АЛУМИНИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧАВАНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На алуминия е метален елемент, принадлежащ към (III А) група 13 от периодичната таблица и който е представен със символа А. Това е лек метал с ниска плътност и твърдост. Поради амфотерните си свойства той е класифициран от някои учени като металоид.

Това е пластичен и много ковък метал, поради което се използва за производство на тел, тънки алуминиеви листове, както и всякакъв вид предмет или фигура; например известните консерви със техните сплави или алуминиевото фолио, с което са опаковани храни или десерти.

Смачкано алуминиево фолио, един от най-простите и ежедневни предмети, направени с този метал. Източник: Pexels

Алумът (хидратиран калиев алуминиев сулфат) се използва от хората от древни времена в медицината, кожарската кожа и като разтвор за оцветяване на тъкани. По този начин неговите минерали са били известни завинаги.

Въпреки това, алуминият като метал е изолиран много късно, през 1825 г., от Øersted, което води до научна дейност, която позволява неговата промишлена употреба. В този момент алуминият беше металът с най-високо производство в света, след желязото.

Алуминият се намира главно в горната част на земната кора, съставляваща 8% от теглото му. Той съответства на третия си най-изобилен елемент, като се превъзхожда от кислород и силиций в своите силициеви и силикатни минерали.

Бокситът е асоциация от минерали, сред които са: алуминий (алуминиев оксид) и метални оксиди на желязо, титан и силиций. Той представлява основният природен ресурс за добив на алуминий.

история

стипца

В Месопотамия, 5000 години пр.н.е. В., Те вече правят керамика, използвайки глини, които съдържат алуминиеви съединения. Междувременно преди 4000 г. вавилонците и египтяните използваха алуминия в някои химически съединения.

Първият писмен документ, свързан с алум, е направен от Херодот, гръцки историк, през V в. Пр.н.е. Алумът е използван като преграда при боядисването на тъкани и за защита на дървесината, с която са проектирани крепостните врати, от пожари.

По същия начин Плиний „старейшината“ през I век се отнася до стипца, днес известна като стипца, като вещество, използвано в медицината и мордант.

От 16 век нататък, стипца е била използвана в кожарската кожа и като оразмеряване на хартия. Това беше желатино вещество, което даде консистенцията на хартията и позволи използването й в писмена форма.

През 1767 г. швейцарският химик Торберн Бергман постига синтеза на стипца. За да направи това, той загрява лунита със сярна киселина и след това добавя поташ към разтвора.

Разпознаване в алуминиев двуокис

През 1782 г. френският химик Антоан Лавоазие посочва, че алуминият (Al ₂ O ₃) е оксид на някакъв елемент. Това има такъв афинитет към кислорода, че отделянето му е било трудно. Следователно, Lavoisier прогнозира съществуването на алуминий.

По-късно, през 1807 г., английският химик сър Хъмфри Дейви подлага алуминиев оксид на електролиза. Въпреки това, използваният от него метод произвежда сплав алуминий с калий и натрий, така че той не може да изолира метала.

Дейви коментира, че алуминият има метална основа, която първоначално е определил като „алуминий“, базирана на латинската дума „alumen“, името, използвано за стипца. По-късно Дейви промени името на "алуминий", настоящото английско име.

През 1821 г. немският химик Ейлард Митчерлих успява да открие правилната формула за алуминиев двуокис: Al ₂ O ₃.

Изолация

Същата година френският геолог Пиер Бертиер откри алуминиев минерал в находище на червеникавокаменна скала във Франция, в района на Ле Бо. Бертиер определи минерала като боксит. В момента този минерал е основният източник на алуминий.

През 1825 г. датският химик Ханс Кристиан Ерстед произвежда метална пръчка от предполагаем алуминий. Той го определи като "парче метал, което прилича малко на калай на цвят и блясък". Оерстед е в състояние да постигне това чрез намаляване на алуминиев хлорид, ALCL ₃, с калиев амалгама.

Смята се обаче, че изследователят не е получил чист алуминий, а сплав от алуминий и калий.

През 1827 г. немският химик Фридрих Вьолер успява да произведе около 30 грама алуминиев материал. След това, след 18 години изследователска работа, Wöehler през 1845 г. постига производството на глобули с размер на глава на щифт, с метален блясък и сивкав цвят.

Wöehler дори описа някои свойства на метала, като цвят, специфична гравитация, пластичност и стабилност.

Индустриално производство

През 1855 г. френският химик Анри Сент-Клер Девил се усъвършенства по метода на Вьолер. За това той използва редукцията на алуминиев хлорид или натриев алуминиев хлорид с метален натрий, използвайки криолит (Na ₃ AlF ₆) като поток.

Това позволи индустриалното производство на алуминий в Руан, Франция, а между 1855 и 1890 г. беше постигнато производството на 200 тона алуминий.

През 1886 г. френският инженер Пол Еро и американският студент Чарлз Хол независимо създават метод за производство на алуминий. Методът се състои в електролитно редуциране на алуминиев оксид в разтопен криолит, като се използва постоянен ток.

Методът беше ефикасен, но имаше проблема с високата му нужда от електроенергия, което направи производството по-скъпо. Еро реши този проблем, като създаде своята индустрия в Нойхаузен (Швейцария), като по този начин се възползва от Рейнските водопади като генератори на електроенергия.

Първоначално Хол се установява в Питсбург (САЩ), но по-късно премества индустрията си близо до Ниагарския водопад.

Накрая, през 1889 г. Карл Джоузеф Байер създава метод за производство на алуминиев оксид. Това се състои в нагряване на боксита в затворен съд с алкален разтвор. По време на процеса на нагряване фракцията на алуминиевия оксид се възстановява в физиологичния разтвор.

Физични и химични свойства

Външен вид

Алуминиева метална кофа. Източник: Carsten Niehaus

Сребристо сиво плътно с метален блясък (горно изображение). Това е мек метал, но се втвърдява с малки количества силиций и желязо. В допълнение, той се характеризира с това, че е много пластичен и ковък, тъй като могат да се правят алуминиеви листове с дебелина до 4 микрона.

Атомно тегло

26,981 ф

Атомно число (Z)

13

Точка на топене

660,32 ºC

Точка на кипене

2470 ºC

плътност

Температура на околната среда: 2,70 g / mL

Точка на топене (течност): 2,375 g / mL

Плътността му е значително ниска в сравнение с тази на други метали. Поради тази причина алуминият е доста лек.

Топлина от синтез

10,71 kJ / mol

Топлина от изпаряване

284 kJ / mol

Моларен калоричен капацитет

24.20 J / (mol K)

Електроотрицателност

1,61 по скалата на Полинг

Йонизационна енергия

-Първо: 577.5 kJ / mol

-Втора: 1,816,7 kJ / mol

-Трето: 2,744,8 kJ / mol

Термично разширение

23,1 µm / (mK) при 25 ° С

Топлопроводимост

237 W / (m K)

Алуминият има топлинна проводимост три пъти по-висока от стоманата.

Електрическо съпротивление

26,5 nΩ m при 20 ° C

Електрическата му проводимост е 2/3 от тази на медта.

Магнетичен ред

парамагнитен

твърдост

2.75 по скалата на Моос

реактивност

Алуминият е устойчив на корозия, тъй като когато са изложени на въздух, тънък слой от Al ₂ O ₃ оксид, че форми на повърхността предотвратява окисление продължават вътре в метала.

В кисели разтвори той реагира с вода и образува водород; докато в алкални разтвори образува алуминатния йон (AlO ₂ ^-).

Разредените киселини не могат да го разтворят, но могат да присъстват в концентрирана солна киселина. Въпреки това, алуминият е устойчив на концентрирана азотна киселина, въпреки че е атакуван от хидроксиди за получаване на водород и алуминатен йон.

Прахообразният алуминий се изгаря в присъствието на кислород и въглероден диоксид, за да се образува алуминиев оксид и алуминиев карбид. Може да се разяжда от хлорида, присъстващ в разтвор на натриев хлорид. Поради тази причина използването на алуминий в тръби не се препоръчва.

Алуминият се окислява от вода при температури под 280 ºC.

2 Al (s) + 6 H ₂ O (g) => 2Al (OH) ₃ (s) + 3H ₂ (g) + топлина

Структура и електронна конфигурация

Алуминият е метален елемент (с металоидни багрила за някои), неговите атоми взаимодействат помежду си благодарение на металната връзка. Тази ненасочена сила се управлява от валентните й електрони, които са разпръснати из кристала във всичките му измерения.

Тези електронни валентни електрони са следните, според електронната конфигурация на алуминия:

3s ² 3p ¹

Следователно алуминият е тривалентен метал, тъй като има три валентни електрона; две в орбитала 3s и една в 3p. Тези орбитали се припокриват, за да образуват 3s и 3p молекулярни орбитали, толкова близо една до друга, че в крайна сметка образуват проводими ленти.

S лентата е пълна, докато p лентата има много свободни места за повече електрони. Ето защо алуминият е добър проводник на електричество.

Металната връзка на алуминия, радиусът на неговите атоми и неговите електронни характеристики определят fcc (в центъра на кубика) кристал. Такъв FCC кристал очевидно е единственият известен алотроп от алуминий, така че със сигурност ще издържи на високото налягане, действащо върху него.

Окислителни числа

Електронната конфигурация на алуминия веднага показва, че той е в състояние да загуби до три електрона; това означава, че има висока тенденция да образува катиона Al ³⁺. Когато се предполага съществуването на този катион в съединение, получено от алуминий, се казва, че той има окислително число +3; както е добре известно, това е най-често срещаното за алуминия.

Има обаче и други възможни, но редки окислителни числа за този метал; такива като: -2 (Al ^2-), -1 (Al ^-), +1 (Al ⁺) и +2 (Al ²⁺).

Например, в Al ₂ O ₃, алуминият има окислително число +3 (Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2-); докато в AlI и AlO, +1 (Al ⁺ F ^-) и +2 (Al ²⁺ O ^2-), съответно. Въпреки това, при нормални условия или ситуации, Al (III) или +3 е най-голямото число на окисляване; тъй като Al ³⁺ е изоелектронно към неоновия благороден газ.

Ето защо в учебниците винаги се приема и с основателна причина, че алуминият има +3 като единствено число или състояние на окисляване.

Къде да намеря и получавам

Алуминият се концентрира във външната граница на земната кора, като е третият му елемент, надминат само кислород и силиций. Алуминият представлява 8% от теглото на земната кора.

Среща се в магматични скали, главно: алумосиликати, фелдшпатове, фелдшпатоиди и микрофони. Също и в червеникави глини, какъвто е случаят с бокситите.

- Боксити

Бокситна мина. Източник: Потребител: VargaA

Бокситите са смес от минерали, която съдържа хидратиран алуминий и онечиствания; като железни и титанови оксиди и силициев диоксид, със следните тегловни проценти:

-В ₂ O ₃ 35-60%

-Fe ₂ O ₃ 10-30%

-SiO ₂ 4-10%

-TiO ₂ 2-5%

Н ₂ О от физика 12-30%.

Алуминият се съдържа в боксит в хидратирана форма с два варианта:

-монохидрати (Al ₂ O ₃ · H ₂ O), които имат две кристалографски форми, буемит и диаспора

-Трихидрати (Al ₂ O ₃ · 3H ₂ O), представени от гиб-сайт.

Бокситът е основният източник на алуминий и доставя по-голямата част от алуминия, получен от добив.

- Алуминиеви находища

На промяна

Главно на боксити, образувани от 40-50% от Al ₂ O ₃, 20% от Fe ₂ O ₃ и 3-10% от SiO ₂.

Хидротермален

Алунит.

магмени

Алуминиеви скали, които имат минерали като сиенити, нефелин и анортити (20% от Al ₂ O ₃).

метаморфни

Алуминиеви силикати (андалузит, силиманит и кианит).

Detritics

Каолинови находища и различни глини (32% Al ₂ O ₃).

- Експлоатация на боксит

Бокситът се добива под открито небе. След като скалите или глините, които го съдържат, се събират, те се натрошават и смилат в мелници с топки и пръти, докато се получат частици с диаметър 2 мм. При тези процеси третираният материал остава навлажнен.

При получаването на алуминий се следва процесът, създаден от Bayer през 1989 г. Смляният боксит се усвоява чрез добавяне на натриев хидроксид, образувайки натриев алуминат, който се разтваря; докато замърсителите железни, титанови и силициеви оксиди остават в суспензия.

Замърсителите се декантират и алуминиевият трихидрат се утаява от натриевия алуминат чрез охлаждане и разреждане. Впоследствие трихидратираният алуминий се суши, за да се получи безводен алуминиев оксид и вода.

- Електролиза на алуминиев оксид

За да се получи алуминий, алуминиевият оксид се подлага на електролиза, обикновено следвайки метода, създаден от Hall-Héroult (1886). Процесът се състои в редуциране на разтопения алуминий в криолит.

Кислородът се свързва с въглеродния анод и се отделя като въглероден диоксид. Междувременно освободеният алуминий се отлага в дъното на електролитната клетка, където се натрупва.

сплави

Алуминиевите сплави обикновено се идентифицират с четири числа.

1xxx

Код 1xxx съответства на алуминий с 99% чистота.

2XXX

Код 2xxx съответства на сплавта на алуминия с мед. Те са силни сплави, които са били използвани в космическите превозни средства, но са се напукали от корозия. Тези сплави са известни като дуралумин.

3xxx

Кодът 3xxx обхваща сплави, в които манган и малко количество магнезий се добавят към алуминия. Те са сплави, много устойчиви на износване, като се използва сплавът 3003 при изработката на кухненски съдове и 3004 в кутии за напитки.

4ХХХ

Кодът 4xxx представлява сплави, в които се добавя силиций към алуминия, което понижава точката на топене на метала. Тази сплав се използва при производството на заваръчни проводници. Сплав 4043 се използва при заваряване на автомобили и конструктивни елементи.

5ххх

Кодът 5xxx обхваща сплавите, в които магнезият се добавя основно към алуминия.

Те са силни сплави, устойчиви на корозия на морската вода, използвани за изработка на съдове под налягане и различни морски приложения. Сплав 5182 се използва за направата на капаците на сода.

6xxx

Кодът 6xxx обхваща сплави, в които силиций и магнезий се добавят към сплавта с алуминий. Тези сплави са леени, заваряеми и устойчиви на корозия. Най-често срещаната сплав от тази серия се използва в архитектурата, рамките за велосипеди и конструкцията на iPhone 6.

7xxx

Кодът 7xxx обозначава сплави, в които се добавя цинк към алуминия. Тези сплави, наричани още Ергал, са устойчиви на счупване и са с голяма твърдост, като използват сплави 7050 и 7075 в конструкцията на самолети.

Рискове

Директно излагане

Контактът с алуминиев прах може да причини дразнене на кожата и очите. Продължителното, високо излагане на алуминий може да причини грипоподобни симптоми, главоболие, повишена температура и втрисане; Освен това може да се появи болка в гърдите и стягане.

Излагането на фин алуминиев прах може да причини белези на белите дробове (белодробна фиброза), със симптоми на кашлица и задух. OSHA установи ограничение от 5 mg / m ³ за излагане на алуминиев прах в 8-часов работен ден.

Стойността на биологичния толеранс при професионална експозиция на алуминий е установена при 50 µg / g креатинин в урината. Намаляваща ефективност при невропсихологични тестове се случва, когато концентрацията на алуминий в урината надвишава 100 µg / g креатинин.

Рак на гърдата

Алуминият се използва като алуминиев хидрохлорид в антиперспирантни дезодоранти, свързан с развитието на рак на гърдата. Тази връзка обаче не е ясно установена, наред с други неща, тъй като абсорбцията на алуминиев хидрохлорид в кожата е само 0,01%.

Невротоксични ефекти

Алуминият е невротоксичен и при хора с професионална експозиция е свързан с неврологични заболявания, които включват болестта на Алцхаймер.

Мозъкът на пациентите на Алцхаймер има висока концентрация на алуминий; но не е известно дали тя е причината за болестта или следствие от нея.

Наличието на невротоксични ефекти е определено при пациенти на диализа. Алуминиевите соли са използвани като фосфатно свързващо вещество при тази процедура, което води до високи концентрации на алуминий в кръвта (> 100 µg / L плазма).

Засегнатите пациенти представят дезориентация, проблеми с паметта и в напреднал стадий, деменция. Невротоксичността на алуминия се обяснява, защото е трудно да се елиминира от мозъка и се отразява на неговото функциониране.

Прием на алуминий

Алуминият присъства в много храни, особено в чая, подправките и като цяло в зеленчуците. Европейският орган за безопасност на храните (EFSA) установи границата на допустимия отпуск за прием на алуминий в храната от 1 mg / kg телесно тегло дневно.

През 2008 г. ЕОБХ изчисли, че дневният прием на алуминий в храната варира между 3 и 10 mg на ден, поради което се стига до заключението, че той не представлява риск за здравето; както и използването на алуминиеви съдове за приготвяне на храна.

Приложения

- Като метал

Електрически

Алуминият е добър електрически проводник, поради което се използва в сплави в електрически електропроводи, двигатели, генератори, трансформатори и кондензатори.

Сграда

Алуминият се използва при производството на рамки за врати и прозорци, прегради, огради, покрития, топлоизолатори, тавани и др.

транспорт

Алуминият се използва при производството на части за автомобили, самолети, камиони, велосипеди, мотоциклети, лодки, космически кораби, железопътни вагони и др.

Контейнери

Алуминиеви кутии за различни сортове храна. Източник: Pxhere.

Алуминият се използва за приготвяне на консерви за напитки, бунове за бира, тави и др.

У дома

Алуминиеви кофи. Източник: Pexels

Алуминият се използва за приготвяне на кухненски прибори: тенджери, тигани, тигани и опаковъчна хартия; в допълнение към мебели, лампи и т.н.

Светлоотразителна сила

Алуминият ефективно отразява сияещата енергия; от ултравиолетова светлина до инфрачервено лъчение. Отражателната сила на алуминия при видима светлина е около 80%, което позволява използването му като сянка в лампите.

В допълнение, алуминият запазва своята сребърна отразяваща характеристика дори под формата на фин прах, така че може да се използва при производството на сребърни бои.

- Алуминиеви съединения

Алумина

Използва се за изработка на метален алуминий, изолатори и свещи. Когато алуминият се нагрява, той развива пореста структура, която абсорбира водата, като се използва за изсушаване на газове и служи като място за действието на катализаторите при различни химични реакции.

Алуминиев сулфат

Използва се в производството на хартия и като повърхностен пълнител. Алуминиевият сулфат служи за образуване на калиев алуминиев стип. Това е най-широко използваният стип и с многобройни приложения; като например производство на лекарства, бои и мотор за боядисване на тъкани.

Алуминиев хлорид

Той е най-използваният катализатор в реакциите на Friedel-Crafts. Това са синтетични органични реакции, използвани при получаването на ароматни кетони и антрахинон. Хидратиран алуминиев хлорид се използва като локален антиперспирант и дезодорант.

Алуминиев хидроксид

Използва се за водоустойчиви тъкани и производството на алуминати.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Алуминий. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Алуминий. PubChem база данни. CID = 5359268. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Aluminium
4. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (13 януари 2019 г.). Алуминий. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
5. UC Rusal. (SF). История на алуминия. Възстановено от: aluminileader.com
6. Университет Овиедо. (2019). Алуминиева металургия., Възстановени от: unioviedo.es
7. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (6 февруари 2019 г.). Алуминий или алуминиеви сплави. Възстановено от: thinkco.com
8. Klotz, K., Weistenhöfer, W., Neff, F., Hartwig, A., van Thriel, C., & Drexler, H. (2017). Ефектите върху здравето на експозицията на алуминий. Deutsches Arzteblatt international, 114 (39), 653–659. doi: 10.3238 / arztebl.2017.0653
9. Elsevier. (2019). Алуминиеви сплави. Възстановено от: sciencedirect.com
10. Наталия Г. М. (16 януари 2012 г.). Наличност на алуминий в храната. Възстановени от: потребител.es