Алюмі́ній алюми́ний // Ганіткевич М., Кінаш Б. Російсько-український словник з інженерних технологій: Понад 40 000 термінів / Технічний комітет стандартизації науково-технічної термінології Міністерства економ. розвитку і торгівлі та Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України. — 2-е вид. — Львів: Вид-во Львівської політехніки, 2013. — 1021 с. — (Термінографічна серія СловоСвіт; № 9). — ISBN 978-617-607-385-7. — хімічний елемент 3 групи періодичної системи, його атомний номер 13, відносна атомна маса 26,9815. В природі існує єдиний стабільний ізотоп . Третій за вмістом елемент земної кори (після кисню і кремнію), що становить приблизно 8 % від її маси, і також найпоширеніший метал.
Історія
Назва алюміній походить від слова alumen (галун), бо (за Ісидором) ця речовина застосовувалась як протрава для фарбування: «Alumen vocatur a lumin e, quod lumen coloribus praestat tingendis». Пліній описує галуни і їх застосування і знаходить згадку про них ще у Геродота (V ст. до н. е.) під назвою στυπτηρίαστυπτηρία. Однак в той час галуни (тобто KAl(SO4)2·12H2O) не відрізняли від сполук з аналогічною дією, наприклад залізного купоросу. В чистому вигляді галуни були отримані, очевидно, алхіміками. Земля, яка була в основі галунів, тобто оксид алюмінію, була вперше отримана в 1754 році Маргграфом, і пізніше отримала назву глинозем.
Гемфрі Деві в 1808 році визначив існування металу основи галунів, і назвав його алюміум, а пізніше алюмінум. Протягом 1808—1810 років він намагався електролітично виділити цей метал з глинозему, проте це йому не вдалось.
Вперше отримати металічний алюміній вдалося данському фізику Гансу Крістіану Ерстеду в 1825 році, термічним відновленням безводного хлориду алюмінію амальгамою каліюHow aluminum changed the world: A metallurgical revolution through technological and cultural perspectives.
Цей спосіб був вдосконалений Фрідріхом Велером, який замість амальгами застосував чистий калій в 1827 році. Веллеру також належить перший приблизно точний опис властивостей металу.
У 1854 році Анрі Сент-Клер Девіль вдосконалив метод Веллера й налагодив промислове виробництво алюмінію. Девіль в процесі отримання алюмінію замінив калій дешевшим натрієм, а також хлорид алюмінію сумішшю AlCl3 з NaCl, за рахунок чого компоненти суміші перебували в розплавленому стані. Досліди на заводі Жавеля завершились успішно і 18 липня 1855 року були отримані перші зливки металу масою 6-8 кг, які були показані на Всесвітній виставці в Парижі. В той час алюміній був настільки дорогим, що на виставці він був виставлений поряд з скарбами з державної казни, а імператор Наполеон III використовував посуд з алюмінію на державних прийомах.
У 1865 році російський вчений Микола Бекетов застосував реакцію взаємодії між кріолітом і магнієм для отримання алюмінію. Його спосіб мало чим відрізнявся від способу Девілля, але був простішим. В німецькому місті Гмелінгемі в 1885 році був збудований завод, який працював за методом Бекетова, де за п'ять років було отримано 58 т алюмінію — більше 1/4 всього світового виробництва алюмінію протягом 1854—1890 років.
Добування алюмінію хімічним способом не могло забезпечити промисловість дешевим металом, тому дослідникам довелось шукати інших способів виробництва алюмінію.
Ще в 1854 році Бунзену вдалось отримати алюміній електролітичним шляхом, а саме електролізом хлориду алюмінію.
В 1886 році Поль Еру в Франції і Чарльз Гол в США майже одночасно, незалежно один від одного запропонували добувати алюміній електролізом глинозему, розплавленого в кріоліті, чим започаткували сучасний спосіб добування алюмінію. Світове виробництво алюмінію швидко росло і в 1893 році перевищило 1 тис. тонн в рік. Подальші зміни цін на нього показано в таблиці.
+ Ціни на металевий алюміній (в доларах за кг) 1852 1854 1855 1856 1857 1858 1886 1888 1200 600 250 75 60 25 17 11,5 1890 1895 1900 1950 1965 1980 1989 5,0 1,15 0,73 0,40 0,54 1,53 1,94
У СРСР перші 8 кг алюмінію були отримані 27 березня 1929 р. у Ленінграді на заводі «Червоний виборжець». У 1932 р. вступив до ладу перший у СРСР Волховський алюмінієвий завод, а на наступний рік — Дніпровський у Запоріжжі (перший алюмінієвий завод в Україні).
Поширення в природі
Детальніше у статтях Ресурси і запаси алюмінію та Алюмінієві руди
Алюміній за розповсюдженням у земній корі займає третє місце. Його вміст в літосфері згідно з А. П. Виноградовим 8,05 %. Глобальні запаси алюмінію на Землі (в межах ноосфери) становлять 1,2·109 т (2000 р.), термін їх вичерпання за прогнозами Римського клубу — 55 років.
В природі зустрічається винятково у вигляді сполук, входить до складу 270 мінералів. Найрозповсюдженішими з них є подвійні силікати (польові шпати, слюди та ін.) і продукти їх вивітрювання — глини. З подвійних силікатів найважливіші: калієвий польовий шпат або ортоклаз K[AlSi3O8], натрієвий польовий шпат або альбіт Na[AlSi3O8], кальцієвий польовий шпат або анортит Ca[Al2Si2O8], плагіоклаз (ізоморфні суміші кальцієвого і натрієвого польового шпату: олігоклаз, андезин, лабрадорит); слюди: біотит, мусковіт, цинвальдит і лепідоліт. Близькі до польових шпатів нефелін Na[AlSiO4] і лейцит K[AlSi2O6]. Відомі подвійні силікати кальцію і алюмінію — цоїзит, епідот і везувіан, подвійний силікат магнію і алюмінію — кордієрит. Силікат алюмінію Al2SiO5 зустрічається у вигляді мінералів: кіаніту, силіманіту і андалузиту. З алюмосилікатів, що містять флуор можна відмітити топаз Al2(OH, F)2[SiO4].
Оксид алюмінію зустрічається у вигляді корунду і наждаку. Найважливіше джерело видобування алюмінію — боксит — складається з мінералів беміту і діаспору AlOOH і гідраргіліту (гібситу) Al(OH)3 (найбільші родовища в Австралії, Бразилії, Гвінеї, Ямайці). Важливим мінералом алюмінію є також кріоліт Na3AlF6.
Ізотопи
+ Деякі ізотопи алюмінію Ізотоп Період напіврозпаду Частинки, що поглинаються Тип розпаду Енергія випромінювання, еВ Деякі р-ії утворення 23Al 0,13 с — — — - 24Al 2,07 с Нейтрон β+γ ~8,51,38-7,1 Mg24 (p, n) 25Al 7,5 с Нейтрон β+ 3,2 Mg25 (p, n) 26mAl 7,0 с Нейтрон β+ 3,2 Mg25 (d, n) 26Al 106 роківНейтронзахоплення ел.βγ-1,161,83, 1,14 Mg25 (d, n)Mg26 (p, n)Al27 (n, 2n) 27Al стабільний — — — - 28Al 144 с 2 протони1 протон β-γ 2,861,78, 1,27 Al27 (n, γ)Al27 (n, γ) 29Al 396 с ПротонПротон β-γ 2,5, 1,41,28, 2,43 Al (α, 2p)Mg(α, p)
Фізичні властивості Алюміній — сріблясто-білий легкий метал, добрий провідник тепла і електрики, пластичний, легко піддається механічній обробці.
Кристалічна структура і атомний радіус
Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну ґратку (просторова група Fm3m). Найближча відстань між двома атомами становить 2,863 Å. Прийнятий період кристалічної ґратки алюмінію a = 4,0414 Å при кімнатній температурі. Кристалічна ґратка стабільна при температурах від 4 К і до температури плавлення 933 К. Параметр ґратки дуже слабо змінюється від наявності домішок.
Атомний радіус алюмінію визначений як половина між найближчими атомами-сусідами в кристалічній структурі і рівний 1,43Å. В кристалічній структурі алюмінію металічний зв'язок.
Густина
Теоретична густина алюмінію обрахована за параметрами його кристалічної ґратки становить 2,69872 г/см³. Експериментальні дані густини для полікристалічного алюмінію 99,996 % чистоти становлять 2,6989 (при 20 °C) г/см³, а для монокристалів — на 0,34 % вище.
Так, густина розплавленого алюмінію чистотою 99,996 % на 6,6 % менше, ніж у твердого металу, і при температурі 973 К становить 2357 кг/м³ і майже лінійно знижується до 2304 кг/м³ при температурі 1173 К.
Термічне розширення
Коефіцієнт термічного розширення α відпаленого алюмінію чистотою 99,99 % при температурі 293 К становить 23·10−6 і практично лінійно зростає до 37,3·10−6 К−1 при температурі 900 К.
Теплопровідність
Теплопровідність повністю відпаленого алюмінію в твердому стані знижується з ростом температури від 2,37 (298 К) до 2,08 Вт·см−1·К−1 (933,5 К) і при температурах вище 100 К вона малочутлива до чистоти металу.
При нагріванні алюмінію і переході його з твердого стану в рідкий у нього різко зменшується теплопровідність: з 2,08 до 0,907 Вт·см−1·К−1, а далі з ростом температури вона збільшується і при температурі 1000 °C становить вже 1,01 Вт·см−1·К−1.
Електропровідність
Питомий опір алюмінію високої чистоти (99,99 %) при температурі 20 °C становить 2,6548·10−8. Провідність алюмінію сильно залежить від його чистоти, причому вплив різних домішок залежить не тільки від концентрації цієї домішки, а й від того чи вона знаходиться в твердому розчині чи поза ним. Найбільш сильно підвищують опір алюмінію домішки хрому, літію, мангану, магнію, титану і ванадію. Питомий опір ρ (мкОм·м) відпаленого алюмінієвого дротика в залежності від вмісту домішок (%) можна приблизно визначити за наступною формулою: ρ = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04(Ti + V + Cr +Mn)
При температурі 1,175 ± 0,001 К алюміній переходить в надпровідний стан.
Питомий опір алюмінію при переході з твердого стану в рідкий стрибком зростає з 11 до 24 мкОм·см.
Плавлення і кристалізація
Температура плавлення алюмінію дуже чутлива до чистоти металу і для високочистого алюмінію (99,996 %) становить 933,4 К (660,3 °C), а температура початку кристалізації алюмінію за Шкалою температур Кельвіна (1968 р.) вважається рівною 660,37 °C і її використовують протягом десятків років для калібрування термопар. Підвищення зовнішнього тиску збільшує температуру плавлення алюмінію, і вона досягає 700 °C при тиску близько 100 МПа.
Температура кипіння алюмінію становить приблизно 2452 °C, прихована теплота плавлення чистого алюмінію — 397 Дж·г−1, а прихована теплота випаровування 9462Дж·г−1.
Питома теплоємність Ср алюмінію при 0 °C становить 0,90 Дж·г−1·К−1, зі збільшенням температури вона зростає і визначається рівнянням: Ср = С0 + bT,
де С0 — теплоємність при температурі 0 °C; b = 2,96·10−3; T — температура, К.
Поверхневий натяг
Поверхневий натяг σ має максимальне значення при температурі плавлення і з ростом температури він знижується: σ = 868 — 0,152(t — tп),
де σ — поверхневий натяг, Н/м; t — температура, °C; tп — температура плавлення алюмінію, °C.
В'язкість
В'язкість алюмінію при температурі плавлення становить 0,012 Па·с і збільшується при наявності навіть невеликого вмісту твердих включень, наприклад, оксиду алюмінію і нерозчинних домішок. З ростом температури в'язкість знижується. Легуючі добавки Ti, Fe, Cu збільшують, а Si і Mg знижують в'язкість сплаву.
Термодинамічні властивості
Основні термодинамічні властивості алюмінію в рідкому і твердому станах наведені в таблиці (температура в Кельвінах, теплоємність, ентропія і ентальпія в Дж·моль−1·К−1). + Термодинамічні характеристики алюмінію Температура T Теплоємність Cp Ентропія S Ентальпія H-H298 0 0,000 0,000 -4,580 200 21,59 19,14 -2,290 400 25,64 35,68 2,550 600 28,12 46,53 7,920 800 30,64 54,96 13,790 1000 29,31 73,29 30,620 1200 29,31 78,64 36,480 1400 29,31 83,15 42,340
Хімічні властивості Алюміній належить до головної підгрупи третьої групи періодичної системи елементів, його порядковий номер — 13. Електронна конфігурація алюмінію — 1s22s22p63s23p1. На зовнішньому енергетичному рівні знаходиться три валентних електрони, тому в хімічних сполуках алюміній зазвичай трьохвалентний. Менш характерні ступені окиснення +1 і +2, можливі тільки вище 800 °C в газовій фазі. Енергія іонізації алюмінію Al0 → Al+ → Al2+ → Al3+ відповідно дорівнює 5,984, 18,828, 28,44 еВ.
Спорідненість до електрона 0,5 еВ. Електронегативність за Полінгом 1,61, атомний радіус 0,143 нм, йонний радіус Al3+ (у дужках вказані координаційні числа) 0,053 нм (4), 0,062 нм (5), 0,067 нм (6).
Алюміній — хімічно активний елемент. У електрохімічному ряді напруг він стоїть поруч з лужними і лужноземельними елементами. Його стандартний електродний потенціал рівний −1,67 В.
При звичайних умовах алюміній легко взаємодіє з киснем повітря і вкривається тонкою (2·10−5 см), але міцною оксидною плівкою Al2О3 (пасивація), яка надає йому матового вигляду і сіруватого кольору.
4Al + 3O2-> 2Al2O3