Алюминий

АЛЮМИНИЙ (от лат. alumen, род. падеж aluminis - квасцы; лат. Aluminium) A1, хим. элемент III гр. периодич. системы, ат. н. 13, ат. м. 26,98154. В природе один стабильный изотоп ²⁷А1. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 215*10^-25 м². Конфигурация внеш. электронной оболочки 3s²3p; степень окисления + 3, менее характерны + 1 и + 2 (только выше 800 °С в газовой фазе); энергия ионизации Аl⁰ -> А1⁺ -> А1^{2 +} -> А1³⁺ соотв. 5,984, 18,828, 28,44 эВ; сродство к электрону 0,5 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,5; атомный радиус 0,143 нм, ионный радиус А1³⁺ (в скобках указаны координац. числа) 0,053 нм (4), 0,062 нм (5), 0,067 нм (6).

Содержание А. в земной коре 8,8% по массе. По распространенности в природе занимает четвертое место среди всех элементов (после О, Н и Si) и первое среди металлов; в своб. виде не встречается. Важнейшие минералы: боксит, представляющий собой смесь гидроксидов А. - диаспора и бемита А1ООН и гиббсита (гидраргиллита) А1(ОH)₃ (крупнейшие месторождения в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; пром. месторождения имеются также в СФРЮ, Греции, ВНР, Франции и СССР); алунит, или квасцовый камень (Na, К)₂ * SO₄*A1₂(SO₄)₃*4A1(OH₃) (осн. месторождения в СССР, ЧССР, Италии); нефелин (Na,K)₂O*Al₂O₃*2SiO₂ (осн. месторождения в СССР, Гренландии, Норвегии, Швеции, Кении).

Свойства. А. - серебристо-белый легкий металл; кристаллич. решетка кубич. гранецентрированная (а = 0,40403 нм, z = 4, пространств. группа Fт3т). Т. пл. 660 °С, т. кип. ок. 2452°С; плотн. А. 99,996%-ной чистоты 2,6989 (20°С) и 2,289 (1000°С) г/см³; С_p° 24,35 Дж/(моль*К);Н⁰_пл10,9 кДж/моль,Н⁰_исп 302,13 кДж/моль; S⁰₂₉₈ 28 Дж/(моль*К); давление пара (Па) 0,266 (660°С), 13,3 (1123°С), 133 (1279°С); температурный коэф. линейного расширения 24,58*10 ^-6 К^-1 (20-200°С); теплопроводность 1,24*10^-3 Вт/(м*К); 0,0265 мкОм*м; для А. 99,85%-ной чистоты (Н*с/м²) 2*10^-3 (800°С), 1,5*10^-3 (900°С), 1,3*10^-3 (1000°С);(на границе с Аг) 0,86 Н/м (700-750 °С). А. слабо парамагнитен. Стандартный электродный потенциал А1³⁺/А1° -1,663В в кислой среде и -2,35 В в щелочной. Модуль упругости 7*10³МПа; для отожженного металла твердость по Бринеллю 170 МПа, для холоднокатаного 270 МПа, соотв. 50 и 115 МПа, относит. удлинение 49 и 5,5%. При охлаждении ниже 120 К прочностные св-ва А. в отличие от большинства металлов возрастают, а пластические не изменяются.

На воздухе А. покрывается тонкой прочной беспористой пленкой А1₂О₃, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокую коррозионную стойкость. По этой же причине А. не реагирует с конц. HNO₃. Техн. А. легко взаимод. с разбавленными соляной к-той H₂SO₄ и HNO₃, образуя соли. А. легко реагирует со щелочами, давая алюминаты.

При 25 °С А. образует с хлором, бромом и иодом соотв. алюминия хлорид А1С1₃, бромид А1Вr₃ и иодид АlI₃, при 600°С с фтором-алюминия фторид A1F₃. Бромид -бесцв. расплывающиеся на воздухе кристаллы; т. пл. 97 °С, т. кип. 255°С;H°_обр-514 кДж/моль; раств. в воде, спирте, CS₂, ацетоне. Иодид-светло-коричневые расплывающиеся на воздухе кристаллы; т. пл. 180°С, т. кип. 360°С; H°_обр-309 кДж/моль; раств. в воде, спирте, эфире, CS₂.

Порошкообразный А. выше 800°С образует с азотом алюминия нитрид A1N. При взаимод. атомарного Н с парами А. при -196 °С получается гидрид (А1Н)_Х (х = 1, 2), стабильный до — 76°С; (А1Н₃)_Х, синтезированный взаимод. А1С1₃ с Li[А1Н₄],-бесцв. аморфный порошок, разлагается на элементы выше 100°С, водой гидролизуется. А. реагирует с S выше 200°С, давая сульфид A1₂S₃-бесцв. кристаллы; т. пл. 1120°С, т. возг. 1550°С (в токе N₂);

H°_обр -723 кДж/моль; разлагается водой, к-тами. С фосфором при 500°С А. образует фосфид А1Р-желтовато-серые кристаллы, устойчивые до 1000°С;H°_обр — 121 кДж/моль; разлагается к-тами и щелочами. При взаимод. расплавленного А. с В образуются бориды А1В₂ и А1В₁₂-желто-серые или коричневые кристаллы; т. пл. 2200 °С; не разлагаются водой и к-тами.

Выше 800°С могут образовываться соед. А1(I), напр.: А1₂Х₃ + 4А1 ЗА1₂Х (X = О, S, Se).

С рядом металлов и неметаллов А. образует сплавы (см. Алюминия сплавы), в к-рых содержатся интерметаллич. соед. - алюминиды, обычно весьма тугоплавкие (как правило, т. пл. выше 1000°С) и обладающие высокой твердостью (напр., твердость по Бринеллю для СuА1₂ и СгА1₇ ок. 5000 МПа, для TiAl₃ ок. 7000 МПа, для РеА1₃ ок. 10000 МПа) и жаропрочностью. Алюминиды выполняют роль модификаторов сплавов и придают изделиям высокие мех. св-ва.

Получение и переработка. А. получают электролизом р-ра глинозема (техн. А1₂О₃) в расплавленном криолите Na₃[AlF₆] (см. Алюминия фторид)при 960-970°С. Состав электролита: 75-90% по массе Na₃ [A1F₆], 5-12% A1F₃, 2-10% CaF₂, 1-10% A1₂O₃; молярное отношение NaF: A1F₃ = 2,20-2,85. Пром. комплекс по получению А. включает произ-во глинозема из алюминиевых руд (см. об этом Алюминия оксид), криолита и др. фторидов, углеродистых анодных и футеровочных материалов и собственно электролитич. получение А.

Электролиз глинозема ведут в аппаратах, катодом в к-рых служит подина ванны, анодом - предварительно обожженные угольные блоки или самообжигающиеся электроды, погруженные в расплавленный электролит. В расплаве протекают след. р-ции:

Жидкий А. накапливается на подине ванны, на аноде выделяется О₂, образующий с его материалом СО и СО₂. Плотность тока на аноде 0,7-0,9 А/см², на катоде 0,4-0,5 А/см²; для разл. типов электролизеров сила тока составляет 100-250 кА, рабочее напряжение 4.2-4,5 В (поддерживается автоматически); на получение 1 т чернового А. расходуется 14-16 тыс. кВт*ч электроэнергии, 1,92-1,95 т А1₂О₃, 0,5-0,6 т анодного материала; суточная производительность ванны средней мощности от 550 до 1200 кг. А. отбирают из электролизера один раз в 1-2 сут.

А. высокой чистоты (не более 0,05% примесей) получают электролитич. рафинированием чернового А., содержащего до 1% примесей; в кач-ве электролита чаще всего используют расплав Na₃[A1F₆], ВаС1₂ (до 60%) и NaCl (до 4%). Для получения А. особой чистоты (не более 0,001% примесей) применяют зонную плавку или хим. транспортную р-цию: 2А1 (жидкость) + А1F₃(газ)3А1F(газ).

А. разливают в чушки или плоские слитки, к-рые затем перерабатывают в листы, фольгу, профили, проволоку. Он хорошо сваривается, поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению и прессованию, а также обрабатывается методами порошковой металлургии. А. в виде порошка производят распылением струи жидкого чистого А. упругой струей смеси N₂ и О₂ (2-8%). Частицы порошка при этом покрываются пленкой А1₂О₃, содержание к-рого колеблется от 6 до 17%. При содержании О₂ в газовой струе менее 2% порошок самопроизвольно возгорается на воздухе, при содержании О₂ более 8%-горит при распылении. Сухим и мокрым размолом порошка в шаровых мельницах получают А. соотв. в виде пудры и пасты.

Порошок А. со средним размером частиц до 20 мкм пирофорен; т. самовоспл. 490°С, т. воспл. 420°С; ниж. КПВ 0,025-0,045 кг/м³. Аэрозоль А. в воздухе воспламеняется при 645°С.

Определение. А. обнаруживают по образованию окрашенных соед. с ализарином, алюминоном, морином или с помощью эмиссионного спектрального анализа. Гравиметрич. методы определения основаны на выделении А. в виде гидроксида, бензоата, гидроксихинолината и послед. прокаливании их при 1200°С до А1₂О₃, к-рый взвешивают. При титриметрич. определении А. при рН 4,5 связывают в комплекс динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной к-ты, избыток к-рой оттитровывают р-ром соли Zn. Для количеств. определения А. используют также фотометрич. (с помощью 8-гидроксихинолина, алюминона, эриохромцианина, хромазурола S) и атомно-абсорбционный (с использованием резонансного излучения с длиной волны 309,3 нм) методы анализа.

Применение. А. используют гл. обр. для получения алюминиевых сплавов. Чистый А-конструкц. материал в стр-ве жилых и обществ. зданий, с.-х. объектов, в судостроении, для оборудования силовых подстанций и др. Применяют А. также для изготовления кабельных, токопроводящих и др. изделий в электротехнике, корпусов и охладителей диодов, спец. хим. аппаратуры, товаров народного потребления и др. Покрытия из А. наносят на стальные изделия для повышения их коррозионной стойкости. Способы нанесения: распыление (для защиты стальных конструкций, эксплуатирующихся в приморских зонах, на хим. предприятиях и др.); погружение в расплав (для получения алюминированных стальных лент); плакирование прокаткой (биметаллич. ленты); вакуумное напыление (для алюминирования лент из стали, тканей, бумаги и пластмасс, инструментальных зеркал и др.); электрохим. способ (для получения материалов и изделий с защитно-декоративными св-вами).

А. - в виде порошка и гранул - раскислитель чугуна и стали, восстановитель оксидов при получении металлов (напр., Сr, Мn, Са) и сплавов (напр., ферромолибдена, феррониобия, ферровольфрама) методом алюминотермии, компонент твердых ракетных топлив, пиротехн. составов, ВВ. Алюминиевая пудра и паста - пигменты лакокрасочных материалов; пудра используется также как газообразователь в произ-ве ячеистых бетонов.

По объему произ-ва А. занимает среди металлов второе место после стали (в развитых капиталистич. странах - 12 млн т в 1980). В стр-ве и транспортном машиностроении расходуется приблизительно по 24% чистого А. и его сплавов, в произ-ве упаковочных материалов и консервных банок - ок. 17%, в электротехнике - ок. 10%, в произ-ве потребительских товаров-ок. 8%.

Металлич. А. впервые получен в 1825 X. К. Эрстедом.

Лит.: Беляев А. И., Металлургия легких металлов, 6 изд., М., 1970; Aluminium-Taschenbuch, 13 Aufl., Diisseldorf, 1974. А.Ф.Белов.