Alumínio em sua forma pura foi isolado pela primeira vez por Friedrich Wöhler. Um químico alemão aqueceu cloreto de elemento anidro com potássio metálico. Aconteceu na segunda metade do século XIX. Antes do século 20 kg de alumínio custa mais.

Somente os ricos e o estado podiam comprar o novo metal. O motivo do alto custo é a dificuldade de separar o alumínio de outras substâncias. O método de extração do elemento em escala industrial foi proposto por Charles Hall.

Em 1886, ele dissolveu o óxido em uma fusão de criolita. O alemão colocou a mistura em um recipiente de granito e conectou uma corrente elétrica a ela. Placas de metal puro assentadas no fundo do recipiente.

Propriedades químicas e físicas do alumínio

Qual alumínio? Branco prateado, brilhante. Portanto, Friedrich Wöhler comparou os grânulos de metal com os quais recebeu. Mas, havia uma ressalva - o alumínio é muito mais leve.

A plasticidade é quase preciosa e. o alumínio é uma substância, sem problemas de alongamento em fios finos e folhas. Basta lembrar a folha. É feito com base no 13º elemento.

O alumínio é leve devido à sua baixa densidade. É três vezes menor que a do ferro. Ao mesmo tempo, o 13º elemento quase não é inferior em força.

Essa combinação tornou o metal prata indispensável na indústria, por exemplo, na produção de peças para automóveis. Estamos falando de produção artesanal, porque soldagem de alumínio possível mesmo em casa.

fórmula de alumínio permite refletir ativamente a luz, mas também os raios de calor. A condutividade elétrica do elemento também é alta. O principal é não superaquecer. Ele vai derreter a 660 graus. Aumente a temperatura um pouco mais - vai queimar.

O metal desaparecerá, apenas óxido de alumínio. Também é formado sob condições padrão, mas apenas na forma de um filme de superfície. Ele protege o metal. Portanto, resiste bem à corrosão, pois o acesso de oxigênio é bloqueado.

O filme de óxido também protege o metal da água. Se a placa for removida da superfície do alumínio, começará uma reação com H 2 O. Gases de hidrogênio serão liberados mesmo à temperatura ambiente. De modo a, barco de alumínio não se transforma em fumaça apenas devido ao filme de óxido e pintura protetora aplicada no casco do navio.

Mais ativo interação de alumínio com não metais. As reações com bromo e cloro ocorrem mesmo em condições normais. Como resultado, eles formam sais de alumínio. Os sais de hidrogênio são obtidos combinando o 13º elemento com soluções ácidas. A reação também ocorrerá com álcalis, mas somente após a remoção do filme de óxido. O hidrogênio puro será liberado.

Aplicação de alumínio

O metal é pulverizado nos espelhos. Boa refletância de luz. O processo ocorre sob condições de vácuo. Eles fazem não apenas espelhos padrão, mas objetos com superfícies espelhadas. São eles: telhas cerâmicas, eletrodomésticos, lâmpadas.

Dueto alumínio-cobre- base de duralumínio. É simplesmente chamado de Dural. Conforme adicionado. A composição é 7 vezes mais forte que o alumínio puro, portanto, é adequada para o campo da engenharia mecânica e design de aeronaves.

O cobre dá força ao 13º elemento, mas não peso. Dural permanece 3 vezes mais leve que o ferro. pequeno massa de alumínio- uma promessa de leveza de carros, aviões, navios. Isso simplifica o transporte, a operação, reduz o preço dos produtos.

Compre alumínio os fabricantes de automóveis também se esforçam porque os compostos protetores e decorativos são facilmente aplicados às suas ligas. A tinta assenta mais rápido e uniformemente do que em aço, plástico.

Ao mesmo tempo, as ligas são maleáveis, fáceis de processar. Isso é valioso, dada a massa de curvas e transições construtivas nos modelos de carros modernos.

O 13º elemento não é apenas fácil de tingir, mas também pode atuar como um corante. Comprado na indústria têxtil sulfato de alumínio. Também é útil na impressão, onde são necessários pigmentos insolúveis.

É interessante que solução sulfato alumínio também usado para purificação de água. Na presença de um “agente”, as impurezas nocivas precipitam e são neutralizadas.

Neutraliza o 13º elemento e ácidos. Ele é especialmente bom neste papel. hidróxido de alumínio. É valorizado em farmacologia, medicina, somando-se a medicamentos para azia.

O hidróxido também é prescrito para úlceras, processos inflamatórios do trato intestinal. Então, há também um medicamento de farmácia alumínio. Ácido no estômago - uma razão para aprender mais sobre essas drogas.

Na URSS, também foram cunhados bronzes com 11% de adição de alumínio. O valor dos sinais é de 1, 2 e 5 copeques. Começaram a produzir em 1926, terminando em 1957. Mas a produção de latas de alumínio para alimentos enlatados não parou.

Carne estufada, saury e outros cafés da manhã de turistas ainda são embalados em recipientes baseados no 13º elemento. Essas latas não reagem com alimentos, enquanto são leves e baratas.

O pó de alumínio faz parte de muitas misturas explosivas, incluindo pirotecnia. Na indústria, são utilizados mecanismos subversivos à base de trinitrotolueno e do elemento triturado 13. Um poderoso explosivo também é obtido pela adição de nitrato de amônio ao alumínio.

A indústria do petróleo precisa cloreto de alumínio. Desempenha o papel de um catalisador na decomposição da matéria orgânica em frações. O petróleo tem a capacidade de liberar hidrocarbonetos gasosos e leves do tipo gasolina, interagindo com o cloreto do 13º metal. O reagente deve ser anidro. Após a adição de cloreto, a mistura é aquecida a 280 graus Celsius.

Na construção, muitas vezes misturo sódio e alumínio. Acontece um aditivo ao concreto. O aluminato de sódio acelera seu endurecimento acelerando a hidratação.

A taxa de microcristalização aumenta, o que significa que a resistência e a dureza do concreto aumentam. Além disso, o aluminato de sódio evita a corrosão das conexões colocadas na solução.

Mineração de alumínio

Metal fecha os três primeiros mais comuns na terra. Isso explica sua disponibilidade e ampla aplicação. No entanto, a natureza não dá o elemento ao homem em sua forma pura. O alumínio deve ser isolado de vários compostos. A maior parte do 13º elemento está nas bauxitas. São rochas argilosas, concentradas principalmente na zona tropical.

A bauxita é triturada, depois seca, triturada novamente e moída na presença de um pequeno volume de água. Acontece uma massa espessa. É aquecido com vapor. Ao mesmo tempo, a maior parte da bauxita também não é pobre evapora. O óxido do 13º metal permanece.

É colocado em banhos industriais. Eles já contêm criolita derretida. A temperatura é mantida em torno de 950 graus Celsius. Também precisamos de uma corrente elétrica com potência de pelo menos 400 kA. Ou seja, a eletrólise é usada, assim como há 200 anos, quando o elemento foi isolado por Charles Hall.

Ao passar por uma solução quente, a corrente quebra as ligações entre o metal e o oxigênio. Como resultado, no fundo dos banhos permanece limpo alumínio. Reações finalizado. O processo é completado por vazamento do sedimento e envio para o consumidor, ou usando-os para formar várias ligas.

A principal produção de alumínio está localizada no mesmo local das jazidas de bauxita. Na vanguarda está a Guiné. Quase 8.000.000 de toneladas do 13º elemento estão escondidas em suas entranhas. A Austrália está em 2º lugar com indicador de 6.000.000. No Brasil, o alumínio já é 2 vezes menor. As reservas globais são estimadas em 29 milhões de toneladas.

preço do alumínio

Por uma tonelada de alumínio pedem quase 1.500 dólares americanos. Estes são os dados das bolsas de metais não ferrosos em 20 de janeiro de 2016. O custo é fixado principalmente pelos industriais. Mais precisamente, o preço do alumínio é afetado por sua demanda por matérias-primas. Afeta as solicitações dos fornecedores e o custo da eletricidade, porque a produção do 13º elemento é intensiva em energia.

Outros preços são definidos para o alumínio. Ele vai para o colapso. O custo é anunciado por quilograma, e a natureza do material entregue é importante.

Então, para metal elétrico, eles dão cerca de 70 rublos. Para alumínio de qualidade alimentar, você pode obter de 5 a 10 rublos a menos. O mesmo é pago para metal de motor. Se uma variedade mista for alugada, seu preço é de 50 a 55 rublos por quilo.

O tipo mais barato de sucata é aparas de alumínio. Pois consegue ganhar apenas 15-20 rublos. Um pouco mais será dado para o 13º elemento. Isso se refere a recipientes para bebidas, alimentos enlatados.

Os radiadores de alumínio também são subestimados. O preço por quilo de sucata é de cerca de 30 rublos. São números médios. Em diferentes regiões, em diferentes pontos, o alumínio é aceito mais caro ou mais barato. Muitas vezes o custo dos materiais depende dos volumes entregues.

Os compostos de alumínio são conhecidos pelo homem desde os tempos antigos. Um deles era aglutinantes, que incluem alúmen de alumínio-potássio КAl(SO4)2. Eles têm sido amplamente utilizados. Eles foram usados ​​como um mordente e como uma rolha de sangue. A impregnação da madeira com uma solução de alúmen de potássio a tornava incombustível. Um fato histórico interessante é conhecido, como Arquelau, um comandante de Roma durante a guerra com os persas, ordenou que as torres que serviam como estruturas defensivas fossem manchadas com alume. Os persas nunca conseguiram queimá-los.

Outro dos compostos de alumínio foram as argilas naturais, que incluem o óxido de alumínio Al2O3.

As primeiras tentativas de obter alumínio apenas em meados do século XIX. Uma tentativa feita pelo cientista dinamarquês H.K. Oersted foi bem sucedida. Para obtê-lo, ele usou potássio amalgamado como agente redutor do óxido de alumínio. Mas que tipo de metal foi obtido então não foi possível descobrir. Algum tempo depois, dois anos depois, o alumínio foi obtido pelo químico alemão Wehler, que obteve alumínio usando o aquecimento de cloreto de alumínio anidro com potássio metálico. Muitos anos de trabalho do cientista alemão não foram em vão. Por 20 anos, ele conseguiu preparar metal granulado. Acabou sendo semelhante à prata, mas era muito mais leve do que ela. O alumínio era um metal muito caro e, até o início do século 20, seu valor era superior ao do ouro. Por isso, por muitos e muitos anos, o alumínio tem sido usado como peça de museu. Por volta de 1807, Davy tentou realizar a eletrólise da alumina, recebeu um metal que foi chamado de alumínio (alumínio) ou alumínio (alumínio), que se traduz do latim como alúmen.

A obtenção de alumínio a partir de argilas era de interesse não apenas de cientistas químicos, mas também de industriais. Era muito difícil separar o alumínio de outras substâncias, o que contribuiu para que fosse mais caro que o ouro. Em 1886, o químico Ch.M. Hall propôs um método que possibilitou a obtenção de metal em grandes quantidades. Conduzindo pesquisas, ele dissolveu óxido de alumínio em uma fusão de criolita AlF3 nNaF. A mistura resultante foi colocada em um recipiente de granito e uma corrente elétrica constante foi passada através do fundido. Ele ficou muito surpreso quando, depois de algum tempo, encontrou placas de alumínio puro no fundo do vaso. Este método ainda é o principal para a produção de alumínio em escala industrial. O metal resultante era bom para tudo, exceto para a resistência, que era necessária para a indústria. E este problema foi resolvido. O químico alemão Alfred Wilm fundiu alumínio com outros metais: cobre, manganês e magnésio. O resultado foi uma liga muito mais forte que o alumínio.

§2. Como conseguir

A invenção refere-se a um método para produzir alumínio por separação eletrolítica de soluções aquosas simultaneamente com hidrogênio. O método usa um cátodo de metal líquido, como o gálio. O teor de alumínio no metal é aumentado para 6% em peso, a liga é removida do eletrolisador, resfriada na faixa de 98 a 26°C, e o alumínio é isolado por cristalização, obtendo-se uma solução sólida primária saturada com teor de alumínio de cerca de 80% em peso. A liga de licor-mãe da composição eutética é devolvida à eletrólise como um metal catódico, e a solução sólida primária é fundida e submetida a recristalização a temperaturas abaixo de 660°C, separando sucessivamente o secundário, o terciário, etc. soluções sólidas de líquido para a produção de alumínio de pureza técnica a partir deles. Métodos alternativos de produção de alumínio - o processo carbotérmico, o processo Todt, o processo Kuwahara, a eletrólise de cloretos, a redução do alumínio com sódio - não apresentaram vantagens sobre o método Eru-Hall. O protótipo da presente invenção é nossa proposta anterior de mesmo nome, sob N. A obtenção de alumínio a partir de soluções aquosas simultaneamente com hidrogênio, que é a essência desta invenção, é extremamente tentadora, mas não pode ser realizada devido aos processos de passivação de um cátodo de alumínio sólido com filmes de óxido-hidróxido de composição variável. Nossas tentativas de implementar o processo em soluções de aluminato alcalino, ácido sulfúrico, ácido clorídrico e ácido nítrico foram igualmente malsucedidas. A este respeito, propomos obter alumínio e hidrogênio em um cátodo de metal líquido fluido, por exemplo, em um cátodo de gálio ou um consistindo de uma liga de gálio e alumínio. Outras ligas de baixo ponto de fusão também podem ser usadas. cátodo. Como resultado, a eletrólise é realizada facilmente e, em uma primeira aproximação, simplesmente com uma liberação garantida de alumínio na liga catódica.

Na indústria, o alumínio é obtido por eletrólise de Al2O3 em uma criolita fundida de Na3 a uma temperatura de 950

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

As principais reações dos processos:

CaF2 + H2SO4 → 2HF + CaSO4 (15.h)

SiO2 + 6HF →H2SiF6 + 2H2

HF e H2SiF6 são produtos gasosos presos na água. Para desiliconizar a solução resultante, a quantidade calculada de refrigerante é primeiro introduzida nela:

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

O Na2SiF6 escassamente solúvel é separado e a solução de ácido fluorídrico restante é neutralizada com um excesso de soda e hidróxido de alumínio para obter a criolita:

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

Da mesma forma, NaF e AlF3 podem ser obtidos separadamente se a solução de ácido fluorídrico desiliconizado for neutralizada com uma quantidade calculada de Na2CO3 ou Al(OH)3.

Introdução.

Há cerca de 100 anos, Nikolai Gavrilovich Chernyshevsky disse sobre o alumínio que este metal estava destinado a um grande futuro, que o alumínio era o metal do socialismo. Ele acabou por ser um visionário: no século 20. o elemento nº 13 de alumínio tornou-se a base de muitos materiais estruturais. Elemento do 3º período e grupo IIIA do sistema Periódico. A fórmula eletrônica do átomo 3S23p1 do estado de oxidação é + III e 0.

Pela eletronegatividade (1,47) é o mesmo que o berílio, apresenta propriedades anfotéricas (ácidas e básicas). Em compostos, pode estar na composição de cátions e ânions. Na natureza, o quarto elemento mais comum (o primeiro entre os metais) está em um estado quimicamente ligado. É uma parte de muitos minerais aluminossilicatos, rochas (granitos, pórfiros, basaltos, gnaisses, xistos), várias argilas (argila branca é chamada caulino), bauxita e alumina Al2O3.

É curioso traçar a dinâmica da produção de alumínio ao longo de um século e meio que se passou desde que uma pessoa pegou pela primeira vez um pedaço de metal prateado leve.

Para os primeiros 30 anos, de 1825 a 1855, não há números exatos. Não havia métodos industriais para a produção de alumínio; em laboratórios, era obtido na melhor das hipóteses em quilogramas, mas sim em gramas. Quando um lingote de alumínio foi exibido pela primeira vez na Exposição Mundial de Paris em 1855, foi considerado uma jóia rara. E ele apareceu na exposição porque apenas em 1855, o químico francês Henri Etienne Saint-Clair Deville desenvolveu o primeiro método industrial para a produção de alumínio, baseado no deslocamento do elemento nº 13 pelo sódio metálico a partir de cloreto de sódio duplo e alumínio NaCl AlCl3.

Durante 36 anos, de 1855 a 1890, foram obtidas 200 toneladas de alumínio metálico pelo método de Saint-Clair Deville.

Na última década do século XIX (já por um novo método), foram obtidas 28 mil toneladas de alumínio no mundo.

Em 1930, a fundição mundial desse metal era de 300 mil toneladas.

Em 1975, só os países capitalistas produziram cerca de 10 milhões de toneladas de alumínio, e esses números não são os mais altos. Segundo o American Engineering and Mining Journal, a produção de alumínio nos países capitalistas em 1975 diminuiu 11%, ou 1,4 milhão de toneladas, em comparação com 1974.

Igualmente impressionantes são as mudanças no custo do alumínio. Em 1825, custava 1.500 vezes mais que o ferro, hoje custa apenas três vezes. Hoje, o alumínio é mais caro que o aço carbono comum, mas mais barato que o aço inoxidável. Se calcularmos o custo dos produtos de alumínio e aço, levando em consideração seu peso e resistência relativa à corrosão, verifica-se que hoje em muitos casos é muito mais lucrativo usar alumínio do que aço.

Propriedades físicas do Al

Metal branco prateado, brilhante e dúctil. No ar, é coberto com uma película protetora fosca de Al2O3, que é muito estável e protege o metal da corrosão; passivado em HNO3 concentrado.

Constantes físicas:

M, = 26,982 » 27, p = 2,70 g/cm3

mp 660,37 °С, tbp=2500 °С

Propriedades químicas A eu

Quimicamente ativo, apresenta propriedades anfotéricas - reage com ácidos e álcalis:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + ZH2

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na] + 3H2

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

O alumínio amalgamado reage vigorosamente com a água:

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

Um forte agente redutor, quando aquecido, interage com oxigênio, enxofre, nitrogênio e carbono:

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

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

Com cloro, bromo e iodo, a reação ocorre à temperatura ambiente (o iodo requer um catalisador - uma gota de H2O), os haletos AlCl3, AlBr3 e AlI3 são formados.

Método industrialmente importante aluminotermia:

2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

10Al + ZV2O5 = 5Al2O3 + 6V

O alumínio reduz Nv a N-III:

8Al + 30HNO3 (altamente diluído) \u003d 8Al (NO3) 3 + 3NH4NO3 + 9H2O

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

(a força motriz dessas reações é a liberação intermediária de hidrogênio atômico H°, e na segunda reação, a formação de um complexo hidroxo estável [Al (OH) 4] 3-).

Obtendo e usando Al

Obtenção de Al na indústria - eletrólise de Al2O3 no fundido criolita Na3[AlF6] a 950 °С:

É utilizado como reagente em aluminotermia para obtenção de metais raros e soldagem de estruturas de aço.

O alumínio é o material estrutural mais importante, a base de ligas leves resistentes à corrosão (com magnésio - duralumínio, ou duralumínio, com cobre -- bronze de alumínio, do qual uma pequena mudança é cunhada). O alumínio puro em grande quantidade vai para a fabricação de pratos e fios elétricos.

Óxido de alumínio Al 2 O 3

Pó amorfo branco ou cristais brancos muito duros. Constantes físicas:

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

O Al2O3 cristalino é quimicamente passivo, o amorfo é mais ativo. Reage lentamente com ácidos e álcalis em solução, exibindo propriedades anfotéricas:

Al2O3 + 6HCl(conc.) = 2AlCl3 + 3H2O

Al2O3 + 2NaOH(conc.) + 3H2O = 2Na

(NaAlO2 é formado na fusão alcalina). A segunda reação é usada para "abrir" as bauxitas.

Além de matéria-prima para a produção de alumínio, o Al2O3 na forma de pó serve como componente de materiais refratários, quimicamente resistentes e abrasivos. Na forma de cristais, é utilizado para a fabricação de lasers e gemas sintéticas (rubis, safiras, etc.), coloridas com impurezas de outros óxidos metálicos - Cr2O3 (vermelho), Ti2O3 e Fe2O3 (azul).

Hidróxido de alumínio Al(OH)3

Branco amorfo (semelhante a gel) ou cristalino. Praticamente insolúvel em água. Constantes físicas:

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

t decom > 170 °С

Quando aquecido, decompõe-se passo a passo, formando um produto intermediário - metahidróxido AlO(OH):

Mostra propriedades ácidas e básicas anfotéricas, igualmente pronunciadas:

Quando fundido com NaOH, NaAlO é formado.

Por recebendo o precipitado Al (OH) 3 alcalino geralmente não é usado (devido à facilidade de transição do precipitado para a solução), mas os sais de alumínio são tratados com hidrato de amônia;

Al (OH) 3 é formado à temperatura ambiente, e AlO (OH) menos ativo é formado durante a ebulição:

Uma maneira conveniente de obter Al(OH)3 é passar CO2 através de uma solução de complexo hidroxo:

[Al(OH)4]- + CO2 = Al(OH)3¯+ HCO3-

É utilizado para a síntese de sais de alumínio, corantes orgânicos; como um medicamento para hiperacidez do suco gástrico.

sais de alumínio

Sais de alumínio e ácidos fortes são altamente solúveis em água e sofrem hidrólise de cátions em grande medida, criando um ambiente fortemente ácido no qual metais como magnésio e zinco se dissolvem:

a) AlCl3 \u003d Alz ++ ZCl-

Al3++H2OÛAlOH2++H+

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

O fluoreto de AlF3 e o ortofosfato de AlPO4 são insolúveis em água, e sais de ácidos muito fracos, por exemplo H2CO3, não são formados por precipitação de uma solução aquosa.

Os sais duplos de alumínio são conhecidos - alúmen composição MIAl(SO4)2 12H2O (MI=Na+, K+, Rb+, Cs+, TI+, NH4+), o mais comum deles alúmen de potássio KAl(SO4)2 12H2O.

Compostos binários de alumínio

Compostos com ligações predominantemente covalentes, como sulfeto de AlS3 e carbeto de AlC3.

Completamente decomposto pela água:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 ¯ + 3H2S

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 ¯+ CH4

Esses compostos são usados ​​como fontes de gases puros - H2S e CH4.

Interesse, interesse...

8,80% da massa da crosta terrestre é composta de alumínio – o terceiro elemento mais comum em nosso planeta. A produção mundial de alumínio está em constante crescimento. Agora é cerca de 2% da produção de aço, se contabilizada em peso. E se por volume, então 5 ... 6%, já que o alumínio é quase três vezes mais leve que o aço. O alumínio empurrou com confiança o cobre e todos os outros metais não ferrosos para o terceiro e subseqüentes lugares, tornando-se o segundo metal mais importante da Idade do Ferro em andamento. Segundo as previsões, até o final deste século, a participação do alumínio na produção total de metais deve chegar a 4...5% em peso.

Há muitas razões para isso, as principais são a prevalência do alumínio, por um lado, e um excelente conjunto de propriedades - leveza, ductilidade, resistência à corrosão, condutividade elétrica, versatilidade no sentido pleno da palavra - por outro .

O alumínio chegou à tecnologia tarde porque em compostos naturais ele está firmemente ligado a outros elementos, principalmente com oxigênio e através de oxigênio com silício, e é preciso muito esforço e energia para destruir esses compostos e liberar o metal prateado leve deles.

O primeiro alumínio metálico em 1825 foi obtido pelo famoso físico dinamarquês Hans Christian Oersted, conhecido principalmente por seu trabalho sobre eletromagnetismo. Oersted passou cloro através de uma mistura quente de alumina (alumina Al2O3) com carvão, e o cloreto de alumínio anidro resultante foi aquecido com amálgama de potássio. Então, como fez Davy, que por sinal não conseguiu obter alumínio por eletrólise da alumina, o amálgama foi decomposto por aquecimento, o mercúrio evaporou e nasceu o alumínio.

Em 1827, Friedrich Wöhler obteve o alumínio de forma diferente, substituindo-o do mesmo cloreto pelo metal potássio. O primeiro método industrial de produção de alumínio, como já mencionado, foi desenvolvido apenas em 1855, e o alumínio tornou-se um metal tecnicamente importante apenas na virada do século XIX ... XX. Por quê?

É evidente que nem todo composto natural de alumínio pode ser considerado minério de alumínio. Em meados e mesmo no final do século XIX. na literatura química russa, o alumínio era frequentemente chamado de argila, seu óxido ainda é chamado de alumina. Nestes termos - uma indicação direta da presença do elemento nº 13 na argila onipresente. Mas a argila é um conglomerado bastante complexo de três óxidos - alumina, sílica e água (mais vários aditivos); é possível extrair alumina dela, mas é muito mais difícil fazer isso do que obter a mesma alumina de uma rocha bastante comum, geralmente marrom-avermelhada, que recebeu o nome da área de Les Baux, no sul da França.

Esta rocha - bauxita contém de 28 a 60% de Al2O3. Sua principal vantagem é que contém pelo menos duas vezes mais alumina que a sílica. E a sílica é a impureza mais prejudicial neste caso, é a mais difícil de se livrar dela. Além desses óxidos, a bauxita sempre contém óxido de ferro Fe2O3, também contém óxidos de titânio, fósforo, manganês, cálcio e magnésio.

Durante a Segunda Guerra Mundial, quando muitos países em guerra não dispunham de alumínio suficiente obtido da bauxita, outros tipos de matérias-primas foram usados ​​se necessário: ​​A Itália recebeu alumínio da lava do Vesúvio, EUA e Alemanha - de argilas de caulim, Japão - de xisto e alunite. Mas esse alumínio custava em média cinco vezes mais que o alumínio bauxita, e depois da guerra, quando reservas colossais dessa rocha foram descobertas na África, América do Sul e depois na Austrália, a indústria do alumínio em todo o mundo voltou às matérias-primas tradicionais de bauxita.

Na União Soviética, existem métodos testados em fábrica para a produção de alumínio com base nas rochas nefelinosienita e nefelinaapatita. Na RSS do Azerbaijão, o desenvolvimento industrial da alunite como matéria-prima complexa, incluindo o alumínio, começou há muito tempo. Mas a natureza não nos privou da melhor matéria-prima de alumínio - a bauxita. Temos as regiões de bauxita de Ural do Norte e Turgai (localizado no Cazaquistão): existem bauxitas na Sibéria Ocidental e Oriental, no noroeste da parte européia do país. Com base no depósito de bauxita de Tikhvin e na energia da usina hidrelétrica de Volkhovskaya, o primogênito da indústria doméstica de alumínio, a fábrica de alumínio Volkhov, começou seu trabalho em 1932. A eletricidade barata de enormes usinas hidrelétricas siberianas e usinas distritais estaduais tornou-se um importante "componente" da indústria de alumínio em rápido desenvolvimento na Sibéria.

Começamos a falar sobre energia não por acaso. A produção de alumínio é intensiva em energia. O óxido de alumínio puro funde a uma temperatura de 2050°C e não se dissolve em água, e para obter o alumínio deve ser submetido à eletrólise. Era necessário encontrar uma forma de reduzir de alguma forma o ponto de fusão da alumina para pelo menos 1000°C; somente sob esta condição o alumínio poderia se tornar um metal tecnicamente importante. Este problema foi brilhantemente resolvido pelo jovem cientista americano Charles Martin Hall e quase simultaneamente com ele pelo francês Paul Héroux. Eles descobriram que a alumina se dissolve bem na criolita 3NaF · AlF3. Esta solução é submetida a eletrólise nas atuais fábricas de alumínio a uma temperatura de 950°C.

O aparelho de eletrólise é um banho de ferro revestido com tijolos refratários com blocos de carvão que atuam como cátodos. O alumínio fundido é liberado sobre eles e o oxigênio é liberado nos ânodos, reagindo com o material do ânodo (geralmente carvão). Os banhos operam em baixa tensão - 4,0 ... 4,5 V, mas em alta corrente - até 150 mil A.

De acordo com dados americanos, nas últimas três décadas, o consumo de energia na fundição de alumínio diminuiu em um terço, mas ainda assim essa produção continua sendo bastante intensiva em energia.

Como ele é

Dos banhos eletrolíticos, o alumínio geralmente é removido usando uma concha a vácuo e, após a purga com cloro (para remover principalmente as impurezas não metálicas), é derramado em moldes. Nos últimos anos, os lingotes de alumínio estão sendo cada vez mais fundidos pelo método contínuo. Acontece alumínio tecnicamente puro, no qual o metal base é 99,7% (as principais impurezas: sódio, ferro, silício, hidrogênio). É esse alumínio que entra na maioria das indústrias. Se for necessário um metal mais puro, o alumínio é refinado de uma forma ou de outra. O refino eletrolítico com eletrólitos orgânicos permite obter alumínio com pureza de 99,999%. O alumínio ainda mais puro para as necessidades da indústria de semicondutores é obtido por fusão por zona ou destilação através de subfluoreto.

Este último parece precisar de uma explicação. O alumínio a ser purificado é aquecido sob vácuo a 1000°C na presença de AlF3. Este sal sublima sem derreter. A interação do alumínio com o fluoreto de alumínio leva à formação do subfluoreto AlF, uma substância instável na qual o alumínio é formalmente monovalente. Em temperaturas abaixo de 800°C, o subfluoreto se decompõe novamente em fluoreto e alumínio puro, enfatizamos, puro, pois as impurezas resultantes dessa perturbação passam para a composição do fluoreto.

Aumentar a pureza do metal afeta suas propriedades. Quanto mais puro o alumínio, mais leve ele é, embora não muito, maior sua condutividade térmica e elétrica, refletividade e ductilidade. O aumento da resistência química é especialmente perceptível. Este último é explicado pela maior continuidade do filme de óxido protetor, que cobre tanto o alumínio técnico ultrapuro quanto o comum no ar.

No entanto, todas as vantagens listadas do alumínio ultrapuro são, em certa medida, também características do alumínio comum. O alumínio é leve - todo mundo sabe disso, sua densidade é de 2,7 g / cm3 - quase 3 vezes menor que a do aço e 3,3 vezes menor que a do cobre. E a condutividade elétrica do alumínio é apenas um terço inferior à condutividade elétrica do cobre. Essas circunstâncias e o fato de o alumínio ter se tornado muito mais barato que o cobre (hoje - cerca de 2,5 vezes) causou o uso massivo de alumínio em fios e em geral na engenharia elétrica.

A alta condutividade térmica, aliada a uma resistência química mais do que satisfatória, fez do alumínio um material promissor para trocadores de calor e outros dispositivos na indústria química, refrigeradores domésticos, radiadores de automóveis e tratores. A alta refletividade do alumínio acabou sendo muito útil na fabricação de refletores poderosos, grandes telas de televisão e espelhos em sua base. A pequena captura de nêutrons fez do alumínio um dos metais mais importantes na tecnologia nuclear.

Todas essas inúmeras vantagens do alumínio tornam-se ainda mais significativas porque este metal é altamente tecnológico. É perfeitamente processado por pressão - laminação, prensagem, estampagem, forjamento. Esta propriedade útil é baseada na estrutura cristalina do alumínio. Sua treliça de cristal é formada por cubos com faces centradas; distância entre planos paralelos 4,04 Ǻ. Metais construídos dessa maneira geralmente aceitam bem a deformação plástica. O alumínio não é exceção.

No entanto, o alumínio é fraco. A resistência à tração do alumínio puro é de apenas 6...8 kg/mm3, e se não fosse por sua capacidade de formar ligas muito mais fortes, o alumínio dificilmente teria se tornado um dos metais mais importantes do século XX.

Sobre os benefícios das fases de envelhecimento e fortalecimento

“O alumínio forma facilmente ligas com vários metais. Destes, apenas uma liga com cobre tem aplicação técnica. Chama-se bronze de alumínio..."

Essas palavras dos Fundamentos de Química de Mendeleev refletem o estado real das coisas que existiam nos primeiros anos do nosso século. Foi então que a última edição vitalícia do famoso livro foi publicada com as últimas correções do autor. De fato, das primeiras ligas de alumínio (a primeira delas foi uma liga com silício, obtida nos anos 50 do século passado), apenas a liga mencionada por Mendeleev encontrou aplicação prática. No entanto, o alumínio era de apenas 11%, e principalmente colheres e garfos eram feitos dessa liga. Muito pouco bronze de alumínio foi para a indústria de relógios.

Enquanto isso, no início do século XX. foram obtidas as primeiras ligas da família do duralumínio. Estas ligas à base de alumínio com adições de cobre e magnésio foram obtidas e estudadas em 1903-1911. famoso cientista alemão A. Wilm. Ele descobriu o fenômeno natural do envelhecimento característico dessas ligas, o que leva a uma melhoria acentuada em suas propriedades de resistência.

No duralumínio, após o endurecimento - resfriamento abrupto de 500 ° C até a temperatura ambiente e manutenção dessa temperatura por 4 ... 5 dias - a resistência e a dureza aumentam muitas vezes. Ao mesmo tempo, a capacidade de deformação não diminui e a resistência à tração aumenta de 6...8 para 36...38 kg/mm2. Esta descoberta foi da maior importância para o desenvolvimento da indústria do alumínio.

E imediatamente começaram as discussões sobre o mecanismo de envelhecimento natural das ligas, sobre por que ocorre o endurecimento. Foi sugerido que durante o envelhecimento do duralumínio endurecido da matriz - uma solução supersaturada de cobre em alumínio - os menores cristais da composição CuAl2 são precipitados e essa fase de fortalecimento leva a um aumento na resistência e dureza da liga como inteira.

Essa explicação parecia bastante satisfatória, mas depois de seu aparecimento, as paixões aumentaram ainda mais, porque ninguém conseguiu examinar partículas da composição CuAl2 em placas de duralumínio polidas com um microscópio óptico. E a realidade de sua existência em uma liga naturalmente envelhecida começou a ser questionada. Isso se justificava ainda mais porque a liberação de cobre da matriz deveria ter reduzido sua resistência elétrica, mas enquanto isso, com o envelhecimento natural do duralumínio, ela aumentava, e isso indicava diretamente que o cobre permanecia em solução sólida.

A situação foi esclarecida apenas por análise de difração de raios-X. Recentemente, graças aos poderosos microscópios eletrônicos, que possibilitam ver através de filmes finos de metal, a imagem ficou clara. A verdade acabou por estar em algum lugar no meio. O cobre não se separa da solução sólida e não permanece dentro dela no mesmo estado. No processo de envelhecimento, acumula-se em regiões em forma de disco com 1 a 3 camadas atômicas de espessura e cerca de 90 Å de diâmetro, formando as chamadas zonas de Guinier-Preston. Eles têm uma estrutura cristalina de solução sólida distorcida; a região da própria solução sólida adjacente à zona também é distorcida.

O número de tais formações é enorme - é expresso como uma unidade com 16 ... 18 zeros para 1 cm da liga. Alterações e distorções da rede cristalina durante a formação das zonas de Guinier-Preston (envelhecimento da zona) são a razão do aumento da resistência do duralumínio durante o envelhecimento natural. As mesmas mudanças aumentam a resistência elétrica da liga. Com o aumento da temperatura de envelhecimento, em vez de zonas com estrutura próxima à do alumínio, aparecem as menores partículas de fases metaestáveis ​​com sua própria rede cristalina (envelhecimento artificial ou, mais precisamente, fase). Esta mudança adicional na estrutura leva a um aumento acentuado na resistência a pequenas deformações plásticas.

Pode-se dizer sem exagero que as asas das aeronaves são mantidas no ar por zonas ou partículas metaestáveis, e se como resultado do aquecimento aparecerem precipitados estáveis ​​em vez de zonas e partículas, as asas perderão sua força e simplesmente se dobrarão.

Na União Soviética na década de 1920, o engenheiro metalúrgico V.A. Butalov desenvolveu uma versão doméstica do duralumínio, chamada alumínio de corrente. A palavra "duralumínio" vem do nome da cidade alemã de Düren, na qual se iniciou a produção industrial desta liga. E a cadeia de alumínio foi feita na vila (agora a cidade) de Kolchugino, região de Vladimir. A primeira aeronave soviética de metal ANT-2 projetada por A.N. era feita de corrente de alumínio. Tupolev.

Tais ligas ainda são importantes para a tecnologia. Da liga D1, em particular, são feitas as pás das hélices das aeronaves. Durante a guerra, quando os pilotos muitas vezes tinham que pousar em plataformas aleatórias ou, sem soltar o trem de pouso, na "barriga", acontecia muitas vezes que as pás da hélice se dobravam ao atingir o solo. Dobrou mas não quebrou! Ali mesmo no campo, eles os endireitaram e voaram novamente com a mesma hélice... Outra liga da mesma família do duralumínio - o D16 é usado de forma diferente na indústria aeronáutica - os painéis das asas inferiores são feitos dele.

Fundamentalmente, novas ligas aparecem quando novas fases de fortalecimento são descobertas. Eles foram pesquisados, pesquisados ​​e serão pesquisados ​​pelos pesquisadores. As fases são, em essência, compostos químicos – compostos intermetálicos que se formam em uma liga e afetam significativamente suas propriedades. Diferentes fases aumentam a resistência, a resistência à corrosão e outras características praticamente importantes da liga de diferentes maneiras. No entanto, desde a descoberta de Wilm, muito poucos foram encontrados - menos de uma dúzia. Sua formação só é possível sob a condição da solubilidade dos elementos correspondentes no alumínio. Obviamente, cada uma das fases de fortalecimento merece uma história bastante detalhada.

Já foi mencionado que a primeira liga de alumínio foi sua liga com silício, um vizinho na tabela periódica. Mas as propriedades dessa liga eram insatisfatórias e, portanto, por muito tempo, acreditou-se que a adição de silício ao alumínio era prejudicial. Mas já no início dos anos 20 do nosso século estava firmemente estabelecido que as ligas do sistema Al - Mg - Si (fase Mg2Si) têm, como duralumínios, o efeito de endurecimento durante o envelhecimento. A resistência à tração dessas ligas é de 12 a 36 kg / mm2, dependendo do teor de silício e magnésio e da adição de cobre e manganês.

Essas ligas são amplamente utilizadas na construção naval, bem como na construção moderna. Um detalhe interessante: hoje em alguns países (nos EUA, por exemplo) se gasta mais alumínio na construção do que em todos os meios de transporte combinados: aviões, navios, vagões, carros. Em nosso país, as ligas de alumínio foram amplamente utilizadas na construção do Palácio dos Pioneiros nas colinas de Lenin e no prédio do Comitê de Padrões da URSS na Leninsky Prospekt em Moscou, no Palácio dos Esportes em Kiev e em muitos outros edifícios modernos. Milhares de casas pré-fabricadas de alumínio "funcionam" com sucesso no Ártico e nas regiões montanhosas, onde não há materiais de construção locais nas proximidades ou a construção está repleta de enormes dificuldades. As casas de alumínio (principalmente) são entregues a esses locais por aviões e helicópteros (principalmente) de alumínio.

A propósito, sobre helicópteros. As pás de suas hélices são feitas em todo o mundo a partir de ligas do sistema Al - Mg - Si, porque essas ligas têm uma resistência à corrosão muito alta e resistem bem às cargas de vibração. É esta propriedade que é de suma importância para os pilotos de helicóptero e seus passageiros. Os menores defeitos de corrosão podem acelerar drasticamente o desenvolvimento de trincas por fadiga. Para a tranquilidade dos passageiros, notamos que, na realidade, as rachaduras de fadiga se desenvolvem muito lentamente e todos os helicópteros são equipados com dispositivos que dão ao piloto um sinal sobre o aparecimento da primeira pequena rachadura. E então as lâminas são trocadas, apesar de poderem trabalhar por mais centenas de horas.

O efeito do envelhecimento também é inerente às ligas do sistema Al – Zn – Mg. Este sistema imediatamente provou ser duas vezes recordista: um recordista em força - nos anos 20, ligas de alumínio-zinco-magnésio com uma resistência de 55 ... ligas ternárias racharam ou até desmoronaram sob a influência da corrosão atmosférica, mesmo em processo de envelhecimento, bem no pátio da fábrica.

Há décadas, pesquisadores de diversos países buscam uma oportunidade para melhorar a resistência à corrosão dessas ligas. No final, já na década de 50, surgiram as ligas de alumínio de alta resistência com zinco e magnésio, que apresentavam resistência à corrosão satisfatória. Entre eles estão as ligas domésticas B95 e B96. Nessas ligas, além dos três componentes principais, há também cobre, cromo, manganês, zircônio. Com essa combinação de elementos químicos, a natureza da decomposição de uma solução sólida supersaturada muda significativamente, razão pela qual a resistência à corrosão da liga aumenta.

No entanto, quando o projetista de aeronaves O.K. Antonov começou a criar uma aeronave gigante "Antey" e para o quadro de força "Antey" exigia grandes peças forjadas e estampadas, força igual em todas as direções, as ligas B95 e B96 não se encaixavam. Na liga para Antey, pequenas adições de manganês, zircônio e cromo tiveram que ser substituídas por ferro. Foi assim que surgiu a famosa liga B93.

Na última década, surgiram novas exigências. Para as chamadas aeronaves de fuselagem larga do futuro próximo, projetadas para 300 ... 500 passageiros e 30 ... 50 mil horas de voo, os principais critérios são crescentes - confiabilidade e durabilidade. Aeronaves de fuselagem larga e ônibus aéreos consistirão em 70...80% de ligas de alumínio, que exigem tanto uma resistência muito alta quanto uma resistência à corrosão muito alta. Por que a força é compreensível, por que a resistência química é em menor grau, embora o exemplo acima com pás de helicóptero seja obviamente bastante claro ...

Surgiu o conceito de estruturas danificadas com segurança, que afirma: se uma fissura aparece em uma estrutura, ela deve se desenvolver lentamente, e mesmo que atinja um tamanho significativo, sendo facilmente detectada, ela, essa fissura, em nenhum caso deve causar destruição do estrutura como um todo. Isso significa que as ligas de alumínio de alta resistência para essas aeronaves devem ter alta tenacidade à fratura, alta resistência residual na presença de uma trinca, e isso só é possível com alta resistência à corrosão.

Todas essas propriedades são perfeitamente combinadas em ligas de alumínio de alta pureza: impurezas de ferro - décimos de um por cento, silício - centésimos e sódio, cujos microaditivos melhoram significativamente as propriedades das ligas de alumínio-silício, não devem ser mais do que alguns dez milésimos de um por cento. E a base de tais ligas é o sistema Al - Zn - Mg - Cu. O envelhecimento dessas ligas é realizado de tal forma que as partículas de endurecimento se tornam um pouco maiores que o normal (envelhecimento por coagulação). É verdade que a força é um pouco perdida neste caso, e algumas peças precisam ter paredes mais grossas, mas esse ainda é um preço inevitável para recursos e confiabilidade. A ironia do destino: ligas de alumínio com zinco e magnésio, outrora as mais resistentes à corrosão, a ciência se transformou em uma espécie de padrão de resistência à corrosão. As razões para esta transformação milagrosa são a adição de cobre e regimes racionais de envelhecimento.

Outro exemplo da melhoria de sistemas e ligas há muito conhecidos. Se no duralumínio clássico o teor de magnésio é fortemente limitado (a centésimos de um por cento), mas o manganês é preservado e a concentração de cobre é aumentada, a liga adquire a capacidade de ser bem soldada por fusão. Estruturas feitas de tais ligas funcionam bem na faixa de temperatura de zero absoluto a +150...200°C.

Hoje em dia, alguns produtos técnicos têm que perceber alternadamente calor moderado ou frio imoderado. Não é coincidência que tanques de hidrogênio líquido e oxigênio líquido tenham sido feitos de tais ligas nos foguetes americanos Saturn que levaram as tripulações da espaçonave Apollo à Lua.

Ao resolver problemas terrestres de transporte e armazenamento de gás liquefeito com ligas de três componentes Al - Cu - Mn, ligas de dois componentes muito leves de alumínio com magnésio - magnalium competem com bastante sucesso. Magnalia não são endurecidos por tratamento térmico. Dependendo da tecnologia de fabricação e do teor de magnésio, sua resistência varia de 8 a 38 kg/mm2. Na temperatura do hidrogênio líquido, eles são frágeis, mas funcionam com bastante sucesso em oxigênio líquido e gases combustíveis liquefeitos. Suas áreas de aplicação são muito amplas. Em particular, eles se provaram na construção naval: os cascos dos hidrofólios - o Rocket e o Meteors - são feitos de magnalium. Eles também são usados ​​nos projetos de alguns mísseis.

Destaca-se a possibilidade de usar magnais de baixa liga para embalagens de alimentos. Latas de estanho, embalagens de queijo, folha de guisado de carne, latas de cerveja, tampas de garrafas para produtos lácteos - esta não é uma lista completa de aplicações relacionadas a alimentos dessas ligas. Em breve, em nosso país, as latas de alumínio serão produzidas em bilhões de peças e, em seguida, a definição de Alexander Evgenievich Fersman - "o metal de uma lata" - passará do estanho para o alumínio. Mas voltando às fases de fortalecimento.

Em 1965, um grupo de cientistas soviéticos descobriu o efeito do endurecimento durante o envelhecimento em ligas do sistema Al-Li-Mg. Essas ligas, em especial a liga 01420, possuem a mesma resistência do duralumínio, mas são 12% mais leves e possuem um módulo de elasticidade maior. Em projetos de aeronaves, isso possibilita obter um ganho de peso de 12 a 14%. Além disso, a liga 01420 é bem soldada e possui alta resistência à corrosão. As ligas deste sistema e hoje em todo o mundo apresentam crescente interesse.

Cristais de formação de resfriamento rápido

Antes de obter lingotes ou peças moldadas de uma liga de alumínio, o metal deve ser limpo de gases e inclusões sólidas não metálicas. Dos gases no alumínio líquido, principalmente o hidrogênio é dissolvido. Quanto maior a temperatura do fundido, mais ele é. Durante o resfriamento e a cristalização, ele não tem tempo para se destacar e permanece no metal na forma de poros minúsculos e às vezes bastante grandes. O hidrogênio traz muitos problemas: vazios em peças moldadas, bolhas em chapas e perfis, poros em soldagem por fusão. E apenas em um caso, o hidrogênio acabou sendo muito útil - estamos falando da chamada espuma de alumínio, que lembra um bom queijo holandês (só que há muito mais poros em tal metal e não deixa um “ rasgar"). O peso específico da espuma de alumínio pode ser aumentado para 0,3...0,5 g/cm3. Os poros estão fechados e o metal flutua livremente na água. Tem uma condutividade térmica e sonora excepcionalmente baixa, é cortada e soldada. Para obter um número recorde de vazios, alumínio líquido, de acordo com a "receita" do professor M.B. Altman, superaquecer e depois introduzir zircônio ou hidreto de titânio nele, que se decompõe imediatamente, liberando hidrogênio. Imediatamente, o metal, fervendo com um grande número de bolhas, é rapidamente derramado em moldes.

Mas em todos os outros casos, eles tentam se livrar do hidrogênio. A melhor maneira de fazer isso é soprar o derretimento com cloro. Bolhas de cloro, movendo-se através do alumínio líquido, absorvem átomos e pequenas bolhas de hidrogênio, capturam partículas suspensas de escória e filmes de óxido. A evacuação do alumínio líquido dá um grande efeito, que foi demonstrado de forma convincente pelo cientista soviético K.N. Mikhailov.

Todas as inclusões não metálicas são especialmente prejudiciais quando o metal cristaliza lentamente, portanto, ao fundir, elas sempre se esforçam para aumentar a taxa de cristalização. As peças moldadas são fundidas não em moldes de terra, mas em moldes de metal; ao fundir lingotes, os moldes de ferro fundido são substituídos por moldes de cobre resfriados a água. Mas mesmo com a remoção de calor mais rápida da parede do molde ou molde, após a cristalização da primeira camada fina, surge um entreferro entre a parede e esta crosta. O ar não conduz bem o calor... A taxa de remoção de calor do metal cai drasticamente.

Por muito tempo, todas as tentativas de acelerar radicalmente o resfriamento das paredes falharam por causa desse entreferro. No final, foi encontrada a solução certa, como muitas vezes acontece na tecnologia, para o desempenho “por outro lado”: ​​em vez de combater a perda de calor no entreferro, o próprio entreferro foi eliminado. A água de resfriamento começou a irrigar diretamente o metal cristalizante. Assim nasceu o método de fundição contínua de lingotes de alumínio.

O metal líquido é derramado em um molde de cobre ou alumínio de pequena altura. Um palete é inserido no molde, substituindo o fundo fixo. Assim que a solidificação do alumínio começa, a bandeja é abaixada lentamente - gradualmente e na mesma velocidade do processo de cristalização. E o metal líquido é continuamente adicionado de cima.

O processo é controlado de forma que o orifício do alumínio fundido fique principalmente abaixo da borda do molde, onde a água é fornecida diretamente ao lingote em solidificação.

O desenvolvimento da fundição contínua de lingotes de ligas de alumínio ocorreu durante os anos difíceis da guerra. Mas em 1945, nem um único molde para lingotes de alumínio permaneceu em nossas plantas metalúrgicas. A qualidade do metal fundido foi radicalmente melhorada. Um grande papel no desenvolvimento da fundição contínua de alumínio pertence à A.F. Belov, V. A. Livanov, S. M. Voronov e V.I. Dobatkin. A propósito, o método de fundição contínua de aço em metalurgia ferrosa, cujo desenvolvimento começou nos anos seguintes, deve muito ao desenvolvimento bem-sucedido da fundição contínua de alumínio.

Mais tarde F. I. Kvasov, 3.N. Getselev e G.A. Balakhontsev apresentou uma ideia original que tornou possível cristalizar lingotes de alumínio de várias toneladas sem moldes. Durante o processo de cristalização, o metal líquido é mantido em suspensão por um campo eletromagnético.

Não menos espirituoso foi V.G. Golovkin, um método contínuo para a produção de fio de alumínio fundido com diâmetro de até 9 mm. Um jato de metal líquido saía continuamente de um orifício horizontal no forno. Logo na saída, a água de resfriamento foi fornecida ao metal e logo o fluxo parcialmente rejeitado foi apanhado por rolos e puxado ainda mais. A superfície de tal fio acabou sendo lisa e brilhante, não era inferior em força ao fio estirado a frio. E a necessidade disso era enorme. Qualquer um que tenha pilotado um avião viu filas intermináveis ​​de rebites nas asas e na fuselagem. Mas, aparentemente, nem todo mundo sabe que o número desses rebites em um caça de guerra atingiu 100 ... 200 mil peças e em um bombardeiro - até um milhão ...

Falando sobre as fases de endurecimento, destacamos que elas são o resultado da dissolução dos metais correspondentes no alumínio e da interação química com ele. Estas são inclusões extremamente úteis. Com as inclusões de óxido, uma luta obstinada está sendo travada em todas as etapas da produção. Mas essa é a dialética das propriedades de uma substância: inclusões de óxidos insolúveis no alumínio e prejudiciais a ele mudaram completamente sua qualidade assim que foram transformadas nos filmes mais finos.

SAP e SAS

Se o alumínio líquido for pulverizado, obtêm-se partículas mais ou menos arredondadas, completamente cobertas com finas películas de óxido. Essas partículas (chamadas de pulverizado) são moídas em moinhos de bolas. Os "bolos" mais finos com uma espessura de 0,1 mícrons são obtidos. Se tal pó não for previamente oxidado, em contato com o ar, ele explodirá instantaneamente - ocorrerá oxidação violenta. Portanto, uma atmosfera inerte com teor de oxigênio controlado é criada nos moinhos e o processo de oxidação do pó prossegue gradualmente.

Na primeira fase de moagem, a densidade aparente do pó diminui para 0,2 g/cm3, o teor de óxido de alumínio aumenta gradualmente para 4...8%. A moagem continua, as partículas pequenas se encaixam mais firmemente, não grudam, pois a gordura é especialmente adicionada ao pó e a densidade aparente do material aumenta para 0,8 g/cm3. A oxidação ocorre de forma bastante intensa, e o teor de óxido de alumínio chega a 9...14%. Gradualmente, a gordura desaparece quase completamente, e as menores partículas oxidadas "rebitam", coalescem em conglomerados maiores.

Um pó tão "pesado" (contém até 20 ... 25% de óxido) não voa mais como penugem, pode ser derramado com segurança em copos. Em seguida, o pó é briquetado em prensas sob pressão de 30...60 kg/mm2 e temperatura de 550...650ºС. Depois disso, o material adquire um brilho metálico, possui uma resistência relativamente alta, condutividade elétrica e térmica. Os briquetes podem ser prensados, laminados, forjados, tubos, chapas, vergalhões e outros produtos. Todos esses produtos semi-acabados são chamados de SAP - após as primeiras letras das palavras "pó de alumínio sinterizado".

Quanto menor a distância entre as partículas, mais forte o SAP. Devido ao fato de que a natureza das formações dispersas em ligas de alumínio envelhecidas convencionais e SAP é diferente, esses materiais também diferem muito em suas propriedades. SAP retém alta resistência até 500...600°C, e todas as ligas de alumínio nesta temperatura passam para um estado semilíquido ou viscoso. Milhares de horas em temperaturas de até 500°C geralmente têm pouco efeito sobre a força do SAP, porque a interação das partículas de óxido e da matriz de alumínio muda pouco após o aquecimento. As ligas de alumínio, por outro lado, perdem completamente sua resistência durante esse teste.

O SAP não precisa ser endurecido; em termos de resistência à corrosão, é próximo ao alumínio puro. Em termos de condutividade elétrica e térmica, este material está mais próximo do alumínio puro do que as ligas envelhecidas com a mesma resistência. Uma característica do SAP é a adsorção de uma enorme quantidade de umidade pela superfície ramificada das partículas oxidadas.

Portanto, o SAP deve ser bem desgaseificado a vácuo aquecendo o material até o ponto de fusão do alumínio. Pistões de motores operando em temperaturas de até 400 e até 450°C são feitos de SAP; este material é promissor para construção naval e engenharia química.

Finalizando a história sobre o uso do alumínio como material estrutural, é preciso citar suas ligas sinterizadas com silício, níquel, ferro, cromo, zircônio. Eles são chamados de CAC - após as primeiras letras das palavras "liga de alumínio sinterizado". As ligas têm um baixo coeficiente de expansão linear, o que permite que sejam usadas em combinação com o aço em mecanismos e dispositivos. O alumínio comum, por outro lado, tem um coeficiente de expansão linear cerca de duas vezes maior que o do aço, e isso causa grandes tensões, distorções dimensionais e falhas de resistência.

Claro, muito mais pode ser dito sobre o elemento nº 13 do que sobre o metal alumínio. A "biografia" do elemento nº 13 está associada ao destino de muitos problemas e descobertas científicas, uma variedade de processos e produtos - tintas, materiais poliméricos, catalisadores e muitos outros. E, no entanto, não haverá erro se afirmarmos que o metal alumínio é mais importante na tecnologia moderna, na vida moderna, do que todos os compostos de alumínio combinados.

Não apenas uma lenda

Em muitos livros populares sobre química e metalurgia, há uma história de que o alumínio era supostamente conhecido na antiguidade. Um certo inventor (seu nome permanece desconhecido) trouxe a um dos governantes uma tigela de metal - muito leve, mas externamente semelhante à prata. A história terminou em lágrimas: o inventor foi executado porque o senhor temia que o novo metal desvalorizasse sua prata.

Muito provavelmente, esta história nada mais é do que um belo conto de fadas. Mas alguns compostos de alumínio foram usados ​​por pessoas na antiguidade. E não apenas argila, que é baseada em Al2O3. A "História Natural" de Plínio, o Velho, menciona que o alúmen (sua fórmula é KAl(SO4)2 12H2O) foi usado como mordente ao tingir tecidos na virada das antigas e novas eras. No início da nossa era, o comandante romano Arquelau, durante a guerra com os persas, mandou revestir as torres de madeira com alume. Como resultado, a árvore adquiriu resistência ao fogo e os persas não conseguiram incendiar as fortificações romanas.

Aluminotermia

Em 1865, o famoso químico russo N.N. Beketov descobriu um método de recuperação de metais usando alumínio, chamado aluminotermia. A essência do método é que quando uma mistura de óxidos de muitos metais com alumínio elementar é inflamada, esses metais são reduzidos. Se o óxido for tomado em excesso, o metal resultante estará quase livre da mistura do elemento nº 13. Este método é agora amplamente utilizado na produção de cromo, vanádio e manganês.

Criolita sintética

A criolita é necessária para obter alumínio por eletrólise. Esse mineral, que parece gelo, pode diminuir significativamente o ponto de fusão da alumina, matéria-prima para a produção de alumínio. A composição da criolita é 3NaF AlF3. A única grande jazida desse mineral está quase esgotada, e pode-se dizer que a indústria de alumínio do mundo está agora trabalhando em criolita sintética. Em nosso país, as primeiras tentativas de obter criolita artificial foram feitas já em 1924. Em 1933, a primeira planta de criolita foi colocada em operação perto de Sverdlovsk. Existem duas maneiras principais de produzir este mineral - ácida e alcalina, a primeira é mais amplamente utilizada. Neste caso, o espatoflúor CaF2 serve como matéria-prima, que é tratada com ácido sulfúrico e é obtido fluoreto de hidrogênio. Dissolvido em água, é convertido em ácido fluorídrico, que reage com o hidróxido de alumínio. O ácido de fluoroalumínio H3AlF6 obtido é centralizado com soda. A criolita, que é ligeiramente solúvel em água, precipita.

Primeiro Catalisador

Há muitos anos, as conversas sobre os catalisadores de K. Ziegler e D. Natta, compostos organoelementos que revolucionaram a produção de muitos materiais poliméricos, especialmente borrachas sintéticas, não pararam. Os polímeros obtidos com a ajuda de tais catalisadores distinguem-se por uma estrutura particularmente clara e, portanto, pelas melhores propriedades físico-químicas. Compostos de organoalumínio foram os primeiros catalisadores para polimerização estereoespecífica.

E é tudo óxido de alumínio!

O alumínio há muito deixou de ser um metal precioso, mas alguns de seus compostos ainda permanecem como pedras preciosas. Cristais únicos de óxido de alumínio com pequenas adições de óxidos de coloração - este é um rubi vermelho brilhante e uma safira azul brilhante - pedras preciosas de primeira ordem. A cor é dada a eles: safira - íons de ferro e titânio, rubi - cromo. A alumina cristalina pura é incolor e é chamada de corindo. O alumínio também é encontrado na turmalina, na leucossafira incolor, no "topázio oriental" amarelo e em muitas outras pedras valiosas. Corindo artificial, safira e rubi são produzidos em escala fabril; essas pedras são necessárias não apenas para joalheiros, mas também para muitos ramos da tecnologia moderna. Basta lembrar os lasers de rubi, relógios “em quinze pedras”, esmeril, que é feito principalmente de corindo obtido em fornos elétricos, e janelas de safira do Tokamak, uma das primeiras instalações para estudar processos termonucleares.

Apenas um isótopo

O alumínio natural consiste em apenas um "tipo" de átomos - um isótopo com número de massa de 27. Vários isótopos radioativos artificiais do elemento nº 13 são conhecidos, a maioria deles tem vida curta e apenas um - alumínio-26 tem metade -vida de cerca de um milhão de anos.

Aluminatos

Os aluminatos são sais dos ácidos ortoalumínio H3AlO3 e metaalumínio HAlO2. Entre os aluminatos naturais estão o nobre espinélio e o precioso crisoberilo. O aluminato de sódio NaAlO2, formado durante a produção de alumina, é utilizado na indústria têxtil como mordente. Recentemente, aluminatos de elementos de terras raras, que se distinguem pela alta refratariedade e uma cor característica, em muitos casos bonita, também adquiriram importância prática. Os aluminatos de lantânio e samário são creme, európio, gadolínio e disprósio são rosa, neodímio é lilás e praseodímio é amarelo. Esses materiais são considerados promissores na produção de cerâmicas especiais e vidros ópticos, bem como na engenharia de energia nuclear: alguns elementos de terras raras se distinguem por uma capacidade excepcionalmente alta de capturar nêutrons térmicos. Mais sobre isso nas histórias sobre lantanídeos.

professor sobre aluno

“... Acredito que fiz uma descoberta: descobri uma pessoa. Em 1880, logo após meu retorno do Japão, onde lecionei química por quatro anos, notei um menino de dezesseis anos. Este jovem veio ao laboratório para comprar tubos de vidro, tubos de ensaio ou algo assim por alguns centavos. Eu não sabia nada sobre esse menino, mas muitas vezes pensei que talvez ele se tornasse um cientista, porque ele estava fazendo pesquisas naqueles anos em que outros adolescentes passavam o tempo apenas em jogos e entretenimento. Esse adolescente era Charles M. Hall, o homem que, aos 23 anos, descobriu um método para separar alumínio de minérios.

Charles entrou na faculdade e, depois de passar parte do curso obrigatório, levei-o ao meu laboratório. Certa vez, conversando com os alunos, eu disse: "O inventor que conseguir desenvolver um método barato de obtenção de alumínio e fazer do alumínio um metal de consumo de massa prestará um grande serviço à humanidade e merecerá a fama de um cientista notável".

Ouvi Charles se virar para um de seus colegas e dizer: "Eu cuido desse metal". E ele começou a trabalhar. Ele tentou muitos métodos, todos sem sucesso. Finalmente, Hall decidiu pela eletrólise. Dei-lhe dispositivos e baterias velhos e desnecessários. Aqueles de vocês que viram baterias elétricas ririam do que Hall conseguiu construir com vários copos com pedaços de carvão. Mas conseguimos a corrente que precisávamos.

Pouco tempo depois, Hall se formou na faculdade e assumiu a instalação. Ele montou seu laboratório na floresta não muito longe de sua casa, persistiu em seus experimentos e muitas vezes me contou sobre os resultados.

Era necessário encontrar um solvente para a alumina, principal matéria-prima do alumínio. E depois de seis meses, Hall descobriu que o óxido é altamente solúvel em uma fusão de aluminato de fluoreto de sódio 3NaF · AlF3.

Certa manhã, Hall correu até mim com uma exclamação alegre: "Professor, entendi!" Em uma mão estendida havia doze pequenas bolas de alumínio, o primeiro alumínio produzido por eletrólise. Isso aconteceu em 23 de fevereiro de 1886."

Esta é a história da Professora Yvette, reimpressa por nós da coleção "Flash of Genius", compilada a partir de fontes primárias pelo cientista americano A. Garrett.

Alumínio em combustível de foguete

Quando o alumínio queima em oxigênio e flúor, muito calor é liberado. Portanto, é usado como um aditivo para combustível de foguete. O foguete Saturno queima 36 toneladas de pó de alumínio durante seu vôo. A ideia de usar metais como componente do combustível de foguete foi expressa pela primeira vez por F.A. Zander.

Conclusão

Sabe-se que nos elementos p, o subnível p do nível eletrônico externo é preenchido com elétrons, que podem conter de um a seis elétrons.

Existem 30 elementos p no sistema periódico. Esses elementos p, ou suas contrapartes p-eletrônicas, formam os subgrupos IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA e VI IIA. A estrutura do nível eletrônico externo dos átomos dos elementos desses subgrupos se desenvolve da seguinte forma: ns2p1, ns2p2, ns2p3, ns2p4, ns2p5 e ns2p6.

Em geral, nos elementos p, exceto para o alumínio, a atividade redutora é relativamente fracamente expressa. Pelo contrário, ao passar do subgrupo IIIA para o VIIA, observa-se um aumento na atividade oxidativa de átomos neutros, os valores de afinidade eletrônica e energia de ionização aumentam e a eletronegatividade dos elementos p aumenta.

Nos átomos do elemento p, não apenas os elétrons p são de valência, mas também os elétrons s do nível externo. O estado de oxidação positivo mais alto dos análogos p-eletrônicos é igual ao número do grupo no qual eles estão localizados.

Livros usados

1. Akhmetov N.S., Química geral e inorgânica. - M.: Ensino Superior, 1989

2. Cotton F., Wilkinson J., Fundamentos da química inorgânica. - M.: Mir, 1979

3. Nekrasov B.V., Textbook of General Chemistry. - M.: Química, 1981

4. S. I. Venetsky “Histórias sobre metais”, Moscou, ed. Metalurgia 1986

5. Yu. V. Khodakov, V. L. Vasilevsky "Metals", Moscou, ed. Iluminismo 1966

6. A. V. Suvorov, A. B. Nikolsky “General Chemistry”, St. Petersburg ed. Química 1995

Plano:

Introdução

Propriedades físicas do Al

Propriedades químicas do Al

Obtendo e usando Al

Óxido de alumínio Al 2 O 3

Hidróxido de alumínio Al(OH)3

sais de alumínio

Compostos binários de alumínio

Interesse, interesse...

O que ele é - Al

Sobre os benefícios das fases de envelhecimento e fortalecimento

Cristais de formação de resfriamento rápido

SAP e SAS

Não apenas uma lenda

Aluminotermia

Criolita sintética

Primeiro Catalisador

E é tudo óxido de alumínio!

Apenas um isótopo

Aluminatos

professor sobre aluno

Alumínio em combustível de foguete

Conclusão

Literatura

Academia Estadual de Agricultura de Ulyanovsk

Departamento de Química

Verificado por: Nuretdinova R.A.

Resumo

"Alumínio"

É feito por um alunoEUcurso

2b grupos de professores

Medicina veterinária

A descoberta documentada do alumínio ocorreu em 1825. O físico dinamarquês Hans Christian Oersted obteve este metal pela primeira vez quando o isolou pela ação do amálgama de potássio sobre o cloreto de alumínio anidro (obtido pela passagem do cloro através de uma mistura quente de óxido de alumínio e carvão). Tendo afastado o mercúrio, Oersted obteve o alumínio, porém, contaminado com impurezas. Em 1827, o químico alemão Friedrich Wöhler obteve o alumínio em pó reduzindo o hexafluoroaluminato de potássio. O método moderno de produção de alumínio foi descoberto em 1886 por um jovem pesquisador americano, Charles Martin Hall. (De 1855 a 1890, apenas 200 toneladas de alumínio foram obtidas e, na década seguinte, 28.000 toneladas desse metal foram obtidas em todo o mundo usando o método Hall.) O alumínio com pureza superior a 99,99% foi obtido pela primeira vez por eletrólise em 1920. Em 1925, Edwards publicou algumas informações sobre as propriedades físicas e mecânicas desse alumínio. Em 1938 Taylor, Willey, Smith e Edwards publicaram um artigo que apresenta algumas das propriedades do alumínio 99,996% puro, também obtido na França por eletrólise. A primeira edição da monografia sobre as propriedades do alumínio foi publicada em 1967. Até recentemente, acreditava-se que o alumínio, como um metal muito ativo, não pode ocorrer na natureza em estado livre, mas em 1978. nas rochas da plataforma siberiana, foi descoberto o alumínio nativo - na forma de bigodes de apenas 0,5 mm de comprimento (com fios de alguns micrômetros de espessura). O alumínio nativo também foi encontrado no solo lunar entregue à Terra das regiões dos Mares de Crises e Abundância.

Materiais de construção em alumínio

Há muito alumínio na crosta terrestre: 8,6% em peso. Ele ocupa o primeiro lugar entre todos os metais e o terceiro entre outros elementos (depois do oxigênio e do silício). Há duas vezes mais alumínio que ferro e 350 vezes mais que cobre, zinco, cromo, estanho e chumbo combinados! Como ele escreveu há mais de 100 anos em seu livro clássico Fundamentos de Química D.I. Mendeleev, de todos os metais, “o alumínio é o mais comum na natureza; basta assinalar que faz parte da argila, de modo que fica clara a distribuição geral do alumínio na crosta terrestre. O alumínio, ou o metal do alúmen (alume), é, portanto, chamado de argila, que é encontrado na argila.

O mineral de alumínio mais importante é a bauxita, uma mistura de óxido básico AlO(OH) e hidróxido Al(OH) 3 . Os maiores depósitos de bauxita estão na Austrália, Brasil, Guiné e Jamaica; a produção industrial também é realizada em outros países. Alunite (pedra de alúmen) (Na, K) 2 SO 4 Al 2 (SO 4) 3 4Al (OH) 3, nefelina (Na, K) 2 O Al 2 O 3 2SiO 2 também são ricos em alumínio. No total, são conhecidos mais de 250 minerais, que incluem alumínio; a maioria deles são aluminossilicatos, dos quais a crosta terrestre é formada principalmente. Quando são intemperizados, forma-se argila, cuja base é o mineral caulinita Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O. Impurezas de ferro geralmente colorem a argila de marrom, mas também existem argila branca - caulim, que é usada para fazer porcelana e produtos de faiança.

Ocasionalmente, um corindo mineral excepcionalmente duro (perdendo apenas para o diamante) é encontrado - um óxido cristalino de Al 2 O 3, muitas vezes colorido com impurezas em cores diferentes. Sua variedade azul (uma mistura de titânio e ferro) é chamada de safira, a vermelha (uma mistura de cromo) é chamada de rubi. Várias impurezas podem colorir o chamado corindo nobre também em verde, amarelo, laranja, roxo e outras cores e tonalidades.

Até recentemente, acreditava-se que o alumínio, como um metal muito ativo, não poderia ocorrer na natureza em estado livre, porém, em 1978, o alumínio nativo foi descoberto nas rochas da Plataforma Siberiana - na forma de bigodes de apenas 0,5 mm de comprimento (com uma espessura de rosca de vários micrômetros). O alumínio nativo também foi encontrado no solo lunar entregue à Terra das regiões dos Mares de Crises e Abundância. Supõe-se que o alumínio metálico pode ser formado pela condensação do gás. Sabe-se que quando os haletos de alumínio - cloreto, brometo, flúor - são aquecidos, eles podem evaporar mais ou menos facilmente (por exemplo, AlCl 3 sublima já a 180 ° C). Com um forte aumento da temperatura, os haletos de alumínio se decompõem, passando para um estado com menor valência do metal, por exemplo, AlCl. Quando tal composto se condensa com a diminuição da temperatura e a ausência de oxigênio, ocorre uma reação de desproporção na fase sólida: alguns dos átomos de alumínio são oxidados e entram no estado trivalente usual, e alguns são reduzidos. O alumínio monovalente pode ser reduzido apenas ao metal: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . Esta suposição também é apoiada pela forma filamentosa dos cristais de alumínio nativos. Normalmente, cristais dessa estrutura são formados devido ao rápido crescimento da fase gasosa. Provavelmente, pepitas de alumínio microscópicas no solo lunar foram formadas de maneira semelhante.

O nome alumínio vem do latim alumen (gênero case aluminis). O chamado alúmen, duplo sulfato de potássio-alumínio KAl (SO 4) 2 12H 2 O), que era usado como mordente no tingimento de tecidos. O nome latino, provavelmente, remonta ao grego "halme" - salmoura, solução salina. É curioso que na Inglaterra alumínio seja alumínio e nos EUA seja alumínio.

Em muitos livros populares de química, há uma lenda de que um certo inventor, cujo nome a história não preservou, trouxe ao imperador Tibério, que governou Roma em 14-27 dC, uma tigela feita de um metal de cor prata, mas mais leve. Este presente custou a vida ao mestre: Tibério mandou executá-lo e destruir a oficina, pois temia que o novo metal pudesse desvalorizar a prata do tesouro imperial.

Esta lenda é baseada em uma história de Plínio, o Velho, um escritor e estudioso romano, autor história Natural- enciclopédias de conhecimento de ciências naturais dos tempos antigos. Segundo Plínio, o novo metal foi obtido a partir de "terra argilosa". Mas a argila contém alumínio.

Os autores modernos quase sempre fazem a ressalva de que toda essa história não passa de um belo conto de fadas. E isso não é surpreendente: o alumínio nas rochas está fortemente ligado ao oxigênio e é preciso muita energia para liberá-lo. Recentemente, no entanto, surgiram novos dados sobre a possibilidade fundamental de obter alumínio metálico na antiguidade. Como mostra a análise espectral, as decorações do túmulo do comandante chinês Zhou-Zhu, que morreu no início do século III. AD, são feitos de uma liga que é 85% alumínio. Os antigos poderiam ter obtido alumínio livre? Todos os métodos conhecidos (eletrólise, redução com sódio metálico ou potássio) são automaticamente eliminados. O alumínio nativo poderia ser encontrado na antiguidade, como, por exemplo, pepitas de ouro, prata, cobre? Isso também está excluído: o alumínio nativo é o mineral mais raro que ocorre em quantidades desprezíveis, então os antigos mestres não conseguiam encontrar e coletar essas pepitas na quantidade certa.

No entanto, outra explicação da história de Plínio também é possível. O alumínio pode ser recuperado dos minérios não apenas com a ajuda de eletricidade e metais alcalinos. Existe um agente redutor disponível e amplamente utilizado desde os tempos antigos - é o carvão, com a ajuda do qual os óxidos de muitos metais são reduzidos a metais livres quando aquecidos. No final da década de 1970, químicos alemães decidiram testar se o alumínio poderia ter sido feito na antiguidade por redução com carvão. Aqueciam uma mistura de argila com pó de carvão e sal comum ou potassa (carbonato de potássio) em um cadinho de argila a um calor vermelho. O sal era obtido da água do mar e o potássio da cinza das plantas, para usar apenas as substâncias e métodos disponíveis na antiguidade. Depois de algum tempo, escória com bolas de alumínio flutuavam na superfície do cadinho! A produção do metal era pequena, mas é possível que fosse assim que os antigos metalúrgicos pudessem obter o "metal do século XX".

propriedades do alumínio.

A cor do alumínio puro lembra a prata, é um metal muito leve: sua densidade é de apenas 2,7 g/cm 3. Mais leves que o alumínio são apenas metais alcalinos e alcalino-terrosos (exceto bário), berílio e magnésio. O alumínio também é fácil de derreter - a 600 ° C (fio fino de alumínio pode ser derretido em um queimador de cozinha comum), mas ferve apenas a 2452 ° C. Em termos de condutividade elétrica, o alumínio está em 4º lugar, perdendo apenas para a prata (está em primeiro lugar), cobre e ouro, que, dada a barateza do alumínio, é de grande importância prática. A condutividade térmica dos metais muda na mesma ordem. É fácil verificar a alta condutividade térmica do alumínio mergulhando uma colher de alumínio no chá quente. E mais uma propriedade notável deste metal: sua superfície lisa e brilhante reflete perfeitamente a luz: de 80 a 93% na região visível do espectro, dependendo do comprimento de onda. Na região ultravioleta, o alumínio não tem igual nesse aspecto, e apenas na região vermelha é ligeiramente inferior à prata (no ultravioleta, a prata tem uma refletividade muito baixa).

O alumínio puro é um metal bastante macio - quase três vezes mais macio que o cobre, então mesmo placas e hastes de alumínio relativamente grossas são fáceis de dobrar, mas quando o alumínio forma ligas (há um grande número delas), sua dureza pode aumentar dez vezes.

O estado de oxidação característico do alumínio é +3, mas devido à presença de 3 não preenchidos R- e 3 d-orbitais átomos de alumínio podem formar ligações doador-aceitador adicionais. Portanto, o íon Al 3+ com raio pequeno é muito propenso à formação de complexos, formando vários complexos catiônicos e aniônicos: AlCl 4 – , AlF 6 3– , 3+ , Al(OH) 4 – , Al(OH) 6 3 – , AlH 4 – e muitos outros. Complexos com compostos orgânicos também são conhecidos.

A atividade química do alumínio é muito alta; na série de potenciais de eletrodo, está imediatamente atrás do magnésio. À primeira vista, tal afirmação pode parecer estranha: afinal, uma panela ou colher de alumínio é bastante estável no ar e não desmorona em água fervente. O alumínio, ao contrário do ferro, não enferruja. Acontece que no ar o metal é coberto com uma "armadura" de óxido incolor, fina, mas forte, que protege o metal da oxidação. Assim, se um fio de alumínio grosso ou uma placa de 0,5 a 1 mm de espessura for introduzida na chama do queimador, o metal derrete, mas o alumínio não flui, pois permanece em um saco de óxido. Se você privar o alumínio da película protetora ou soltá-lo (por exemplo, por imersão em uma solução de sais de mercúrio), o alumínio mostrará imediatamente sua verdadeira essência: já à temperatura ambiente, ele começará a reagir vigorosamente com a água com a evolução de hidrogénio: 2Al + 6H 2 O ® 2Al (OH) 3 + 3H 2 . No ar, o alumínio desprovido de película protetora se transforma em um pó de óxido solto diante de nossos olhos: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3. O alumínio é especialmente ativo em um estado finamente dividido; pó de alumínio, quando soprado na chama, queima instantaneamente. Se você misturar pó de alumínio com peróxido de sódio em uma placa de cerâmica e deixar cair água na mistura, o alumínio também se inflama e queima com uma chama branca.

A altíssima afinidade do alumínio pelo oxigênio permite “retirar” o oxigênio dos óxidos de vários outros metais, restaurando-os (método da aluminotermia). O exemplo mais famoso é a mistura de termite, durante a combustão da qual tanto calor é liberado que o ferro resultante é derretido: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Esta reação foi descoberta em 1856 por N.N. Beketov. Desta forma, é possível restaurar em metais Fe 2 O 3 , CoO, NiO, MoO 3 , V 2 O 5 , SnO 2 , CuO e vários outros óxidos. Ao reduzir Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2O 3 com alumínio, o calor de reação não é suficiente para aquecer os produtos da reação acima de seu ponto de fusão.

O alumínio dissolve-se prontamente em ácidos minerais diluídos para formar sais. O ácido nítrico concentrado, ao oxidar a superfície do alumínio, contribui para o espessamento e endurecimento do filme de óxido (a chamada passivação do metal). O alumínio tratado desta forma não reage mesmo com ácido clorídrico. Usando oxidação anódica eletroquímica (anodização) na superfície do alumínio, você pode criar um filme espesso que pode ser facilmente pintado em cores diferentes.

O deslocamento de metais menos ativos de soluções salinas pelo alumínio é muitas vezes dificultado por uma película protetora na superfície do alumínio. Este filme é rapidamente destruído pelo cloreto de cobre, de modo que a reação 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu ocorre facilmente, o que é acompanhado por forte aquecimento. Em soluções alcalinas fortes, o alumínio se dissolve facilmente com a liberação de hidrogênio: 2Al + 6NaOH + 6H 2 O ® 2Na 3 + 3H 2 (outros hidroxocomplexos aniônicos também são formados). A natureza anfotérica dos compostos de alumínio também se manifesta na fácil dissolução de seus óxidos e hidróxidos recém-precipitados em álcalis. Óxido cristalino (corindo) é muito resistente a ácidos e álcalis. Quando fundidos com álcalis, formam-se aluminatos anidros: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. O aluminato de magnésio Mg (AlO 2) 2 é uma pedra espinélio semipreciosa, geralmente colorida com impurezas em uma ampla variedade de cores .

O alumínio reage violentamente com halogênios. Se um fio fino de alumínio for introduzido em um tubo de ensaio com 1 ml de bromo, depois de um curto período de tempo o alumínio acende e queima com uma chama brilhante. A reação de uma mistura de pós de alumínio e iodo é iniciada por uma gota de água (água com iodo forma um ácido que destrói o filme de óxido), após o que aparece uma chama brilhante com clubes de vapor de iodo roxo. Os haletos de alumínio em soluções aquosas são ácidos devido à hidrólise: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

A reação do alumínio com nitrogênio ocorre apenas acima de 800°C com a formação de nitreto de AlN, com enxofre a 200°C (forma-se sulfeto de Al 2 S 3), com fósforo a 500° C (forma-se fosforeto de AlP). Quando o boro é introduzido no alumínio fundido, são formados boretos da composição AlB 2 e AlB 12 - compostos refratários resistentes a ácidos. O hidreto (AlH) x (x = 1,2) é formado apenas no vácuo a baixas temperaturas na reação do hidrogênio atômico com o vapor de alumínio. O hidreto de AlH 3, que é estável na ausência de umidade à temperatura ambiente, é obtido em uma solução de éter anidro: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. Com um excesso de LiH, forma-se hidreto de alumínio e lítio LiAlH 4 - um agente redutor muito forte usado em síntese orgânica. Decompõe-se instantaneamente com água: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al (OH) 3 + 4H 2.

Obtendo alumínio.

A descoberta documentada do alumínio ocorreu em 1825. O físico dinamarquês Hans Christian Oersted obteve este metal pela primeira vez quando o isolou pela ação do amálgama de potássio sobre o cloreto de alumínio anidro (obtido pela passagem do cloro através de uma mistura quente de óxido de alumínio e carvão). Tendo afastado o mercúrio, Oersted obteve o alumínio, porém, contaminado com impurezas. Em 1827, o químico alemão Friedrich Wöhler obteve alumínio em forma de pó reduzindo o hexafluoroaluminato de potássio:

Na3AlF6 + 3K®Al + 3NaF + 3KF. Mais tarde, ele conseguiu obter alumínio na forma de bolas de metal brilhantes. Em 1854, o químico francês Henri Etienne Saint-Clair Deville desenvolveu o primeiro método industrial para a produção de alumínio - reduzindo a fusão do tetracloroaluminato de sódio: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. No entanto, o alumínio continuou a ser um metal extremamente raro e caro; não custava muito mais barato que o ouro e 1500 vezes mais caro que o ferro (agora apenas três vezes). De ouro, alumínio e pedras preciosas, um chocalho foi feito na década de 1850 para o filho do imperador francês Napoleão III. Quando em 1855, na Exposição Mundial de Paris, um grande lingote de alumínio obtido por um novo método foi exibido, foi visto como uma joia. A parte superior (em forma de pirâmide) do Monumento a Washington na capital dos EUA foi feita de alumínio precioso. Naquela época, o alumínio não era muito mais barato que a prata: nos EUA, por exemplo, em 1856 era vendido a US$ 12 por libra (454 g), e a prata a US$ 15. No 1º volume do famoso O Dicionário Enciclopédico de Brockhaus e Efron disse que "o alumínio ainda é usado principalmente para vestir ... itens de luxo". Naquela época, apenas 2,5 toneladas de metal eram extraídas anualmente em todo o mundo. Somente no final do século XIX, quando foi desenvolvido o método eletrolítico de obtenção do alumínio, sua produção anual passou a ser de milhares de toneladas, e no século XX. – milhões de toneladas. Isso fez do alumínio um metal semiprecioso amplamente disponível.

O método moderno de produção de alumínio foi descoberto em 1886 por um jovem pesquisador americano, Charles Martin Hall. Ele se interessou por química quando criança. Encontrando o velho livro de química de seu pai, ele começou a estudá-lo diligentemente, bem como a experimentar, uma vez que até recebeu uma bronca de sua mãe por danificar a toalha da mesa de jantar. E 10 anos depois, ele fez uma descoberta notável que o glorificou em todo o mundo.

Tendo se tornado um estudante aos 16 anos, Hall ouviu de seu professor, F.F. Jewett, que se alguém conseguir desenvolver uma maneira barata de obter alumínio, essa pessoa não apenas prestará um enorme serviço à humanidade, mas também ganhará uma enorme fortuna. Jewett sabia do que estava falando: já havia treinado na Alemanha, trabalhado para Wöhler e discutido com ele os problemas de obtenção de alumínio. Com ele para a América, Jewett também trouxe uma amostra de um metal raro, que mostrou aos seus alunos. De repente, Hall declarou em voz alta: "Vou pegar este metal!"

Seis anos de trabalho duro continuaram. Hall tentou obter alumínio por vários métodos, mas sem sucesso. Finalmente, ele tentou extrair esse metal por eletrólise. Naquela época não havia usinas de energia, a corrente tinha que ser obtida usando grandes baterias caseiras de carvão, zinco, ácidos nítrico e sulfúrico. Hall trabalhou em um celeiro onde montou um pequeno laboratório. Ele foi assistido por sua irmã Julia, que estava muito interessada nos experimentos de seu irmão. Ela guardou todas as suas cartas e diários de trabalho, que permitem, literalmente, no dia a dia traçar a história da descoberta. Aqui está um trecho de suas memórias:

“Charles estava sempre de bom humor e, mesmo nos piores dias, conseguia rir do destino de inventores azarados. Em tempos de fracasso, ele encontrou consolo em nosso velho piano. Em seu laboratório doméstico, ele trabalhava longas horas sem descanso; e quando ele podia deixar o kit por um tempo, ele corria pela nossa maloca para brincar um pouco... Eu sabia que, tocando com tanto charme e sentimento, ele estava constantemente pensando em seu trabalho. E a música o ajudou nisso.

A parte mais difícil foi encontrar o eletrólito e proteger o alumínio da oxidação. Após seis meses de trabalho exaustivo, algumas pequenas bolas de prata finalmente apareceram no cadinho. Hall imediatamente correu para seu ex-professor para relatar seu sucesso. “Professor, entendi!”, exclamou, estendendo a mão: na palma da mão havia uma dúzia de pequenas bolas de alumínio. Isso aconteceu em 23 de fevereiro de 1886. E exatamente dois meses depois, em 23 de abril do mesmo ano, o francês Paul Héroux patenteou uma invenção semelhante, que fez de forma independente e quase simultaneamente (duas outras coincidências são impressionantes: ambas Hall e Héroux nasceram em 1863 e morreram em 1914).

Agora, as primeiras bolas de alumínio obtidas por Hall são mantidas na American Aluminum Company em Pittsburgh como relíquia nacional, e em sua faculdade há um monumento a Hall, moldado em alumínio. Posteriormente, Jewett escreveu: “Minha descoberta mais importante foi a descoberta do homem. Foi Charles M. Hall, que, aos 21 anos, descobriu uma forma de recuperar o alumínio do minério e, assim, fez do alumínio aquele metal maravilhoso que hoje é amplamente utilizado em todo o mundo. A profecia de Jewett se tornou realidade: Hall recebeu amplo reconhecimento, tornou-se membro honorário de muitas sociedades científicas. Mas sua vida pessoal falhou: a noiva não queria aturar o fato de o noivo passar o tempo todo no laboratório e rompeu o noivado. Hall encontrou consolo em sua faculdade natal, onde trabalhou pelo resto de sua vida. Como escreveu o irmão de Charles, "a faculdade foi sua esposa, filhos e tudo mais, a vida toda". Hall também deixou para a faculdade a maior parte de sua herança - US $ 5 milhões. Hall morreu de leucemia aos 51 anos.

O método de Hall tornou possível obter alumínio relativamente barato usando eletricidade em grande escala. Se de 1855 a 1890 foram obtidas apenas 200 toneladas de alumínio, na década seguinte, de acordo com o método Hall, foram obtidas 28.000 toneladas desse metal em todo o mundo! Em 1930, a produção mundial anual de alumínio atingiu 300.000 toneladas. Agora, mais de 15 milhões de toneladas de alumínio são produzidas anualmente. Em banhos especiais a uma temperatura de 960-970 ° C, uma solução de alumina (técnico Al 2 O 3) é submetida a eletrólise em criolita fundida Na 3 AlF 6, que é parcialmente extraída na forma de um mineral e parcialmente especialmente sintetizado. O alumínio líquido se acumula no fundo do banho (cátodo), o oxigênio é liberado nos ânodos de carbono, que queimam gradualmente. Em baixa tensão (cerca de 4,5 V), os eletrolisadores consomem correntes enormes - até 250.000 A! Por um dia, um eletrolisador produz cerca de uma tonelada de alumínio. A produção requer grandes quantidades de eletricidade: 15.000 quilowatts-hora de eletricidade são gastos para produzir 1 tonelada de metal. Essa quantidade de eletricidade consome um grande prédio de 150 apartamentos por um mês inteiro. A produção de alumínio é ambientalmente perigosa, pois o ar atmosférico é poluído com compostos voláteis de flúor.

O uso de alumínio.

Mesmo D.I.Mendeleev escreveu que "o alumínio metálico, com grande leveza e resistência e baixa variabilidade no ar, é muito adequado para alguns produtos". O alumínio é um dos metais mais comuns e mais baratos. Sem ele, é difícil imaginar a vida moderna. Não é à toa que o alumínio é chamado de metal do século 20. Ele se presta bem ao processamento: forjamento, estampagem, laminação, trefilação, prensagem. O alumínio puro é um metal bastante macio; é usado para fazer fios elétricos, peças estruturais, papel alumínio, utensílios de cozinha e tinta "prata". Este metal bonito e leve é ​​amplamente utilizado em tecnologia de construção e aviação. O alumínio reflete muito bem a luz. Portanto, é usado para a fabricação de espelhos - por deposição de metal no vácuo.

Na engenharia aeronáutica e mecânica, na fabricação de estruturas de edifícios, são usadas ligas de alumínio muito mais duras. Uma das mais famosas é uma liga de alumínio com cobre e magnésio (duralumínio, ou simplesmente "duralumínio"; o nome vem da cidade alemã de Düren). Esta liga, após endurecimento, adquire uma dureza especial e torna-se cerca de 7 vezes mais forte que o alumínio puro. Ao mesmo tempo, é quase três vezes mais leve que o ferro. É obtido ligando o alumínio com pequenas adições de cobre, magnésio, manganês, silício e ferro. Silumins são difundidos - ligas de fundição de alumínio com silício. Também são produzidas ligas de alta resistência, criogênicas (resistentes ao gelo) e resistentes ao calor. Revestimentos protetores e decorativos são facilmente aplicados em produtos feitos de ligas de alumínio. A leveza e a resistência das ligas de alumínio foram especialmente úteis na tecnologia da aviação. Por exemplo, hélices de helicóptero são feitas de uma liga de alumínio, magnésio e silício. Bronze de alumínio relativamente barato (até 11% Al) tem altas propriedades mecânicas, é estável em água do mar e até em ácido clorídrico diluído. De bronze de alumínio na URSS de 1926 a 1957 moedas foram cunhadas em denominações de 1, 2, 3 e 5 copeques.

Atualmente, um quarto de todo o alumínio é usado para necessidades de construção, a mesma quantidade é consumida pela engenharia de transporte, aproximadamente 17% é gasto em materiais de embalagem e latas, 10% - em engenharia elétrica.

O alumínio também contém muitas misturas combustíveis e explosivas. O alumotol, uma mistura fundida de trinitrotolueno com pó de alumínio, é um dos explosivos industriais mais poderosos. Amonal é uma substância explosiva que consiste em nitrato de amônio, trinitrotolueno e pó de alumínio. As composições incendiárias contêm alumínio e um agente oxidante - nitrato, perclorato. As composições pirotécnicas "Zvezdochka" também contêm alumínio em pó.

Uma mistura de pó de alumínio com óxidos metálicos (termite) é usada para obter certos metais e ligas, para soldagem de trilhos, em munições incendiárias.

O alumínio também encontrou uso prático como combustível de foguete. A combustão completa de 1 kg de alumínio requer quase quatro vezes menos oxigênio do que 1 kg de querosene. Além disso, o alumínio pode ser oxidado não apenas pelo oxigênio livre, mas também pelo oxigênio ligado, que faz parte da água ou do dióxido de carbono. Durante a "combustão" do alumínio em água, são liberados 8.800 kJ por 1 kg de produto; isso é 1,8 vezes menor do que quando o metal é queimado em oxigênio puro, mas 1,3 vezes mais do que quando é queimado no ar. Isso significa que a água pura pode ser usada em vez de compostos perigosos e caros como agente oxidante para esse combustível. A ideia de usar o alumínio como combustível foi proposta em 1924 pelo cientista e inventor russo F.A. Zander. De acordo com seu plano, elementos de alumínio da espaçonave podem ser usados ​​como combustível adicional. Este projeto ousado ainda não foi implementado na prática, mas a maioria dos propulsores sólidos de foguetes atualmente conhecidos contém alumínio metálico na forma de um pó finamente dividido. A adição de 15% de alumínio ao combustível pode elevar a temperatura dos produtos de combustão em mil graus (de 2200 a 3200 K); a taxa de exaustão dos produtos de combustão do bico do motor também aumenta acentuadamente - o principal indicador de energia que determina a eficiência do combustível de foguete. A este respeito, apenas o lítio, o berílio e o magnésio podem competir com o alumínio, mas são todos muito mais caros que o alumínio.

Os compostos de alumínio também são amplamente utilizados. O óxido de alumínio é um material refratário e abrasivo (esmeril), matéria-prima para a produção de cerâmica. Materiais de laser, rolamentos de relógios, pedras de joias (rubis artificiais) também são feitos a partir dele. O óxido de alumínio calcinado é um adsorvente para limpeza de gases e líquidos e um catalisador para várias reações orgânicas. O cloreto de alumínio anidro é um catalisador em síntese orgânica (reação de Friedel-Crafts), o material de partida para a obtenção de alumínio de alta pureza. O sulfato de alumínio é usado para purificação de água; reagindo com o bicarbonato de cálcio contido nele:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca (HCO 3) 2 ® 2AlO (OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O, forma flocos de óxido-hidróxido, que, sedimentando, captam e também sorvem na superfície localizada em impurezas suspensas na água e até microorganismos. Além disso, o sulfato de alumínio é usado como mordente para tingimento de tecidos, curtimento de couro, preservação de madeira e colagem de papel. O aluminato de cálcio é um componente de ligantes, incluindo o cimento Portland. Granada de alumínio de ítrio (YAG) YAlO 3 é um material de laser. O nitreto de alumínio é um material refratário para fornos elétricos. Os zeólitos sintéticos (pertencem aos aluminossilicatos) são adsorventes em cromatografia e catalisadores. Compostos de organoalumínio (por exemplo, trietilalumínio) são componentes de catalisadores Ziegler-Natta, que são usados ​​para a síntese de polímeros, incluindo borracha sintética de alta qualidade.

Ilya Leenson

Literatura:

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