Алюминий - Aluminium


Из Википедии, свободной энциклопедии

Алюминий,   13 Аль
Алюминий-4.jpg
алюминий
Произношение
альтернативное имя алюминий (США, Канада)
Внешность серебристо-серый металлик
Стандартный атомный вес г, станд (Al) , 26,981 5384 (3)
Алюминий в периодической таблице
водород гелий
литий бериллий бор углерод азот кислород Фтор неон
натрий магниевый алюминий кремний фосфор сера хлор аргон
калий кальций Скандий титан Ванадий хром марганца Железо кобальт никель медь цинк галлий германий мышьяк Селен Бром криптон
Рубидий стронций Иттрий Цирконий ниобий молибден технеций Рутений Родий палладий Серебряный Кадмий Индий Банка сурьма Теллур йод ксенон
цезий барий Лантан церий празеодимий неодим Прометий Самарий европий гадолиний тербий диспрозий Holmium эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний тантал вольфрам рений Осмий Иридий платиновый Золото Ртуть (элемент) таллий вести висмут Полоний Астат радон
Франций радий актиний торий протактиний Уран нептуний Плутоний Америций кюрий беркелий калифорний эйнштейний Fermium менделевий Нобелий Лоуренсий резерфордия Дубний сиборгия борий гания мейтнерий Darmstadtium рентгения Коперниций Nihonium Флеровий Moscovium Ливерморий Tennessine Oganesson
В

Al

Ga
магнийалюминийкремния
Атомный номер ( Z ) 13
группа группа 13 (бор группа)
период период 3
блок п-блок
категория Элемент   пост-переходный металл , иногда рассматривается как металлоид
Электронная конфигурация [ Н ] 3s 2 3p 1
Электроны в оболочке
2, 8, 3
Физические свойства
Фаза на  STP твердый
Температура плавления 933,47  К (660,32 ° С, 1220,58 ° F)
Точка кипения 2743 К (2470 ° С, 4478 ° F)
Плотность (около  к.т. ) 2,70 г / см 3
когда жидкость (при  тре ) 2,375 г / см 3
Теплота плавления 10,71  кДж / моль
Теплота парообразования 284 кДж / моль
Молярная теплоемкость 24,20 Дж / (моль · К)
Давление газа
Р  (Па) 1 10 100 1 к 10 к 100 к
при  Т  (К) 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Атомные свойства
Окислительные состояния -2, -1, +1, +2, +3 , (ые  амфотерный оксид)
Электроотрицательность Полинг шкала: 1,61
энергия ионизации
  • 1-й: 577,5 кДж / моль
  • 2-й: 1816,7 кДж / моль
  • Третий: 2744,8 кДж / моль
  • ( Более )
Радиус атома эмпирические: 143  м
радиус Ковалентного 121 ± 4 вечера
Ван-дер-Ваальса радиус 184 ч
Цвет линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии из алюминия
Другие свойства
Естественное явление исконный
Кристальная структура гранецентрированной кубической (ГЦК)
Гранецентрированная структура кубического кристалла для алюминия
Скорость звука тонкого стержня (прокат) 5000 м / с (при  комнатной температуре )
Тепловое расширение 23,1 мкм / (м · К) (при 25 ° C)
Теплопроводность 237 Вт / (м · К)
Электрическое сопротивление 26.5 nΩ · м (при 20 ° C)
Магнитное упорядочение парамагнитный
магнитная восприимчивость + 16,5 · 10 -6  см 3 / моль
Модуль для младших 70 ГПа
Модуль сдвига 26 ГПа
объемный модуль 76 ГПа
коэффициент Пуассона 0,35
твердость по Моосу 2,75
твердость по Виккерсу 160-350 МПа
твердость по Бринеллю 160-550 МПа
Количество CAS 7429-90-5
история
Именование после того, как оксид алюминия ( оксид алюминия ), сам по себе после того, как названным минеральным квасцам
прогнозирование Антуан Лавуазье (1782)
Открытие и первый изоляции Эрстеды (1824)
Названный Гемфри Дэви (1812)
Основные изотопы алюминия
Изотоп изобилие Период полураспада ( т 1/2 ) режим Decay Товар
26 Al след 7,17 × 10 5  лет β + 26 Мг
ε 26 Мг
γ -
27 Al 100% стабильный
| Рекомендации

Алюминий или алюминий является химический элемент с символом  Al и атомным номером  13. Это серебристо-белый, мягкий, немагнитным и ковкого металла в группе бора . По массе алюминия составляет около 8% всей земной коры ; это третий самый распространенный элемент после кислорода и кремния и наиболее распространенного металла в земной коре, хотя это менее распространено в приведенной ниже мантии. Главный руды алюминия бокситы . Металлический алюминий является настолько химически активными , что нативные образцы являются редкими и ограничивается экстремальных восстановительных средах. Вместо этого он нашел в сочетании в более чем 270 различных минералов .

Алюминий отличается своей низкой плотности и ее способность противостоять коррозии через явление пассивации . Алюминий и его сплавы являются жизненно важными для авиакосмической промышленности и важным в транспортных и строительных отраслях, таких как строительство фасадов и оконных рам. Эти оксиды и сульфаты являются наиболее полезными соединениями алюминия.

Несмотря на свою распространенность в окружающей среде, не известная форма жизни использует алюминиевые соли метаболически , но алюминий хорошо переносится растениями и животными. Из - за обилия этих солей, потенциал биологической роли для них имеет постоянный интерес, и исследования продолжаются.

Физические характеристики

Ядра и изотопы

Из изотопов алюминия, только 27 Al является стабильным. Это согласуется с алюминием , имеющими нечетный атомный номер. Это единственный алюминиевый изотоп , который существовал на Земле в ее нынешнем виде с момента создания планеты . Очень почти все элемент на Земле присутствует в виде этого изотопа, что делает алюминий в mononuclidic элемент и означает , что его стандартный атомный вес практически приравнивает к тому , что изотопу. Стандартный атомный вес алюминия является низким по сравнению со многими другими металлами, которая имеет последствие для свойств элемента (см ниже ).

Все другие изотопы алюминия радиоактивные . Наиболее стабильные из них 26 Al ( период полураспада  720000 лет) и , следовательно , не мог бы выжить после формирования планеты. Тем не менее, 26 Al получают из аргона в атмосфере путем расщепления , вызванного космическими лучами протонов. Отношение 26 Al к 10 Be было использовано для radiodating геологических процессов в течение 10 5 до 10 6 лет временных масштабов, в частности переноса, осаждении, осадка хранения, захоронение времен, и эрозии. Большинство ученых считают , что метеорит энергия , выделяющаяся при распаде 26 Al отвечал за плавления и дифференциации некоторых астероидов после их образования 4,55 млрд лет назад.

Остальные изотопы алюминия, с массовыми числами в диапазоне от 21 до 43, все они имеют период полураспада и менее чем за час. Три метастабильные состояния известны, все с периодом полураспада менее чем за минуту.

оболочка Electron

Атом алюминия имеет 13 электронов, размещенных в электронной конфигурации из [ Ne ] 3s 2 3p 1 , с тремя электронами за пределами устойчивой конфигурации благородного газа. Соответственно, объединенная первая три энергии ионизации алюминия намного ниже , чем в одиночку четвертая энергия ионизации. Алюминий может относительно легко отказаться от своих трех наиболее удаленных электронов во многих химических реакциях (см ниже ). Электроотрицательность алюминия 1,61 (Полинга шкала).

Свободный атом алюминия имеет радиус в 143  ч . С тремя внешних электронов удалены, радиус сжимается до 39 часов в течение 4-координированного атома или 53,5 часов для 6-координированного атома. При стандартных температуре и давлении , атомы алюминия (когда не зависят от атомов других элементов) образует гранецентрированную кубическую кристаллическую систему , связанную с металлической связью , предоставляемой внешними электронами атомов; следовательно , алюминий (при этих условиях) представляет собой металл. Этот кристалл система разделяется некоторыми другими металлами, такими как свинец и медь ; размер элементарной ячейки алюминия сравним с таковым из этих других металлов.

насыпной

Травление поверхность из алюминиевой панели высокой чистоты (99,9998%), размер 55 × 37 мм

Металлический алюминий, когда в количестве, очень блестящими и напоминает серебро , поскольку он преимущественно поглощает гораздо ультрафиолетовое излучение, отражая все видимый свет , так что не придает любой цвет отраженного света, в отличие от спектров отражения из меди и золота . Другой важной характеристикой алюминия является его низкая плотность, 2,70 г / см 3 . Алюминий является относительно мягким, прочный, легкий, пластичный и податливый с появлением в диапазоне от серебристого до тусклого серого цвета, в зависимости от шероховатости поверхности. Это немагнитное и не легко воспламеняется. Свежий пленка алюминия служит хорошим отражателем (приблизительно 92%) от видимого света и отличный отражатель (столько же , сколько 98%) среднего и дальнего ИК - излучения. Предел текучести чистого алюминия составляет 7-11 МПа , в то время как алюминиевые сплавы имеют предел текучести в диапазоне от 200 МПа до 600 МПа. Алюминий имеет примерно одну треть от плотности и жесткости из стали . Она легко обрабатывается , литая , обращается и экструдированный .

Алюминиевые атомы расположены в виде кубической гранецентрированной (ГЦК) структуры. Алюминий имеет энергию дефекта упаковки приблизительно 200 мДж / м 2 .

Алюминий является хорошим тепловым и электрическим проводником , имеющим 59% проводимость меди, как тепловой и электрической, имея при этом только 30% меди плотности «ы. Алюминий способен сверхпроводимость , с критической температурой сверхпроводящей 1,2 кельвина и критическим магнитным полем около 100 Гсов (10 milliteslas ). Алюминий является самым распространенным материалом для изготовления сверхпроводящих кубитов .

Химия

Алюминий в коррозионной стойкость может быть отличной из - за тонкий поверхностный слой оксида алюминия , который образует , когда голый металл подвергается воздействию воздуха, эффективно предотвращая дальнейшее окисление , в процессе называется пассивацией . Самые сильные алюминиевые сплавы менее устойчива к коррозии из - за гальванические реакции с легированной медью . Эта устойчивость к коррозии значительно снижаются водными солями, особенно в присутствии разнородных металлов.

В сильно кислых растворах, алюминий реагирует с водой с образованием водорода, а в сильно щелочных них с образованием алюминатов -защитных пассиваций в этих условиях можно пренебречь. В первую очередь потому , что она разъедает растворенные хлориды , такие как общий хлорид натрия , бытовая сантехника никогда не сделана из алюминия.

Тем не менее, из - за свою общую стойкость к коррозии, алюминий является одним из немногих металлов , который сохраняет серебристые отражения в тонко измельченном виде, что делает его важным компонентом серебристых красок. Алюминиевая отделка зеркала имеет самый высокий коэффициент отражения любого металла в 200-400 нм ( УФ ) и 3,000-10,000 нм (до ИК ) регионов; в видимом диапазоне 400-700 нм она немного уступает олова и серебра и в 700-3000 нм (ближней инфракрасной области спектра) с помощью серебра , золота и меди .

Алюминий окисляется с водой при температуре ниже 280 ° С для получения водорода , гидроксид алюминия и тепло:

2 Al + 6 H 2 O → 2 Al (OH) 3 + 3 Н 2

Это преобразование представляет интерес для производства водорода. Тем не менее, коммерческое применение этого факта имеет проблемы в обход пассивирующего слоя оксида, который ингибирует реакцию, и в хранении энергии, необходимой для регенерации металлического алюминия.

Неорганические соединения

Подавляющее большинство соединений, в том числе всех Аль-содержащих минералов и все коммерчески значимых соединений алюминия, имеет алюминий в состоянии окисления 3+. Координационное число таких соединений варьирует, но , как правило Al 3+ составляет шесть-координаты или тетракоординированными. Почти все соединения алюминия (III) , являются бесцветными.

Все четыре тригалогенидов хорошо известны. В отличии от структур три тяжелых тригалоидных, фторид алюминия (AlF 3 ) особенность шесть координат Al. Октаэдрической координации среды для AlF 3 связано с компактностью фторид - иона, шесть из которых может поместиться вокруг маленького Al 3+ центра. AlF 3 сублимируется (с крекинг) при 1,291 ° C (2356 ° F). При более тяжелых галогенидов, координационные числа ниже. Остальные тригалогениды являются димерными или полимерным с тетраэдрическими Al центрами. Эти материалы получают путем обработки металлического алюминия с галогеном, хотя другие методы существуют. Подкисление из оксидов или гидроксидов дает гидраты. В водном растворе, галогениды часто образуют смеси, обычно содержащие шесть координат центров Al , которые показывают как галогенид и aquo лигандов . Когда алюминий и фтор вместе в водном растворе, они легко образуют комплексные ионы , такие как [AlF (H
2
О)
5
] 2+
, AlF
3

2
О)
3
, и[AlF
6
] 3-
, В случае хлорида, образуются кластеры полиалюминиевые , такие как [Al 13 O 4 (OH) 242 O) 12 ] 7+ .

Гидролиз Алюминий, как функцию рН. Координированные молекулы воды опущены.

Алюминий образует один стабильный оксид с химической формулой Al 2 O 3. Он может быть найден в природе в минеральном корунде . Оксид алюминия также часто называют оксид алюминия . Сапфир и рубин нечисты корунд загрязнены следовых количеств других металлов. Два оксид гидроксиды, AlO (ОН), являются бемят и диаспоры . Есть три тригидроксидов: байерит , гиббсит и нордстрандят , которые различаются по их кристаллической структуре ( полиморфные модификации ). Большинство из них получают из руд с помощью различных мокрых процессов с использованием кислоты и основания. Нагрев гидроксиды приводит к образованию корунда. Эти материалы имеют центральное значение для производства алюминия и сами по себе являются чрезвычайно полезным.

Карбида алюминия (Al 4 C 3 ) производится путем нагревания смеси указанных выше 1000 ° C (° F тысячу восемьсот тридцать два) элементов. Бледно - желтые кристаллы состоят из тетраэдрических алюминиевых центров. Он вступает в реакцию с водой или разбавленной кислотой с получением метана . Ацетилид , Al 22 ) 3 , производится путем пропускания ацетилена над нагретым алюминия.

Нитрид алюминия (AlN) является единственным известным из нитрида алюминия. В отличие от окислов, она имеет тетраэдрических центров Al. Он может быть изготовлен из элементов при 800 ° C (+1472 ° F). Это воздух-устойчивый материал с пользой высокой теплопроводностью . Алюминий фосфид (ALP) производится аналогично; он гидролизует дать фосфина :

AlP + 3 Н 2 O → Al (OH) 3 + PH 3

Реже состояние окисления

Хотя большинство соединений алюминия имеют Al 3+ центров, соединения с более низкими степенями окисления , как известно , и иногда значимости в качестве предшественников к Al 3+ видов.

Алюминий (I)

AlF, AlCl и AlBr существуют в газовой фазе , когда тригалогенид нагревают с алюминием. Состав AlI неустойчив при комнатной температуре, преобразования в трииодиде:

Стабильная производное алюминия monoiodide представляет собой циклический аддукт формируется с триэтиламина , Al 4 I 4 ( за вычетом 3 ) 4 . Кроме того, теоретический интерес , но только мимолетного существования являются Al 2 O и Al 2 С. Аль 2 O производится путем нагревания нормального оксида, Al 2 O 3 , с кремнием при 1800 ° С (3272 ° F) в вакууме . Такие материалы быстро непропорциональные к исходным материалам.

Алюминий (II),

Очень простые Al (II) соединения вызываются или наблюдаемые в реакциях Al металла с окислителями. Так , например, окись алюмини , AlO, была обнаружена в газовой фазе после взрыва и в спектрах поглощения звезды. Более подробно исследовано является соединение формулы R 4 Al 2 , которые содержат Al-Al связь и R , где большой органический лиганд .

Алюминийорганическое соединение и родственные гидриды

Структура триметилалюминия , соединение , которое имеет пять-координату углерода.

Разнообразие соединений эмпирической формулы AlR 3 и AlR 1,5 Cl 1,5 существуют. Эти виды , как правило , имеют тетраэдрическую Аль центров образуются путем димеризации с некоторым R или Cl мостиковой между обеими атомами Al, например , « триметилалюминием » имеет формулу Al 2 (CH 3 ) 6 (смотрите рисунок). С большими органическими группами, triorganoaluminium соединения существуют в виде трех координатных мономеров, таких как триизобутилалюминий . Такие соединения широко используются в промышленной химии, несмотря на то , что они часто весьма пирофорное . Немногие аналоги существуют между алюминийорганическими и борорганическими , отличными от больших органических групп соединений.

Промышленно важный гидрид алюминия литийалюминийгидрид (LiAlH 4 ), который используется в качестве восстанавливающего агента в органической химии . Он может быть получен из гидрида лития и трихлорида алюминия :

4 LiH + AlCl 3 → LiAlH 4 + 3 LiCl

Несколько полезных производных LiAlH 4 известны, например , натрий бис (2-метоксиэтокси) dihydridoaluminate . Простейший гидрид, алюминий гидрид или Alane, остается лабораторией любопытства. Это представляет собой полимер с формулой (AlH 3 ) п , в отличие от соответствующего гидрида бора , который является димером с формулой (ВН 3 ) 2 .

Естественное явление

В космосе

За частицы обилие алюминию в Солнечной системе составляет 3,15 частей на миллион (частей на миллион). Это двенадцатое наиболее распространенное из всех элементов и третьих наиболее распространенных среди элементов, имеющих нечетные атомные номера, после водорода и азота. Единственный стабильный изотоп алюминия, 27 Al, является наиболее распространенным восемнадцатомом ядра во Вселенной. Он создается почти полностью после слияния углерода в массивных звезд , которые впоследствии станут Тип II суперновинки : это слияние создает 26 мг, что, при захвате свободных протонов и нейтронов становится алюминий. Некоторые небольшие количества 27 Al созданы в горении водорода оболочках эволюционировали звезда, где 26 Mg может захватить свободные протоны. По существу весь алюминий в настоящее время существования 27 Аль; 26 Аль присутствовал в ранней Солнечной системе , но в настоящее время вымерли . Тем не менее, следовые количества из 26 Al , которые действительно существуют являются наиболее распространенными гамма - излучатель в межзвездном газе .

На земле

Бокситы, одним из основных алюминиевых руд. Красно-коричневый цвет обусловлен присутствием железа минералов.

В целом, на Земле составляет около 1,59% алюминия по массе (седьмой в избытке по массе). Алюминий происходит в большей пропорции в Земле , чем во Вселенной , потому что алюминий легко образует оксид и становится связанным в породы и алюминий остается в земной коре в то время как менее химически активные металлы опускаются на сердечник. В земной коре, алюминий является наиболее распространенным (8,3% по массе) металлический элемент , а третий самый распространенный из всех элементов (после кислорода и кремния). Большое количество силикатов в земной коре содержит алюминий. В отличие от Земли мантии только 2,38% алюминия по массе.

Из-за сильного сродства к кислороду, алюминий практически не находится в элементарном состоянии; вместо этого он находится в оксидов или силикатов. Полевые шпаты , наиболее распространенная группа минералов в земной коре, являются алюмосиликаты. Алюминий также происходит в минералы берилл , криолита , гранат , шпинель и бирюзовый . Примеси в Al 2 O 3 , например, хрома и железа , получая драгоценных камней рубин и сапфир , соответственно. Родной металлический алюминий может быть найдено только в качестве второстепенных фаз в с низкой содержанием кислорода летучести сред, такими , как интерьеры некоторых вулканов. Native алюминия сообщается в холодных просачивается в северо - восточной части континентального склона в Южно - Китайском море . Вполне возможно , что эти отложения в результате бактериального сокращения из tetrahydroxoaluminate Al (OH) 4 - .

Хотя алюминий является общим и широко распространенным элементом, не все алюминиевые минералами являются экономически жизнеспособными источниками металла. Почти весь металлический алюминий получают из руды боксита (АОТ х (ОН) 3-2 х ). Бокситы происходят как выветривания продукта низкого железа и кремнезем коренных пород в тропических климатических условиях. В 2017 году, большинство боксит добывали в Австралии, Китае, Гвинее и Индии.

история

Фридрих Велер , химик , который первым подробно описан металлический алюминий элементарный

История алюминия была сформирована использованием квасцов . Первое письменное упоминание о квасцах, сделанное греческий историк Геродот , восходит к BCE 5 века. Древние , как известно, использовали квасцы в качестве крашения протрава и для обороны города. После крестовых походов , квасцов, незаменимые хороший в европейской текстильной промышленности, был предметом международной торговли; она была завезена в Европу из Восточного Средиземноморья до середины 15 - го века.

Природа квасцов оставалась неизвестной. Около 1530, швейцарский врач Парацельс предложил квасцы были солью земли квасцов. В 1595 году немецкий врач и химик Либавий экспериментально подтвердил это; В 1722 году немецкий химик Фридрих Гофман объявил свое мнение о том , что база квасцов была особым земли. В 1754 году немецкий химик Маргграф синтезируют оксид алюминия путем кипячения глины в серной кислоте с последующим добавлением хлористого калия .

Попытки получения алюминия дата металла назад к 1760. Первая успешная попытка, однако, было завершено в 1824 году датский физик и химик Эрстед . Он реагировал безводный хлорид алюминия с калием амальгамой , получая кусок металла , глядя похож на олово. Он представил свои результаты и продемонстрировал образец нового металла в 1825. В 1827 году немецкий химик Фридрих Wöhler повторил эксперименты Эрстед, но не выявили каких - либо алюминия. (Причина этого несоответствия была обнаружена только в 1921 году) Он провел подобный эксперимент в 1827 году путем смешивания безводного хлористого алюминия с калием и производства порошка алюминия. В 1845 году, он был в состоянии производить небольшие кусочки металла и описаны некоторые физические свойства этого металла. В течение многих лет после этого, Wöhler была зачислена в качестве первооткрывателя алюминия. Как метод Wohler не может дать большое количества алюминия, металл оставался редким; его стоимость превысила золота.

Статуя Антероса в Пикадилли , Лондон, была сделана в 1893 году и является одним из первых статуй , поданных в алюминии.

Французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девиль объявила промышленный способ производства алюминия в 1854 году в Парижской академии наук . Треххлористый алюминий может быть уменьшен натрием, которое было более удобно и дешевле , чем калий, который используется Велер. В 1856 году, Deville вместе с товарищами установили первое в мире промышленного производства алюминия. С 1855 по 1859 г., цена на алюминий упали на порядок, от $ 500 до $ 40 за килограмм. Даже тогда, алюминий был до сих пор не большой чистоты и произведенного алюминия отличались по свойствам от образца.

Первый промышленный крупномасштабный производственный метод был независимо разработан в 1886 году французским инженером Полем Эру и американский инженер Чарльз Мартин Холл ; теперь известно как процесс Холла-Эру . Процесс Холла-Эру преобразует оксид алюминия в металл. Австрийский химик Карл Джозеф Байер открыл способ очистки боксита с получением глинозема, теперь известный как процесс Байера , в 1889 году современного производства металлического алюминия основан на процессы Байера и Холла-Эру.

Цены на алюминий упали и алюминий стал широко используется в ювелирных изделиях, бытовых предметов, оправ, оптические приборы, посуда и фольги в 1890 - х и начале 20 - го века. Способность Алюминий, чтобы сформировать жесткие пока легкие сплавы с другими металлами , при условии , что металлические множество применений в то время. Во время Первой мировой войны , главные правительства требовали крупных партий алюминия для легких сильных планеров.

К середине 20-го века, алюминий стал частью повседневной жизни и один из важнейших компонентов домашнего обихода. В середине 20-го века, алюминий возник как технический материал гражданского, с созданием приложений в обеих базовой конструкции и внутренней отделка работе, и все чаще используется в военной технике, как для самолетов и наземных бронех двигателей транспортных средств. Первый искусственный спутник Земли , запущенный в 1957 году, состоял из двух отдельных алюминиевых полусфер , соединенных вместе , и все последующие космические аппараты были сделаны из алюминия. Алюминий может был изобретен в 1956 году и используется в качестве хранилища для напитков в 1958 году.

Мировое производство алюминия с 1900 года

На протяжении всего 20 - го века производство алюминия резко возросла: в то время как мировое производство алюминия в 1900 году 6,800 метрических тонн, годовой объем производства первой превысил 100000 метрических тонн в 1916 году; 1,000,000 тонн в 1941 году; 10000000 тонн в 1971 г. В 1970 - е годы, возросший спрос на алюминий сделал это товарная биржа; он вошел в London Metal Exchange , старейший промышленный обмен металла в мире, в 1978 году объем производства продолжал расти: годовой объем производства алюминия превысил 50000000 тонн в 2013 году.

Реальная цена на алюминий снизилась с $ 14 000 за тонну в 1900 г. до $ 2340 в 1948 году (в 1998 долларах США). Добыча и обработка расходы были снижены в течение технологического прогресса и масштабов экономики. Однако необходимость использовать более низкого класса качества бедных отложений и использование быстро растущих затрат входных (прежде всего, энергия) увеличилась себестоимость алюминия; реальная цена начала расти в 1970 - х с ростом стоимости энергии. Производство переехало из промышленно развитых стран в страны , где производство было дешевле. Затраты на производство в конце 20 - го века изменились из - за достижения в области технологий, снижения цен на энергоносители, обменных курсов доллара США и цен на глинозем. БРИК стран совокупная доля выросла в первом десятилетии 21 - го века с 32,6% до 56,5% в первичном производстве и 21,4% до 47,8% в первичном потреблении. Китай накапливает особенно большую долю мирового производства благодаря обилию ресурсов, дешевой энергии, а также правительственных стимулов; она также увеличила свою долю потребления с 2% в 1972 году до 40% в 2010 году в Соединенных Штатах, Западной Европе и Японии, большинство из алюминия потреблялось в транспорте, машиностроении, строительстве и упаковке.

Этимология

Алюминий назван после того, как оксид алюминия или оксид алюминия в современной номенклатуре. Слово «глинозем» происходит от «квасцов», минерал , из которого она была собрана. Слово «квасцы» происходит от квасцы , а латинское слово , означающее «горькую соль». Слово квасцы происходит от прото-индоевропейского корня * алю- означает «горький» или «пиво».

1897 Американская реклама с изображением алюминия орфографии

Британский химик Гемфри Дэви , который выполнил ряд экспериментов , направленных на синтез металла, зачисляются в качестве человека , который назвал этот элемент. В 1808 году он предложил металл назвать Alumium . Это предложение было подвергнуто критике со стороны современных химиков из Франции, Германии и Швеции, которые настояли металл должен быть назван в оксид, оксид алюминия, из которого он будет изолирован. В 1812 году Дэви выбрал алюминий , таким образом производя современное название. Тем не менее, оно пишется и произносится по- разному за пределами Северной Америки: алюминий используется в США и Канаде , в то время как алюминий используется в другом месте.

орфография

-Ium суффикс следовал прецедент , установленный в других вновь открытых элементов времени: калий, натрий, магний, кальций, и стронций (все из которых Дэви изолировал себя). Тем не менее, имена элементов , оканчивающиеся в -um были известны в то время; например, платины (известные европейцам , так как 16 - го века), молибден (обнаруженный в 1778 году), и тантал (обнаруженный в 1802 году). -Um суффикс согласуется с универсальным орфографической оксидом алюминия для оксида (в отличие от Aluminia); по сравнению с оксидом лантана , оксидом лантана и оксид магния , оксид церия и оксид тория , оксиды магния , церия и тория , соответственно.

В 1812 году английский ученый Томас Юнг написал анонимный обзор книги Дэви, в котором он возражал алюминия и предложил название алюминия : «так мы должны взять на себя смелость писать слово, в предпочтении алюминия, который имеет менее классический звук «. Это имя было зацепиться: в то время как -um правописание иногда использовалось в Великобритании, американском научном языке , используемого -ium с самого начала. Большинство ученых использовали -ium во всем мире в 19 веке; она по- прежнему остается стандартом в большинстве других языков. В 1828 году американский лексикограф Ной Уэбстер используется исключительно алюминиевую правописание в его американском словаре английского языка . В 1830 - х годах, то -um написание начал набирать использование в Соединенных Штатах; от 1860 - х годов, он стал более распространенным правописание там за пределами науки. В 1892 году Холл использовал -um орфографию в своей рекламной рекламной листовки для своего нового электролитического способа получения металла, несмотря на его постоянное использование -ium орфографии во всех патентах он поданным между 1886 и 1903. Он был впоследствии предположили , что это было опечатка , а не предполагалось. К 1890 году, как правописание было распространено в США в целом, -ium орфографии были несколько более распространен; к 1895 году ситуация обратная; к 1900 году, алюминий стали в два раза чаще , как алюминий ; в течение следующего десятилетия, -um написание доминировал американское использование. В 1925 году Американское химическое общество принял эту орфографию.

Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) , принятый алюминий в качестве стандартного международного наименования для элемента в 1990 г. В 1993 г. они признали алюминий в качестве приемлемого варианта; То же самое верно и для самого последнего издания 2005 года по IUPAC номенклатуре неорганической химии . IUPAC официальные издания используют -ium орфографию как первичные , но список и там , где это необходимо.

Производство и доработка

топ мировых производителей первичного алюминия, 2016
Страна Выход
(тыс
т)
Китай 31873
Россия 3561
Канада 3208
Индия 2896
Объединенные Арабские Эмираты 2471
Австралия 1635
Норвегия 1247
Бахрейн +971
Саудовская Аравия 869
Соединенные Штаты +818
Бразилия +793
Южная Африка 701
Исландия 700
Всего в мире 58800

Производство алюминия является очень энергоемким, и поэтому производители стремятся найти заводы в местах , где электроэнергия как многочисленна и недорога. По состоянию на 2012 год , крупнейшие в мире заводы алюминия находятся в Китае, России, Бахрейн, Объединенные Арабские Эмираты, и в Южной Африке.

В 2016 году Китай стал главным производителем алюминия с мировой долей пятьдесят пять процентов; второй по величине страны-производители стали Россия, Канада, Индия и Объединенные Арабские Эмираты.

По данным Международной группы ресурсов «s Металлические запасов в отчете общества , глобальная душа запас алюминия в использовании в обществе (т.е. в автомобилях, зданиях, электроника и т.д.) составляет 80 кг (180 фунтов). Многое из этого в более развитых странах (350-500 кг (770-1,100 фунтов) на душу населения) , а не менее развитых стран (35 кг (77 фунтов) на душу населения).

процесс Байера

Бокситов превращается в оксид алюминия по способу Байера. Боксит смешивают для однородного состава и затем измельчают. Полученную суспензию смешивают с горячим раствором гидроксида натрия ; смесь затем обрабатывают в варочном сосуде при давлении выше атмосферного и, растворение гидроксида алюминия в боксите при преобразовании примесей в относительно нерастворимых соединений:

Al (OH) 3 + Na + + ОН - → Na + + [Al (OH) 4 ] -

После этой реакции суспензия при температуре выше его атмосферной точки кипения. Его охлаждают путем удаления водяного пара в качестве давление снижается. Бокситы остаток отделяют от раствора и отбрасывают. Раствор, свободный от твердых веществ, засевают мелкие кристаллы гидроксида алюминия; это вызывает разложение [Al (OH) 4 ] - ионов до гидроксида алюминия. После того, как осаждаются около половины из алюминия, смесь направляется в классификатор. Мелкие кристаллы гидроксида алюминия собирается служить в качестве затравочных агентов; грубые частицы превращаются в оксид алюминия при нагревании; Избыток раствора удал ют путем выпаривани, (при необходимости) очищают и возвращают.

Холл-Эра

Превращение глинозема в алюминиевом металла достигается за счет процесса Холла-Эру . В этом энергоемком процессе, раствор глинозема в расплавленном (950 и 980 ° C (1740 и 1800 ° F)) смесь криолита (Na 3 AlF 6 ) , с фторидом кальция является электролиз для получения металлического алюминия. Жидкий алюминиевый металл опускается на дно раствора и сливают прочь, и обычно отливают в крупные блоки , называемых алюминиевыми заготовками для дальнейшей обработки.

Экструзионные заготовки из алюминия

Аноды из электролизера изготовлены из углеродного наиболее стойкого материала против коррозии фторида-либо и выпекать в процессе или обожженные. Прежние, называемые также аноды Содерберга, менее энергоэффективные и газы , выделяющиеся во время выпечки являются дорогостоящими для сбора, поэтому они заменяются обожженными анодами , даже если они сэкономить энергию, энергию и рабочую силу для предварительного обжига катодов. Углеродные для анодов предпочтительно должна быть чистым , так что ни алюминий , ни электролит загрязнен с золой. Несмотря на удельное сопротивление углерода против коррозии, он по - прежнему потребляется со скоростью 0,4-0,5 кг на каждый килограмм произведенного алюминия. Катоды изготовлены из антрацита ; высокая чистота для них не требуется , поскольку примеси выщелачивания только очень медленно. Катод потребляется со скоростью 0,02-0,04 кг на каждый килограмм произведенного алюминия. Ячейка обычно завершается через 2-6 лет после отказа катода.

Процесс Холла-Эру производит алюминий с чистотой выше 99%. Дальнейшая очистка может быть сделана с помощью процесса Хупеса . Этот процесс включает электролиз расплавленного алюминия с натрия, бария и фторида алюминия , электролита. В результате чего алюминий имеет чистоту 99,99%.

Электрическая мощность составляет около 20 до 40% от стоимости производства алюминия, в зависимости от расположения плавильной печи. Производство алюминия потребляет примерно 5% от электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах. Из-за этого, альтернативы процессу Холла-Эру были исследованы, но ни один не оказался экономически целесообразным.

Обычные контейнеры для перерабатываемых отходов вместе с бункером для unrecyclable отходов. Бин с желтой верхней маркирован «алюминий». Родос, Греция.

Переработка отходов

Восстановление металла путем переработки стало важной задачей алюминиевой промышленности. Переработка была низкопрофильный деятельность до конца 1960 - х годов, когда все более широкое использование алюминиевых банок для напитков привели его к информированию общественности. Переработка включает плавление лома, процесс , который требует только 5% энергии , используемой для производства алюминия из руды, хотя значительная часть (до 15% от исходного материала) теряется в виде шлака (золы типа оксида). Стек плавильный алюминий производит значительно меньше окалины, со значениями представленных ниже 1%.

Белый шлак от производства первичного алюминия и из вторичных операций переработок все еще содержит полезные количества алюминия , которые могут быть извлечены в промышленности . Процесс производит алюминиевые заготовки, вместе с материалом отходов очень сложным. Эти отходы трудно управлять. Он вступает в реакцию с водой, высвобождая смесь газов ( в том числе, среди прочих, водород , ацетилен , и аммиак ), который самопроизвольно воспламеняется при контакте с воздухом; контакт с влажным воздухом приводит к высвобождению обильных количеств газообразного аммиака. Несмотря на эти трудности, отходы используются в качестве наполнителя в асфальт и бетон .

Приложения

Алюминий работоспособных Остин A40 спорта (ок. 1951)

металл

Алюминий является наиболее широко используемым из цветных металлов . Мировое производство алюминия в 2016 году было 58,8 млн метрических тонн. Он превысил любого другого металла , кроме железа (1231 млн метрических тонн).

Алюминий почти всегда легированный, что значительно улучшает его механические свойства, особенно когда закаленные . Например, общие алюминиевой фольги и банок для напитков являются сплавы 92% до 99% алюминия. Основными легирующими веществами являются медь , цинк , магний , марганец и кремний (например, дюралюминия ) с уровнями других металлов в несколько процентов по весу.

Основные варианты использования алюминиевого металла в:

  • Транспорт ( автомобили , самолеты, грузовики , железнодорожные вагоны , морские суда, велосипеды , космические аппараты, и т.д.). Алюминий используется из - за его низкой плотности;
  • Упаковка ( банки , фольга, рамки и т.д.). Алюминий используется , потому что это не токсичен, не - адсорбционная и осколок -доказательство;
  • Строительство зданий и сооружений ( окна , двери , сайдинг , строительные проволока, обшивка, кровля и т.д.). Так как сталь дешевле, алюминий используется , когда легкость, устойчивость к коррозии, или технические особенности важны;
  • использует электричество, связанные с (проводниковые сплавы, двигатели и генераторы, трансформаторы, конденсаторы и т.п.). Алюминий используется, потому что он относительно дешевый, с высокой проводимостью, имеет достаточную механическую прочность и низкую плотность, а также противостоит коррозии;
  • Широкий спектр бытовых предметов, от кухонной утвари до мебели . Низкая плотность, хороший внешний вид, простота изготовления и долговечность являются ключевыми факторами использования алюминия;
  • Машины и оборудование (перерабатывающее оборудование, трубы, инструменты). Алюминий используется из-за его стойкости к коррозии, не-воспламеняемость, и механической прочностью.

соединений

Большинство (около 90%) оксида алюминия превращаются в металлический алюминий. Будучи очень твердого материала ( Мооса твердость 9), оксид алюминия широко используется в качестве абразива; будучи чрезвычайно химически инертным, оно полезно в очень активных средах , таких как натриевые высокого давления ламп. Оксид алюминия обычно используется в качестве катализатора для промышленных процессов; например, процесс Клауса для превращения сероводорода в серу в нефтеперерабатывающих заводах и алкилат аминов . Многие промышленные катализаторы являются поддерживаются с помощью оксида алюминия, а это означает , что дорогостоящий каталитический материал диспергируют по поверхности инертного оксида алюминия. Другим основным назначением является в качестве сушильного агента или абсорбента.

Лазерное осаждение оксида алюминия на подложке

Несколько сульфатов алюминия имеют промышленное и коммерческое применение. Сульфат алюминия (в его гидратной форме) производится на ежегодном масштабе нескольких миллионов метрических тонн. Около двух третей потребляются в водоподготовке . Следующее важное применение в производстве бумаги. Он также используется в качестве протравы при крашении, в семенах травильных, дезодорации минеральных масел, в дубления кожи , а также в производстве других соединений алюминия. Два вида квасцы, квасцов и квасцов , были ранее использованы в качестве протравы и дубления кожи, но их использование значительно уменьшилось следующие наличия высокой чистоты сульфата алюминия. Безводный хлорид алюминия использует в качестве катализатора в химической и нефтехимической промышленности, красильной промышленности, а также в синтезе различных неорганических и органических соединений. Алюминиевые гидроксихлориды используются для очистки воды, в целлюлозно - бумажной промышленности, а также в качестве антиперспирантов. Алюмината натрия используется в обработке воды и в качестве ускорителя затвердевания цемента.

Многие соединения алюминия имеют нишу приложений, например:

Биология

Схема поглощения алюминия на коже человека.

Несмотря на широкое распространение в земной коре, алюминий не имеет известной функции в биологии. Алюминиевые соли являются чрезвычайно токсичен, сульфат алюминия , имеющий LD 50 из 6207 мг / кг (перорально, мыши), что соответствует 500 г в течение 80 кг (180 фунтов) человека.

токсичность

У большинства людей, алюминий не столь токсичен , как тяжелые металлы . Алюминий классифицируется как не канцероген США Департамент здравоохранения и социальных служб . Существует мало доказательств того, что нормальное воздействие алюминия представляет риск для здорового взрослого человека, и есть доказательства отсутствия токсичности , если он потребляется в количестве не более 40 мг / день на кг массы тела . Большинство из алюминия потребляется будет оставить тело в кале; небольшая часть, которая попадает в организм, будет выводится из организма с мочой. Алюминий , что делает пребывание в теле накапливается в первую очередь, кости; и , кроме того, в головном мозге, печени и почках. Металлический алюминий не может пройти через гематоэнцефалический барьер и природные фильтры до мозга, но некоторые соединения, такие как фторид, может.

Последствия

Алюминий, хотя и редко, может привести к витамину D-устойчивой остеомаляция , эритропоэтина резистентной микроцитарной анемии , а также центральные изменения системы нервных. Люди с почечной недостаточностью особенно подвержены риску. Хронический прием пища гидратированных силикатов алюминия (для избыточного желудочного контроля кислотности) может привести к связыванию с алюминием кишечного содержимого и повышенной ликвидацией других металлов, такими как железо или цинк ; достаточно высокие дозы (> 50 г / день) может привести к анемии. Так как алюминий выводится почками, их функция может быть нарушена токсичными количествами алюминия.

Есть пяти основных алюминий образует поглощаются человеческим телом: свободный сольватирован трехвалентный катион (Al 3+ (водно) ); с низким молекулярным весом, нейтральные, растворимые комплексы (НММЫ-Al 0 (водно) ); высокая молекулярная масса, нейтральные, растворимые комплексы (ВММЫ-Al 0 (водно) ); с низким молекулярным весом, заряженные, растворимые комплексы (НММ-Al (L) , п +/- (водн) ); нано и микро-частицы (Al (L) N (S) ). Они транспортируются через клеточные мембраны или клетку эпи- / эндотелий через пять основных маршрутов: (1) парацеллюлярный ; (2) трансцеллюлярного ; (3) активный транспорт ; (4) каналов; (5) адсорбционной или рецептор-опосредованного эндоцитоза .

Авария в Англии показала , что миллимолярное количество алюминия в питьевой воду вызывает значительные когнитивный дефициты. Пероральный прием алюминиевых соли могут внести в головном мозге. Существует исследование корреляции между неврологическими расстройствами, включая болезнь Альцгеймера , и уровни алюминия, но это было до сих пор не доказано.

Алюминий увеличивает эстроген о связанных экспрессии генов в человеческих рака молочной железы культивированных клеток в лабораторных условиях . В очень высоких дозах, алюминий , связанный с измененной функцией гематоэнцефалического барьера . Небольшой процент людей имеют контактные аллергии на алюминий и опыт зуд красные высыпания, головная боль, боли в мышцах, боли в суставах, плохая память, бессонница, депрессия, астма, синдром раздраженной толстой кишки, или другие симптомы при контакте с продуктами , содержащими алюминий.

Воздействие порошкообразных алюминия или алюминиевые сварочный дым может вызвать фиброз легкого . Тонкий алюминиевый порошок может загореться или взорваться, что создает опасность еще на рабочее месте.

пути воздействия

Пища является основным источником алюминия. Питьевая вода содержит больше алюминия , чем твердой пищи; Однако, алюминий в пище может быть поглощен больше , чем алюминий из воды. Основные источники орального воздействия на человека алюминия включают в себя продукты питания (из - за его использования в пищевых добавок, пищевых продуктов и напитков упаковки и кухонной посуды), питьевой воды (из - за его использования в лечении муниципальной воды), а также содержащих алюминий лекарственных средств ( в частности , антацидов / противоязвенные и буферизованные препараты аспирин). Диетические экспозиции в средних европейцах 0,2-1,5 мг / кг / неделю , но могут быть столь же высокими , как 2,3 мг / кг / неделю. Более высокие уровни воздействия алюминия в основном ограничивается шахтеров, производства алюминия рабочих и диализных больных.

Чрезмерное потребление антацидов , антиперспиранты , вакцин и косметики обеспечивают значительные уровни воздействия. Потребление кислой пищи или жидкостей с алюминием улучшает всасывание алюминия и мальтол было показано , что увеличение накопления алюминия в нервных и костных тканях.

лечение

При подозрении на внезапное потребление большого количества алюминия, единственное лечение дефероксамин мезилата , которые могут быть предоставлены , чтобы помочь устранить алюминий из организма с помощью хелятации . Однако, это должно быть применено с осторожностью , поскольку это снижает не только уровень алюминиевый корпус, но и те из других металлов , таких как медь или железо. Питательно, лечение аналогичны другие токсичных металлов и включает в себя удаление источников алюминия из окружающей среды, повышение производства клеточной энергии, усиливающую активность выделительные органов и хелатирующий алюминий с питательными веществами.

Воздействие на окружающую среду

« Бокситов хвостохранилища » хранилище в Stade , Германия. Алюминиевая промышленность генерирует около 70 миллионов тонн этих отходов в год.

Высокие уровни алюминия происходят вблизи мест добычи; небольшие количества алюминия попадает в окружающую среду в угольных электростанций или установок для сжигания . Алюминий в воздухе вымывается дождем или нормально оседает вниз , но мелкие частицы алюминия остаются в воздухе в течение длительного времени.

Кислотные осадки являются основным природным фактором для мобилизации алюминия из природных источников , и основной причины экологических последствий алюминия; Однако, основной фактор присутствия алюминия в соли и пресной воде являются промышленными процессами , которые также выпускают алюминий в воздух.

В воде, алюминий выступает в качестве агента toxiса на жаберной -breathing животных , такие как рыбы , вызывая потерю плазмы - и гемолимфы ионы приводят к осморегулирующей недостаточности. Органические комплексы алюминия могут быть легко впитываются и мешать метаболизм у млекопитающих и птиц, хотя это редко случается на практике.

Алюминий является основным среди факторов, снижающих рост растений на кислых почвах. Несмотря на то, что , как правило , безвредны для роста растений в рН-нейтральных почвах, в кислых почвах концентрации токсичных Al 3+ катионов возрастает и нарушает рост корней и функции. Пшеница была разработана толерантность к алюминию, выпуская органические соединения , которые связываются с вредными алюминиевыми катионами . Сорго , как полагают, имеют один и тот же механизм допуска.

Производство алюминия имеет свои проблемы на окружающую среду на каждом этапе производственного процесса. Основная проблема является парниковыми газами выбросов. Эти газы в результате потребления электроэнергии из плавильных печей и побочных продуктов переработки. Наиболее мощные из этих газов перфторуглероды из процесса плавок. Выпущенный диоксид серы является одним из основных предшественников кислотных дождей .

Испанский научный доклад с 2001 года утверждал , что грибок Geotrichum candidum поглощает алюминий в компакт - дисках . Другие отчеты все отсылают к этому докладу и нет поддержки оригинальных исследований. Лучше документально, бактерия синегнойные и грибок Cladosporium resinae обычно обнаруживаются в топливных баках самолетов , которые используют керосин основанного топливо (не AVGAS ) и лабораторные культуры могут ухудшить алюминий. Однако эти формы жизни не напрямую атаковать или потреблять алюминий; скорее, металл разъедает продуктов микроб отходов.

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

Список используемой литературы

дальнейшее чтение

  • Мими Шеллер, алюминиевая мечта: Создание Света Модерна. Cambridge, MA: Массачусетский технологический институт Пресс, 2014.

внешняя ссылка