Al · Элемент 13 · Постпереходный металл
Когда-то более ценный, чем золото, а теперь самый используемый после железа металл — потому что кто-то научился дёшево получать его электролизом.
Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение алюминий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 143 pm — это 0,143 нм, поэтому около 3,5 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Алюминий находится в жидком состоянии в диапазоне 1859 K — от 933 K до 2792 K.
История
Алюминий — удивительный металл, который всего за 100 лет прошёл путь от драгоценного до повсеместно распространённого. Когда-то он стоил дороже золота (Napoleon III подавал самым почётным гостям алюминиевые столовые приборы, тогда как менее знатным гостям доставались золотые), а сегодня этот лёгкий металл настолько распространён, что мы выбрасываем его. Washington Monument увенчан алюминием — в 1884 году это был самый дорогой металл на Земле. Процесс Hall-Héroult изменил всё в 1886 году: добыча алюминия стала доступной, положив начало авиационной эре. Самолёты летают благодаря тому, что алюминий прочен, но весит втрое меньше стали. Ваш антиперспирант содержит алюминий, чтобы блокировать 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 из-под газировки можно перерабатывать бесконечно.
История открытия алюминия насчитывает более двух тысячелетий — от древних цивилизаций до химических прорывов XIX века. В ней есть выдающиеся умы, 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. Римский естествоиспытатель Pliny the Elder (23–79 н. э.) описал свойства квасцов в своей энциклопедии «Naturalis Historia», не подозревая, что речь идёт о соединениях алюминия, использовавшихся на протяжении веков.
В 1761 году французский химик Louis-Bernard Guyton de Morveau предположил, что квасцы содержат неизвестный в то время металл, предложив 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 ему не удалось выделить чистый алюминий, в 1812 году Davy назвал гипотетический металл «aluminum», а позднее название было изменено на «aluminium» по аналогии с другими названиями элементов, оканчивающимися на «-ium».
Датский физик и химик Hans Christian Ørsted (1777–1851) впервые выделил алюминий 29 августа 1825 года. Используя амальгаму Калия для восстановления хлорида алюминия, Ørsted получил крошечные 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. 21 июля 1827 года 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 химический метод восстановления с использованием Натрия впервые сделал производство алюминия коммерчески жизнеспособным. Император Napoleon III of France финансировал исследования Deville, мечтая об алюминиевых доспехах и снаряжении для своей армии.
В ту эпоху алюминий был ценнее Золота. Napoleon III демонстрировал алюминиевые столовые приборы на государственных обедах, оставляя их для самых почётных гостей, тогда как остальные пользовались золотыми приборами. Завершённый в 1884 году шпиль монумента Вашингтона был изготовлен из 100 унций алюминия — тогда он стоил годовую зарплату рабочего.
Два талантливых молодых химика независимо друг от друга открыли электролитический процесс, сделавший алюминий доступным:
В возрасте 22 лет, работая в дровяном сарае своей семьи в Оберлине, штат Огайо, Hall открыл способ электролитического получения алюминия 23 февраля 1886 года. Используя железные сковороды своей сестры Julia и самодельную электрическую батарею, Hall растворил оксид алюминия в расплавленном криолите и пропустил через него электрический ток, получив капли чистого алюминия.
Héroult, которому также было 22 года, сделал то же открытие всего два месяца спустя, 9 апреля 1886 года. Работая на кожевенном заводе своего отца в Жантильи, Франция, Héroult независимо разработал идентичный процесс. Оба мужчины родились в 1863 году и умерли в 1914 году — удивительное совпадение в истории науки.
Процесс Hall–Héroult снизил цену алюминия с $545 за фунт (1850-е годы) до $0.68 за фунт (1900 год) — снижение цены на 99.8%. Этот прорыв положил начало современной алюминиевой промышленности:
Сегодня алюминиевая промышленность ежегодно производит более 65 миллионов тонн металла, 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. Благодаря плотности всего 2.7 g/cm³ — примерно одной трети плотности стали — алюминий произвёл революцию в транспорте и строительстве.
Авиакосмическая промышленность потребляет почти 20% мирового производства алюминия. В конструкциях самолётов для изготовления фюзеляжа используются алюминиевый сплав 2024 (Al-Cu-Mg), обеспечивающий исключительное соотношение прочности и массы. Boeing 787 Dreamliner содержит 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 коробок передач и кузовных панелях. Ford F-150 (2015+) имеет полностью алюминиевый кузов, что снизило массу на 700 pounds и повысило топливную экономичность на 20%. В Tesla Model S используется пространственная рама из алюминия, а алюминиевый сплав 6061-T6 обеспечивает оптимальную защиту при столкновениях, сохраняя целостность конструкции.
Архитектурное применение алюминия включает навесные фасады, оконные рамы и кровельные системы. Процесс анодирования создаёт защитный оксидный слой толщиной до 25 micrometers, обеспечивающий превосходную устойчивость к атмосферным воздействиям. В фасадной системе Burj Khalifa в Dubai используется более 1,500 tons алюминия, а характерные оболочки Sydney Opera House облицованы алюминиевыми плитками с шевронным рисунком.
Электропроводность алюминия (37.7 MS/m) делает его идеальным для передачи электроэнергии. Кабели Aluminum Conductor Steel Reinforced (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 изготавливаются из цельных алюминиевых заготовок с помощью фрезерования на станках с ЧПУ, а в рамах смартфонов используется алюминиевый сплав 6013 для электромагнитного экранирования. Радиаторы для светодиодов используют тепловые свойства алюминия, чтобы предотвращать перегрев и продлевать срок службы компонентов.
Алюминий бесчисленным множеством способов соприкасается с нашей повседневной жизнью, часто незаметно, но всегда играя важную роль. 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 вплотную друг к другу, они обогнули бы Землю более 160 раз.
Откуда он происходит
82300 мг/кг земной коры · более распространён, чем 98% элементов
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, в природе алюминий никогда не встречается в чистом металлическом виде из-за высокой реакционной способности.
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 минералы алюминия, образующиеся в результате выветривания:
Космическое путешествие алюминия началось в недрах массивных звёзд благодаря звёздному нуклеосинтезу. 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.
Наша Солнечная система содержит алюминий, образовавшийся в течение нескольких поколений звёзд. Метеориты, особенно углеродистые хондриты, сохранили первозданные соединения алюминия из солнечной туманности, существовавшей 4.6 миллиарда лет назад. Метеорит Альенде (упал 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, он не выполняет известной жизненно важной биологической функции. Однако он существенно влияет на рост растений в кислых почвах, где ионы Al³⁺ становятся растворимыми и токсичными для корневых систем. Некоторые растения, например чай (Camellia sinensis) и некоторые 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): образование крупных месторождений бокситов в результате тропического выветривания богатых алюминием пород.
Кайнозойская эра (от 66 миллионов лет назад до настоящего времени): продолжение образования бокситов в тропических регионах; месторождения Австралии сформировались 35-55 миллионов лет назад.
Обращение
Хотя алюминий в целом считается безопасным для повседневного использования, необходимо правильно обращаться с ним и учитывать возможные опасности, особенно в промышленных условиях и для людей с определённой чувствительностью.
OSHA PEL: 15 mg/m³ (общая пыль), 5 mg/m³ (вдыхаемая фракция)
Риск: Вдыхание алюминиевой пыли может вызвать лёгочный фиброз («алюминиевое лёгкое») у промышленных рабочих. При сварке алюминия выделяются пары оксида алюминия, которые могут вызвать лихорадку от металлической пыли.
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 нарушений
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 выщелачивание алюминия
Вероятность раздражения: Минимальный риск при контакте с твёрдым алюминием; соли алюминия могут вызвать раздражение кожи
Аллергические реакции: Редкие, но документально подтверждённые случаи аллергии на алюминий, особенно при использовании антиперспирантов
Симптомы: Покраснение, зуд, контактный дерматит у чувствительных людей
Алюминиевый порошок: Мелкодисперсная 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 при пожарах алюминия
Хранение: Храните порошок в герметичных заземлённых контейнерах вдали от окислителей
Немедленно промывайте глаза 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 в целом безопасен для потребительских изделий при использовании по назначению
• Промышленные рабочие должны соблюдать все правила OSHA и протоколы безопасности компании
• Людям с заболеваниями почек следует проконсультироваться с врачом по поводу воздействия алюминия
• Всегда изучайте паспорта безопасности продукции (SDS) для конкретных соединений алюминия
Краткие ответы
Алюминий (символ Al) — элемент 13 в периодической таблице, представитель семейства постпереходный металл в 3 периоде, 13 группе. Когда-то более ценный, чем золото, а теперь самый используемый после железа металл — потому что кто-то научился дёшево получать его электролизом. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ne] 3s² 3p¹; она включает 3 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 3. На внешней оболочке находится 3 электрона, что определяет характер химических связей.Алюминий плавится при 933.5 K (660.3 °C) и кипит при 2792 K (2518.9 °C).
Стандартная атомная масса Алюминий составляет 26.982 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Алюминий составляет 2.7 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Алюминий примерно в 2.7× тяжелее.
Электроотрицательность Алюминий по шкале Полинга составляет 1.61. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Алюминий был открыт в 1825 году Hans Christian Orsted. Назван в честь латинское alumen, «квасцы».
На долю Алюминий приходится около 8.23% земной коры — это один из самых распространённых элементов.