimaloiden ja osavaltion piirivoimaloiden halvasta sähköstä on tullut tärkeä "komponentti" nopeasti kehittyvässä alumiiniteollisuudessa Siperiassa.

Aloimme puhua energiasta ei sattumalta. Alumiinin tuotanto on energiaintensiivistä. Puhdas alumiinioksidi sulaa 2050°C:n lämpötilassa eikä liukene veteen, ja alumiinin saamiseksi se on elektrolyysi suoritettava. Oli tarpeen löytää tapa jollakin tavalla alentaa alumiinioksidin sulamispiste vähintään 1000 ° C: een; vain näissä olosuhteissa alumiinista voi tulla teknisesti tärkeä metalli. Tämän ongelman ratkaisi loistavasti nuori amerikkalainen tiedemies Charles Martin Hall ja lähes samanaikaisesti hänen kanssaan ranskalainen Paul Héroux. He havaitsivat, että alumiinioksidi liukenee hyvin kryoliittiin 3NaF · AlF3. Tämä liuos altistetaan elektrolyysille nykyisissä alumiinitehtaissa 950 °C:n lämpötilassa.

Elektrolyysilaite on rautakylpy, joka on vuorattu tulenkestävällä tiilellä ja hiililohkoilla, jotka toimivat katodeina. Sula alumiini vapautuu niiden päälle ja happea vapautuu anodeihin reagoiden anodimateriaalin (yleensä hiilen) kanssa. Kylpyammeet toimivat alhaisella jännitteellä - 4,0 ... 4,5 V, mutta suurella virralla - jopa 150 tuhatta A.

Amerikkalaisten tietojen mukaan alumiinin sulatuksen energiankulutus on vähentynyt kolmen viime vuosikymmenen aikana kolmanneksella, mutta silti tämä tuotanto on edelleen melko energiaintensiivistä.

Millainen hän on

Elektrolyyttihauteista alumiini poistetaan yleensä tyhjiökuholla, ja kloorilla huuhtelun jälkeen (pääasiassa ei-metallisten epäpuhtauksien poistamiseksi) se kaadetaan muotteihin. Viime vuosina alumiiniharkot on valettu yhä enemmän jatkuvatoimisella menetelmällä. Se osoittautuu teknisesti puhdasta alumiinia, jossa perusmetallia on 99,7% (tärkeimmät epäpuhtaudet: natrium, rauta, pii, vety). Juuri tätä alumiinia käytetään useimmilla teollisuudenaloilla. Jos tarvitaan puhtaampaa metallia, alumiinia jalostetaan tavalla tai toisella. Elektrolyyttinen raffinointi orgaanisilla elektrolyyteillä mahdollistaa alumiinin saamisen puhtausasteella 99,999 %. Vielä puhtaampaa alumiinia puolijohdeteollisuuden tarpeisiin saadaan vyöhykesulattamalla tai tislaamalla subfluoridin läpi.

Jälkimmäinen näyttää kaipaavan selitystä. Puhdistettava alumiini kuumennetaan tyhjössä 1000 °C:seen AlF3:n läsnä ollessa. Tämä suola sublimoituu sulamatta. Alumiinin vuorovaikutus alumiinifluoridin kanssa johtaa AlF-subfluoridin muodostumiseen, joka on epästabiili aine, jossa alumiini on muodollisesti yksiarvoinen. Alle 800°C:n lämpötiloissa subfluoridi hajoaa jälleen fluoriksi ja puhtaaksi alumiiniksi, korostamme, puhtaaksi, koska tämän häiriön seurauksena epäpuhtaudet siirtyvät fluoridin koostumukseen.

Metallin puhtauden lisääminen vaikuttaa sen ominaisuuksiin. Mitä puhtaampaa alumiinia, sitä kevyempi se on, vaikkakaan ei paljon, sitä suurempi on sen lämmön- ja sähkönjohtavuus, heijastavuus ja sitkeys. Erityisesti kemikaalien kestävyyden kasvu on havaittavissa. Jälkimmäinen selittyy suojaavan oksidikalvon suuremmalla jatkuvuudella, joka peittää sekä ultrapuhdasta että tavallista teknistä alumiinia ilmassa.

Kaikki ultrapuhtaan alumiinin luetellut edut ovat kuitenkin jossain määrin tyypillisiä myös tavalliselle alumiinille. Alumiini on kevyttä - kaikki tietävät sen, sen tiheys on 2,7 g / cm3 - melkein 3 kertaa pienempi kuin teräksen ja 3,3 kertaa pienempi kuin kuparin. Ja alumiinin sähkönjohtavuus on vain kolmanneksen huonompi kuin kuparin sähkönjohtavuus. Nämä olosuhteet ja se, että alumiini on tullut paljon halvemmaksi kuin kupari (tänään - noin 2,5 kertaa), aiheuttivat alumiinin massiivisen käytön johdoissa ja yleensä sähkötekniikassa.

Korkea lämmönjohtavuus yhdistettynä yli tyydyttävään kemikaalien kestävyyteen teki alumiinista lupaavan materiaalin lämmönvaihtimiin ja muihin kemianteollisuuden laitteisiin, kodin jääkaapeihin, autojen ja traktorien jäähdyttimiin. Alumiinin korkea heijastavuus osoittautui erittäin hyödylliseksi tehokkaiden heijastimien, suurten televisioruutujen ja peilien valmistuksessa sen perusteella. Pieni neutronien sieppaus teki alumiinista yhden ydintekniikan tärkeimmistä metalleista.

Kaikista näistä alumiinin lukuisista eduista tulee vieläkin merkittävämpiä, koska tämä metalli on erittäin teknologista. Se on täydellisesti prosessoitu paineella - valssaamalla, puristamalla, leimaamalla, takomalla. Tämä hyödyllinen ominaisuus perustuu alumiinin kiderakenteeseen. Sen kristallihila koostuu kuutioista, joissa on keskitetyt pinnat; yhdensuuntaisten tasojen välinen etäisyys 4.04 Ǻ. Tällä tavalla rakennetut metallit kestävät yleensä hyvin plastisen muodonmuutoksen. Alumiini ei ole poikkeus.

Alumiini on kuitenkin heikkoa. Puhtaan alumiinin vetolujuus on vain 6...8 kg/mm3, ja ilman sen kykyä muodostaa paljon vahvempia seoksia alumiinista tuskin olisi tullut yksi 1900-luvun tärkeimmistä metalleista.

Ikääntymis- ja vahvistumisvaiheiden eduista

”Alumiini muodostaa erittäin helposti seoksia eri metallien kanssa. Näistä vain kuparin seoksella on tekninen käyttömahdollisuus. Sitä kutsutaan alumiinipronssiksi ... "

Nämä Mendelejevin kemian perusteiden sanat kuvastavat vuosisadamme ensimmäisten vuosien todellista tilaa. Silloin julkaistiin kuuluisan kirjan viimeinen elinikäinen painos kirjoittajan uusimmilla korjauksilla. Itse asiassa ensimmäisistä alumiiniseoksista (ensimmäinen niistä oli piiseos, joka hankittiin jo viime vuosisadan 50-luvulla) vain Mendelejevin mainitsema metalliseos löysi käytännön sovelluksen. Kuitenkin alumiinia siinä oli vain 11%, ja pääasiassa lusikat ja haarukat valmistettiin tästä seoksesta. Hyvin vähän alumiinipronssia meni kelloteollisuuteen.

Samaan aikaan XX vuosisadan alussa. saatiin ensimmäiset duralumiiniperheen seokset. Nämä alumiinipohjaiset seokset, joihin on lisätty kuparia ja magnesiumia, hankittiin ja niitä tutkittiin vuosina 1903-1911. kuuluisa saksalainen tiedemies A. Wilm. Hän havaitsi näille metalliseoksille ominaisen luonnollisen ikääntymisilmiön, joka johtaa niiden lujuusominaisuuksien jyrkkään paranemiseen.

Duralumiinissa kovettumisen jälkeen - äkillinen jäähdytys 500 °C:sta huoneenlämpötilaan ja tässä lämpötilassa pitäminen 4 ... 5 päivää - lujuus ja kovuus lisääntyvät moninkertaisesti. Samalla muodonmuutoskyky ei vähene ja murtolujuuden arvo nousee 6...8:sta 36...38 kg/mm2. Tämä löytö oli erittäin tärkeä alumiiniteollisuuden kehitykselle.

Ja heti alkoi keskustelu metalliseosten luonnollisen ikääntymisen mekanismista, siitä, miksi kovettumista tapahtuu. Esitettiin, että matriisista - ylikyllästyneestä kuparin liuoksesta alumiinissa - vanhenettaessa koostumuksen CuAl2 pienimmät kiteet saostuvat ja tämä vahvistusvaihe johtaa lejeeringin lujuuden ja kovuuden kasvuun. koko.

Tämä selitys vaikutti varsin tyydyttävältä, mutta sen ilmestymisen jälkeen intohimot syttyivät entisestään, koska kukaan ei onnistunut tutkimaan koostumuksen CuAl2 hiukkasia kiillotetuilla duralumiinilevyillä optisella mikroskoopilla. Ja niiden olemassaolon todellisuus luonnollisesti vanhentuneessa seoksessa alettiin kyseenalaistaa. Se oli sitäkin perusteltua, koska kuparin vapautumisen matriisista olisi pitänyt vähentää sen sähkövastusta, mutta samalla duraluminin luonnollisen ikääntymisen myötä se kasvoi, mikä osoitti suoraan kuparin pysymistä kiinteässä liuoksessa.

Tilanne selvisi vain röntgendiffraktioanalyysillä. Viime aikoina kuva on kirkastunut tehokkaiden elektronimikroskooppien ansiosta, jotka mahdollistavat ohuiden metallikalvojen katselun läpi ja läpi. Totuus paljastui jossain puolivälissä. Kupari ei erotu kiinteästä liuoksesta eikä pysy sen sisällä samassa tilassa. Ikääntymisprosessissa se kerääntyy 1–3 atomikerroksen paksuisille ja halkaisijaltaan noin 90 Å:n levymäisille alueille muodostaen ns. Guinier-Prestonin vyöhykkeitä. Niillä on vääristynyt kiinteän liuoksen kiderakenne; myös itse kiinteän liuoksen vyöhykkeen vieressä oleva alue vääristyy.

Tällaisten muodostelmien määrä on valtava - se ilmaistaan ​​yksikkönä, jossa on 16 ... 18 nollaa 1 cm: ssä metalliseosta. Kidehilan muutokset ja vääristymät Guinier-Preston-vyöhykkeiden muodostumisen aikana (vyöhykevanheneminen) ovat syynä duralumiinin lujuuden lisääntymiseen luonnollisen ikääntymisen aikana. Samat muutokset lisäävät lejeeringin sähköistä vastusta. Vanhenemislämpötilan noustessa alumiinin rakennetta lähellä olevien vyöhykkeiden sijasta ilmaantuu metastabiilien faasien pienimmät hiukkaset omalla kidehilalla (keinotekoinen, tai tarkemmin sanottuna faasivanheneminen). Tämä lisämuutos rakenteessa johtaa jyrkkään lisäykseen vastustuskyvyssä pieniä plastisia muodonmuutoksia vastaan.

Voidaan liioittelematta sanoa, että lentokoneen siipiä pitävät ilmassa vyöhykkeet tai metastabiilit hiukkaset, ja jos lämpenemisen seurauksena vyöhykkeiden ja hiukkasten sijaan ilmaantuu stabiileja saostumia, siivet menettävät vahvuutensa ja yksinkertaisesti taipuvat.

Neuvostoliitossa 1920-luvulla metallurgian insinööri V.A. Butalov kehitti duralumiinista kotimaisen version, jota kutsutaan ketjualumiiniksi. Sana "duralumiini" tulee saksalaisen Dürenin kaupungin nimestä, jossa tämän seoksen teollinen tuotanto aloitettiin. Ja alumiiniketjua valmistettiin Kolchuginon kylässä (nykyinen kaupunki) Vladimirin alueella. Ensimmäinen neuvostoliittolainen metallilentokone ANT-2, jonka suunnitteli A.N., valmistettiin ketjualumiinista. Tupolev.

Tällaiset seokset ovat edelleen tärkeitä tekniikan kannalta. Seoksesta D1 valmistetaan erityisesti lentokoneiden potkureiden lavat. Sodan aikana, kun lentäjät joutuivat usein laskeutumaan satunnaisille alustoille tai laskeutumatta laskutelineen "vatsalle", tapahtui monta kertaa, että potkurin lavat taipuivat osuessaan maahan. Taipunut mutta ei rikki! Siellä kentällä ne suoristettiin ja lensivät uudestaan ​​samalla potkurilla... Toinen saman duralumiiniperheen seos - D16:ta käytetään lentoteollisuudessa eri tavalla - siitä on tehty alasiipipaneelit.

Pohjimmiltaan uusia seoksia ilmaantuu, kun uusia vahvistusvaiheita löydetään. Heitä etsittiin, etsittiin ja tutkijat tulevat etsimään. Faasit ovat pohjimmiltaan kemiallisia yhdisteitä - metallien välisiä yhdisteitä, jotka muodostuvat seoksesta ja vaikuttavat merkittävästi sen ominaisuuksiin. Eri faasit lisäävät lejeeringin lujuutta, korroosionkestävyyttä ja muita käytännössä tärkeitä ominaisuuksia eri tavoin. Wilmin löydön jälkeen on kuitenkin löydetty hyvin vähän - alle tusina. Niiden muodostuminen on mahdollista vain, jos vastaavat alkuaineet liukenevat alumiiniin. Ilmeisesti jokainen vahvistusvaihe ansaitsee melko yksityiskohtaisen tarinan.

On jo mainittu, että ensimmäinen alumiiniseos oli sen seos piin kanssa, jaksollisen taulukon naapuri. Mutta tämän seoksen ominaisuudet olivat epätyydyttäviä, ja siksi pitkään uskottiin, että piin lisääminen alumiiniin oli haitallista. Mutta jo vuosisadamme 20-luvun alussa todettiin vakaasti, että Al-Mg-Si-järjestelmän (Mg2Si-faasi) metalliseoksilla on duraluminien tavoin kovettuva vaikutus vanhenemisen aikana. Tällaisten metalliseosten vetolujuus on 12-36 kg/mm2, riippuen pii- ja magnesiumpitoisuudesta sekä kuparin ja mangaanin lisäyksestä.

Näitä seoksia käytetään laajasti laivanrakennuksessa sekä nykyaikaisessa rakentamisessa. Mielenkiintoinen yksityiskohta: nykyään joissain maissa (esim. USA:ssa) rakentamiseen käytetään enemmän alumiinia kuin kaikkiin liikennemuotoihin yhteensä: lentokoneisiin, laivoihin, junavaunuihin, autoihin. Maassamme alumiiniseoksia käytettiin laajasti Leninin kukkuloilla sijaitsevan Pioneerien palatsin ja Moskovan Leninski Prospektin Neuvostoliiton standardikomitean rakennuksen, Kiovan Urheilupalatsin ja monien muiden nykyaikaisten rakennusten rakentamisessa. Tuhannet alumiinielementtitalot toimivat menestyksekkäästi arktisilla alueilla ja vuoristoisilla alueilla, joilla ei ole lähistöllä paikallisia rakennusmateriaaleja tai rakentaminen on täynnä valtavia vaikeuksia. Alumiinitalot (enimmäkseen) toimitetaan sellaisiin paikkoihin alumiinisilla (enimmäkseen) lentokoneilla ja helikoptereilla.

Muuten, helikoptereista. Niiden potkureiden lavat valmistetaan kaikkialla maailmassa Al - Mg - Si -järjestelmän seoksista, koska nämä metalliseokset ovat erittäin korroosionkestävyydeltään ja ne kestävät hyvin tärinäkuormia. Juuri tämä ominaisuus on ensiarvoisen tärkeä helikopterilentäjille ja heidän matkustajilleen. Pienimmätkin korroosiovirheet voivat dramaattisesti nopeuttaa väsymishalkeamien kehittymistä. Matkustajien mielenrauhan vuoksi huomaamme, että todellisuudessa väsymishalkeamat kehittyvät melko hitaasti ja kaikki helikopterit on varustettu laitteilla, jotka antavat ohjaajalle signaalin ensimmäisen pienen halkeaman ilmaantumisesta. Ja sitten terät vaihdetaan, vaikka ne voisivat toimia vielä satoja tunteja.

Ikääntymisen vaikutus on myös luontainen Al-Zn-Mg-järjestelmän seoksille. Tämä järjestelmä osoittautui heti kahdesti ennätyksen haltijaksi: lujuuden ennätys - 20-luvulla, alumiini-sinkki-magnesium-seokset, joiden lujuus oli 55 ... kolmimetalliseokset halkeilevat tai jopa murenivat ilmakehän korroosion vaikutuksesta, jopa ikääntyessään, aivan tehtaan pihalla.

Eri maiden tutkijat ovat vuosikymmenten ajan etsineet mahdollisuutta parantaa tällaisten metalliseosten korroosionkestävyyttä. Lopulta jo 50-luvulla ilmestyi lujia alumiiniseoksia sinkin ja magnesiumin kanssa, joilla oli tyydyttävä korroosionkestävyys. Niiden joukossa ovat kotimaiset seokset B95 ja B96. Näissä seoksissa on kolmen pääkomponentin lisäksi myös kuparia, kromia, mangaania, zirkoniumia. Tällaisella kemiallisten alkuaineiden yhdistelmällä ylikyllästyneen kiinteän liuoksen hajoamisen luonne muuttuu merkittävästi, minkä vuoksi lejeeringin korroosionkestävyys kasvaa.

Kuitenkin, kun lentokoneen suunnittelija O.K. Antonov alkoi luoda jättiläislentokonetta "Antey" ja voimarunkoon "Antey" vaadittiin suuria takeita ja meistoja, yhtä lujuutta kaikkiin suuntiin, seokset B95 ja B96 eivät sopineet. Anteyn lejeeringissä pienet mangaanin, zirkoniumin ja kromin lisäykset oli korvattava raudalla. Näin ilmestyi kuuluisa B93-seos.

Viimeisen vuosikymmenen aikana on noussut uusia vaatimuksia. Lähitulevaisuuden niin sanotuille laajarunkokoneille, jotka on suunniteltu 300 ... 500 matkustajalle ja 30 ... 50 tuhannelle lentotunnille, pääkriteerit ovat lisääntyvä - luotettavuus ja kestävyys. Laajarunkoiset lentokoneet ja lentobussit koostuvat 70...80 % alumiiniseoksista, jotka vaativat sekä erittäin suurta lujuutta että erittäin korkeaa korroosionkestävyyttä. Miksi lujuus on ymmärrettävää, miksi kemiallinen kestävyys on vähäisemmässä määrin, vaikka yllä oleva esimerkki helikopterin lapoista on ilmeisesti melko selvä ...

Syntyi käsite turvallisesti vaurioituneista rakenteista, joka sanoo: jos rakenteeseen ilmaantuu halkeama, sen tulee kehittyä hitaasti, ja vaikka se saavuttaisi merkittävän koon helposti havaittavissa olevana, se, tämä halkeama, ei saa missään tapauksessa aiheuttaa rakenteen tuhoamista. rakenne kokonaisuudessaan. Tämä tarkoittaa, että tällaisten lentokoneiden lujilla alumiiniseoksilla on oltava korkea murtolujuus, suuri jäännöslujuus halkeaman esiintyessä, ja tämä on mahdollista vain korkealla korroosionkestävyydellä.

Kaikki nämä ominaisuudet yhdistyvät täydellisesti erittäin puhtaissa alumiiniseoksissa: raudan epäpuhtauksia - prosentin kymmenesosia, piitä - sadasosia ja natriumia, jonka mikrolisäaineet parantavat merkittävästi alumiini-piiseosten ominaisuuksia, saa olla vain muutama kymmenen tuhannesosaa prosenttia. Ja tällaisten seosten perusta on Al - Zn - Mg - Cu -järjestelmä. Näiden metalliseosten vanhentaminen suoritetaan siten, että kovettuvista hiukkasista tulee hieman tavallista suurempia (koagulaatiovanhentaminen). Totta, lujuus on tässä tapauksessa hieman menetetty ja osa osista on tehtävä paksuseinäisemmiksi, mutta tämä on silti väistämätön hinta resurssille ja luotettavuudelle. Ironista kyllä, sinkkiä ja magnesiumia sisältävät alumiiniseokset, jotka olivat aikoinaan korroosionkestävimpiä, tiede on muuttunut eräänlaiseksi korroosionkestävyyden standardiksi. Syyt tähän ihmeelliseen muutokseen ovat kuparin lisääminen ja järkevä ikääntyminen.

Toinen esimerkki pitkään tunnettujen järjestelmien ja metalliseosten parantamisesta. Jos klassisessa duralumiinissa magnesiumpitoisuus on jyrkästi rajoitettu (prosentin sadasosaan), mutta mangaani säilyy ja kuparipitoisuus kasvaa, seos saavuttaa kyvyn hyvin hitsata sulamalla. Tällaisista seoksista tehdyt rakenteet toimivat hyvin lämpötila-alueella absoluuttisesta nollasta +150...200°C.

Nykyään joidenkin teknisten tuotteiden on vuorotellen havaittava joko kohtalaista lämpöä tai kohtuutonta kylmää. Ei ole sattumaa, että nestemäisen vedyn ja nestemäisen hapen säiliöitä valmistettiin sellaisista seoksista amerikkalaisissa Saturn-raketeissa, jotka toimittivat Apollo-avaruusaluksen miehistöt Kuuhun.

Ratkaistaessa nesteytetyn kaasun kuljetuksen ja varastoinnin maallisia ongelmia kolmikomponenttisilla lejeeringeillä Al - Cu - Mn, erittäin kevyet kaksikomponenttiset alumiiniseokset magnesiumin - magnaliumin kanssa kilpailevat melko menestyksekkäästi. Magnaliat eivät kovettu lämpökäsittelyllä. Valmistustekniikasta ja magnesiumpitoisuudesta riippuen niiden lujuus vaihtelee välillä 8-38 kg/mm2. Nestemäisen vedyn lämpötilassa ne ovat hauraita, mutta toimivat melko menestyksekkäästi nestemäisessä hapessa ja nesteytetyissä palavissa kaasuissa. Niiden käyttöalueet ovat hyvin laajat. Erityisesti he ovat osoittaneet itsensä laivanrakennuksessa: kantosiipialusten - Rocketin ja Meteorien - rungot on valmistettu magnaliumista. Niitä käytetään myös joidenkin ohjusten suunnittelussa.

Erityisen huomionarvoista on mahdollisuus käyttää niukkaseosteisia magnaaleja elintarvikkeiden pakkaamiseen. Peltitölkit, juustokääreet, lihahaudutusfolio, oluttölkit, maitotuotteiden pullonkorkit - tämä ei ole täydellinen luettelo näiden seosten elintarvikkeisiin liittyvistä sovelluksista. Pian maassamme valmistetaan alumiinitölkkejä miljardeina kappaleina, ja sitten Alexander Evgenievich Fersmanin määritelmä - "tölkin metalli" - siirtyy tinasta alumiiniin. Mutta takaisin vahvistusvaiheisiin.

Vuonna 1965 ryhmä Neuvostoliiton tutkijoita havaitsi kovettumisen vaikutuksen ikääntymisen aikana Al-Li-Mg-järjestelmän seoksissa. Näillä metalliseoksilla, erityisesti lejeeringillä 01420, on sama lujuus kuin duralumiinilla, mutta ne ovat 12 % kevyempiä ja niillä on korkeampi kimmokerroin. Lentokonemalleissa tämä mahdollistaa 12–14 %:n painonlisäyksen. Lisäksi seos 01420 on hyvin hitsattu ja sillä on korkea korroosionkestävyys. Tämän järjestelmän seoksia kohtaan ja nykyään kaikkialla maailmassa on lisääntynyt kiinnostus.

Nopeasti jäähtyvä muodostaa kiteitä

Metalli on puhdistettava kaasuista ja kiinteistä ei-metallisista inkluusioista ennen kuin valanteita tai muotoiltuja valukappaleita saadaan alumiiniseoksesta. Nestemäisen alumiinin kaasuista pääasiassa vetyä on liuennut. Mitä korkeampi sulan lämpötila on, sitä enemmän se on. Jäähtymisen ja kiteytymisen aikana se ei ehdi erottua ja jää metalliin pienten ja joskus melko suurien huokosten muodossa. Vety tuo mukanaan paljon ongelmia: muotovaluissa onteloita, levyissä ja profiileissa kuplia, sulahitsauksessa huokosia. Ja vain yhdessä tapauksessa vety osoittautui erittäin hyödylliseksi - puhumme niin sanotusta alumiinivaahdosta, joka muistuttaa hyvää hollantilaista juustoa (vain sellaisessa metallissa on paljon enemmän huokosia, eikä se päästä repiä"). Alumiinivaahdon ominaispaino voidaan nostaa arvoon 0,3...0,5 g/cm3. Sen huokoset ovat suljettuja ja metalli kelluu vapaasti vedessä. Sillä on poikkeuksellisen alhainen lämmön- ja äänenjohtavuus, se leikataan ja juotetaan. Saadaksesi ennätysmäärä onteloita, nestemäistä alumiinia, professori M.B.:n "reseptin" mukaan. Altman, ylikuumenna ja lisää sitten siihen zirkoniumia tai titaanihydridiä, joka hajoaa välittömästi vapauttaen vetyä. Välittömästi metalli, joka kiehuu valtavalla määrällä kuplia, kaadetaan nopeasti muotteihin.

Mutta kaikissa muissa tapauksissa he yrittävät päästä eroon vedystä. Paras tapa tehdä tämä on puhaltaa sulate kloorilla. Kloorikuplat, jotka liikkuvat nestemäisen alumiinin läpi, imevät atomeja ja pieniä vetykuplia, vangitsevat suspendoituneita kuonahiukkasia ja oksidikalvoja. Nestemäisen alumiinin evakuointi antaa suuren vaikutuksen, jonka osoitti vakuuttavasti Neuvostoliiton tiedemies K.N. Mihailov.

Kaikki ei-metalliset sulkeumat ovat erityisen haitallisia, kun metalli kiteytyy hitaasti, joten valuttaessa ne pyrkivät aina lisäämään kiteytysnopeutta. Muotoiltuja osia ei valeta maamuotteihin, vaan metallimuotteihin; Valanteita valuttaessa valurautamuotteja korvataan vesijäähdytteisillä kuparisilla. Mutta jopa nopeimmalla lämmönpoistolla muotin tai muotin seinämästä, ensimmäisen ohuen kerroksen kiteytymisen jälkeen seinän ja tämän kuoren väliin ilmestyy ilmarako. Ilma ei johda lämpöä hyvin... Lämmönpoistonopeus metallista laskee jyrkästi.

Pitkän aikaa kaikki yritykset nopeuttaa radikaalisti seinien jäähdytystä epäonnistuivat tämän ilmaraon takia. Lopulta löydettiin oikea ratkaisu, kuten tekniikassa usein tapahtuu, suorittaa "toisaalta": sen sijaan, että vältyttiin lämpöhäviöltä ilmaraossa, itse rako poistettiin. Jäähdytysvesi alkoi kastella suoraan kiteytyvää metallia. Näin syntyi alumiiniharkojen jatkuvavalumenetelmä.

Nestemäinen metalli kaadetaan pieneen kupari- tai alumiinimuottiin. Muottiin asetetaan lava, joka korvaa kiinteän pohjan. Heti kun alumiinin jähmettyminen alkaa, alusta lasketaan hitaasti - vähitellen ja samalla nopeudella kuin kiteytysprosessi. Ja nestemäistä metallia lisätään jatkuvasti ylhäältä.

Prosessia ohjataan siten, että sulan alumiinin reikä on pääosin muotin reunan alapuolella, josta vesi johdetaan suoraan jähmettyvään harkkoon.

Harkkojen jatkuvan valun kehittäminen alumiiniseoksista tapahtui sodan vaikeina vuosina. Mutta vuoteen 1945 mennessä metallurgiallamme ei ollut enää yhtään alumiiniharkkojen muottia. Valumetallin laatu on parantunut radikaalisti. Suuri rooli jatkuvan alumiinivalun kehittämisessä kuuluu A.F. Belov, V.A. Livanov, S.M. Voronov ja V.I. Dobatkin. Muuten, rautametallurgian teräksen jatkuvavalumenetelmä, jonka kehitys alkoi myöhempinä vuosina, johtuu pitkälti alumiinin jatkuvan valun menestyksekkäästä kehittämisestä.

Myöhemmin F.I. Kvasov, 3.N. Getselev ja G.A. Balakhontsev esitti alkuperäisen idean, joka mahdollisti usean tonnin alumiiniharkkojen kiteyttämisen ilman muotteja. Kiteytysprosessin aikana sähkömagneettinen kenttä pitää nestemäisen metallin suspensiossa.

Yhtä nokkela oli V.G. Golovkin, jatkuva menetelmä valetun alumiinilangan valmistamiseksi, jonka halkaisija on enintään 9 mm. Uunin vaakasuorasta reiästä vuodatettiin jatkuvasti nestemäistä metallisuihkua. Aivan ulostulossa metalliin syötettiin jäähdytysvettä, ja pian osittain hylätty virta poimittiin teloilla ja vedettiin eteenpäin. Tällaisen langan pinta osoittautui sileäksi ja kiiltäväksi, se ei ollut vahvuudeltaan huonompi kuin kylmävedetty lanka. Ja tarve sille oli valtava. Jokainen, joka on lentänyt lentokoneella, on nähnyt loputtomia rivejä niittejä siivissä ja rungossa. Mutta ilmeisesti kaikki eivät tiedä, että näiden niittien määrä sodanaikaisessa hävittäjässä oli 100 ... 200 tuhatta kappaletta ja pommikoneessa jopa miljoona ...

Vahvistusvaiheista puhuttaessa korostimme, että ne ovat seurausta vastaavien metallien liukenemisesta alumiiniin ja kemiallisesta vuorovaikutuksesta sen kanssa. Nämä ovat erittäin hyödyllisiä sisällytyksiä. Oksidisulkeumien kanssa käydään sitkeää taistelua tuotannon kaikissa vaiheissa. Mutta tällainen on aineen ominaisuuksien dialektiikka: alumiiniin liukenemattomat ja sille haitalliset oksidisulkeumat muuttivat täysin laatuaan heti, kun ne muutettiin ohuimmiksi kalvoiksi.

SAP ja SAS

Jos nestemäistä alumiinia ruiskutetaan, saadaan enemmän tai vähemmän pyöristettyjä hiukkasia, jotka ovat kokonaan peitetty ohuilla oksidikalvoilla. Nämä hiukkaset (niitä kutsutaan pulverisaatiksi) jauhetaan kuulamyllyissä. Saadaan ohuimmat "kakut", joiden paksuus on 0,1 mikronia. Jos tällaista jauhetta ei ole aiemmin hapettunut, se räjähtää välittömästi joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa - tapahtuu rajua hapettumista. Siksi tehtaissa syntyy inertti ilmakehä, jonka happipitoisuus on kontrolloitu, ja jauheen hapetusprosessi etenee asteittain.

Jauhatuksen ensimmäisessä vaiheessa jauheen irtotiheys laskee arvoon 0,2 g/cm3, alumiinioksidipitoisuus nousee asteittain 4...8 %:iin. Jauhatus jatkuu, hienot hiukkaset istuvat tiukemmin, eivät tartu yhteen, koska jauheeseen lisätään erityisesti rasvaa ja materiaalin irtotiheys kasvaa arvoon 0,8 g/cm3. Hapetus tapahtuu melko intensiivisesti ja alumiinioksidipitoisuus on 9...14 %. Vähitellen rasva katoaa melkein kokonaan, ja pienimmät hapettuneet hiukkaset "niittyvät", sulautuvat suuremmiksi konglomeraatteiksi.

Tällainen "raskas" jauhe (se sisältää jopa 20 ... 25% oksideja) ei enää lentää kuin nukka, se voidaan turvallisesti kaataa lasiin. Sitten jauhe briketoidaan puristimissa paineessa 30...60 kg/mm2 ja lämpötilassa 550...650ºС. Sen jälkeen materiaali saa metallisen kiillon, sillä on suhteellisen korkea lujuus, sähkö- ja lämmönjohtavuus. Brikettejä voidaan puristaa, valssata, taota putkia, levyjä, tankoja ja muita tuotteita. Kaikkia näitä puolivalmiita tuotteita kutsutaan nimellä SAP - sanojen "sintrattu alumiinijauhe" ensimmäisten kirjainten jälkeen.

Mitä pienempi hiukkasten välinen etäisyys on, sitä vahvempi SAP on. Perinteisten vanhenevien alumiiniseosten ja SAP:n dispersiomuodostelmien luonne on erilainen, joten nämä materiaalit eroavat myös suuresti ominaisuuksiltaan. SAP säilyttää lujuuden 500...600°C asti, ja kaikki alumiiniseokset muuttuvat tässä lämpötilassa puolinestemäiseksi tai viskoosiksi. Tuhansilla tunteilla aina 500°C:n lämpötiloissa on yleensä vain vähän vaikutusta SAP:n lujuuteen, koska oksidihiukkasten ja alumiinimatriisin vuorovaikutus muuttuu vain vähän kuumentamisen jälkeen. Alumiiniseokset sen sijaan menettävät lujuutensa täysin tällaisen testin aikana.

SAP:n ei tarvitse karkaista, se on korroosionkestävyydeltään lähellä puhdasta alumiinia. Sähkön ja lämmönjohtavuuden suhteen tämä materiaali on lähempänä puhdasta alumiinia kuin saman lujuuden vanhenevat seokset. SAP:lle tyypillinen piirre on valtavan määrän kosteuden adsorptio hapettuneiden hiukkasten haarautuneen pinnan kautta.

Siksi SAP on poistettava hyvin kaasusta tyhjiössä kuumentamalla materiaali alumiinin sulamispisteeseen. Jopa 400 ja jopa 450°C lämpötiloissa toimivien moottoreiden männät valmistetaan SAP:sta, tämä materiaali on lupaava laivanrakennus- ja kemianteollisuudessa.

Lopuksi tarina alumiinin käytöstä rakennemateriaalina, on tarpeen mainita sen sintratut seokset piin, nikkelin, raudan, kromin, zirkoniumin kanssa. Niitä kutsutaan CACiksi - sanojen "sintrattu alumiiniseos" ensimmäisten kirjainten jälkeen. Seoksilla on pieni lineaarilaajenemiskerroin, mikä mahdollistaa niiden käytön yhdessä teräksen kanssa mekanismeissa ja laitteissa. Tavallisen alumiinin lineaarilaajenemiskerroin taas on noin kaksinkertainen teräkseen verrattuna, mikä aiheuttaa suuria jännityksiä, mittavääristymiä ja lujuusvaurioita.

Elementistä nro 13 voidaan tietysti sanoa paljon enemmän kuin alumiinimetallista. Elementin nro 13 "elämäkerta" liittyy monien tieteellisten ongelmien ja löytöjen, erilaisten prosessien ja tuotteiden - maalien, polymeerimateriaalien, katalyyttien ja monien muiden - kohtaloon. Ja silti ei ole virhettä, jos väitämme, että alumiinimetalli on tärkeämpi nykytekniikassa, nykyelämässä kuin kaikki alumiiniyhdisteet yhteensä.

Ei vain legenda

Monissa suosituissa kemian ja metallurgian kirjoissa on tarina, jonka mukaan alumiini tunnettiin antiikissa. Tietty keksijä (hänen nimensä jää tuntemattomaksi) toi yhdelle hallitsijoista metallista valmistetun kulhon - erittäin kevyen, mutta ulkoisesti samanlaisen kuin hopea. Tarina päättyi kyyneliin: keksijä teloitettiin, koska herra pelkäsi uuden metallin devalvoivan hänen hopeansa.

Todennäköisesti tämä tarina ei ole muuta kuin kaunis satu. Mutta antiikin ihmiset käyttivät joitain alumiiniyhdisteitä. Eikä vain savea, joka perustuu Al2O3:een. Plinius Vanhemman "Natural History" mainitsee, että alunaa (niiden kaava on KAl(SO4)2 12H2O) käytettiin peittausaineena kankaiden värjäyksessä vanhan ja uuden aikakauden vaihteessa. Aikakautemme alussa roomalainen komentaja Arkelaos käski persialaisten kanssa käyneen sodan aikana päällystää puutornit alunalla. Tämän seurauksena puu sai tulenkestävän, eivätkä persialaiset kyenneet sytyttämään roomalaisia ​​linnoituksia.

Aluminotermia

Vuonna 1865 kuuluisa venäläinen kemisti N.N. Beketov löysi menetelmän metallien talteenottamiseksi alumiinilla, jota kutsutaan aluminotermiksi. Menetelmän ydin on, että kun useiden metallien oksidien seos alkuainealumiinin kanssa sytytetään, nämä metallit pelkistyvät. Jos oksidia otetaan ylimäärä, tuloksena oleva metalli on lähes vapaa alkuaineen nro 13 sekoituksesta. Tätä menetelmää käytetään nykyään laajalti kromin, vanadiinin ja mangaanin tuotannossa.

Synteettinen kryoliitti

Kryoliittia tarvitaan alumiinin saamiseksi elektrolyysillä. Tämä jäältä näyttävä mineraali voi merkittävästi alentaa alumiinioksidin, alumiinin valmistuksen raaka-aineen, sulamispistettä. Kryoliitin koostumus on 3NaF AlF3. Tämän mineraalin ainoa suuri esiintymä on melkein lopussa, ja voidaan sanoa, että maailman alumiiniteollisuus työskentelee nyt synteettisen kryoliittien parissa. Maassamme tehtiin ensimmäiset keinotekoisen kryoliittiyritykset jo vuonna 1924. Vuonna 1933 ensimmäinen kryoliittitehdas otettiin käyttöön lähellä Sverdlovskia. Tämän mineraalin valmistamiseksi on kaksi päätapaa - hapan ja emäksinen, ensimmäistä käytetään laajemmin. Tällöin raaka-aineena toimii CaF2-fluorisälpä, joka käsitellään rikkihapolla ja saadaan fluorivetyä. Veteen liuotettuna se muuttuu fluorivetyhapoksi, joka reagoi alumiinihydroksidin kanssa. Saatu fluorialumiinihappo H3AlF6 keskitetään soodalla. Kryoliitti, joka on heikosti veteen liukeneva, saostuu.

Ensimmäinen katalyytti

Keskustelut K. Zieglerin ja D. Nattan katalyyteistä, organoelementtiyhdisteistä, jotka ovat mullistaneet monien polymeerimateriaalien, erityisesti synteettisten kumien, tuotannon eivät ole lakanneet jo useiden vuosien ajan. Tällaisten katalyyttien avulla saadut polymeerit erottuvat erityisen selkeästä rakenteesta ja siten parhaista fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksista. Organoalumiiniyhdisteet olivat ensimmäisiä katalyyttejä stereospesifiselle polymeroinnille.

Ja kaikki on alumiinioksidia!

Alumiini on pitkään lakannut olemasta jalometalli, mutta osa sen yhdisteistä on edelleen jalokiviä. Yksittäisiä alumiinioksidikiteitä, joihin on lisätty pieniä värioksideja - tämä on sekä kirkkaan punainen rubiini että kiiltävä sininen safiiri - ensimmäisen - korkeimman luokan jalokivet. Heille annetaan väri: safiiri - raudan ja titaanin ionit, rubiini - kromi. Puhdas kiteinen alumiinioksidi on väritöntä ja sitä kutsutaan korundiksi. Alumiinia löytyy myös turmaliinista, värittömästä leukosafiirista, keltaisesta "itämaisesta topaasista" ja monista muista arvokkaista kivistä. Keinotekoista korundia, safiiria ja rubiinia valmistetaan tehdasmittakaavassa; näitä kiviä eivät tarvitse vain jalokivikauppiaat, vaan myös monet modernin tekniikan alat. Riittää, kun muistetaan rubiinilaserit, kellot "viisitoista kivellä", hioma, joka on valmistettu pääasiassa sähköuuneissa saadusta korundista, ja Tokamakin safiiriikkunat, yksi ensimmäisistä lämpöydinprosessien tutkimiseen tarkoitetuista asennuksista.

Vain yksi isotooppi

Luonnollinen alumiini koostuu vain yhdestä "lajista" atomeista - isotoopista, jonka massaluku on 27. Alkuaineen nro 13 keinotekoisia radioaktiivisia isotooppeja tunnetaan, useimmat ovat lyhytikäisiä ja vain yhdellä - alumiini-26:lla on puolikas. -elinikä noin miljoona vuotta.

Aluminaatit

Aluminaatit ovat ortoalumiini-H3AlO3- ja metaalumiini HAlO2-happojen suoloja. Luonnollisia aluminaatteja ovat jalo spinelli ja arvokas krysoberyyli. Alumiinioksidin valmistuksen aikana muodostunutta natriumaluminaattia NaAlO2 käytetään tekstiiliteollisuudessa peittausaineena. Viime aikoina harvinaisten maametallien aluminaatit, joille on ominaista korkea tulenkestävyys ja ominainen, monissa tapauksissa kaunis, väri, ovat myös saaneet käytännön merkitystä. Lantaani- ja samariumaluminaatit ovat kermanvärisiä, europium, gadolinium ja dysprosium ovat vaaleanpunaisia, neodyymi on lila ja praseodyymi keltaisia. Näitä materiaaleja pidetään lupaavina erikoiskeramiikan ja optisten lasien valmistuksessa sekä ydinvoimatekniikassa: jotkin harvinaiset maametallit erottuvat poikkeuksellisen korkeasta kyvystä siepata lämpöneutroneja. Lisää tästä lantanidien tarinoissa.

opettaja opiskelijasta

”... Uskon, että olen tehnyt löydön: löysin henkilön. Vuonna 1880, pian palattuani Japanista, jossa olin opettanut kemiaa neljä vuotta, huomasin kuusitoistavuotiaan pojan. Tämä nuori mies tuli laboratorioon ostamaan muutamalla sentillä lasiputkia, koeputkia tai jotain vastaavaa. En tiennyt tästä pojasta mitään, mutta ajattelin usein, että ehkä hänestä tulisi tiedemies, koska hän teki tutkimusta niinä vuosina, jolloin muut teini-ikäiset viettävät aikaansa vain peleissä ja viihteessä. Tämä teini oli Charles M. Hall, mies, joka 23-vuotiaana löysi menetelmän alumiinin erottamiseksi malmeista.

Charles tuli yliopistoon, ja suoritettuaan osan vaaditusta kurssista vein hänet laboratoriooni. Kerran puhuessani opiskelijoiden kanssa sanoin: "Keksijä, joka onnistuu kehittämään halvan menetelmän alumiinin saamiseksi ja tekemään alumiinista massakulutusmetallin, tekee suuren palveluksen ihmiskunnalle ja ansaitsee erinomaisen tiedemiehen maineen."

Kuulin Charlesin kääntyvän yhden luokkatoverinsa puoleen ja sanovan: "Minä hoidan tämän metallin." Ja hän ryhtyi töihin. Hän kokeili monia menetelmiä, kaikki tuloksetta. Lopulta Hall päätyi elektrolyysiin. Annoin hänelle vanhoja, tarpeettomia laitteita ja akkuja. Ne teistä, jotka ovat nähneet sähköakkuja, nauraisivat sille, mitä Hall pystyi rakentamaan erilaisista kivihiilen kokkareista. Mutta saimme tarvitsemamme virran.

Pian sen jälkeen Hall valmistui korkeakoulusta ja otti laitoksen haltuunsa. Hän perusti laboratorionsa metsään lähellä kotiaan, jatkoi kokeissaan ja kertoi minulle usein tuloksista.

Alumiinin pääraaka-aineelle, alumiinioksidille, oli löydettävä liuotin. Ja kuuden kuukauden kuluttua Hall havaitsi, että oksidi liukenee erittäin hyvin natriumfluoridi-aluminaattisulaan 3NaF · AlF3.

Eräänä aamuna Hall juoksi luokseni iloisella huudahduksella: "Professori, sain sen!" Ojennetulla kädellä makasi kaksitoista pientä alumiinipalloa, joka oli ensimmäinen elektrolyysillä valmistettu alumiini. Tämä tapahtui 23. helmikuuta 1886."

Tämä on professori Yvetten tarina, jonka olemme painaneet uudelleen kokoelmasta "Flash of Genius", jonka amerikkalainen tiedemies A. Garrett on koonnut alkulähteistä.

Alumiini rakettipolttoaineessa

Kun alumiini palaa hapessa ja fluorissa, vapautuu paljon lämpöä. Siksi sitä käytetään rakettipolttoaineen lisäaineena. Saturn-raketti polttaa lennon aikana 36 tonnia alumiinijauhetta. Ajatuksen metallien käyttämisestä rakettipolttoaineen komponenttina ilmaisi ensimmäisenä F.A. Kuha.

Johtopäätös

Tiedetään, että p-elementeissä ulomman elektronisen tason p-alitaso on täynnä elektroneja, jotka voivat sisältää yhdestä kuuteen elektronia.

Jaksoisessa järjestelmässä on 30 p-alkiota. Nämä p-elementit tai niiden p-elektroniset vastineet muodostavat alaryhmät IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA ja VI IIA. Näiden alaryhmien alkuaineiden atomien ulomman elektronisen tason rakenne kehittyy seuraavasti: ns2p1, ns2p2, ns2p3, ns2p4, ns2p5 ja ns2p6.

Kaiken kaikkiaan p-alkuaineissa, alumiinia lukuun ottamatta, pelkistysaktiivisuus on suhteellisen heikko. Päinvastoin, siirryttäessä IIIA-alaryhmästä VIIA-alaryhmään, havaitaan neutraalien atomien oksidatiivisen aktiivisuuden lisääntyminen, elektronien affiniteetin ja ionisaatioenergian arvot kasvavat ja p-elementtien elektronegatiivisuus kasvaa.

P-alkuaineatomeissa ei vain p-elektronit ole valenssia, vaan myös ulkotason s-elektroneja. p-elektronisten analogien korkein positiivinen hapetusaste on yhtä suuri kuin sen ryhmän lukumäärä, jossa ne sijaitsevat.

Käytetyt kirjat

1. Akhmetov N.S., Yleinen ja epäorgaaninen kemia. - M.: Korkeakoulu, 1989

2. Cotton F., Wilkinson J., Epäorgaanisen kemian perusteet. - M.: Mir, 1979

3. Nekrasov B.V., Yleisen kemian oppikirja. - M.: Kemia, 1981

4. S. I. Venetsky "Tarinoita metalleista", Moskova, toim. Metallurgia 1986

5. Yu. V. Khodakov, V. L. Vasilevsky "Metals", Moskova, toim. Valaistus 1966

6. A. V. Suvorov, A. B. Nikolsky "General Chemistry", St. Petersburg toim. Kemia 1995

Suunnitelma:

Johdanto

Al:n fysikaaliset ominaisuudet

Al:n kemialliset ominaisuudet

Al:n hankkiminen ja käyttö

Alumiinioksidi Al 2 O 3

Alumiinihydroksidi Al(OH)3

alumiinisuolat

Alumiinin binääriset yhdisteet

Kiinnostus, kiinnostus...

Mikä hän on - Al

Ikääntymis- ja vahvistumisvaiheiden eduista

Nopeasti jäähtyvä muodostaa kiteitä

SAP ja SAS

Ei vain legenda

Aluminotermia

Synteettinen kryoliitti

Ensimmäinen katalyytti

Ja kaikki on alumiinioksidia!

Vain yksi isotooppi

Aluminaatit

opettaja opiskelijasta

Alumiini rakettipolttoaineessa

Johtopäätös

Kirjallisuus

Uljanovskin valtion maatalousakatemia

Kemian laitos

Tarkastettu: Nuretdinova R.A.

Abstrakti

"Alumiini"

Sen tekee opiskelijaminätietenkin

2b tiedekunnan ryhmät

Eläinlääketiede

Dokumentoitu alumiinin löytö tapahtui vuonna 1825. Tanskalainen fyysikko Hans Christian Oersted sai ensimmäisen kerran tämän metallin, kun hän eristi sen kaliumamalgaamin vaikutuksesta vedettömään alumiinikloridiin (saatu johtamalla klooria alumiinioksidin ja hiilen kuuman seoksen läpi). Ajattuaan elohopean pois Oersted sai alumiinin, joka oli kuitenkin epäpuhtauksien saastuttamaa. Vuonna 1827 saksalainen kemisti Friedrich Wöhler sai alumiinia jauhemuodossa pelkistämällä kaliumheksafluoroaluminaattia. Nuori amerikkalainen tutkija Charles Martin Hall löysi modernin alumiinin valmistusmenetelmän vuonna 1886. (Vuodesta 1855 vuoteen 1890 alumiinia saatiin vain 200 tonnia, ja seuraavan vuosikymmenen aikana tätä metallia saatiin maailmanlaajuisesti Hall-menetelmällä 28 000 tonnia.) Alumiinia, jonka puhtausaste oli yli 99,99 %, saatiin ensimmäisen kerran elektrolyysillä vuonna 1920. Vuonna 1925 Edwards julkaisi tietoja tällaisen alumiinin fysikaalisista ja mekaanisista ominaisuuksista. Vuonna 1938 Taylor, Willey, Smith ja Edwards julkaisivat artikkelin, joka antaa joitain 99,996 %:n puhtausasteen ominaisuuksista, joka on myös saatu Ranskassa elektrolyysillä. Alumiinin ominaisuuksia käsittelevän monografian ensimmäinen painos julkaistiin vuonna 1967. Viime aikoihin asti uskottiin, että alumiinia erittäin aktiivisena metallina ei voi esiintyä luonnossa vapaassa tilassa, mutta vuonna 1978. Siperian alustan kivistä löydettiin alkuperäistä alumiinia - vain 0,5 mm pitkien viiksien muodossa (kierteen paksuus useita mikrometrejä). Kriisimeren ja yltäkylläisyyden alueilta Maahan toimitetussa kuun maaperässä oli myös mahdollista havaita alkuperäistä alumiinia.

Alumiiniset rakennusmateriaalit

Maankuoressa on paljon alumiinia: 8,6 painoprosenttia. Se on kaikkien metallien joukossa ensimmäinen ja muiden alkuaineiden joukossa kolmas (hapen ja piin jälkeen). Alumiinia on kaksi kertaa enemmän kuin rautaa ja 350 kertaa enemmän kuin kuparia, sinkkiä, kromia, tinaa ja lyijyä yhteensä! Kuten hän kirjoitti yli 100 vuotta sitten klassiseen oppikirjaansa Kemian perusteet D.I. Mendelejev, kaikista metalleista, "alumiini on yleisin luonnossa; Riittää, kun huomautetaan, että se on osa savea, joten alumiinin yleinen jakautuminen maankuoressa on selvä. Alumiinia tai alunan metallia (alumiinia) kutsutaan siksi muuten saveksi, jota löytyy savesta.

Tärkein alumiinimineraali on bauksiitti, emäksisen oksidin AlO(OH) ja hydroksidin Al(OH) 3 seos. Suurimmat bauksiittiesiintymät ovat Australiassa, Brasiliassa, Guineassa ja Jamaikalla; teollista tuotantoa harjoitetaan myös muissa maissa. Aluniitti (alunakivi) (Na, K) 2 SO 4 Al 2 (SO 4) 3 4Al (OH) 3, nefeliini (Na, K) 2 O Al 2 O 3 2SiO 2 ovat myös runsaasti alumiinia. Kaikkiaan tunnetaan yli 250 mineraalia, mukaan lukien alumiini; Suurin osa niistä on alumiinisilikaatteja, joista muodostuu pääasiassa maankuori. Niiden rapistuessa muodostuu savea, jonka perustana on mineraalikaoliniitti Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O. Rautaepäpuhtaudet värjäävät saven yleensä ruskeaksi, mutta on myös valkoista savea - kaoliinia, jota käytetään posliinin valmistukseen. ja fajanssituotteet.

Toisinaan löydetään poikkeuksellisen kova (timanttien jälkeen toiseksi) mineraalikorundi - kiteinen Al 2 O 3 -oksidi, joka on usein värjätty erivärisillä epäpuhtauksilla. Sen sinistä lajiketta (titaanin ja raudan seos) kutsutaan safiiriksi, punaista (kromin seos) rubiiniksi. Erilaiset epäpuhtaudet voivat värjätä ns. jalokorundia myös vihreäksi, keltaiseksi, oranssiksi, violetiksi ja muihin väreihin ja sävyihin.

Viime aikoihin asti uskottiin, että alumiinia erittäin aktiivisena metallina ei voi esiintyä luonnossa vapaassa tilassa, mutta vuonna 1978 Siperian alustan kivistä löydettiin alkuperäistä alumiinia - vain 0,5 mm pitkien viiksien muodossa. (kierteen paksuus on useita mikrometrejä). Alkuperäistä alumiinia löydettiin myös kuun maaperästä, joka toimitettiin Maahan Kriisi- ja yltäkylläismeren alueilta. Oletetaan, että metallista alumiinia voi muodostua kondensoimalla kaasusta. Tiedetään, että kun alumiinihalogenideja - kloridia, bromidia, fluoria - kuumennetaan, ne voivat haihtua enemmän tai vähemmän helposti (esimerkiksi AlCl 3 sublimoituu jo 180 °C:ssa). Lämpötilan voimakkaassa nousussa alumiinihalogenidit hajoavat ja siirtyvät tilaan, jossa metallin valenssi on pienempi, esimerkiksi AlCl. Kun tällainen yhdiste tiivistyy lämpötilan laskun ja hapen puuttumisen myötä, kiinteässä faasissa tapahtuu disproportionaatioreaktio: osa alumiiniatomeista hapettuu ja siirtyy tavalliseen kolmiarvoiseen tilaan ja osa pelkistyy. Yksiarvoinen alumiini voidaan pelkistää vain metalliksi: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . Tätä oletusta tukee myös alkuperäisten alumiinikiteiden filamenttimainen muoto. Tyypillisesti tämän rakenteen mukaiset kiteet muodostuvat kaasufaasin nopean kasvun vuoksi. Luultavasti mikroskooppiset alumiinikimpaleet kuun maaperässä muodostuivat samalla tavalla.

Nimi alumiini tulee latinan sanasta alumen (suku case aluminis). Ns. aluna, kaksoiskalium-alumiinisulfaatti KAl (SO 4) 2 12H 2 O), jota käytettiin peittausaineena kankaiden värjäyksessä. Latinalainen nimi todennäköisesti juontaa juurensa kreikkalaiseen "halmeen" - suolavesi, suolaliuos. On kummallista, että Englannissa alumiini on alumiinia ja Yhdysvalloissa alumiinia.

Monissa suosituissa kemian kirjoissa on legenda, jonka mukaan eräs keksijä, jonka nimeä historia ei ole säilyttänyt, toi Roomaa vuosina 14-27 jKr hallinneelle keisari Tiberiukselle kulhon, joka oli valmistettu hopeaa muistuttavasta metallista, mutta vaaleampi. Tämä lahja maksoi mestarille hänen henkensä: Tiberius käski teloittaa hänet ja tuhota työpajan, koska hän pelkäsi, että uusi metalli voisi alentaa keisarillisen aarteen hopeaa.

Tämä legenda perustuu Plinius vanhimman, roomalaisen kirjailijan ja tutkijan, kirjailijan tarinaan luonnonhistoria- muinaisten aikojen luonnontieteellisen tiedon tietosanakirjat. Pliniusin mukaan uusi metalli saatiin "savimaasta". Mutta savi sisältää alumiinia.

Nykyaikaiset kirjailijat tekevät melkein aina varauksen, että koko tämä tarina on vain kaunis satu. Ja tämä ei ole yllättävää: kivien alumiini on erittäin vahvasti sitoutunut happeen, ja sen vapauttaminen vaatii paljon energiaa. Äskettäin on kuitenkin ilmaantunut uusia tietoja perusmahdollisuudesta saada metallista alumiinia antiikin aikana. Kuten spektrianalyysi osoittaa, 300-luvun alussa kuolleen kiinalaisen komentajan Zhou-Zhun haudan koristeet. AD, on valmistettu seoksesta, joka on 85 % alumiinia. Olisivatko muinaiset saaneet ilmaista alumiinia? Kaikki tunnetut menetelmät (elektrolyysi, pelkistys metallin natriumilla tai kaliumilla) eliminoidaan automaattisesti. Löytyykö antiikista alkuperäistä alumiinia, kuten esimerkiksi kulta-, hopea-, kuparihippuja? Tämä on myös poissuljettu: alkuperäinen alumiini on harvinaisin mineraali, jota esiintyy mitättömiä määriä, joten muinaiset mestarit eivät löytäneet ja keränneet tällaisia ​​​​hippuja oikeaan määrään.

Kuitenkin myös toinen selitys Pliniusin tarinalle on mahdollinen. Alumiinia voidaan ottaa talteen malmeista paitsi sähkön ja alkalimetallien avulla. Muinaisista ajoista lähtien on saatavilla ja laajalti käytetty pelkistysaine - tämä on kivihiili, jonka avulla monien metallien oksidit pelkistyvät kuumennettaessa vapaiksi metalleiksi. 1970-luvun lopulla saksalaiset kemistit päättivät testata, olisiko alumiinia voitu valmistaa antiikin aikana pelkistämällä hiilellä. He lämmittivät saven seosta kivihiilijauheen ja tavallisen suolan tai potaskan (kaliumkarbonaatin) kanssa saviupokkaassa punaiseksi. Merivedestä saatiin suolaa ja kasvien tuhkasta kaliumia, jotta voidaan käyttää vain antiikin aikana saatavilla olevia aineita ja menetelmiä. Jonkin ajan kuluttua upokkaan pinnalla leijui kuona alumiinipalloilla! Metallin tuotanto oli pieni, mutta on mahdollista, että tällä tavalla muinaiset metallurgit saattoivat saada "1900-luvun metallin".

alumiinin ominaisuudet.

Puhtaan alumiinin väri muistuttaa hopeaa, se on erittäin kevyt metalli: sen tiheys on vain 2,7 g / cm 3. Alumiinia kevyempiä ovat vain alkali- ja maa-alkalimetallit (paitsi barium), beryllium ja magnesium. Alumiini myös sulaa helposti - 600 °C:ssa (ohut alumiinilanka voidaan sulattaa tavallisella keittiön polttimella), mutta se kiehuu vain 2452 °C:ssa. Sähkönjohtavuudessa alumiini on neljännellä sijalla, hopean jälkeen (se) on ensimmäisellä sijalla), kupari ja kulta, joilla on alumiinin halvuuteen nähden suuri käytännön merkitys. Metallien lämmönjohtavuus muuttuu samassa järjestyksessä. Alumiinin korkea lämmönjohtavuus on helppo varmistaa kastamalla alumiinilusikka kuumaan teehen. Ja vielä yksi tämän metallin merkittävä ominaisuus: sen sileä, kiiltävä pinta heijastaa täydellisesti valoa: 80-93% spektrin näkyvällä alueella aallonpituudesta riippuen. Ultraviolettialueella alumiinilla ei ole vertaa tässä suhteessa, ja vain punaisella alueella se on hieman huonompi kuin hopea (ultravioletissa hopealla on erittäin alhainen heijastavuus).

Puhdas alumiini on melko pehmeä metalli - melkein kolme kertaa pehmeämpi kuin kupari, joten jopa suhteellisen paksut alumiinilevyt ja -tangot ovat helppo taivuttaa, mutta kun alumiini muodostaa seoksia (niitä on valtava määrä), sen kovuus voi kymmenkertaistua.

Alumiinin tyypillinen hapetusaste on +3, mutta johtuen täyttämättömästä 3:sta R- ja 3 d-orbitaalien alumiiniatomit voivat muodostaa ylimääräisiä luovuttaja-akseptorisidoksia. Siksi pienisäteinen Al 3+ -ioni on erittäin altis kompleksin muodostukselle muodostaen erilaisia ​​kationisia ja anionisia komplekseja: AlCl 4 – , AlF 6 3– , 3+ , Al(OH) 4 – , Al(OH) 6 3 – , AlH 4 – ja monet muut. Tunnetaan myös komplekseja orgaanisten yhdisteiden kanssa.

Alumiinin kemiallinen aktiivisuus on erittäin korkea; elektrodipotentiaalien sarjassa se on välittömästi magnesiumin takana. Ensi silmäyksellä tällainen lausunto voi tuntua oudolta: loppujen lopuksi alumiinipannu tai lusikka on melko vakaa ilmassa, eikä se romahda kiehuvassa vedessä. Alumiini, toisin kuin rauta, ei ruostu. Osoittautuu, että ilmassa metalli on peitetty värittömällä, ohuella, mutta vahvalla oksidin "panssariverkolla", joka suojaa metallia hapettumiselta. Joten jos polttimen liekkiin laitetaan paksu alumiinilanka tai 0,5–1 mm paksu levy, metalli sulaa, mutta alumiini ei virtaa, koska se jää oksidipussiinsa. Jos poistat alumiinilta suojakalvon tai löysät sen (esimerkiksi upottamalla elohopeasuolaliuokseen), alumiini paljastaa heti todellisen olemuksensa: jo huoneenlämmössä se alkaa reagoida voimakkaasti veden kanssa ja kehittyy vety: 2Al + 6H2O® 2Al (OH)3 + 3H2. Ilmassa suojakalvoton alumiini muuttuu irtonaiseksi oksidijauheeksi silmiemme edessä: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3. Alumiini on erityisen aktiivinen hienojakoisessa tilassa; alumiinipöly palaa heti liekkiin puhallettuaan. Jos alumiinipölyä sekoitetaan natriumperoksidiin keraamisella levyllä ja seoksen päälle tipputetaan vettä, myös alumiini leimahtaa ja palaa valkoisena liekin.

Alumiinin erittäin korkea affiniteetti happea kohtaan mahdollistaa sen "poistamaan" happea useiden muiden metallien oksideista palauttaen ne (aluminoterminen menetelmä). Tunnetuin esimerkki on termiittiseos, jonka palamisen aikana vapautuu niin paljon lämpöä, että tuloksena oleva rauta sulaa: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Tämän reaktion löysi vuonna 1856 N. N. Beketov. Tällä tavalla on mahdollista palauttaa metalleihin Fe 2 O 3, CoO, NiO, MoO 3, V 2 O 5, SnO 2, CuO ja joukko muita oksideja. Pelkistäessä Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, B 2 O 3 alumiinilla, reaktiolämpö ei riitä lämmittämään reaktiotuotteita niiden sulamispisteen yläpuolelle.

Alumiini liukenee helposti laimeisiin mineraalihappoihin muodostaen suoloja. Väkevä typpihappo hapettamalla alumiinin pintaa edistää oksidikalvon paksuuntumista ja kovettumista (ns. metallin passivointi). Tällä tavalla käsitelty alumiini ei reagoi edes kloorivetyhapon kanssa. Käyttämällä sähkökemiallista anodista hapetusta (anodisointia) alumiinin pinnalle voit luoda paksun kalvon, joka voidaan helposti maalata eri väreillä.

Alumiinin aiheuttama vähemmän aktiivisten metallien syrjäytyminen suolaliuoksista on usein esteenä alumiinipinnalla olevalla suojakalvolla. Kuparikloridi tuhoaa tämän kalvon nopeasti, joten reaktio 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu etenee helposti, mihin liittyy voimakas kuumennus. Vahvissa alkaliliuoksissa alumiini liukenee helposti vetyä vapauttaen: 2Al + 6NaOH + 6H 2 O ® 2Na 3 + 3H 2 (muitakin anionisia hydroksokomplekseja muodostuu myös). Alumiiniyhdisteiden amfoteerisuus ilmenee myös sen juuri saostuneen oksidin ja hydroksidin helpossa liukenemisessa alkaleihin. Kiteinen oksidi (korundi) kestää hyvin happoja ja emäksiä. Kun fuusioidaan alkalien kanssa, muodostuu vedettömiä aluminaatteja: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. Magnesiumaluminaatti Mg (AlO 2) 2 on puolijalokiveä spinellikivi, joka on yleensä värjätty epäpuhtauksilla useissa eri väreissä. .

Alumiini reagoi kiivaasti halogeenien kanssa. Jos ohut alumiinilanka viedään koeputkeen, jossa on 1 ml bromia, alumiini syttyy lyhyen ajan kuluttua ja palaa kirkkaalla liekillä. Alumiini- ja jodijauheen seoksen reaktion käynnistää vesipisara (jodin kanssa muodostuu happoa, joka tuhoaa oksidikalvon), minkä jälkeen tulee kirkas liekki purppuranpunaisten jodihöyryn kerhoineen. Alumiinihalogenidit vesiliuoksissa ovat happamia johtuen hydrolyysistä: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Alumiinin reaktio typen kanssa tapahtuu vain yli 800 °C:ssa, jolloin muodostuu AlN-nitridiä, rikin kanssa 200 °C:ssa (muodostuu Al 2S3 -sulfidia), fosforin kanssa 500 °C:ssa (muodostuu AlP-fosfidia). Kun booria lisätään sulaan alumiiniin, muodostuu borideja, joiden koostumus on AlB 2 ja AlB 12 - tulenkestäviä yhdisteitä, jotka kestävät happoja. Hydridi (AlH) x (x = 1,2) muodostuu vain tyhjiössä alhaisissa lämpötiloissa atomivedyn reaktiossa alumiinihöyryn kanssa. AlH3-hydridiä, joka on stabiili ilman kosteutta huoneenlämpötilassa, saadaan vedettömässä eetteriliuoksessa: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. LiH-ylimäärällä muodostuu suolamainen litiumalumiinihydridi LiAlH 4 - erittäin vahva pelkistävä aine, jota käytetään orgaanisessa synteesissä. Se hajoaa välittömästi veden kanssa: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al (OH) 3 + 4H 2.

Alumiinin hankkiminen.

Dokumentoitu alumiinin löytö tapahtui vuonna 1825. Tanskalainen fyysikko Hans Christian Oersted sai ensimmäisen kerran tämän metallin, kun hän eristi sen kaliumamalgaamin vaikutuksesta vedettömään alumiinikloridiin (saatu johtamalla klooria alumiinioksidin ja hiilen kuuman seoksen läpi). Ajattuaan elohopean pois Oersted sai alumiinin, joka oli kuitenkin epäpuhtauksien saastuttamaa. Vuonna 1827 saksalainen kemisti Friedrich Wöhler sai alumiinia jauhemuodossa pelkistämällä kaliumheksafluoroaluminaattia:

Na3AlF6 + 3K® Al + 3NaF + 3KF. Myöhemmin hän onnistui saamaan alumiinia kiiltävien metallipallojen muodossa. Vuonna 1854 ranskalainen kemisti Henri Etienne Saint-Clair Deville kehitti ensimmäisen teollisen menetelmän alumiinin valmistamiseksi - vähentämällä natriumtetrakloorialuminaatin sulaa: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Alumiini oli kuitenkin edelleen erittäin harvinainen ja kallis metalli; se ei maksa paljon halvempaa kuin kulta ja 1500 kertaa kalliimpi kuin rauta (nyt vain kolme kertaa). Kultasta, alumiinista ja jalokivistä valmistettiin 1850-luvulla helistin Ranskan keisarin Napoleon III:n pojalle. Kun vuonna 1855 Pariisin maailmannäyttelyssä esiteltiin suuri uudella menetelmällä saatu alumiiniharkko, sitä pidettiin jalokivinä. Yhdysvaltain pääkaupungissa sijaitsevan Washington-monumentin yläosa (pyramidin muodossa) oli valmistettu arvokkaasta alumiinista. Tuohon aikaan alumiini ei ollut paljon halvempaa kuin hopea: esimerkiksi Yhdysvalloissa vuonna 1856 sitä myytiin hintaan 12 dollaria paunalta (454 g) ja hopeaa 15 dollarilla. Encyclopedic Dictionary of Brockhaus ja Efron sanoi, että "alumiinia käytetään edelleen pääasiassa pukeutumiseen ... luksustavaroihin." Siihen mennessä kaikkialla maailmassa louhittiin vain 2,5 tonnia metallia vuodessa. Vasta 1800-luvun lopulla, kun elektrolyyttinen menetelmä alumiinin saamiseksi kehitettiin, sen vuotuinen tuotanto alkoi olla tuhansia tonneja, ja 1900-luvulla. -miljoonaa tonnia. Tämä teki alumiinista laajalti saatavilla olevan puolijalometallin.

Nuori amerikkalainen tutkija Charles Martin Hall löysi modernin alumiinin valmistusmenetelmän vuonna 1886. Hän kiinnostui kemiasta jo lapsena. Löydettyään isänsä vanhan kemian oppikirjan hän alkoi tutkia sitä ahkerasti ja kokeilla, kerran jopa saanut äidiltään moitteen ruokapöytäliinan vahingoittamisesta. Ja 10 vuotta myöhemmin hän teki erinomaisen löydön, joka ylisti häntä kaikkialla maailmassa.

Opiskelijaksi 16-vuotiaana tullut Hall kuuli opettajaltaan F.F. Jewettiltä, ​​että jos joku onnistuu kehittämään halvan tavan saada alumiinia, tämä henkilö ei ainoastaan ​​tarjoa valtavaa palvelua ihmiskunnalle, vaan myös ansaitsee valtavasti onni. Jewett tiesi mistä puhui: hän oli aiemmin kouluttautunut Saksassa, työskennellyt Wöhlerillä ja keskustellut hänen kanssaan alumiinin hankintaan liittyvistä ongelmista. Jewett toi mukanaan Amerikkaan myös näytteen harvinaisesta metallista, jonka hän näytti opiskelijoilleen. Yhtäkkiä Hall julisti ääneen: "Haen tämän metallin!"

Kuuden vuoden kova työ jatkui. Hall yritti saada alumiinia eri menetelmillä, mutta tuloksetta. Lopulta hän yritti uuttaa tätä metallia elektrolyysillä. Tuohon aikaan voimalaitoksia ei ollut, virta piti saada suurilla kotitekoisilla akuilla kivihiilestä, sinkistä, typpi- ja rikkihaposta. Hall työskenteli navetassa, johon hän perusti pienen laboratorion. Häntä auttoi hänen sisarensa Julia, joka oli erittäin kiinnostunut veljensä kokeista. Hän piti kaikki hänen kirjeensä ja työpäiväkirjansa, joiden avulla kirjaimellisesti päivä päivältä voi seurata löydön historiaa. Tässä ote hänen muistelmistaan:

”Charles oli aina hyvällä tuulella, ja pahimpinakin päivinä hän pystyi nauramaan epäonnisten keksijöiden kohtalolle. Epäonnistumisen aikoina hän löysi lohtua vanhasta pianostamme. Kotilaboratoriossaan hän työskenteli pitkiä päiviä ilman taukoa; ja kun hän pääsi hetkeksi poistumaan paikalta, hän ryntäsi meidän longhousen läpi leikkimään vähän... Tiesin, että leikkiessään niin viehätysvoimalla ja fiiliksellä hän ajatteli jatkuvasti töitään. Ja musiikki auttoi häntä tässä.

Vaikein osa oli elektrolyytin löytäminen ja alumiinin suojaaminen hapettumiselta. Kuuden kuukauden uuvuttavan työn jälkeen upokkaan ilmestyi lopulta muutama pieni hopeapallo. Hall juoksi välittömästi entisen opettajansa luo kertomaan menestyksestään. "Professori, sain sen!" hän huudahti ojentaen kätensä: hänen kämmenessään makasi tusinaa pientä alumiinipalloa. Tämä tapahtui 23. helmikuuta 1886. Ja tasan kaksi kuukautta myöhemmin, 23. huhtikuuta samana vuonna, ranskalainen Paul Héroux haki patentin samanlaiselle keksinnölle, jonka hän teki itsenäisesti ja melkein samanaikaisesti (kaksi muuta yhteensattumaa ovat silmiinpistäviä: molemmat Hall ja Héroux syntyivät vuonna 1863 ja kuolivat vuonna 1914).

Nyt Hallin hankkimia ensimmäisiä alumiinipalloja säilytetään American Aluminium Companyssa Pittsburghissa kansallisena jäännöksenä, ja hänen korkeakoulussaan on alumiinista valettu monumentti Hallille. Myöhemmin Jewett kirjoitti: ”Tärkein löytöni oli ihmisen löytäminen. Se oli Charles M. Hall, joka 21-vuotiaana löysi tavan ottaa talteen alumiinia malmista ja teki alumiinista sen upean metallin, jota käytetään nykyään laajalti kaikkialla maailmassa. Jewettin ennustus toteutui: Hall sai laajan tunnustuksen, hänestä tuli monien tieteellisten yhdistysten kunniajäsen. Mutta hänen henkilökohtainen elämänsä epäonnistui: morsian ei halunnut sietää sitä tosiasiaa, että hänen sulhasensa viettää koko ajan laboratoriossa, ja katkaisi kihlauksen. Hall sai lohtua kotiopistostaan, jossa hän työskenteli loppuelämänsä. Kuten Charlesin veli kirjoitti: "Oppilaitos oli hänen vaimonsa ja lapsensa ja kaikki, koko hänen elämänsä." Hall testamentti yliopistolle myös suurimman osan perinnöstään - 5 miljoonaa dollaria. Hall kuoli leukemiaan 51-vuotiaana.

Hallin menetelmä mahdollisti suhteellisen edullisen alumiinin saamisen sähköllä suuressa mittakaavassa. Jos vuosina 1855-1890 saatiin vain 200 tonnia alumiinia, niin seuraavan vuosikymmenen aikana Hall-menetelmän mukaan tätä metallia saatiin 28 000 tonnia kaikkialla maailmassa! Vuoteen 1930 mennessä alumiinin vuosituotanto oli saavuttanut 300 000 tonnia. Nykyään alumiinia tuotetaan yli 15 miljoonaa tonnia vuosittain. Erikoiskylvyissä, joiden lämpötila on 960–970 ° C, alumiinioksidiliuos (tekninen Al 2 O 3) elektrolyysi suoritetaan sulassa kryoliitti Na 3 AlF 6:ssa, joka louhitaan osittain mineraalin muodossa ja osittain erityisesti. syntetisoitu. Nestemäinen alumiini kerääntyy kylvyn pohjalle (katodi), happea vapautuu hiilianodeille, jotka palavat vähitellen. Pienellä jännitteellä (noin 4,5 V) elektrolysaattorit kuluttavat valtavia virtoja - jopa 250 000 A! Päivän aikana yksi elektrolysaattori tuottaa noin tonnin alumiinia. Tuotanto vaatii suuria määriä sähköä: 15 000 kilowattituntia sähköä kuluu yhden metallitonnin valmistukseen. Tämä sähkömäärä kuluttaa suuren 150 asunnon talon kokonaisen kuukauden. Alumiinin valmistus on ympäristölle vaarallista, koska ilma on saastunut haihtuvilla fluoriyhdisteillä.

Alumiinin käyttö.

Jopa D.I.Mendelejev kirjoitti, että "metallialumiini, jolla on suuri keveys ja lujuus sekä pieni vaihtelu ilmassa, sopii erittäin hyvin joihinkin tuotteisiin." Alumiini on yksi yleisimmistä ja halvimmista metalleista. Ilman sitä on vaikea kuvitella nykyaikaista elämää. Ei ihme, että alumiinia kutsutaan 1900-luvun metalliksi. Se soveltuu hyvin käsittelyyn: takomiseen, leimaamiseen, valssaukseen, piirtämiseen, puristamiseen. Puhdas alumiini on melko pehmeä metalli; siitä valmistetaan sähköjohtoja, rakenneosia, elintarvikefoliota, keittiövälineitä ja "hopeamaalia". Tätä kaunista ja kevyttä metallia käytetään laajalti rakentamisessa ja lentotekniikassa. Alumiini heijastaa valoa erittäin hyvin. Siksi sitä käytetään peilien valmistukseen - metallipinnoituksella tyhjiössä.

Lentokone- ja koneenrakennuksessa rakennusrakenteiden valmistuksessa käytetään paljon kovempia alumiiniseoksia. Yksi tunnetuimmista on alumiiniseos kuparin ja magnesiumin kanssa (duralumiini tai yksinkertaisesti "duralumiini"; nimi tulee saksalaisesta Dürenin kaupungista). Tämä seos saa kovettumisen jälkeen erityisen kovuuden ja tulee noin 7 kertaa vahvempaa kuin puhdas alumiini. Samalla se on lähes kolme kertaa kevyempi kuin rauta. Se saadaan seostamalla alumiinia pienillä lisäyksillä kuparia, magnesiumia, mangaania, piitä ja rautaa. Siluminit ovat laajalle levinneitä - alumiiniseoksia piin kanssa. Valmistetaan myös lujia, kryogeenisiä (pakkaskestäviä) ja lämmönkestäviä metalliseoksia. Suoja- ja koristepinnoitteet levitetään helposti alumiiniseoksista valmistettuihin tuotteisiin. Alumiiniseosten keveys ja lujuus olivat erityisen hyödyllisiä lentotekniikassa. Esimerkiksi helikopterin potkurit on valmistettu alumiinin, magnesiumin ja piin seoksesta. Suhteellisen halvalla alumiinipronssilla (jopa 11 % Al) on korkeat mekaaniset ominaisuudet, se on stabiili merivedessä ja jopa laimeassa suolahapossa. Alumiinipronssista Neuvostoliitossa vuosina 1926–1957 lyötiin kolikoita 1, 2, 3 ja 5 kopeikan nimellisarvoilla.

Tällä hetkellä neljännes kaikesta alumiinista käytetään rakentamiseen, saman verran kuluu liikennetekniikka, noin 17 % käytetään pakkausmateriaaleihin ja tölkkeihin, 10 % sähkötekniikkaan.

Alumiini sisältää myös monia palavia ja räjähtäviä seoksia. Alumotol, valettu seos trinitrotolueenista alumiinijauheen kanssa, on yksi tehokkaimmista teollisista räjähteistä. Ammonaali on räjähtävä aine, joka koostuu ammoniumnitraatista, trinitrotolueenista ja alumiinijauheesta. Polttoainekoostumukset sisältävät alumiinia ja hapettavaa ainetta - nitraattia, perkloraattia. Pyrotekniset koostumukset "Zvezdochka" sisältävät myös jauhemaista alumiinia.

Alumiinijauheen seosta metallioksidien (termiitti) kanssa käytetään tiettyjen metallien ja metalliseosten valmistukseen, kiskojen hitsaukseen, sytytysammuksiin.

Alumiini on löytänyt käytännön käyttöä myös rakettipolttoaineena. 1 kg alumiinin täydellinen palaminen vaatii lähes neljä kertaa vähemmän happea kuin 1 kg kerosiinia. Lisäksi alumiini voi hapettua vapaan hapen lisäksi myös sitoutuneella hapella, joka on osa vettä tai hiilidioksidia. Alumiinin "polton" vedessä vapautuu 8800 kJ 1 kg tuotetta kohti; Tämä on 1,8 kertaa vähemmän kuin silloin, kun metalli poltetaan puhtaassa hapessa, mutta 1,3 kertaa enemmän kuin poltettaessa metallia ilmassa. Tämä tarkoittaa, että pelkkää vettä voidaan käyttää vaarallisten ja kalliiden yhdisteiden sijasta tällaisen polttoaineen hapettimena. Ajatuksen alumiinin käytöstä polttoaineena ehdotti jo vuonna 1924 venäläinen tiedemies ja keksijä F.A. Zander. Hänen suunnitelmansa mukaan avaruusaluksen alumiinielementtejä voidaan käyttää lisäpolttoaineena. Tätä rohkeaa projektia ei ole vielä käytännössä toteutettu, mutta suurin osa tällä hetkellä tunnetuista kiinteistä rakettien ponneaineista sisältää alumiinimetallia hienojakoisena jauheena. 15 % alumiinin lisääminen polttoaineeseen voi nostaa palamistuotteiden lämpötilaa tuhat astetta (2200 K:sta 3200 K:een); myös palamistuotteiden poistumisnopeus moottorin suuttimesta kasvaa huomattavasti - tärkein energiaindikaattori, joka määrittää rakettipolttoaineen tehokkuuden. Tässä suhteessa vain litium, beryllium ja magnesium voivat kilpailla alumiinin kanssa, mutta ne ovat kaikki paljon kalliimpia kuin alumiini.

Alumiiniyhdisteitä käytetään myös laajasti. Alumiinioksidi on tulenkestävä ja hankaava (hioma)materiaali, raaka-aine keramiikan valmistukseen. Siitä valmistetaan myös lasermateriaaleja, kellon laakereita, korukiviä (keinotekoisia rubiineja). Kalsinoitu alumiinioksidi on adsorbentti kaasujen ja nesteiden puhdistamiseen ja useiden orgaanisten reaktioiden katalyytti. Vedetön alumiinikloridi on katalyytti orgaanisessa synteesissä (Friedel-Crafts-reaktio), lähtöaine erittäin puhtaan alumiinin saamiseksi. Alumiinisulfaattia käytetään veden puhdistukseen; reagoivat sen sisältämän kalsiumbikarbonaatin kanssa:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca (HCO 3) 2 ® 2AlO (OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O, se muodostaa oksidihydroksidihiutaleita, jotka laskeutuessaan, vangitsevat ja myös sorboivat pinnalla, joka sijaitsee veteen suspendoituneita epäpuhtauksia ja jopa mikro-organismeja. Lisäksi alumiinisulfaattia käytetään peittausaineena kankaiden värjäykseen, nahan parkitsemiseen, puun säilöntään ja paperin liimaukseen. Kalsiumaluminaatti on sideaineiden, mukaan lukien portlandsementin, komponentti. Yttrium-alumiinigranaatti (YAG) YAlO 3 on lasermateriaali. Alumiininitridi on tulenkestävä materiaali sähköuuneihin. Synteettiset zeoliitit (ne kuuluvat alumiinisilikaatteihin) ovat adsorbentteja kromatografiassa ja katalyyteissä. Organoalumiiniyhdisteet (esim. trietyylialumiini) ovat Ziegler-Natta-katalyyttien komponentteja, joita käytetään polymeerien, mukaan lukien korkealaatuisen synteettisen kumin, synteesiin.

Ilja Leenson

Kirjallisuus:

Tikhonov V.N. Alumiinin analyyttinen kemia. M., "Science", 1971
Suosittu kemiallisten alkuaineiden kirjasto. M., "Science", 1983
Craig N.C. Charles Martin Hall ja hänen metallinsa. J. Chem.Educ. 1986, voi. 63, nro 7
Kumar V., Milewski L. Charles Martin Hall ja suuri alumiinivallankumous. J. Chem.Educ., 1987, voi. 64, nro 8