Алуминий

Името на елемента идва от латинската дума alumen за Alaun (стипца). Две имена за елемента се употребяват: Aluminium (в света) и Aluminum (в САЩ и Канада).^[4]

Международният съюз за чиста и приложна химия(IUPAC) решава през 1990 година, че името на елемента е Aluminium, след 3 години признава също и Aluminum като възможен вариант.

Устойчивите алуминиеви атомни ядра се образуват при ядрен синтез на водород с магнезий в големите звезди или свръхнови.^[5]

В земната кора алуминият е най-изобилният (8,3% по маса) метален елемент и третият сред всички елементи след кислорода и силиция.^[4] Поради силната си реактивност с кислорода, алуминият почти не се среща в чист вид, а най-често свързан в оксиди и силикати. Фелдшпатите, най-разпространената група минерали в земната кора, са алумосиликати. Алуминият е в състава главно на вулканичните скали, преди всичко във вид на алумосиликати и слюди; в почвата, в състава на глината, основният състав на която, съответстващ на минерала каолин, Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O, и в боксита, Al₂O•xH₂O.^[6] Алуминият присъства и в много други минерали, като берил, криолит, гранат, шпинел и тюркоаз. Кристалният Al₂O₃ (корунд) с примеси от хром или желязо съставлява съответно скъпоценните камъни рубин и сапфир, а с берилий – аквамарин.^[6] Корундът се добива като природен абразив. Значение има и минералът креолит.

Самороден алуминий се среща само като малка фракция в лишена от кислород среда, като вътрешността на някои вулкани.^[7] Има сведения за самороден алуминий в студени изтичания в дълбоките североизточни части на Южнокитайско море, като съществува хипотеза, че той е образуван чрез редукция на Al(OH)₄⁻ от бактерии.^[8]

Въпреки че алуминият е широко разпространен елемент, повечето алуминиеви минерали не са икономична суровина за производството на метала. Почти всичкия метален алуминий се произвежда от рудата боксит (AlO_x(OH)_{3 – 2x}). Бокситът се среща като продукт на изветряне на скали с ниско съдържание на желязо и силиций при тропически климатични условия.^[9] Най-големи залежи на боксит има в Австралия, Бразилия, Гвинея и Ямайка.

Съединенията на алуминия са били познати от древни времена. През 1809 г.^[6] английският химик Хъмфри Дейви го описва като „Aluminum“ и се опитва да го произведе, осъществявайки електролиза на глина. За първи път е получен в груб (нечист)^[6] вид през 1825 г. от датския физик Ханс Кристиан Оерстед.

Немският химик Фридрих Вльолер през 1827 г., използвайки редукия с калий, произвел алуминиева пудра, а през 1845 г. и малки зрънца на метала, от които определил някои от неговите свойстваː специфично тегло, еластичност и стабилност на въздух.^[6] По нареждане на Наполеон Трети, на френския химик Анри Сент-Клер Дьовил били отпуснати средства за намиране на промишлен способ за получаване на алуминий.^[6] Скоро след това Дьовил разработил такъв способ, но той се оказал много скъп и по това време алуминият струвал повече от златото. Новият метал бил представен на публиката през 1855 г. на Парижкото изложение. От него се изработвали ювелирни изделия и някои скъпи предмети.^[6] По-късно, когато имало достатъчно много електричска енергия и тя била по-евтина, през 1866 г., почти едновременно и независимо един от друг, Чарлс Мартин Хол в САЩ и П. Ерц във Франция открили съвременния промишлен метод за получаване на алуминий. Това става чрез електролиза на разтвор от Al₂O₃ в стопен криолит (Na₃AlF₆). Процесът се извършва при температура от 1000 градуса, напрежение от 5 волта и ток над 100 000 ампера,^[6] в специални електрически пещи, като на анода се отделя кислород, а на катода – течен алуминий. Последният се събира на дъното на пещта, откъдето се премахва периодически. За получаването на 1 тон алуминий се изразходва повече от 16 000 kwh електроенергия.^[6]

Алуминият е относително мек, траен, лек и ковък метал с цвят, вариращ от сребрист до мътносив в зависимост от грапавината на повърхността. Той е неразтворим в алкохол, макар че под определени форми е разтворим във вода. Границата на провлачане на чистия алуминий е 7 – 11 MPa, а при някои алуминиеви сплави достига 200 до 600 MPa.^[10] Алуминият има около три пъти по-ниска плътност и модул на еластичност от стоманата, но е значително по-лесен за обработка, включително за изливане, изтегляне и екструдиране. Алуминиевите атоми образуват кристална решетка с кубична стенноцентрирана структура. Атомното му тегло е 26,9815. Температурата му на топене 660,323°C е приета за фиксирана точка по ITS-90 (Международна температурна скала-90), а на кипене е 2519°C. Плътността на алуминия е 2,70 g/cm³.^[6]

Алуминият е сред малкото метали, които запазват пълната си сребриста отражателна способност и във вид на фин прах, което го прави основен компонент на много сребърни бои. В ултравиолетовия (200 – 400 nm) и инфрачервения интервал (3000 – 10 000 nm) алуминиевата основа за огледала има най-добра отражателна способност сред металните основи. Във видимия интервал при 400 – 700 nm алуминият отстъпва с малко на калая и среброто, а при 700 – 3000 nm – на среброто, златото и медта.^[11]

Алуминият е добър проводник на топлина и електричество, с 59% от топлопроводимостта и електропроводимостта на медта, но с 30% от нейната плътност. Той има свръхпроводникови свойства със свръхпроводникова критична температура от 1,2 K и критично магнитно поле около 10 mT.^[12]

Благодарение на кубичната решетка, алуминият притежава добра пластична деформация, което го прави технологичен – лесно се подава на валцоване, пресоване, коване и щамповане. Много от алуминиевите сплави не стават крехки даже при температура на течен водород и хелий.^[6] Издръжливостта на разтегляне на алуминия не е голяма – 6 – 8 kg/mm², но на неговите сплави е 10 пъти повече, каквато е на средно-легирана стомана.^[6]

Алуминият притежава едновременно висока топлопроводност и електропроводност (от техническите метали само медта го превъзхожда по тези характеристики). Той има висока отражателна способност и лесно се полира. Чистият алуминий и някои от негови сплави притежават много висока корозивна издръжливост във водата, в това число и в кипяща.^[6]

Изотопи

Алуминият има девет изотопа с масови числа от 23 до 30. От тях в природата се срещат само стабилният изотоп ²⁷Al и радиоактивният ²⁶Al (с период на полуразпад 7,2×10⁵ години, бетаплюс разпад),^[6] но 99,9% от естествения алуминий са от изотопа ²⁷Al, синтезиран в звездите при термоядрено горене на въглерода. В земната атмосфера ²⁶Al се образува от аргон под въздействието на протони в космическите лъчи.

²⁸Al има живот от 2,2414 минути, бетаминус разпад. Останалите изотопи имат период на полуразпад секунди и части от секундата.^[6]

Изотопите на алуминия намират практическо приложение в датирането на океански седименти, манганови конкреции, ледников лед, метеорити, кварц в скални формации. Съотношението на ²⁶Al към ¹⁰Be се използва при изучаване на геоложките процеси в периода преди 10⁵ до 10⁶ години.^[13] Алуминий-26 изпуска бетаплюс частици с маскимална енергия 1,17MeV и последващо гама-излъчване, като най-интензивни са гама-квантите с енергия 1808 keV. Той да се образува при облъчването на циклотрон на магнезиева мишена с дейтони по реакцията ²⁵Mg(d,n)²⁶Al. Относителната активност обаче на получения изотоп е много малка и неговото използване е ограничено.^[6]

При метеоритите, след тяхното откъсване от изходния астрономически обект, слънчевите лъчи предизвикват образуването на значителни количества ²⁶Al. След падането на Земята атмосферата силно забавя този процес и разпада на ²⁶Al може да се използва за определяне на времето, преди което метеоритът е паднал. Тези изследвания показват, че ²⁶Al е бил сравнително изобилен по времето, когато се е образувала Слънчевата система. Повечето изследователи на метеоритите смятат, че енергията, отделяна при разпадането на ²⁶Al е причината за разтопяването и диференциацията на някои астероиди, настъпили след тяхното образуване преди 4,55 милиарда години.^[14]

Изотопът алуминий-28 се образува при облъчване на алуминий с неутрони и се използва в неутрино-активационния анализ за количественото определяне на алуминия в образци. Той претърпява β^–-разпад с последващо излъчване на гама-кванти с енергия от 1778 keV.^[6]

Облъчвайки алуминиево фолио с алфа-частици от плутониев източник, Ирен Кюри и Фредерик Жулио Кюри убедително показали съществуването на изкуствената радиоактивност, като по химичен път отдели радиоактивен фосфор с период на полуразпад 2,498 минути, образувал се по реакцията ²⁷Al(α,n)³⁰P.^[6]

Алуминият е метал от 13 група (3А) и следователно има три валентни електрона. Проявява 3+ степен на окисление, но при повишена температура образува едновалентни и двуваленти съединенияː AlCl, Al₂O, AlO.

Алуминият има значителна устойчивост на корозия, тъй като при излагане на въздух по повърхността му се образува тънък слой от диалуминиев триоксид, който е плътен и предотвратява оксидацията в дълбочина.^[15] Първите части на този слой към алуминия повтарят кристалната му решетка, образувайки много здраво съединение с него.^[6] Възможно е специално да се израства химично или електрохимично удебелен слой и да се въвеждат различни пълнители, като може да се придаде и някакъв цвят на повърхността.^[6] Високоякостните алуминиеви сплави са по-податливи на корозия, поради галваничните реакции с участващата в тях мед.^[10] Корозионната устойчивост може да бъде силно намалена и от присъствието на различни соли или контакта с някои метали.

В силно киселинни разтвори алуминият реагира с водата, отделяйки водород, а в силно алкални образува алуминати, като защитното пасивиране при такива условия е пренебрежимо:

${\displaystyle \mathrm {2Al+3H_{2}O\rightarrow Al_{2}O_{3}+3H_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {2Al+6H_{2}O\rightarrow 2Al(OH)_{3}+3H_{2}} }$

Алуминият се оксидира и от чиста вода при температури под 280 °C, като тази реакция има практическо значение за производството на водород. Затрудненията при този процес идват от образуващия се оксиден слой, който забавя реакцията, и от разходите за съхранение на енергията за възстановяване на металния алуминий.^[16])

Хлоридите, като обикновената готварска сол, също предизвикват корозия в алуминия, съпътствана от образуване на алуминиев трихлорид, което е сред основните причини водопроводите да не се изработват от този метал.^[17]

${\displaystyle \mathrm {2Al+3Cl_{2}\rightarrow 2AlCl_{3}} }$

Алуминият взаимодейства и пряко с кислород, в резултат на което се получава диалуминиев триоксид:

${\displaystyle \mathrm {4Al+3O_{2}\rightarrow 2Al_{2}O_{3}+Q} }$

При пряко взаимодействие с водород не може да се получи алуминиев трихидрид, той се получава по косвен начин:

${\displaystyle \mathrm {3LiAlH_{4}+AlCl_{3}\rightarrow 4AlH_{3}+3LiCl} }$

Когато алуминият взаимодейства с воден разтвор на киселини се образуват комплексни соли:

${\displaystyle \mathrm {2Al+6HCl+12H_{2}O\rightarrow 2Al(H_{2}O)_{6}Cl_{3}+3H_{2}} }$

Алуминият има двойствен химичен характер – взаимодейства с киселини и основи, като оксидите и хидроксидите му са амфотерни. При взаимодействие на алуминий с разтвор на основи се получава хексахидроксоалуминат и се отделя водород:

${\displaystyle \mathrm {2Al+6NaOH+6H_{2}O\rightarrow 2Na_{3}[Al(OH)_{6}]+3H_{2}} }$

С твърда алкална основа на стопилка се получава натриев метаалуминат и се отделя водород:

${\displaystyle \mathrm {2Al+2NaOH+2H_{2}O\rightarrow 2NaAlO_{2}+3H_{2}} }$

Процесът е окислително-редукционен.

Алуминият не взаимодейства с много органични вещества и хранителни продукти.^[6]

При производството на алуминий от боксит се използва Байеровият процес,^[3] базиран на две основни химически реакции:

${\displaystyle \mathrm {Al_{2}O_{3}+2NaOH\rightarrow 2NaAlO_{2}+H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {2H_{2}O+2NaAlO_{2}\rightarrow Al(OH)_{3}+NaOH} }$

Извличането на алуминия е възможно, тъй като междинният натриев алуминат NaAlO₂ е разтворим в силно алкална вода, докато останалите съставни части на рудата не са. В зависимост от качеството на боксита, количеството на добития алуминиев оксид е около половината на отделяния отпадъчен червен шлам.

За получаването на метален алуминий от алуминиевия оксид се използва енергоемкият процес на Хол-Еру. При него се извършва електролиза на разтвор на алуминиевия оксид в разтопена при 980 °C смес от криолит (Na₃AlF₆) и калциев флуорид (CaF₂) – на катода се отделя алуминий, а на анода – кислород:

${\displaystyle {Al^{3+}+3e^{-}\rightarrow Al}}$

${\displaystyle {2O^{2-}\rightarrow O_{2}+4e^{-}}}$

След това металният алуминий се утаява на дъното на разтвора и се изгребва, като обикновено се излива в големи блокове за последваща обработка. Въглеродният анод частично реагира с получавания кислород, образувайки въглероден диоксид, и трябва да се заменя периодично. Катодите също ерозират в резултат на електрохимични процеси, поради което след пет до десет години, в зависимост от прилагания ток, електролитната клетка трябва да се изгради наново.

	Държава	Продукция (хил.тона, 2010)
—	Свят	41 400
1	Китай	16 800
2	Русия	3850
3	Канада	2920
4	Австралия	1950
5	САЩ	1720
6	Бразилия	1550
7=	Индия	1400
7=	ОАЕ	1400
9	Бахрейн	870
10=	Норвегия	800
10=	ЮАР	800

Процесът на Хол-Еру произвежда алуминий с чистота над 99%. Допълнително пречистване може да се извърши чрез процеса на Хупс. Той се базира на електролиза на разтопен алуминий с електролит от натрий, барий и алуминиев флуорид и дава възможност за чистота от 99,99%.^[3][18]

Електролизата на алуминий при процеса на Хол-Еру е свързана със значителна консумация на енергия – средните стойности в световен мащаб са около 15±0,5 kW·h/kg (52 – 56 MJ/kg), като най-съвременните инсталации постигат 12,8 kW·h/kg (46,1 MJ/kg). На електроенергията се падат около 20 до 40% от себестойността на произвеждания алуминий, в зависимост от разположението на завода. В Съединените щати производството на алуминий консумира към 5% от цялото производство на електричество.^[19] По тази причина алуминиевите заводи често се разполагат на места с изобилна и евтина електроенергия, например в Обединените арабски емирства,^[20] Норвегия^[21] и Исландия,^[22] които разполагат с големи залежи на природен газ или възобновяеми енергийни източници.

Най-големите производители на алуминий в света са Китай (около една пета от световното производство), Русия и Канада (главно в Квебек и Британска Колумбия).^[19][23][24]

В продължение на половин век, до 2007 година, когато е изпреварена от Китай, Австралия е най-големият производител и износител на рафиниран боксит (алуминиев оксид) в света.^[25] През 2013 година в страната са добити 77 милиона тона боксит.^[26] Австралийските залежи на боксит са с относително високо съдържание на силиций, но за сметка на това са плитко разположени и относително лесни за добиване.^[27]

От техническа гледна точка, 100% от алуминия подлежи на рециклиране без загуба на неговите качества. Според някои оценки, общото количество използван днес по света алуминий (в автомобили, сгради, електроника и т.н.) е около 80 kg на човек от населението, концентриран главно в развитите страни (350 – 500 kg/човек при 35 kg/човек в слаборазвитите страни). Възстановяването на метала, чрез рециклиране е от съществено значение за алуминиевата промишленост.

Рециклирането се извършва, чрез претопяване на алуминиев скрап – процес, който изисква едва 5% от енергията, използвана при производството на алуминий от руда, въпреки че в зависимост от технологията 1 до 15% от изходния материал се губи във вид на пепеловидни оксиди.^[28][29]

Широко се прилага като конструктивен материал. Основните качества на алуминия са лекота, податлив на щамповане, висока топлопроводимост, устойчив на корозия (всъщност много бързо взаимодейства с кислорода от въздуха и се покрива с плътен слой оксид, който е корозоустойчив; в техниката се използват и други процеси за пасивиране повърхността на алуминиевите изделия). Тези свойства правят алуминия извънредно популярен при производството на кухненски прибори.

Основният недостатък на алуминия е малката механична здравина. Ето защо обикновено се използва сплав с малки количества мед и магнезий, известна под името дуралуминий (дурал). Тя широко се използва в производството на самолети и други летателни апарати, както и във военната техника. Дуралуминият е як като желязо, но е три пъти по-лек от него. За направата на алуминиево фолио и опаковки на храни се използва алуминий, легиран с минимални количества силиций, желязо, манган и магнезий. Алуминият се използва в металургията при получаването на някои метали от метални оксиди. Този процес се нарича алуминотермия. Освен това алуминият се използва за направата на огледала чрез алуминиево фолио. Друго приложение намира в медицината за направата на протези, а също така и за прочистване на вода чрез алуминиеви соли.

Цената на алуминия на световния пазар от ок. 2005 г. се движи около 2000 евро за тон (чистота от 99,7 %, през: октомври 2013).^[30]

Цитирани източници

• Theoretical/Best Practice Energy Use In Metalcasting Operations // afsinc.org. afsinc.org, 2004. Архивиран от оригинала на 2013-10-31. Посетен на 7 май 2015. (на английски)
• The Australian Industry // Australian Aluminium Council, 2007a. Архивиран от оригинала на 2008-07-18. Посетен на 11 август 2007. (на английски)
• Australian Bauxite // Australian Aluminium Council, 2007b. Архивиран от оригинала на 2007-07-18. Посетен на 11 август 2007. (на английски)
• Barthelmy, D. Aluminum Mineral Data // Mineralogy Database. Архивиран от оригинала на 4 юли 2008. Посетен на 9 юли 2008. (на английски)
• Beal, Roy E. Engine Coolant Testing: Fourth Volume. ASTM International, 1 януари 1999. ISBN 978-0-8031-2610-7. (на английски)
• Brown, T. J. World Mineral Production 2003 – 2007. British Geological Survey, 2009. Архивиран от оригинала на 2019-12-24. (на английски)
• Cameron, A. G. W. Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis. Atomic Energy of Canada, 1957. (на английски)
• Chen, Z et al. Characteristics and possible origin of native aluminum in cold seep sediments from the northeastern South China Sea // Journal of Asian Earth Sciences 40 (1). 2011. DOI:10.1016/j.jseaes.2010.06.006. p. 363 – 370. (на английски)
• Cochran, John F et al. Superconducting Transition in Aluminum // Physical Review 111 (1). 1958. DOI:10.1103/PhysRev.111.132. p. 132 – 142. (на английски)
• Dipaola, Anthony. U.A.E. Plans to Merge Aluminum Makers in $15 Billion Venture // bloomberg.com. bloomberg.com, 2013. Посетен на 18 март 2015. (на английски)
• Dickin, Alan P. In situ cosmogenic isotopes // Radiogenic Isotope Geology. onafarawayday.com, 2013. Архивиран от оригинала на 2008-12-06. Посетен на 14 август 2013. (на английски)
• Dodd, Robert T. Thunderstones and Shooting Stars. Cambridge, Mass., Harvard University Press, 1986. ISBN 0-674-89137-6. p. 89 – 90. (на английски)
• Emsley, J. Aluminium // Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850340-7. (на английски)
• Frank, W. B. Aluminum // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, 2009. DOI:10.1002/14356007.a01_459.pub2. (на английски)
• Macleod, H. A. Thin-film optical filters. CRC Press, 2001. ISBN 0750306882. (на английски)
• Greenwood, Norman N. et al. Chemistry of the Elements. Butterworth–Heinemann, 1997. ISBN 0-08037941-9. (на английски)
• Guilbert, J. F. et al. The Geology of Ore Deposits. W. H. Freeman, 1986. ISBN 0-7167-1456-6. (на английски)
• Hilmarsson, Thorsteinn. Energy and aluminium in Iceland // institutenorth.org. institutenorth.org, 2015. Архивиран от оригинала на 2015-04-02. Посетен на 18 март 2015. (на английски)
• From alumina to aluminium // hydro.com. hydro.com, 2015. Архивиран от оригинала на 2014-01-08. Посетен на 18 март 2015. (на английски)
• Benefits of Recycling // dnr.state.oh.us. Ohio Department of Natural Resources, 2003. Архивиран от оригинала на 2003-06-24. Посетен на 24 юни 2003. (на английски)
• Polmear, I. J. Light Alloys: Metallurgy of the Light Metals. Arnold, 1995. ISBN 9780340632079. (на английски)
• Schmitz, C. et al. Handbook of Aluminium Recycling. Vulkan-Verlag, 2006. ISBN 3-8027-2936-6. (на английски)
• Shakhashiri, Bassam Z. Chemical of the Week: Aluminum // Science is Fun, 2007. Архивиран от оригинала на 2013-05-29. Посетен на 28 август 2007. (на английски)
• Totten, G. E. et al. Handbook of Aluminum. Marcel Dekker, 2003. ISBN 978-0-8247-4843-2. (на английски)
• Reaction of Aluminum with Water to Produce Hydrogen // U.S. Department of Energy, 1 януари 2008. (на английски)
• Bauxite and Alumina, U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries // USGS, February 2014. p. 26. Посетен на 2 юни 2014. (на английски)
• Vargel, Christian. Corrosion of Aluminium. Elsevier, 2004, [1999]. ISBN 0-08-044495-4. (на английски)
• Lide, D. R. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds // CRC Handbook of Chemistry and Physics. 81st. CRC Press, 2000. ISBN 0849304814. (на английски)

Общомедия разполага с мултимедийно съдържание за

Алуминий.

В Уикикниги има на разположение:

Praktikum Anorganische Chemie/ Aluminium

В Уикикниги има на разположение:

Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Aluminium

• Aluminium, The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• MATERIAL ARCHIV: Aluminium
• Gesamtverbands der Aluminiumindustrie
• aluMATTER^{[неработеща препратка]} – E-Learning-Tool
• Preis-Entwicklung des Rohstoffs Aluminium seit 1992
• Elektrochemische Experimente mit Aluminium Архив на оригинала от 2011-12-31 в Wayback Machine.
• Aluminium im menschlichen Körper Архив на оригинала от 2015-03-16 в Wayback Machine.
• Christopher Exley: Aluminium and Medicine, in Molecular and Supramolecular Bioinorganic Chemistry ISBN 978-1-60456-679-6, englisch, (pdf-Datei; 174 kB), 2013
• Emedicine – Aluminium