Алюминий – «серебро из глины»

Представить современную жизнь без этого металла невозможно. Упаковка таблеток, тара для напитков, начинка холодильника и многое другое – все это алюминий.

Что представляет собой

Алюминий – это металл, элемент периодической системы Д. И. Менделеева №13. Простое вещество с формулой из одного символа – Al.

Международное обозначение – Al (Aluminium).

Структура решетки – куб, центрированный по граням.

Цвет изначально белый, но на воздухе создается серебристо-матовая пленка-оксид.

По классификации цветных металлов причислен к группе легких (вместе с титаном и магнием).

Алюминий – самый распространенный в земной коре среди металлов и третий среди химических элементов, вслед за кислородом и кремнием.

Как был открыт

Бокситы и глинозем известны людям веками. С алюминием как металлом они познакомились только к середине XIX века.

Мировой опыт

История открытия – это опыты ученых-одиночек:

• Первую попытку предпринял Парацельс (XVI век). Он выделил из квасцов «квасцовую землю», содержащую оксид неизвестного металла (алюминия).
• Два века спустя процесс повторил немецкий химик Андреас Маргграф. Тоже получил оксид металла, которому присвоил название alumina («вяжущий»).
• Первые миллиграммы металла выделил датчанин Ганс Эрстед. Физик-практик выбрал исходником хлорид алюминия. Нагревая и воздействуя калийной амальгамой, получил чистый металл.
• Чистый калий, а не амальгаму использовал Фридрих Велер. Восстановив металл (получилось несколько крупинок), описал его свойства.
• Еще дальше пошел француз Сент-Клер Девиль. Он изготовил слиток металла, использовав метод Велера. Но вместо калия взял натрий. Девиль предъявил слиток публике на Всемирной выставке в Париже (1855 год), сотворив сенсацию. Спустя год получил металл методом электролиза. Такой успех объясним: ученого спонсировал сам Наполеон III, рассчитывавший приспособить металл для военных нужд.

Получение металла промышленными партиями – заслуга американца Чарльза Холла и француза Поля Эру. Независимо друг от друга они к 1886 году разработали методику расплава глинозема в криолите электролизом.

Металл в России

С глиноземом экспериментировали и русские ученые. Метод, предложенный К.И.Байером, стал классическим для алюминиевой промышленности мира.

Первый алюминиевый завод – Волховский – ввели в строй во времена СССР (1932 год).

Производство сырья исчислялось тысячами тонн. Эта отрасль была на особом счету: ее продукт обеспечивал обороноспособность государства.

Сегодня монополист по добыче и переработке сырья – компания «Русал» («Русский Алюминий»).

Новое «золото»

Первый алюминий был дороже золота:

• Европейская знать использовала алюминиевые столовые приборы (гостям попроще выдавались серебряные или золотые). Моду задал своим указом император Франции Наполеон III.
• Ювелиры изготавливали украшения класса люкс.
• Бесценный подарок сделали англичане русскому гению Дмитрию Менделееву – весы с чашами из золота и алюминия.

Дешевый метод появился к началу ХХ века. В 1911 году во французском Дюрене выпустили первую партию металла. Его назвали в честь этого города. А алюминий перешел в разряд бижутерии.

История названия

Латинский термин восходит к корню alumen. Так назывались квасцы, издревле используемые лекарями.

В России металл именовали «серебром из глины», поскольку глинозем – главный компонент глины.

Металл в природе

7,4-8,1% земной коры – это алюминий. В природе представлен горными породами и минералами, формирующими земную кору.

Почти всегда это соединения алюминия:

• Бокситы (оксиды с примесью кремния, кальция, железа).
• Глиноземы (каолиново-песчаная либо известковая, магнезиальная смесь).
• Нефелины (с калием).
• Каолиниты.
• Корунды.

В сегменте корундов соседствуют «суровый» наждак и ювелирные минералы: сапфир, рубин. Строение их решеток идентично.

Соединения алюминия найдены в воде рек, морей, океанов. В чистом виде – только в жерлах вулканов.

Месторождения и методы добычи

Главное сырье для получения алюминия – бокситы. Их залежи сосредоточены в тропиках и субтропиках.

Добыча алюминия

Россия богата нефелиновыми рудами, источник которых – север страны (Кольский полуостров и Кемеровская область).

Мировые запасы сырья исчисляются миллионами тонн.

Добыча ведется открытым либо закрытым способом.

Физико-химические характеристики

Для практических целей важны следующие свойства алюминия:

• Теплопроводность (выше только у меди и серебра).
• Легкость, пластичность.
• Электропроводность (впереди только медь, золото и серебро).
• Неуязвимость к коррозии. Это свойство обеспечивает прочная пленка-оксид, которой на воздухе покрывается металл. Дальше он не окисляется. Взаимодействие с металлами, кислотами, водой нулевое. При удалении пленки химическая активность восстанавливается.
• Холодостойкость (на морозе не становится хрупким).

Наконец, с ним легко работается. Металл подходит для любого вида обработки (штамповка, волочение, ковка, прокат, полировка).

Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %

Способы получения

Бокситная руда – это глинозем (45-58%) плюс соединения железа, титана, кремнезем. Ее транспортируют на обогатительную фабрику.

Для очистки глинозема применяют процесс К.И.Байера:

1. Руду загружают в автоклав, где нагревают с едким натром, охлаждают.
2. Отделяют твердый осадок.
3. Гидроокись осаждают, прокаливают.

На выходе получают оксид алюминия, то есть чистый глинозем. Его тестируют на калибровку и чистоту, затем превращают в алюминий.

Свойства алюминия делают невозможным применение классических для металлов способов восстановления.

Сегодня металл высвобождают способом, придуманным в конце XIX века (метод Холла-Эру).

Изучается возможность производства металлического алюминия через частичное восстановление. Образуется карбид алюминия, который разлагают при 1950°С. По расчетам, он рентабельнее классического.

Из нефелинов попутно получают кальцинированную соду, поташ, цемент, удобрения.

Алюминий vs медь

Эти металлы – соперники на рынке. У каждого свои достоинства и недостатки.

Главные конкурентные преимущества алюминия – легкость, пластичность, дешевизна (втрое по сравнению с медью).

Медь отличается более высокой тепло- и электропроводностью.

Где используется

Характеристики алюминия обусловили его применение во всех отраслях хозяйства – от ракетостроения до производства пищевой фольги.

По степени чистоты металла различают два вида: технический и высокой чистоты.

Промышленность

Металл используют как конструкционный материал и восстановитель.

Например, трубы из него долговечны, надежны. Кроме магистральных газо-, водопроводов, радиаторов отопления, это элементы бензобаков, автомобилей, самолетов, судов. Их используют декораторы и укладчики дорог.

Металлургия

Металл применяется как базис для сплавов. В отличие от природных примесей, сплавы создаются людьми. Их искусственное происхождение обнуляет природные недостатки материала. Например, медь и магний повышают порог прочности.

Алюминиевых сплавов сотни, самые известные:

• дюралюминий – плюс медь, магний;
• силумин – плюс кремний.

Другие легирующие элементы – железо, никель.

Как мощный раскислитель задействован в производстве сталей. Благодаря ему исключена пористость отливок и слитков.

Им восстанавливают редкие металлы из их соединений.

Электротехника

Это оптимальный материал для ассортимента изделий:

• Провода, кабели, тепловое оборудование.
• Холодильные, другие криогенные системы.
• Клапаны двигателей внутреннего сгорания, нефтяных платформ, турбин.

Алюминий заменяет затратный процесс цинкования.

Энергетика

Металл выступает универсальным вторичным энергоносителем для выработки тепла, производства водорода, электричества для электрохимических генераторов.

Применяется в теплообменниках, радиаторах охлаждения.

Строительство

Газообразующий агент, благодаря которому возможно получение пористого строительного материала.

Технологи работают над созданием пенистого алюминия – сверхлегкого, сверхпрочного материала нового поколения.

ВПК, авиация и космонавтика

Из алюминия сделан первый самолет (1919 год). Сегодня это сырье номер один в авиа- и ракетостроении. Он есть в корпусах самолетов, ракет, спутников.

Алюминий и его соединения – основа либо компонент топлива для ракет.

Дешевый легкий металл приспособили для производства автоматов, гранатометов, пистолетов, взрывчатки.

Другие отрасли

Металл популярен в «мирных» сегментах.

Пищевая промышленность

В пищепроме это упаковка продуктов питания, фольга для кулинарных целей (например, запекания в духовке).

Алюминий – это пищевая добавка Е173.

Столовые приборы для общепита, армии (котелки, фляги), пенитенциарных заведений тоже алюминиевые.

Медицина

Алюмогель – основа препаратов при проблемах желудочно-кишечного тракта. Самые известные – Маалокс, Альмагель.

Ювелирное дело

Ювелиры любили алюминий: его легко обрабатывать, а пленка на поверхности придает сходства с благородной патиной.

Но эти времена прошли. Сегодня металл в почете только у японцев. Мастера выполняют традиционные украшения для причесок, одежды. Они проходят как бижутерия, заменяя элитарное серебро.

Мода прихотлива: сегодня появились украшения класса люкс из бетона как оправы. Так что всплеск популярности ювелирного алюминия не исключен.

Предостережение

Алюминий не заложен изначально в биологические организмы. Но человек получает его микродозы ежедневно – с пищей.

Им богаты горох, пшеница, рис, овсяный «геркулес». Доказана польза алюминия как стимулятора регенерации, развития тканей, работы ЖКТ, ферментов.

Однако его переизбыток (откладывается в костях, мозге, печени, почках) чреват тяжелыми расстройствами нервной системы.

По стандартам РФ, в литре питьевой воды не должно быть более 0,2 мг алюминия.

Алюминиевой посудой пользоваться можно, но ограниченно. Безопасны готовка, подогрев, хранение продуктов с нейтральными характеристиками. Приготовление кислых блюд (щи, томат, компот) опасно. Алюминий поступит в еду, создавая избыточную дозу при попадании в организм, плюс «железный» привкус.

На 2021 год стоимость тонны сырья на мировых рынках превышает $2000. За последние три года она колебалась, достигая максимума ($2300, май 2018) и минимума (в коронакризисс – $1500, апрель 2020 года).

Самые прочные металлы в мире: топ-10

Можете ли вы представить, что произошло, если бы наши предки не обнаружили важные металлы, такие как серебро, золото, медь и железо? Наверное, мы бы до сих пор жили в хижинах, используя камень в качестве основного инструмента. Именно крепость металла сыграла важную роль в формировании нашего прошлого и теперь работают как основа, на которой мы строим будущее.

Некоторые из них очень мягкие и буквально тают в руках, как самый активный металл в мире. Другие — настолько твердые, что их невозможно согнуть, поцарапать или сломать без применения спецсредств.

А если вам интересно, какие металлы самые твердые и прочные в мире, мы ответим на этот вопрос, учитывая различные оценки относительной твердости материалов (шкала Мооса, метод Бринелля), а также такие параметры как:

• Модуль Юнга: учитывает эластичность элемента при растяжении, то есть способность объекта к сопротивлению при упругой деформации.
• Предел текучести: определяет максимальный предел прочности материала, после которого он начинает проявлять пластичное поведение.
• Предел прочности при растяжении: предельное механическое напряжение, после которого материал начинает разрушаться.

10. Тантал

У этого металла сразу три достоинства: он прочный, плотный и очень устойчив к коррозии. Кроме того, этот элемент относится к группе тугоплавких металлов, таких как вольфрам. Чтобы расплавить тантал вам придется развести огонь температурой 3 017 °C.

Тантал в основном используется в секторе электроники для производства долговечных, сверхмощных конденсаторов для телефонов, домашних компьютеров, камер и даже для электронных устройств в автомобилях.

9. Бериллий

А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.

Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.

Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.

8. Уран

Это естественное радиоактивное вещество очень широко распространено в земной коре, но сконцентрировано в определенных твердых скальных образованиях.

Один из самых твердых металлов в мире имеет два коммерчески значимых применения — ядерное оружие и ядерные реакторы. Таким образом, конечной продукцией урановой промышленности являются бомбы и радиоактивные отходы.

7. Железо и сталь

Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.

Сталь — это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).

6. Титан

Титан — это практически синоним прочности. Он обладает впечатляющей удельной прочностью (30-35 км), что почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей.

Будучи тугоплавким металлом, титан обладает высокой устойчивостью к нагреву и истиранию, поэтому является одним из самых популярным сплавов. Например, он может быть легирован железом и углеродом.

Если вам нужна очень твердая и при этом очень легкая конструкция, то лучше чем титан металла не найти. Это делает его выбором номер один для создания различных деталей в авиа- и ракетостроении и судостроении.

5. Рений

Это очень редкий и дорогой металл, который хотя и встречается в природе в чистом виде, обычно идет «довеском»-примесью к молибдениту.

Если бы костюм Железного человека был сделан из рения, он мог бы выдержать температуру в 2000 ° C без потери прочности. О том, что стало бы с самим Железным человеком внутри костюма после такого «фаер-шоу» мы умолчим.

Россия — третья страна в мире по природным запасам рения. Этот металл используется в нефтехимической промышленности, электронике и электротехнике, а также для создания двигателей самолетов и ракет.

4. Хром

По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость химических элементов к царапинам, хром находится в пятерке лучших, уступая лишь бору, алмазу и вольфраму.

Хром ценится за высокую коррозионную стойкость и твердость. С ним легче обращаться, чем с металлами платиновой группы, к тому же он более распространен, поэтому хром является популярным элементом, используемым в сплавах, таких, как нержавеющая сталь.

А еще один из прочнейших металлов на Земле используется при создании диетических добавок. Конечно, вы будете принимать внутрь не чистый хром, а его пищевое соединение с другими веществами (например, пиколинат хрома).

3. Иридий

Как и его «собрат» осмий, иридий относится к металлам платиновой группы, и по внешнему виду напоминает платину. Он очень твердый и тугоплавкий. Чтобы расплавить иридий, вам придется развести костер температурой выше 2000 °C.

Иридий считается одним из самых тяжелых металлов на Земле, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.

2. Осмий

Этот «крепкий орешек» в мире металлов относится к платиновой группе и обладает высокой плотностью. Фактически это самый плотный природный элемент на Земле (22,61 г/см3). По этой же причине осмий не плавится до 3033 ° C.

Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), он может использоваться во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность. Например, для создания емкостей для хранения ядерных отходов.

1. Вольфрам

Самый прочный металл, который только есть в природе. Этот редкий химический элемент также самый тугоплавкий из металлов (3422 ° C).

Впервые он был обнаружен в форме кислоты (триоксида вольфрама) в 1781 году шведским химиком Карлом Шееле. Дальнейшие исследования привели двух испанских ученых — Хуана Хосе и Фаусто д’Эльхуяра — к открытию кислоты из минерала вольфрамита, из которого они впоследствии изолировали вольфрам с помощью древесного угля.

Помимо широкого применения в лампах накаливания, способность вольфрама работать в условиях сильной жары делает его одним из наиболее привлекательных элементов для оружейной промышленности. Во время Второй мировой войны этот металл сыграл важную роль в инициировании экономических и политических отношений между европейскими странами.

Вольфрам также используется для изготовления твердых сплавов, а в аэрокосмической промышленности — для изготовления ракетных сопел.

Таблица предела прочности металлов

Сплавы против металлов

Сплавы представляют собой комбинации металлов, и основной причиной их создания является получение более прочного материала. Наиболее важным сплавом является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода.

Чем выше прочность сплава — тем лучше. И обычная сталь тут не является «чемпионом». Особенно перспективными представляются металлургам сплавы на основе ванадиевой стали: несколько компаний выпускают варианты с пределом прочности до 5205 МПа.

А самым прочным и твердым из биосовместимых материалов на данный момент является сплав титана с золотом β-Ti3Au.

Самые легкие металлы в мире

Думая о металлах, мы обычно представляем себе что-нибудь очень тяжелое. Но в реальности так бывает далеко не всегда. Некоторые металлы весят намного меньше пенопласта, не тонут в воде, но все равно имеют высокую прочность.

Литий – самый легкий в природе металл

Литий

Как и все другие легкие металлы, литий относится к группе щелочных металлов и обладает повышенной химической активностью. Этот материал в два раза легче воды, и плавает он даже в керосине. В естественных условиях литий обнаруживается в горных породах. А в 19 веке его научились синтезировать с помощью лабораторных методов.
Литий отличается пластичностью и мягкостью, внешне очень похож на лед. Температура его плавления – 181 градус.

Чистый литий вступает в реакции с внешней средой, поэтому для практических целей его сплавляют с другими легкими металлами. А применяют такие сплавы во многих промышленных сферах – электроника, авиастроительство, фармацевтика, производство оптики, оружия, пиротехники.

Алюминий – идеальное сочетание прочности и легкости

Плита алюминиевая

Этот востребованный металл открыл датский ученый Эрстед в 1925 г. Первой вещью, которую изготовили из алюминия, стала детская погремушка. Алюминий очень удобен в обработке, поэтому впоследствии из него стали производить посуду, столовые приборы, фурнитуру, садовые инструменты, строительные конструкции и многие другие предметы, без которых невозможно вообразить наш современный быт.

Микролаттис – легчайший искусственный металл

микролаттис металл

Из природных металлов самым легким является литий. Но всего несколько лет назад группа калифорнийских ученых представила уникальную разработку – сверхлегкий материал с прочностными характеристиками металла. Более чем на 99% микролаттис состоит из воздуха и весит в 100 раз меньше, чем пенопласт. Трудно себе представить, но если поместить кусок такого материала на белую шапку одуванчика, нежный цветок даже не помнется. Толщина стенки микролаттиса не превышает 100 нанометров (в тысячу раз тоньше одной волосинки).

По своей структуре материал очень похож на кость человека. Он состоит из перекрещивающихся никелевых трубок и без проблем выдерживает высокие нагрузки. Поэтому микролаттисом сразу же заинтересовалась всемирно известная компания Боинг. Сверхпрочный искусственный металл планируется использовать в авиапромышленности будущего.

Источник https://jgems.ru/metally/alyuminij

Источник https://basetop.ru/samye-prochnye-metally-v-mire-top-10/

Источник https://samoe.top/samye-legkie-metally-v-mire/