Al · Element 13 · Boron group
Once more precious than gold, now the most-used metal after iron — because someone worked out how to electrolyse it cheaply.
Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место алюминий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 143 pm — that is 0.143 nm, so about 3497 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Алюминий is liquid over a 1859 K window, from 933 K to 2792 K.
История
Алюминий — удивительный металл, который всего за 100 лет прошёл путь от драгоценного до повсеместно распространённого. Когда-то он был дороже золота (Наполеон III подавал самым почётным гостям алюминиевые столовые приборы, тогда как гостям рангом ниже — золотые), а теперь этот лёгкий металл настолько распространён, что мы его выбрасываем. Монумент Вашингтона увенчан алюминием — в 1884 году это был самый дорогой металл на Земле. Процесс Холла — Эру изменил всё в 1886 году, сделав добычу алюминия доступной и положив начало авиационной эре. Самолёты летают благодаря алюминию: он прочен, но весит втрое меньше стали. Ваш антиперспирант содержит алюминий, блокирующий потовые железы, а алюминиевая фольга на вашей кухне отражает 95% инфракрасного излучения. Переработка алюминия требует всего 5% энергии, необходимой для производства нового алюминия, поэтому алюминиевую банку можно перерабатывать бесконечно.
История открытия алюминия охватывает более двух тысячелетий — от древних цивилизаций до химических прорывов XIX века. В этой истории есть выдающиеся учёные, промышленный шпионаж и превращение «металла королей» в повседневный материал.
История начинается в Древнем Риме около 400 года до н. э., где словом «alumen» обозначали вяжущие соли, использовавшиеся для окрашивания тканей и дубления кожи. Римский натуралист Pliny the Elder (23-79 н. э.) описал свойства квасцов в своей энциклопедии «Naturalis Historia», не подозревая, что тем самым описывает соединения алюминия, которые использовались на протяжении веков.
В 1761 году французский химик Louis-Bernard Guyton de Morveau предположил, что квасцы содержат неизвестный в то время металл, и ввёл термин «alumine» для вещества, которое сегодня называют оксидом алюминия. Это подготовило почву для последующего выделения металла.
Британский химик Sir Humphry Davy (1778-1829) впервые попытался выделить алюминий электролизом в 1807 году. Используя недавно изобретённую им электрическую батарею, Davy успешно выделил калий и натрий, но столкнулся с высокой температурой плавления оксида алюминия (2,072°C). Хотя выделить чистый алюминий ему не удалось, в 1812 году Davy назвал гипотетический металл «aluminum», а позднее название было изменено на «aluminium», чтобы оно соответствовало названиям других элементов, оканчивающимся на «-ium».
Датский физик и химик Hans Christian Ørsted (1777-1851) впервые выделил алюминий August 29, 1825. Используя амальгаму калия для восстановления хлорида алюминия, Ørsted получил мельчайшие металлические шарики. Его метод заключался в нагревании хлорида алюминия с калием в закрытой трубке, что позволило получить первые известные образцы металлического алюминия.
Немецкий химик Friedrich Wöhler (1800-1882) усовершенствовал метод Ørsted, используя металлический калий вместо амальгамы. July 21, 1827 Wöhler получил порошок алюминия и небольшие шарики, став первым, кто наблюдал ключевые свойства алюминия: лёгкость, устойчивость к окислению и металлический блеск. Он знаменитым образом описал алюминий как металл, имеющий «цвет и блеск олова».
Французский химик Henri Étienne Sainte-Claire Deville (1818-1881) произвёл революцию в производстве алюминия в 1854 году. Его метод химического восстановления с использованием натрия впервые сделал производство алюминия коммерчески рентабельным. Император Napoleon III of France финансировал исследования Deville, рассчитывая использовать алюминиевые доспехи и снаряжение для своей армии.
В ту эпоху алюминий был ценнее золота. Napoleon III демонстрировал алюминиевые столовые приборы на государственных обедах, предназначая их самым почётным гостям, тогда как остальные пользовались золотыми приборами. Завершённый в 1884 году замковый камень монумента Washington Monument был изготовлен из 100 унций алюминия и в то время стоил столько же, сколько годовая зарплата рабочего.
Два талантливых молодых химика независимо друг от друга открыли электролитический процесс, сделавший алюминий доступным:
В возрасте 22 лет, работая в семейном сарае в Oberlin, Ohio, Hall открыл способ электролитического получения алюминия February 23, 1886. Используя железные сковороды своей сестры Julia и самодельную электрическую батарею, Hall растворил оксид алюминия в расплавленном криолите и пропустил через расплав электрический ток, получив капли чистого алюминия.
Тоже в возрасте 22 лет Héroult сделал то же открытие всего два месяца спустя, April 9, 1886. Работая на кожевенном заводе своего отца в Gentilly, France, Héroult независимо разработал идентичный процесс. Оба учёных родились в 1863 году и умерли в 1914 году — замечательное совпадение в истории науки.
Процесс Hall-Héroult снизил цену алюминия с $545 за фунт (1850s) до $0.68 за фунт (1900) — снижение цены на 99.8%. Этот прорыв положил начало современной алюминиевой промышленности:
Сегодня алюминиевая промышленность производит более 65 миллионов тонн в год, обеспечивая развитие современной авиации, освоение космоса и экологичной упаковки. Процесс Hall-Héroult, практически не изменившийся с 1886 года, по-прежнему остаётся основой производства алюминия во всём мире — свидетельством гениальности двух 22-летних химиков, изменивших цивилизацию.
Применение
Уникальное сочетание лёгкости, прочности и устойчивости к коррозии делает алюминий незаменимым во многих отраслях. При плотности всего 2.7 g/cm³ — примерно втрое меньшей, чем у стали, — алюминий произвёл революцию в транспорте и строительстве.
Аэрокосмическая промышленность потребляет почти 20% мирового производства алюминия. Для изготовления фюзеляжей в каркасах самолётов используется алюминиевый сплав 2024 (Al-Cu-Mg), обеспечивающий исключительное соотношение прочности и массы. В конструкции Boeing 787 Dreamliner содержится более 20% алюминия по массе, а современные истребители, такие как F-35 Lightning II, используют современные алюминиево-литиевые сплавы, которые на 10% легче и на 15% жёстче обычных алюминиевых сплавов.
В современных автомобилях алюминий используется в блоках двигателей, корпусах трансмиссий и кузовных панелях. Ford F-150 (2015+) имеет полностью алюминиевый кузов, что уменьшило массу на 700 фунтов и повысило топливную эффективность на 20%. В Tesla Model S используется пространственная рама из алюминия, а алюминиевый сплав 6061-T6 обеспечивает оптимальную защиту при столкновении, сохраняя целостность конструкции.
Архитектурное применение алюминия включает навесные фасады, оконные рамы и кровельные системы. Процесс анодирования создаёт защитный оксидный слой толщиной до 25 микрометров, обеспечивающий превосходную устойчивость к атмосферным воздействиям. В фасадной системе Бурдж-Халифы в Дубае использовано более 1,500 тонн алюминия, а характерные оболочки Сиднейского оперного театра облицованы алюминиевыми плитками с шевронным узором.
Электропроводность алюминия (37.7 MS/m) делает его идеальным для передачи электроэнергии. Кабели с алюминиевыми проводниками и стальным усилением (ACSR) передают электричество между континентами: алюминий обеспечивает проводимость, а стальной сердечник — прочность на растяжение. В линиях электропередачи высокого напряжения используется алюминий, поскольку его меньшая масса требует меньше опорных башен по сравнению с медью.
В электронных устройствах используется теплопроводность алюминия (205 W/m·K) для отвода тепла. Корпуса MacBook вытачиваются из цельных алюминиевых заготовок с помощью фрезерования с ЧПУ, а в корпусах смартфонов для электромагнитного экранирования используется алюминиевый сплав 6013. Радиаторы для светодиодов используют тепловые свойства алюминия, предотвращая перегрев и продлевая срок службы компонентов.
Алюминий касается нашей повседневной жизни бесчисленным множеством способов: часто незаметно, но всегда важно. С момента пробуждения и до отхода ко сну нас окружают изделия из алюминия.
Ежегодно американцы используют около 54 миллиардов алюминиевых банок — это примерно 170 банок на человека. Если выложить эти банки в ряд, они опоясали бы Землю более 160 раз.
Откуда он берётся
82300 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 98% of elements
Алюминий — третий по распространённости элемент в земной коре: его содержание составляет примерно 8.23% по массе, поэтому он встречается чаще Железа. Несмотря на такую распространённость, алюминий никогда не встречается в природе в чистом металлическом виде из-за высокой химической активности.
Боксит содержит 45-60% оксида алюминия (Al₂O₃) и является главным мировым источником алюминия. Крупные месторождения находятся в следующих странах:
Самые распространённые алюминийсодержащие минералы земной коры, включая:
Вторичные алюминийсодержащие минералы, образующиеся в результате выветривания:
Космическое путешествие алюминия началось в недрах массивных звёзд в результате звёздного нуклеосинтеза. В течение жизни звезды процессы горения кремния образуют алюминий-26 (²⁶Al) — радиоактивный изотоп с периодом полураспада 720,000 лет. Когда эти звёзды взрываются как сверхновые, они рассеивают алюминий по всей галактике.
В нашей Солнечной системе содержится алюминий, образовавшийся в нескольких поколениях звёзд. Метеориты, особенно углеродистые хондриты, сохраняют первозданные соединения алюминия из солнечной туманности, существовавшей 4.6 миллиарда лет назад. Метеорит Альенде (упавший в 1969 году) содержит богатые алюминием включения, называемые CAI (включения, богатые Кальцием и алюминием), — самые древние из известных материалов в нашей Солнечной системе.
Хотя алюминий составляет 8% земной коры, его необходимая биологическая роль неизвестна. Однако он значительно влияет на рост растений в кислых почвах, где ионы Al³⁺ становятся растворимыми и токсичными для корневых систем. Некоторые растения, например чай (Camellia sinensis) и отдельные папоротники, выработали механизмы устойчивости к алюминию и фактически накапливают этот металл в своих тканях.
Докембрийская эра (3.8-0.54 миллиарда лет назад): первоначальная концентрация алюминия в земной коре в результате дифференциации и вулканической активности.
Палеозой-мезозой (540-66 миллионов лет назад): формирование крупных месторождений бокситов в результате тропического выветривания богатых алюминием пород.
Кайнозойская эра (от 66 миллионов лет назад до настоящего времени): продолжающееся образование бокситов в тропических регионах; месторождения Australia сформировались 35-55 миллионов лет назад.
Обращение
Хотя алюминий обычно считается безопасным для повседневного использования, необходимо правильно обращаться с ним и знать о возможных опасностях, особенно в промышленных условиях и людям с определённой чувствительностью.
Допустимый уровень воздействия OSHA: 15 mg/m³ (общая пыль), 5 mg/m³ (вдыхаемая фракция)
Риск: Вдыхание алюминиевой пыли у промышленных работников может вызвать фиброз лёгких («алюминиевое лёгкое»). При сварке алюминия выделяются пары оксида алюминия, которые могут вызвать лихорадку от металлических паров.
Симптомы: Кашель, одышка, стеснение в груди, симптомы, похожие на грипп
Состояние исследований: Ограниченные данные указывают на то, что высокое воздействие алюминия может способствовать развитию неврологических расстройств
Группы риска: Люди с заболеваниями почек, которые не могут эффективно выводить алюминий
Мера предосторожности: Не используйте алюминиевую посуду для приготовления кислых продуктов (томатов, цитрусовых), поскольку они усиливают вымывание алюминия
Возможность раздражения: Твёрдое алюминиевое вещество представляет минимальный риск; соли алюминия могут вызвать раздражение кожи
Аллергические реакции: Зарегистрированы редкие случаи аллергии на алюминий, особенно при использовании антиперспирантов
Симптомы: Покраснение, зуд, контактный дерматит у чувствительных людей
Алюминиевый порошок: Мелкая алюминиевая пыль легко воспламеняется и взрывоопасна
Источники воспламенения: Статическое электричество, искры, источники тепла с температурой выше 760°C
Тушение пожара: Используйте огнетушители с сухим порошком; НИКОГДА не используйте воду для тушения пожаров алюминия
Хранение: Храните порошок в герметичных заземлённых ёмкостях вдали от окислителей
Немедленно промывайте чистой водой в течение 15 минут. Снимите контактные линзы, если это легко сделать. Обратитесь за медицинской помощью, если раздражение не проходит.
Промойте поражённый участок водой с мылом. Снимите загрязнённую одежду. При порезах алюминием очистите рану и нанесите антисептик.
Немедленно выйдите на свежий воздух. При затруднённом дыхании подайте кислород и срочно обратитесь за медицинской помощью.
Прополощите рот водой. НЕ вызывайте рвоту. Обратитесь за медицинской помощью, если проглочено большое количество вещества или появились симптомы.
• Алюминий обычно безопасен в потребительских товарах при использовании по назначению
• Промышленные работники должны соблюдать все рекомендации OSHA и протоколы безопасности компании
• Людям с заболеваниями почек следует проконсультироваться с врачами по поводу воздействия алюминия
• Всегда читайте паспорта безопасности продукции (SDS) для конкретных соединений алюминия
Краткие ответы
Алюминий (symbol Al) is element 13 on the periodic table, a постпереходный металл in period 3, group 13. Once more precious than gold, now the most-used metal after iron — because someone worked out how to electrolyse it cheaply. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p¹, giving 3 occupied shells holding 2, 8, 3 electrons respectively. Its outer shell holds 3 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Алюминий melts at 933.5 K (660.3 °C) and boils at 2792 K (2518.9 °C).
The standard atomic weight of Алюминий is 26.982 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Алюминий has a density of 2.7 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of алюминий is about 2.7× heavier.
Алюминий has a Pauling electronegativity of 1.61. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Алюминий was discovered in 1825 by Hans Christian Orsted. It is named after latin alumen, "alum".
Алюминий makes up about 8.23% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.