АЛЮМИНИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Алюминий представляет собой металлический элемент , принадлежащий к (III А) группы 13 периодической таблицы элементов и который представлен символ A. Это легкий металл с низкой плотностью и твердостью. Из-за амфотерных свойств он был классифицирован некоторыми учеными как металлоид.

Это пластичный и очень ковкий металл, поэтому он используется для производства проволоки, тонких алюминиевых листов, а также любых предметов или фигур; например, знаменитые банки из их сплавов или алюминиевая фольга, которой заворачивают продукты или десерты.

Мятая алюминиевая фольга - один из самых простых и повседневных предметов, сделанных из этого металла. Источник: Pexels.

Квасцы (гидратированный сульфат калия и алюминия) использовались людьми с древних времен в медицине, дублении кожи и в качестве протравы для окрашивания тканей. Таким образом, его полезные ископаемые были известны навсегда.

Однако алюминий как металл был выделен очень поздно, в 1825 году, Эрстедом, что привело к научной деятельности, которая позволила использовать его в промышленности. В то время алюминий был металлом с самым высоким производством в мире после железа.

Алюминий находится в основном в верхней части земной коры, составляя 8% от ее веса. Он соответствует своему третьему по распространению элементу, уступая кислороду и кремнию в кремнеземных и силикатных минералах.

Бокситы - это ассоциация минералов, среди которых: глинозем (оксид алюминия) и оксиды металлов, железа, титана и кремния. Он представляет собой главный природный ресурс для добычи алюминия.

история

квасцы

В Месопотамии 5000 лет до нашей эры. C., Керамику уже делали из глин, содержащих соединения алюминия. Между тем, 4000 лет назад вавилоняне и египтяне использовали алюминий в некоторых химических соединениях.

Первый письменный документ, связанный с квасцами, был составлен греческим историком Геродотом в V веке до нашей эры. Квасцы использовались в качестве протравы при крашении тканей и для защиты дерева, из которого были изготовлены двери крепости, от пожаров.

Таким же образом Плиний «Старший» в I веке называет квасцы, сегодня известные как квасцы, как вещество, используемое в медицине и протраве.

С 16 века квасцы стали использовать при дублении кожи и в качестве проклейки бумаги. Это было гелеобразное вещество, которое придавало бумаге консистенцию и позволяло использовать ее в письменной форме.

В 1767 году швейцарский химик Торберн Бергман осуществил синтез квасцов. Для этого он нагрел мунит с серной кислотой, а затем добавил в раствор поташ.

Признание в глиноземе

В 1782 году французский химик Антуан Лавуазье указал, что оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ) является оксидом какого-то элемента. Он имеет такое сродство к кислороду, что его разделение было затруднено. Следовательно, Лавуазье предсказал существование алюминия.

Позже, в 1807 году, английский химик сэр Хамфри Дэви подверг электролизу глинозем. Однако методом, который он использовал, был получен сплав алюминия с калием и натрием, поэтому он не мог изолировать металл.

Дэви прокомментировал, что оксид алюминия имеет металлическую основу, которую он первоначально обозначил как «алюминий» на основе латинского слова «alumen» - названия квасцов. Позже Дэви изменил название на «алюминий», нынешнее английское название.

В 1821 году немецкому химику Эйльхарду Митчерлиху удалось открыть правильную формулу оксида алюминия: Al ₂ O ₃ .

Изоляция

В том же году французский геолог Пьер Бертье обнаружил алюминиевый минерал в месторождении красноватой глины во Франции, в регионе Ле Бо. Бертье обозначил минерал как боксит. Этот минерал в настоящее время является основным источником алюминия.

В 1825 году датский химик Ганс Кристиан Эрстед изготовил металлический стержень из предполагаемого алюминия. Он описал его как «кусок металла, который по цвету и блеску немного похож на олово». Эрстед смог добиться этого, восстановив хлорид алюминия, AlCl ₃ , амальгамой калия.

Однако считалось, что исследователь получил не чистый алюминий, а сплав алюминия и калия.

В 1827 году немецкому химику Фридриху Вёлеру удалось произвести около 30 граммов алюминиевого материала. Затем, после 18 лет исследовательской работы, Вёлер в 1845 году добился получения глобул размером с булавочную головку, с металлическим блеском и сероватым цветом.

Велер даже описал некоторые свойства металла, такие как цвет, удельный вес, пластичность и стабильность.

Промышленное производство

В 1855 году французский химик Анри Сент-Клер Девиль усовершенствовал метод Вёлера. Для этого он использовал восстановление хлорида алюминия или хлорида натрия и алюминия металлическим натрием, используя криолит (Na ₃ AlF ₆ ) в качестве потока.

Это позволило промышленное производство алюминия в Руане, Франция, а между 1855 и 1890 годами было произведено 200 тонн алюминия.

В 1886 году французский инженер Поль Эру и американский студент Чарльз Холл независимо друг от друга создали метод производства алюминия. Метод заключается в электролитическом восстановлении оксида алюминия в расплавленном криолите с использованием постоянного тока.

Этот метод был эффективен, но у него была проблема с высоким потреблением электроэнергии, что делало производство более дорогим. Эру решил эту проблему, основав свою промышленность в Нойхаузене (Швейцария), таким образом используя Рейнский водопад в качестве генераторов электроэнергии.

Изначально Холл поселился в Питтсбурге (США), но позже переместил свою промышленность недалеко от Ниагарского водопада.

Наконец, в 1889 году Карл Йозеф Байер создал метод производства глинозема. Он заключается в нагревании боксита в закрытом контейнере с щелочным раствором. В процессе нагрева фракция оксида алюминия восстанавливается в солевом растворе.

Физические и химические свойства

Внешность

Ведро металлическое алюминиевое. Источник: Карстен Нихаус

Серебристо-серый массив с металлическим блеском (верхнее изображение). Это мягкий металл, но он затвердевает с небольшим количеством кремния и железа. Кроме того, он отличается высокой пластичностью и податливостью, так как из него можно изготавливать алюминиевые листы толщиной до 4 микрон.

Атомный вес

26 981 ю

Атомный номер (Z)

13

Температура плавления

660,32 ºC

Точка кипения

2,470 ºC

плотность

Температура окружающей среды: 2,70 г / мл.

Точка плавления (жидкость): 2,375 г / мл.

Его плотность значительно ниже, чем у других металлов. По этой причине алюминий довольно легкий.

Теплота плавления

10,71 кДж / моль

Теплота испарения

284 кДж / моль

Молярная калорийность

24,20 Дж / (моль К)

Электроотрицательность

1,61 по шкале Полинга

Энергия ионизации

-Первый: 577,5 кДж / моль

-Второй: 1816,7 кДж / моль

-Третий: 2744,8 кДж / моль

Термическое расширение

23,1 мкм / (мК) при 25 ºC

Теплопроводность

237 Вт / (м · К)

Теплопроводность алюминия в три раза выше, чем у стали.

Удельное электрическое сопротивление

26,5 нОм м при 20 ºC

Его электрическая проводимость составляет 2/3 от проводимости меди.

Магнитный заказ

парамагнитный

твердость

2,75 по шкале Мооса

Реактивность

Алюминий устойчив к коррозии, потому что при контакте с воздухом тонкий слой оксида Al ₂ O _3, который образуется на его поверхности, предотвращает продолжение окисления внутри металла.

В кислых растворах он реагирует с водой с образованием водорода; в щелочных растворах он образует алюминат-ион (AlO ₂ ^- ).

Разбавленные кислоты не могут растворить его, но могут в присутствии концентрированной соляной кислоты. Однако алюминий устойчив к концентрированной азотной кислоте, хотя на него воздействуют гидроксиды с образованием водорода и алюминат-иона.

Порошок алюминия сжигается в присутствии кислорода и углекислого газа с образованием оксида алюминия и карбида алюминия. Он может разъедать хлорид, присутствующий в растворе хлорида натрия. По этой причине использование алюминия в трубах не рекомендуется.

Алюминий окисляется водой при температуре ниже 280 ºC.

2 Al (тв.) + 6 H ₂ O (г) => 2Al (OH) ₃ (т.) + 3H ₂ (г) + тепло

Структура и электронная конфигурация

Алюминий является металлическим элементом (для некоторых - металлоидными красителями), его атомы Al взаимодействуют друг с другом благодаря металлической связи. Эта ненаправленная сила определяется его валентными электронами, которые разбросаны по кристаллу во всех его размерах.

В соответствии с электронной конфигурацией алюминия эти валентные электроны следующие:

3с ² 3п ¹

Следовательно, алюминий является трехвалентным металлом, так как он имеет три валентных электрона; два в 3s орбитали и один в 3p. Эти орбитали перекрываются, образуя молекулярные орбитали 3s и 3p, настолько близко друг к другу, что в конечном итоге образуют зоны проводимости.

Полоса s заполнена, в то время как полоса p имеет много вакансий для большего количества электронов. Вот почему алюминий - хороший проводник электричества.

Металлическая связь алюминия, радиус его атомов и его электронные характеристики определяют ГЦК (гранецентрированный кубический) кристалл. Такой кристалл FCC, по-видимому, является единственным известным аллотропом алюминия, поэтому он наверняка выдержит действующее на него высокое давление.

Числа окисления

Электронная конфигурация алюминия сразу указывает на то, что он способен потерять до трех электронов; то есть он имеет высокую тенденцию к образованию катиона Al ³⁺ . Когда предполагается наличие этого катиона в соединении, полученном из алюминия, говорят, что он имеет степень окисления +3; как известно, это самый распространенный для алюминия.

Однако существуют другие возможные, но редкие степени окисления для этого металла; такие как: -2 (Al ^2- ), -1 (Al ^- ), +1 (Al ⁺ ) и +2 (Al ²⁺ ).

В Al ₂ O ₃ , например, алюминий имеет степень окисления +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ); а в AlI и AlO +1 (Al ⁺ F ^- ) и +2 (Al ²⁺ O ^2- ) соответственно. Однако в нормальных условиях или ситуациях Al (III) или +3 является наиболее высокой степенью окисления; поскольку Al ³⁺ изоэлектронен благородному газу неон.

Вот почему в школьных учебниках всегда предполагается, и не без оснований, что алюминий имеет +3 как единственное число или степень окисления.

Где найти и получить

Алюминий сконцентрирован на внешней границе земной коры, являясь ее третьим элементом, уступая только кислороду и кремнию. Алюминий составляет 8% от веса земной коры.

Он содержится в магматических породах, в основном: алюмосиликатах, полевых шпатах, полевых шпатах и ​​слюдах. Также в красноватых глинах, как в случае с бокситом.

- бокситы

Бокситовый рудник. Источник: Пользователь: VargaA

Бокситы представляют собой смесь минералов, содержащую гидратированный глинозем и примеси; такие как оксиды железа и титана и диоксид кремния со следующими массовыми процентами:

-При ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

-H ₂ O конституции 12-30%.

Глинозем содержится в бокситах в гидратированной форме в двух вариантах:

-моногидраты (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), которые имеют две кристаллографические формы, бемит и диаспор

-Тригидраты (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), представленные гиббситом.

Бокситы являются основным источником алюминия и поставляют большую часть алюминия, получаемого при добыче полезных ископаемых.

- Алюминиевые месторождения

Переделки

В основном бокситы состоят из 40-50% Al ₂ O ₃ , 20% Fe ₂ O ₃ и 3-10% SiO ₂ .

гидротермальный

Алунит.

магматический

Глиноземистые породы, содержащие такие минералы, как сиениты, нефелин и анортиты (20% Al ₂ O ₃ ).

Метаморфические

Силикаты алюминия (андалузит, силлиманит и кианит).

Detritics

Месторождения каолина и различные глины (32% Al ₂ O ₃ ).

- Разработка бокситов

Бокситы добывают под открытым небом. После того, как содержащие его камни или глины собраны, они измельчаются и измельчаются в шаровых и прутковых мельницах до получения частиц диаметром 2 мм. В этих процессах обработанный материал остается влажным.

При получении оксида алюминия применяют процесс, созданный компанией Bayer в 1989 г. Измельченный боксит переваривается путем добавления гидроксида натрия с образованием алюмината натрия, который растворяется; в то время как загрязняющие вещества оксиды железа, титана и кремния остаются во взвешенном состоянии.

Загрязняющие вещества декантируют, и тригидрат оксида алюминия осаждают из алюмината натрия путем охлаждения и разбавления. Затем тригидратированный оксид алюминия сушат с получением безводного оксида алюминия и воды.

- Электролиз глинозема

Чтобы получить алюминий, оксид алюминия подвергают электролизу, обычно по методу, созданному Холл-Эру (1886). Процесс заключается в восстановлении расплавленного оксида алюминия до криолита.

Кислород связывается с угольным анодом и выделяется в виде диоксида углерода. Между тем, высвободившийся алюминий осаждается на дне электролитической ячейки, где он накапливается.

сплавы

Алюминиевые сплавы обычно обозначаются четырьмя цифрами.

1xxx

Код 1xxx соответствует алюминию чистотой 99%.

2xxx

Код 2ххх соответствует сплаву алюминия с медью. Это прочные сплавы, которые использовались в космических аппаратах, но они потрескались от коррозии. Эти сплавы известны как дюралюминий.

3ххх

Код 3xxx охватывает сплавы, в которых к алюминию добавлены марганец и небольшое количество магния. Это сплавы, очень устойчивые к износу, сплав 3003 используется в производстве кухонной утвари, а сплав 3004 - в банках для напитков.

4xxx

Код 4xxx представляет сплавы, в которых кремний добавлен к алюминию, что снижает температуру плавления металла. Этот сплав используется при производстве сварочной проволоки. Сплав 4043 используется при сварке автомобилей и элементов конструкций.

5xxx

Код 5xxx охватывает сплавы, в которых магний в основном добавлен к алюминию.

Это прочные сплавы, устойчивые к коррозии в морской воде, используемые для изготовления сосудов под давлением и различных морских применений. Сплав 5182 используется для изготовления крышек банок из-под газировки.

6xxx

Код 6xxx охватывает сплавы, в которых кремний и магний добавлены к сплаву с алюминием. Эти сплавы являются литейными, свариваемыми и устойчивыми к коррозии. Самый распространенный сплав этой серии используется в архитектуре, велосипедных рамах и конструкции iPhone 6.

7xxx

Код 7xxx обозначает сплавы, в которых цинк добавлен к алюминию. Эти сплавы, также называемые Ergal, устойчивы к разрушению и обладают большой твердостью, поэтому в самолетостроении используются сплавы 7050 и 7075.

риски

Прямое воздействие

Контакт с алюминиевой пудрой может вызвать раздражение кожи и глаз. Длительное воздействие алюминия может вызвать симптомы гриппа, головную боль, жар и озноб; Кроме того, может возникнуть боль в груди и ощущение стеснения.

Воздействие мелкой алюминиевой пыли может вызвать рубцевание легких (фиброз легких) с симптомами кашля и одышки. OSHA установила предел 5 мг / м ³ для воздействия алюминиевой пыли в течение 8-часового рабочего дня.

Значение биологической толерантности к воздействию алюминия на рабочем месте установлено на уровне 50 мкг / г креатинина в моче. Ухудшение результатов нейропсихологических тестов происходит, когда концентрация алюминия в моче превышает 100 мкг / г креатинина.

Рак молочной железы

Алюминий используется в качестве гидрохлорида алюминия в дезодорантах-антиперспирантах, что связано с развитием рака груди. Однако эта взаимосвязь не была четко установлена, в том числе потому, что абсорбция гидрохлорида алюминия через кожу составляет всего 0,01%.

Нейротоксические эффекты

Алюминий нейротоксичен, и у людей, подвергающихся профессиональному воздействию, он связан с неврологическими заболеваниями, в том числе с болезнью Альцгеймера.

Мозг пациентов с болезнью Альцгеймера имеет высокую концентрацию алюминия; но неизвестно, является ли это причиной болезни или ее следствием.

У диализных пациентов установлено наличие нейротоксических эффектов. В этой процедуре соли алюминия использовались в качестве связывающего фосфата, что приводило к образованию высоких концентраций алюминия в крови (> 100 мкг / л плазмы).

У пораженных пациентов наблюдались дезориентация, проблемы с памятью, а на поздних стадиях - деменция. Нейротоксичность алюминия объясняется тем, что он трудно устраняется мозгом и влияет на его функционирование.

Вход алюминия

Алюминий присутствует во многих продуктах питания, особенно в чае, специях и овощах в целом. Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) установило предел допустимости потребления алюминия с пищей в размере 1 мг / кг веса тела в день.

В 2008 году EFSA подсчитало, что суточное потребление алюминия с пищей колеблется от 3 до 10 мг в день, поэтому сделан вывод, что он не представляет риска для здоровья; а также использование алюминиевой посуды для приготовления пищи.

Приложения

- Как металл

электрический

Алюминий является хорошим проводником электричества, поэтому он используется в сплавах в линиях электропередачи, двигателях, генераторах, трансформаторах и конденсаторах.

Здание

Алюминий используется при изготовлении дверных и оконных рам, перегородок, заборов, покрытий, теплоизоляционных материалов, потолков и т. Д.

Транспорт

Алюминий используется в производстве деталей для автомобилей, самолетов, грузовиков, велосипедов, мотоциклов, лодок, космических кораблей, железнодорожных вагонов и т. Д.

Контейнеры

Алюминиевые бидоны для разных видов продуктов. Источник: Pxhere.

Алюминий используется для изготовления банок для напитков, пивных бочонков, подносов и т. Д.

Домой

Ковши алюминиевые. Источник: Pexels.

Из алюминия делают кухонную утварь: кастрюли, сковороды, сковороды и упаковочную бумагу; помимо мебели, светильников и т. д.

Отражающая сила

Алюминий эффективно отражает лучистую энергию; от ультрафиолета до инфракрасного излучения. Отражательная способность алюминия в видимом свете составляет около 80%, что позволяет использовать его в качестве абажура в лампах.

Кроме того, алюминий сохраняет свои характеристики отражения серебра даже в виде мелкого порошка, поэтому его можно использовать в производстве серебряных красок.

- Соединения алюминия

глинозем

Он используется для изготовления металлического алюминия, изоляторов и свечей зажигания. Когда оксид алюминия нагревается, он образует пористую структуру, которая поглощает воду, используется для осушения газов и служит местом действия катализаторов в различных химических реакциях.

Сульфат алюминия

Он используется в бумажном производстве и в качестве поверхностного наполнителя. Сульфат алюминия служит для образования алюминиевых квасцов калия. Это наиболее широко используемые квасцы, имеющие множество применений; например, производство лекарств, красок и протравы для крашения тканей.

Хлорид алюминия

Это наиболее используемый катализатор в реакциях Фриделя-Крафтса. Это синтетические органические реакции, используемые для получения ароматических кетонов и антрахинона. Гидратированный хлорид алюминия используется в качестве местного антиперспиранта и дезодоранта.

Гидроксид алюминия

Он используется для водонепроницаемости тканей и производства алюминатов.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Алюминий. Получено с: en.wikipedia.org
3. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Алюминий. База данных PubChem. CID = 5359268. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminium
4. Редакторы энциклопедии Британника. (13 января 2019 г.). Алюминий. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
5. ОК Русал. (SF). История алюминия. Получено с: aluminiumleader.com
6. Университет Овьедо. (2019). Металлургия алюминия. , Получено с: unioviedo.es
7. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (6 февраля 2019 г.). Алюминий или алюминиевые сплавы. Получено с: thinkco.com
8. Клотц, К., Вайстенхёфер, В., Нефф, Ф., Хартвиг, А., ван Триэль, К., и Дрекслер, Х. (2017). Воздействие алюминия на здоровье. Deutsches Arzteblatt International, 114 (39), 653–659. DOI: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Алюминиевые сплавы. Получено с: sciencedirect.com
10. Наталья ГМ (16 января 2012 г.). Наличие алюминия в продуктах питания. Получено с: consumer.es