24.04.2015

Алюминий — важнейший легкий металл, входит в третью группу периодической системы Д.И. Менделеева, атомный номер 13, радиус атома 1,43 А, радиус иона 0,86 А°, атомный вес 26,97.
Электронное строение нейтрального атома алюминия характеризуется заполненным внутренним К-слоем с двумя электронами на 1s-орбите (1s2) и заполненным L-слоем с двумя электронами на 2s-opбитe и шестью электронами на 2р орбите (2s22p6) Во внешнем (валентном) M слое атома алюминия находятся три электрона два на Зх-орбите и один на Зр-орбите (3s23p).
В химических соединениях алюминий обычно трехвалентен (Al3+). Однако в определенных условиях существуют соединения одновалентного (Al+) алюминия (субсоединения), например Al2S, Al2O, AlF, AlCl и др. Энергия ионизации первого Зр-электрона атома алюминия составляет 137,3, а второго и третьего 3s электронов соответственно 430,6 и 652,1 ккал*г-атом. Таким образом, в атоме алюминия Зр-электрон удерживается значительно слабее, чем каждый из парных 35-электронов, и может быть потерян ранее других электронов. Образовавшийся ион одновалентного алюминия и способен дать соответствующие соединения низшей валентности. Последние представляют не только теоретический интерес, с возможностью возникновения этих соединений приходится считаться при электролитическом получении алюминия. Кроме того, с участием субсоединений могут быть осуществлены также процессы извлечения алюминия из электротермических сплавов и его рафинирования.
Для алюминия установлено существование трех искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами 26, 28 и 29 и периодами полураспада, соответственно равными 7 сек, 2,3 мин. и 6,7 мин Устойчивых изотопов у алюминия нет.
Элементарная кристаллическая решетка алюминия — куб с центрированными гранями. Размер ребра элементарного куба 4,04 А°.
Плотность алюминия как твердого, так и расплавленного снижается по мере увеличения степени его чистоты Для твердого металла чистотой 99,75% Al плотность составляет 2,703, а для металла чистотой 99,996% Al 2,6989; плотность расплавленного алюминия чистотой 99,75% Al при 1000° равна 2,289.
Температура плавления алюминия возрастает по мере повышения степени его чистоты. Металл чистотой 99,6%) Al плавится при 658,7°, а температура плавления алюминия чистотой 99,996% Al 660,24°.
Увеличение объема алюминия при его плавлении составляет 6,6%.
Температура кипения алюминия при атмосферном давлении близка к 2500° Теплота плавления алюминия: удельная 93 ккал/г и атомная 2520 ккал/г-атом. Атомная теплота испарения алюминия находится в пределах 56 800—62 140 ккал/г-атом Истинная теплоемкость Жидкого алюминия в интервале 982—1273° К может быть принята постоянной и равной 7 кал/г-атом.
Электропроводность алюминия возрастает по мере повышения степени его чистоты. Для твердого металла чистотой 99,5% Al электропроводность составляет 62,5% по отношению к электропроводности ме ди, а для металла чистотой 99,996% Al 64,94%. Наиболее сильное влияние на снижение электропроводности оказывают примеси титана, ванадия, хрома и марганца. Удельное электрическое» сопротивление жидкого алюминия при 950° равно 30*10в-5 ом*см.
Механические свойства алюминия также в сильной степени зависят от его чистоты. Алюминий высокой чистоты значительно мягче, пластичнее технического металла, но обладает пониженной механической прочностью Алюминий чистотой 99,996% Al характеризуется, например, следующими механическими свойствами: сопротивление на разрыв 11,41 кг/мм2 для холоднокатаного металла и 4,81 кг/мм2 для отожженного; сопротивление сжатию соответственно 10,8 и 1,26 кг/мм2 и удлинение 5,5 и 48,8%.
Алюминий обладает большой химической активностью- энергия образования его соединений с кислородом, галоидами, серой и углеродом весьма велика, в ряду напряжений он занимает место среди наиболее электроотрицательных элементов (нормальный электродный потенциал его — 1,36 в).
Отличительной особенностью алюминия является его склонность энергично реагировать с кислородом, в частности с кислородом воздуха. Поэтому на воздухе алюминий покрывается тонкой, но очень проч ной пленкой окиси алюминия. Электронномикроскопические исследования показывают, что эта пленка окиси алюминия сплошная и беспористая. Она защищает алюминий от дальнейшего окисления и обусловливает большую коррозионную стойкость металла.
Пленка окиси алюминия на поверхности твердого металла имеет толщину примерно 2*10в-5 см. Интенсивность окисления алюминия возрастает с повышением температуры, в особенности выше точки его плавления, причем зависит от примесей металлов, присутствующих в алюминии Наличие в алюминии примесей магния, кальция, натрия, кремния и меди усиливает его окисление. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей сильно понижается, и эти места уязвимы для коррозии. Напротив, окисная пленка имеет исключительно большое сцепление с поверхностью алюминия высокой степени чистоты, обладающего ничтожным содержанием примесей. Такой металл поэтому оказывается чрезвычайно стойким в отношении химических реагентов (например, неорганических кислот), загрязненной атмосферы, морской воды.
Реакция взаимодействия алюминия с кислородом, приводящая к образованию окиси алюминия:
2Аl + 1,5О2 = Al2O8,

экзотермична и идет со значительно большим выделением тепла, чем для многих других металлов.
Теплота окисления алюминия при 22° и постоянном давлении, определенная сжиганием чистейшего электролитического рафинированного алюминия в кислороде, равна 402900±300 кал/г-моль. С помощью весьма точных калориметрических измерений теплота образования All2O3 (корунда) также получена весьма близкой к этой величине: 399 040 кал/г-моль при 25°.
Безводная окись алюминия (глинозем) существует в форме двух модификаций, с которыми приходится иметь дело при производстве глинозема и электролитическом получении алюминия.
Первая из них α-Al2O3, или корунд, встречается в естественных горных породах. Все виды гидратов окиси алюминия (гидроаргиллит, бемит, диаспор) при нагревании до 1200° превращаются в α-Al2O3. Кристаллизуется корунд в гексагональной системе. Корунд отличается высокой твердостью, занимая в минералогической шкале предпоследнее перед алмазом место — девятое. Он практически не гигроскопичен и имеет из всех модификации глинозема наибольший удельный вес (3,9—4,0 г/см3).
Вторая модификация безводного глинозема γ-Al2O3 кристаллизуется в кубической системе. В природе γ-Al2O3 не встречается и образуется при обезвоживании трехводной окиси алюминия — гидраргиллита Al(OH)3 в температурном интервале 500—900°, отличается большой дисперсностью и гигроскопичностью. Удельный вес γ-Al2O3 равен 3,77 г/см3 При нагревании γ-Al2O3 выше 900° начинается его превращение в α-Al2O3, которое полностью завершается при 1200°.
Технический глинозем, получаемый щелочными способами для электролитического производства алюминия, представляет собой смесь α-Al2O3 и γ-Al2O3, причем содержание корунда составляет 30—45%.
Безводный глинозем является термически стойким окислом с высокой температурой плавления (2050°) и кипения (2980°). Молярная теплота плавления Al2O3 равна 6000 кал/г-моль, а удельная 58,8 кал/г; теплота испарения Al2O3 составляет 11790 кал/г-моль.
В химическом отношении глинозем—типичное амфотерное соединение, основные и кислотные свойства которого выражены примерно в равной степени Поэтому он с одинаковой легкостью растворяется и в кислотах, и в щелочах. Наименьшей скоростью растворения обладает при этом α-Al2O3, большей — γ-Al2O3. Особенно же быстро растворяются гидроокиси алюминия, которые в растворах кислот ведут себя как Основания, образуя алюминиевые соли соответствующих кислот, а в растворах оснований проявляют себя как кислоты, давая соли этих оснований — алюминаты.
Последние образуются также при непосредственном взаимодействии глинозема с окислами щелочных и щелочноземельных металлов при высоких температурах.
При нагревании Al2O3 в смеси с металлическим алюминием при температуре выше 1200° в вакууме (остаточное давление 10в-3 мм рт. ст.) образуется летучая субокись алюминия Al2O:
Al2O3 (тв) + 4Аl(ж) ⇔ 3Аl2O3 (г),

Интенсивное взаимодействие алюминия с хлором практически происходит выше 100° с образованием хлорида алюминия и выделением 161,4 ккал/г-моль AlCl3. Ниже 440° молекула хлорида алюминия отвечает формуле Al2Cl6; в интервале 440—600° наблюдается частичная диссоциация: Al2Cl6⇔2АlСl3, выше 600° состав хлорида алюминия выражается формулой А1С1з. Образование удвоенной молекулы хлорида алюминия 2АlСl3 → Al2Cl6 сопровождается выделением 29 ккал/г-моль AlCl3. Хлорид алюминия крайне гигроскопичен и на воздухе подвергается гидролизу с образованием HCl.
При нагревании в инертной атмосфере или в вакууме с металлическим алюминием хлорид алюминия образует субхлорид AlCl. Последний существует только в газовой фазе или в расплавленной среде при высокой температуре, а при охлаждении примерно до 800° вновь распадается на нормальный хлорид алюминия и металлический алюминий:
2Аl(ж) + AlCl3 (г) ⇔ 3АlCl(г).

С фтором алюминий образует фторид алюминия AlF3, который в большой степени отличается от хлорида алюминия по своим свойствам. Если хлорид алюминия является химическим соединением с ковалент ной связью и молекулярной кристаллической решеткой, обладает низкой температурой плавления и кипения (соответственно 190 и 183°), то во фториде алюминия химическая связь в основном ионная, что выра жается его высокой температурой плавления и кипения. Так, AlF3 при атмосферном давлении возгоняется, не плавясь, будучи нагрет примерно до 1000—1100°, причем упругость паров AlF3 достигает одной атмосферы при 1260°. В вакууме (остаточное давление 10в-2 мм рт. ст.) AlF3 начинает сублимировать при температуре около 700°. Попытки расплавить AlF3 в бомбе под давлением при температуре около 1500° не дали положительных результатов.
При нагревании в вакууме или в инертной среде с металлическим алюминием фторид алюминия (так же как и хлорид) образует соединение низшей валентности — субфторид:
2Аl (ж) + AlF3 (тв) ⇔ 3AlF (г).

С серой алюминий взаимодействует непосредственно при высокой температуре (выше 1000°) с образованием сульфида алюминия Al2S3. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла (141 ккал/г-моль Al2S3) При восстановительной плавке сульфида железа с глиноземом также образуется сульфид алюминия. Температура плавления сульфида алюминия 1100°. Он полностью разлагается водой с образованием Al(OH)3 и H2S При нагревании в вакууме смеси Al2S3 и Al до 1300° образуется субсульфид алюминия Al2S, который при охлаждении разлагается на металл и нормальный сульфид
С азотом алюминий непосредственно соединяется при 800° с образованием нитрида AlN. Реакция эта сопровождается довольно значительным выделением тепла (74 ккал/г-моль AlN). Чистый нитрид алюминия представляет собой белый порошок, не изменяющийся при нагревании до 2000°. Выше этой температуры он начинает распадаться на элементы, под давлением 4 ат AlN плавится при 2200°. Водой он медленно разлагается на Al(OH)3 и NH3. Нитрид алюминия кристаллизуется в гексагональной системе. Всегда в тех или иных количествах в алюминиевой ванне образуется карбонитрид алюминия Al5C3N.
С углеродом алюминий образует карбид алюминия Al4C3, причем для этого на воздухе смесь угля и алюминия должна быть нагрета примерно до 2000°. В атмосфере водорода или в вакууме порошкообразный алюминий и углеродистый материал реагируют при 1000—1200°. Присутствие криолита облегчает образование карбида алюминия, что, в частности, может быть обусловлено растворением изолирующей пленки Al2O3 с поверхности алюминия в расплавленном криолите, а также и другими причинами.
Реакция образования карбида алюминия из элементов протекает с выделением тепла (63,2 ккал/г-моль Al2O3). Чистый карбид алюминия окрашен в ярко-желтый цвет и имеет удельный вес 2,36 г/см3. При нагревании выше 2000° Al4C3 распадается с выделением графита. Вода разлагает карбид алюминия с образованием гидрата окиси алюминия и метана. На воздухе карбид алюминия окисляется, давая глинозем и свободный углерод.
Пространственная кристаллическая решетка карбида алюминия имеет резко выраженный слоистый характер.
Образование карбида алюминия протекает очень энергично в условиях высоких температур (выше 1000°) при взаимодействии углеродистых материалов с субхлоридом и субфторидом алюминия.
Необходимо также отметить, что при образовании молекулы карбида алюминия из трех атомов углерода и четырех атомов алюминия объем вещества увеличивается на 20%.
В тех или иных количествах Al4C3 всегда образуется в алюминиевой ванне.
С водородом алюминий, по видимому, химически не взаимодействует, однако весьма энергично растворяет его. Растворимость водорода в расплавленном алюминии при 1000° составляет 0,2 см3 в 1 см3 Al В алюминиевой ванне источником водорода является влага, подвергающаяся электролизу с выделением H2 на катоде.
Алюминий впервые в 1825 г. был выделен в свободном виде датским физиком Эрстедом действием амальгамы калия на хлористый алюминий. Позднее, в 1827 г., немецкий химик Велер улучшил способ Эрстеда, заменив амальгаму калия металлическим калием. В 1854 г. Сен Клер-Девилль во Франции применил способ Велера для первого промышленного производства алюминия, внеся в него дальнейшие улучшения: вместо калия им был использован более дешевый натрий, а вместо гигроскопичного хлорида алюминия более стойкий двойной хлорид алюминия и натрия. В 1865 г русским физико-химиком Н. Н. Бекетовым была установлена возможность вытеснения алюминия магнием из криолита. Эта реакция в 1888 г. была применена затем для производства алюминия на первом немецком заводе в Гмеленгене.
Производство алюминия этими так называемыми химическими способами существовало с 1854 по 1890 гг. Однако в течение 35 лет с их помощью было получено в общей сложности всего около 200 т алюминия
В конце 80-х годов прошлого столетия химические способы были вытеснены электролитическим способом, который, обеспечивая значительное технологическое преимущество металлургического процесса, позволил резко снизить стоимость алюминия и создал возможность быстрого развития алюминиевой промышленности. Основоположниками современного электролитического способа производства алюминия являются Эру во Франции и Холл в США, которые в 1886 г. независимо друг от друга заявили почти аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите.
С момента появления патентов Эру и Холла собственно и начинается современная алюминиевая промышленность, которая за 75 лет своего существования выросла в одну из крупнейших отраслей мирового хозяйства. Особенно сильное развитие алюминиевая промышленность получила в последние 15 лет, что связано как со стратегическим значением алюминия, так и со все расширяющимися областями его технического применения Если в 1946 г мировая выплавка алюминия составила 774 тыс. т, то к 1960 г. она возросла почти в пять раз, достигнув примерно 3,5 млн. г. По общему объему его производства алюминий занимает в настоящее время следующее после железа место, опередив в этом отношении медь Первое место по выплавке алюминия принадлежит США.
Из других капиталистических стран крупную алюминиевую промышленность имеют Канада, Франция, Англия, Италия, ФРГ, Норвегия, Швеция, Япония.
Среди стран народной демократии наиболее развитой алюминиевой промышленностью располагает Венгрия. В начале пятидесятых годов были пущены первые алюминиевые заводы в Польше и Чехословакии Большие перспективы для развития алюминиевой промышленности имеются в Китайской Народной Республике.
Первые попытки организации производства алюминия в нашей стране относятся к 90-м годам прошлого столетия, когда под Москвой для получения алюминия химическим способом был построен небольшой завод, просуществовавший, однако, очень короткое время (с 1885 по 1889 гг.).
В 90-х годах прошлого столетия австрийским химиком Байером в России был разработан щелочной гидрохимический способ производства глинозема из бокситов, играющий основную роль в современной металлургии алюминия.
В начале этого столетия П.П. Федотьевым и другими русскими учеными был выполнен в области изучения современного способа производства алюминия ряд теоретических исследований, получивших мировую известность. Однако лишь после Великой Октябрьской социалистической революции были созданы условия для организации и развития алюминиевой промышленности в нашей стране.
Первые опыты электролитического получения алюминия в значительном масштабе были осуществлены в 1929 г. на заводе «Красный Выборжец» в Ленинграде под руководством П.П. Федотьева. В 1930 г. в Ленинграде же был пущен опытный алюминиевый завод, который сыграл большую роль в развитии советской алюминиевой промышленности. На этом заводе в течение четырех лет испытываюсь различное оборудование, обучались кадры рабочих и инженерно-технического персонала для первых алюминиевых предприятий.
В 1932 г. состоялся пуск Волховского алюминиевого завода, со оружейного на рудной базе тихвинских бокситов и электроэнергии Волховской гидроэлектростанции, а в 1933 г. — Днепровского алюминиевого завода на электроэнергии Днепровской гидроэлектростанции К этому же времени были сооружены и пущены Полевской криолитный завод, а также Московский и Днепровский электродные заводы для снабжения алюминиевых заводов фтористыми солями и углеродистыми изделиями
В 1938 г вступил в эксплуатацию Тихвинский глиноземный завод, расположенный в непосредственной близости к месторождению тихвинских бокситов. Далее, в 1939 г., был пущен Уральский алюминиевый завод на рудной базе высококачественных североуральских бокситов, а во время Великой Отечественной войны и в последующие годы — еще ряд алюминиевых заводов, расположенных в различных районах страны
Дальнейшее развитие алюминиевой промышленности в нашей стране будет происходить на базе последовательной ее электрификации и, в частности, сооружения мощных гидроэлектростанций. Характерной чертой при этом является продвижение алюминиевой промышленности России в восточные районы в Сибирь, где сооружаются Иркутский и Красноярский алюминиевые заводы (последний на рудной базе местных нефелиновых пород), и в Казахстан, где будет построен Павлодарский алюминиевый завод, рудной базой для которого будут служить тургайские бокситы
Алюминиевая промышленность, созданная в нашей стране за годы советской власти, уже сейчас занимает одно из первых мест в мире, имея все возможности для своего дальнейшего еще более интенсивного развития.