Самые легкие металлы в мире

Хотя человек на примере отдельных столовых приборов неоднократно убеждался, что металлические предметы способны оказаться вовсе и не тяжелыми, все-таки металл представляется последнему в первую очередь как нечто, с трудом поддающееся разрушению под воздействием внешних сил, а оттого и по весу впечатляющее.

Однако в этой статье речь пойдет о самых легких металлах в мире: какими свойствами обладают, для чего используются и чем представляют интерес — об этом расскажет редакция 24СМИ.

Титан (Ti)

Открытый в конце XVIII столетия и сразу добавленный в периодическую таблицу Менделеева под 22-м номером химический элемент серебристого цвета с атомной массой в 47,867 а. е. м. (атомная единица массы) и плотностью в 4,5 г/см^3 отличается впечатляющей прочностью.

Также среди свойств металла, получившего статус самого твердого из используемых, выделяют отличную антикоррозионную устойчивость. Это справедливо и для сплавов, получаемых на основе титана, причем собственные прочностные характеристики последние сохраняют даже при температурах в 300 °C, что делает их незаменимыми в текущий период времени в авиации и ракетостроении.

Титан, фото http://mining-prom.ru/

Получивший название в честь титанов из древнегреческой мифологии металл входит в десятку самых распространенных в природе элементов, месторождения которого открыты на всех континентах, исключая Антарктиду. Причем Россия занимает по концентрации руд с содержанием рассматриваемого элемента второе место в мире после КНР.

Помимо уже упомянутых отраслей, титановые сплавы востребованы в кораблестроении, химической, автомобильной и оборонной промышленности, а также на пищевом производстве и в сельском хозяйстве. Благодаря собственной инертности титан без проблем способен контактировать с тканями живых организмов, не вызывая опасных для здоровья химических реакций, а потому активно используется в медицине, начиная с протезирования и изготовления имплантатов и заканчивая созданием хирургических инструментов.

Алюминий (Al)

Алюминий относится к наиболее распространенным цветным металлам. Открытый в 1825 году и до освоения технологии промышленного изготовления стоивший дороже золота, элемент с атомным номером 13 и массой в 26,982 а. е. м. имеет плотность 2,7 г/см^3 и отличается наличием парамагнитных свойств, правда, слабых.

Хорошо проводит тепло и электричество, не поддается коррозионному воздействию, зато подвержен механическому, в том числе легко подвергается сгибанию. Сплавы на основе этого легкого металла характеризуются пластичностью, удовлетворительной прочностью и не поддаются коррозии, а также хорошо свариваются.

Алюминий, фото: https://ru.wikipedia.org/

По распространенности в мире алюминий стоит на первом месте среди металлов и на третьем среди химэлементов периодической таблицы, уступая только кислороду и кремнию. Добыча его ведется более чем в 15 странах, лидеры среди которых — Китай, Россия и Канада. Мировые запасы этого элемента в разы превышают текущую потребность в его применении.

Сфера использования алюминия и сплавов на основе этого материала обширна. Это и черная металлургия, и пиротехника, использовался даже для изготовления ювелирных украшений в тот период, когда представлял исключительную ценность из-за неотработанного техпроцесса. В Японии он применяется в таком качестве до сих пор, заменяя иногда серебро в украшениях.

О посуде и столовых приборах из этого гибкого металла знают все, а вот в качестве конструкционных материалов используют преимущественно алюминиевые сплавы, обладающие требуемыми характеристиками в плане прочности. Также алюминий добавляют в «автоматные стали» для облегчения обработки — благодаря ему достигается четкое открепление от прута детали после завершения обработки.

Бериллий (Be)

В отличие от предыдущих, этот металл, расположенный в таблице химэлементов под номером 4, отличает сероватый цвет, а также повышенная токсичность. Характеризуется хрупкостью при сравнительной твердости, превосходящей показатели алюминия и магния. Плотность — 1,8 г/см^3. Атомная масса — 9 углеродных единиц.

Открытый в конце XVIII века, в чистом виде впервые был получен только спустя 30 лет, в 1828 году. Название свое унаследовал от минерала берилла, который, в свою очередь, наименованием обязан индийскому городу Белуру, прославившемуся месторождением изумрудов — драгоценных камней, представляющих собой разновидность упомянутой породы.

Бериллий, фото: https://ru.m.wikipedia.org/

Бериллий часто встречается в составе темноцветных минералов, а также в магматических породах. Месторождения, содержащие этот металл, расположены на территории Южной Америки и Африки. На евразийском континенте также ведется добыча, преимущественно в Индии, Казахстане и России, в границах которой находятся два месторождения — в Свердловской области и в Бурятии.

Металл применяют в легировании сплавов в качестве добавки, делающей получаемые материалы более твердыми, прочными и устойчивыми к коррозии. Слабое поглощение бериллием рентгеновского излучения позволяет применять его при создании детекторов гамма-лучей. Применяется и в ядерной энергетике в качестве замедлителя нейтронов. Бериллиевые сплавы используют в аэрокосмической технике и для изготовления лазерных излучателей.

Также металл хорошо проводит звуковые волны, благодаря чему применяется в конструкции акустических устройств, однако из-за высокой сложности обработки для исключения негативных качеств, включая токсичность, изготовленные на его основе компоненты отличаются повышенной стоимостью. Представляет опасность для человека — накапливаясь в организме, приводит к тяжелому поражению органов дыхания, а также характеризуется выраженным канцерогенным воздействием.

Магний (Mg)

Расположенный в таблице Менделеева под 12-м номером ковкий металл с атомной массой 24,307 а. е. м. и плотностью 1,7 г/см^3 впервые был получен в чистом виде в 1808 году. Пластичен и легко поддается прессованию и резанию.

Характеризуется высокой температурой плавления (650 °C) и коррозионной стойкостью. При создании на основе магния сплавов механические характеристики металла существенно повышаются, что сильно расширяет область применения такого рода материалов.

Магний, фото: https://infonew.do.am/

Элемент входит в список наиболее распространенных на Земле и встречается как в коре, так и в морской воде, как правило, в составе солей и минералов. Природные месторождения самородного магния чрезвычайно редки — пара таких расположены на территории России, в Восточной Сибири, и Таджикистана. Лидером по производству магния на 2020-й считаются США.

Главным образом применяется для получения всевозможных сплавов, как легких, так и сверхлегких, сфера использования которых — это самолето- и автомобилестроение. Также благодаря горючим свойствам применяется в пиротехнике и при создании зажигательных и осветительных ракет в оборонной промышленности.

Без магниевого порошка с добавками окислителей прежде невозможной была бы фотография — хотя в сравнении с прошлым магниевые вспышки используются намного реже, спрос на них по-прежнему сохраняется. Также магний относится к веществам, важным для нормальной жизнедеятельности организма и протекания обменных процессов, так что препараты на его основе применяются в медицине — в кардиологии, неврологии и при борьбе с гастроэнтерологическими расстройствами.

Литий (Li)

Вот и дошло дело до элемента, который является самым легким в мире металлом. Плотность лития, расположенного в периодической таблице на месте под цифрой 3, равна всего 0,5 г/см^3, что меньше этого показателя у воды, так что чистый литий не тонет. Атомная масса элемента колеблется от 6,398 до 6,997 а. е. м. в зависимости от изотопа. Открыт в 1817-м, а в металлическом виде получен спустя всего год.

Характеризуется повышенной химической активностью и потому в природе легко образует сложносоставные соединения. Пластичен, хорошо обрабатывается прокаткой и прессом. Цвет — серебристый. При комнатной температуре с кислородом реагирует слабо. Воспламенение происходит при 300 °C.

Литий, фото: https://ru.m.wikipedia.org/

В природе встречается в породообразующих минералах и в отложениях озер с сильным содержанием солей. Среди разрабатываемых месторождений наиболее известны чилийские, австралийские и аргентинские, хотя встречаются таковые и на территории других стран, в том числе Китая. В России главное скопление пород с содержанием лития — в Мурманской области. В стране с 2017 года работает в формате эксперимента установка по добыче металла из руд с низким содержанием элемента, благодаря которой процедура возможна при незначительных финансовых и трудовых затратах.

Соли лития используются при создании лазерного оборудования и оптики, в качестве окислителей и восстановителей в химпроме, а также в медицине и различных отраслях промышленности, включая текстильную (как отбеливатели), пищевую (как консерванты) и косметическую. Литиевые сплавы применяются для изготовления высокоэффективных проводников, в том числе анодов, необходимых для электролиза.

Элемент применяется также при создании аккумуляторов, в том числе и щелочных, а не только твердотельных. В малых количествах литий потребен человеческому организму, поскольку участвует в обмене веществ, а также влияет на психоэмоциональную возбудимость и иммунную защиту.

Алюминий — свойства, харакретистики, обзорная статья

Алюминий (Aluminium) имеет несчастливый 13 номер в периодической таблице Менделеева. Однако на счастливую судьбу металла это не повлияло.

Этот легкий серебристый металл послушно поддается механической обработке и литью, имеет большую тягучесть.

Редкая способность — быстро образовывать окисные пленки на поверхности чистого металла. Но эти пленки не слишком хорошо защищают от коррозии. Надежнее химическое и электрохимическое оксидирование. Формула оксидной пленки А12Оз.

Химические и физические характеристики алюминия:

• плотность 2,7 г/см3;
• температура плавления 660°С;
• кипит цветной металл при температуре 2518°С;
• строение кристаллической решетки гранецентрированное, кубическое;
• степени окисления 0; +3.

С помощью металлического алюминия (его взаимодействия с оксидами металлов) получают трудновосстанавливаемые металлы. Этот метод называется алюминотермия.

Алюминий имеет один стабильный изотоп, 27Al.

Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %, размер видимого сектора около 55×37 мм

Неправда, но хорошо придумано

В печатных изданиях, а сейчас и в интернете гуляет история о крестьянине, который вел «крамольные беседы о полете на Луну». Крестьянина (или мещанина), по одним сведениям Петрова, по другим Никифорова, сослали в киргизский поселок Байконур» Якобы известие о факте напечатано был в Московских губернских новостях», в 1848 году. Сейчас, когда с космодрома Байконура ушли в космос не один десяток спутников и станций, этот факт выглядит пророческим и мистическим.

Вот только это неправда. Дотошные читатели перерыли подшивки этой газеты, и заметки такой не обнаружили. Это просто красивая легенда.

Алюминиевые сплавы, плюсы и минусы

Кодовый символ, указывающий, что алюминий может быть вторично переработан

Чистый алюминий в строительных конструкциях применять нецелесообразно. Прочностные характеристики у него «так себе». А вот алюминиевые сплавы — другое дело. Сейчас известны и используются около 60 сплавов. Можно выбрать для любых нужд, на любой вкус.

Классификация сплавов проводится по составу, свойствам, по способности к термической обработке.

Добавки меди, магния и марганца, цинка существенно улучшают характеристики сплава в сравнении с чистым металлом. Этими металлами чаще всего легируют алюминий. Титан, литий, ванадий, церий, скандий, некоторые редкоземельные элементы для легирования применяются реже, но свойства этих сплавов также востребованы в промышленности.

Дюраль

Дюралюмины — сплавы алюминия с медью (4%), магнием (0,5%) и небольшого количества железа, марганца, кремния. Недостаток дюралей — подверженность коррозии; с ней справляются, применяя анодирование, плакировку, авиационную грунтовку, окрашивание.

Востребованные свойства сплава: хорошая статическая и усталостная прочность, высокая вязкость разрушения.

Широко применяется в деталях и конструкциях, где большую роль играет масса изделия. Главные потребители сплава — авиация, судостроение, космонавтика.

Для любознательных: дюралюминий придумали в 1909 году. «Папа» сплава — А. Вильм.

Сплав 7075

Разрабатывался компанией Sumitomo Metal Corporation (Япония) в строжайшей тайне.

Представляет соединение алюминия с цинком (до 6%), магния (2-2,5%), меди (до 1,5%). В тот же сплав добавлены титан, кремний, марганец, хром, железо. Добавки эти составляют не более 0,5%, но свой вклад в свойства сплава вносят.

Сплав сравним по прочности со сталью, но легче ее в три раза.

• 7075-0;
• 7075-06;
• 7075-Т651;
• 7075-Т7;
• 7075-АСР.

Сплавы устойчивы к коррозии, хорошо полируются.

Применяются в производстве винтовок для армии и граждан. Промышленности автомобильная, авиационная, морская активно используют сплав. Его минус — достаточно высокая цена.

Сплавов разных много

В России довольно много сплавов с разными свойствами:

• D1, D16, 1161, 1163 — алюминий, магний, медь;
• АМГ1 — АМГ6, сплав алюминия и магния;
• AD31, AD33, AD35, AB — алюминий, кремний, магний. Список легко продолжить.

Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

Наименование материала	Модуль Юнга, кГ/мм2	Модуль сдвига, кГ/мм2	Коэффициент Пуассона
Алюминиевая бронза, литье	10500	4200	–
Алюминиевая проволока тянутая	7000	–	–
Алюминий катаный	6900	2600-2700	0,32-0,36

Нахождение в природе

Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре — около 8%.

В природе алюминий встречается в виде соединений:

Бокситы Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3) — гидрат оксида алюминия.

Корунд Al2O3. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.

Электронное строение алюминия и свойства

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии:

+13Al 1s22s22p63s23p1 1s
2s
2p
3s
3p

Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии:

+13Al* 1s22s22p63s13p2 1s
2s
2p
3s
3p

Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.

Качественные реакции

Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами. При этом образуется белый аморфный осадокгидроксида алюминия.

Например, хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:

AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl

При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]

Обратите внимание, если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:

AlCl3 + 4NaOH = Na[Al(OH)4] + 3NaCl

Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также выпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.

AlCl3 + 3NH3·H2O= Al(OH)3 ↓ + 3NH4Cl

Al3+ + 3NH3·H2O = Al(OH)3 ↓ + 3NH4+

Видеоопытвзаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.

Отражение света алюминием

Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

Наименование волн	Длина волны	Отражение света, %
Ультрафиолетовые	1880	25
	2000	31
	2510	53
	3050	64
	3570	70
Видимые	5000	–
	6000	–
	7000	–
Инфакрасные	8000	–
	10000	74
	50000	94
	100000	97

Соли алюминия

Нитрат и сульфат алюминия

Нитрат алюминия при нагревании разлагается на оксид алюминия, оксид азота (IV) и кислород:

4Al(NO3)3 → 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2

Сульфат алюминия при сильном нагревании разлагается аналогично — на оксид алюминия, сернистый газ и кислород:

2Al2(SO4)3 → 2Al2O3 + 6SO2 + 3O2

Комплексные соли алюминия

Для описания свойств комплексных солей алюминия — гидроксоалюминатов, удобно использоваться следующий прием: мысленно разбейте тетрагидроксоалюминат на две отдельные молекулы — гидроксид алюминия и гидроксид щелочного металла.

Например, тетрагидроксоалюминат натрия разбиваем на гидроксид алюминия и гидроксид натрия:

Na[Al(OH)4] разбиваем на NaOH и Al(OH)3

Свойства всего комплекса можно определять, как свойства этих отдельных соединений.

Таким образом, гидроксокомплексы алюминия реагируют скислотными оксидами.

Например, гидроксокомплекс разрушается под действием избытка углекислого газа. При этом с СО2 реагирует NaOH с образованием кислой соли (при избытке СО2), а амфотерный гидроксид алюминия не реагирует с углекислым газом, следовательно, просто выпадает в осадок:

Na[Al(OH)4] + CO2 → Al(OH)3↓ + NaHCO3

Аналогично тетрагидроксоалюминат калия реагирует с углекислым газом:

K[Al(OH)4] + CO2 → Al(OH)3 + KHCO3

По такому же принципу тетрагидроксоалюминаты реагирует с сернистым газом SO2:

Na[Al(OH)4] + SO2 → Al(OH)3↓ + NaHSO3

K[Al(OH)4] + SO2 → Al(OH)3 + KHSO3

А вот под действиемизбытка сильной кислотыосадок не выпадает, т.к. амфотерный гидроксид алюминия реагирует с сильными кислотами.

Например, с соляной кислотой:

Na[Al(OH)4] + 4HCl(избыток) → NaCl + AlCl3 + 4H2O

Правда, под действием небольшого количества (недостатка) сильной кислотыосадок все-таки выпадет, для растворения гидроксида алюминия кислоты не будет хватать:

Na[Al(OH)4] + НCl(недостаток) → Al(OH)3↓ + NaCl + H2O

Аналогично с недостатком азотной кислоты выпадает гидроксид алюминия:

Na[Al(OH)4] + HNO3(недостаток) → Al(OH)3↓ + NaNO3 + H2O

Комплекс разрушается при взаимодействии схлорной водой(водным раствором хлора) Cl2:

2Na[Al(OH)4] + Cl2 → 2Al(OH)3↓ + NaCl + NaClO + H2O

При этом хлор диспропорционирует.

Также комплекс может прореагировать с избытком хлорида алюминия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия:

AlCl3 + 3Na[Al(OH)4] → 4Al(OH)3↓ + 3NaCl

Если выпарить воду из раствора комплексной соли и нагреть образующееся вещество, то останется обычная соль-алюминат:

Na[Al(OH)4] → NaAlO2 + 2H2O↑

K[Al(OH)4] → KAlO2 + 2H2O

Гидролиз солей алюминия

Растворимые соли алюминия и сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

I ступень: Al3+ + H2O = AlOH2+ + H+

II ступень: AlOH2+ + H2O = Al(OH)2+ + H+

III ступень: Al(OH)2+ + H2O = Al(OH)3 + H+

Однако сульфиды, сульфиты, карбонаты алюминия и их кислыесоли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Al2(SO4)3 + 6NaHSO3 → 2Al(OH)3 + 6SO2 + 3Na2SO4

2AlBr3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + CO2↑ + 6NaBr

2Al(NO3)3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + 6NaNO3 + 3CO2↑

2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + 6NaCl + 3CO2↑

Al2(SO4)3 + 3K2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + 3CO2↑ + 3K2SO4

2AlCl3 + 3Na2S + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2S↑ + 6NaCl

Алюминаты

Соли, в которых алюминий является кислотным остатком (алюминаты) — образуются из оксида алюминия при сплавлении с щелочами и основными оксидами:

Al2O3 + Na2O → 2NaAlO2

Для понимания свойств алюминатов их также очень удобно разбить на два отдельных вещества.

Например, алюминат натрия мы разделим мысленно на два вещества: оксид алюминия и оксид натрия.

NaAlO2 разбиваем на Na2O и Al2O3

Тогда нам станет очевидно, что алюминаты реагируют скислотами с образованием солей алюминия:

KAlO2 + 4HCl → KCl + AlCl3 + 2H2O

NaAlO2 + 4HCl → AlCl3 + NaCl + 2H2O

NaAlO2 + 4HNO3 → Al(NO3)3 + NaNO3 + 2H2O

2NaAlO2 + 4H2SO4 → Al2(SO4)3 + Na2SO4 + 4H2O

Под действием избытка воды алюминаты переходят в комплексные соли:

KAlO2 + H2O = K[Al(OH)4]

NaAlO2 + 2H2O = Na[Al(OH)4]

Бинарные соединения

Сульфид алюминия под действием азотной кислоты окисляется до сульфата:

Al2 S3 + 8HNO3 → Al2(SO4)3 + 8NO2 + 4H2O

либо до серной кислоты (под действием горячей концентрированной кислоты):

Al2 S3 + 30HNO3(конц. гор.) → 2Al(NO3)3 + 24NO2 + 3H2SO4 + 12H2O

Сульфид алюминия разлагается водой:

Al2S3 + 6H2O → 2Al(OH)3↓ + 3H2S↑

Карбид алюминия также разлагается водой при нагревании на гидроксид алюминия и метан:

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4

Нитрид алюминия разлагается под действием минеральных кислот на соли алюминия и аммония:

AlN + 4HCl → AlCl3 + NH4Cl

Также нитрид алюминия разлагается под действием воды:

AlN + 3H2O → Al(OH)3↓ + NH3

Структура

Кубическая гранецентрированная структура. 4 оранжевых атома

Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10-10 м, а атомный объем 9,999×10-6 м3/г-атом.
Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки. Алюминий обладает большой химической активностью, энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10-5 см), но прочной пленкой оксида алюминия А1203, которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

Свойства

Самородный алюминий. Поле зрения 5 x 4 мм. Азербайджан, Гобустанский район, Каспийское море, Хере-Зиря или остров Булла

Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью, парамагнетик. Температура плавления 660°C. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона.

Запасы и добыча

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14%.
Современный метод получения, процесс Холла—Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

Происхождение

Аллюминий, агрегированный с коркой байерита на поверхности. Узбекистан, Навойская область, Учкудук

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико. Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл: полевые шпаты; бокситы; граниты; кремнезем; алюмосиликаты; базальты и прочие. В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.

Применение

Украшение из алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость. Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем.
Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на ювелирные изделия из алюминия сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Алюминий (англ. Aluminium) — Al

Молекулярный вес	26.98 г/моль
Происхождение названия	от латинского alumen
IMA статус	утверждён в 1978

Классификация

Hey’s CIM Ref1.21

Strunz (8-ое издание)	1/A.03-05
Nickel-Strunz (10-ое издание)	1.AA.05
Dana (7-ое издание)	1.1.22.1
Dana (8-ое издание)	1.1.1.5

Оптические свойства

Тип	изотропный
Люминесценция в ультрафиолетовом излучении	не флюоресцентный
Магнетизм	парамагнетик

Кристаллографические свойства

Точечная группа	(4/m 3 2/m) — изометричная гексаоктаэдральная
Пространственная группа	F m3m, P m3m
Сингония	кубическая
Параметры ячейки	a = 4.04Å

Оксид алюминия Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни – рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей – наждак, применяются как абразивные материалы.

Физические свойства

Металл алюминий характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, стойкостью к коррозии и морозу, пластичностью. Он хорошо поддаётся штамповке, ковке, волочению, прокатке. Алюминий хорошо сваривается различными видами сварки. Важным свойством является малая плотность около 2,7 г/см³. Температура плавления составляет около 660°С.
Механические, физико-химические и технологические свойства алюминия зависят от наличия и количества примесей, которые ухудшают свойства чистого металла. Основные естественные примеси – это кремний, железо, цинк, титан и медь.

По степени очистки различают алюминий высокой и технической чистоты. Практическое различие заключается в отличии коррозионной устойчивости к некоторым средам. Чем чище металл, тем он дороже. Технический алюминий используется для изготовления сплавов, проката и кабельно-проводниковой продукции. Металл высокой чистоты применяют в специальных целях.
По показателю электропроводности алюминий уступает только золоту, серебру и меди. А сочетание малой плотности и высокой электропроводности позволяет конкурировать в сфере кабельно-проводниковой продукции с медью. Длительный отжиг улучшает электропроводность, а нагартовка ухудшает.

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением чистоты металла. Примеси марганца, магния и меди снижают это свойство. По показателю теплопроводности алюминий проигрывает только меди и серебру. Благодаря этому свойству металл применяется в теплообменниках и радиаторах охлаждения.
Алюминий обладает высокой удельной теплоёмкостью и теплотой плавления. Эти показатели значительно больше, чем у большинства металлов. Чем выше степень чистоты алюминия, тем больше он способен отражать свет от поверхности. Металл хорошо полируется и анодируется.

Алюминий имеет большое сродство к кислороду и покрывается на воздухе тонкой прочной плёнкой оксида алюминия. Эта плёнка защищает металл от последующего окисления и обеспечивает его хорошие антикоррозионные свойства. Алюминий обладает стойкостью к атмосферной коррозии, морской и пресной воде, практически не вступает во взаимодействия с органическими кислотами, концентрированной или разбавленной азотной кислотой.

Химические свойства

Алюминий – это достаточно активный амфотерный металл. При обычных условиях прочная оксидная плёнка определяет его стойкость. Если разрушить оксидную плёнку, алюминий выступает как активный металл-восстановитель. В мелкораздробленном состоянии и при высокой температуре металл взаимодействует с кислородом. При нагревании происходят реакции с серой, фосфором, азотом, углеродом, йодом. При обычных условиях металл взаимодействует с хлором и бромом. С водородом реакции не происходит. С металлами алюминий образует сплавы, содержащие интерметаллические соединения – алюминиды.

При условии очищения от оксидной пленки, происходит энергичное взаимодействие с водой. Легко протекают реакции с разбавленными кислотами. Реакции с концентрированной азотной и серной кислотой происходят при нагревании. Алюминий легко реагирует со щелочами. Практическое применение в металлургии нашло свойство восстанавливать металлы из оксидов и солей – реакции алюминотермии.

Минералы, месторождения…а самородный алюминий?

Запасы алюминия в природе огромны. Среди металлов он держит первое место по распространенности. Но «общительность», активность элемента привела к тому, что в чистом виде металл практически отсутствует.

Производство алюминия в миллионах тонн

Минералов, содержащих алюминий, много:

• бокситы;
• глиноземы;
• полевые шпаты;
• нефелины;
• корунды.

Так что добыча алюминиевого сырья не составляет большого труда.

Если все запасы на Земле истощатся (что сомнительно), то алюминий можно добывать из морской воды. Там его содержание составляет 0,01 мг/л.

Кто захочет увидеть самородный алюминий, тому придется опускаться в жерла вулканов.

Происхождением такой металл из самых глубин нашей планеты.

Как производят крылатый металл

Производство металла можно разделить на две стадии.

• Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
• Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.

Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.

Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.

Бывает технический и сверхчистый

Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.

Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.

Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.

Интересно: до открытия промышленного способа получения алюминия он был редкостью и стоил дороже золота. Нашего великого химика, Д.И. Менделеева, британцы почтили подарком. Это были аналитические весы (вещь, незаменимая для химика), у которых чашечки изготовили из золота и алюминия.

Металл для крыльев

Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.

Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.

Алюминий

Это нынешняя методика добычи алюминия, созданная Ч.Холлом и ученым П.Эру. Суть в следующем: есть раствор оксида алюминия, что находится в жидком гексафтороалюминате Na₃ [AlF6], далее идет электролиз и применяются для этого косовые или графитовые электроды. Представленная технология требует огромного объема трат в энергетическом плане, а в промышленности он стал применяться исключительно в прошлом столетии.

Физические характеристики алюминия

Стоит отметить следующие качества продукции:

• Металл отличается серебристым оттенком, он не тяжелый, порядковый номер в таблице Менделеева 13, располагается в третьем малом периоде, третьей группе, главной подгруппе.
• Плотность металла составляет 2712 кг/м³.
• Температурные показатели кипения равняются 2518,8 градусам Цельсия.
• Твердость по Бринеллю составляет от 24 до 32 кгс/мм². При этом же модуль Юнга равняется семидесяти гигапаскалям.
• Граничная удельная теплоемкость равняется 897 Дж/кг·K,
• Удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг
• Температурные показатели плавления технического и чистого алюминия – 658 и 660 градусов Цельсия соответственно.
• У технического и чистого продукта показатели пластичности – 35% и 50% соответственно, изделие возможно прокатать даже в тончайшую фольгу.
• Временное сопротивление литого, деформируемого алюминия и его сплавов отличается – 12, 25 и 42 кг/мм² соответственно.
• Это слабый парамагнетик, у него температурный показатель расширения составляет до двухсот градусов Цельсия.
• У изделия отличные показатели электро- и теплопроводимости: электропроводность алюминия всего в 1,7 раза ниже, чем у меди равна 37·10 6 См/м.
• Отличается светоотражательными качествами.
• Алюминий образует сплавы фактически со всевозможными металлами.
• Удельное сопротивление равняется 0,0295 Ом·мм²/м.
• Если температурные показатели достигают 1,2 Кельвина продукция трансформируется в сверхпроводимое положение.
• Коэффициент электрического сопротивления 4,3 коэффициента электрического сопротивления 4,3·10 −3 K −1 10 −3 K −1

Взаимодействие алюминия с веществами

В стандартной среде алюминий окутан тонкой, но крепкой пленкой из оксида, поэтому металл и не входит в реакции на обычные окислители: воду, серную кислоту, кислород, однако при этом материал все же вступает в воздействие с соляной кислотой. Благодаря такому уникальному качеству металл фактически не подвержен влиянию окисления, а потому его широко применяет в промышленной сфере. Впрочем, если разрушить эту пленку, то метал становится активным регенеративным металлом. Как может разрушиться пленка? В результате воздействия солей аммония, горячих щелочей и так далее. Если нужно отсутствие данной пленки из оксида, то ее формирования возможно не допустить, если к алюминию добавлять галлий, олово или иные вещества. При этом поверхность алюминия смачивают легкоплавкие эвтектики на основе этих металлов.

История получения алюминия

Нет никаких исторических фактов о том, что люди получали алюминий до девятнадцатого столетий. Только ученый Г.Х.Эрстед сумел создать пару миллиграммов представленного металла в 1825 году, а вот два года по прошествии с этого события Ф.Вёлер уже вычленил алюминиевые крупицы, которые на воздухе сразу же покрылись пленочкой из оксида. И вот до окончания девятнадцатого столетия алюминий больше не вычленялся, о заводских объемах нечего и думать.

Только с подачи и спонсорства Наполеона III А. С.-К. Девиль сумел отыскать первейший механизм добычи представленного металла в крупных размерах. Суть методики такова: алюминий вытравливали из двойного хлорида натрия и алюминия. Потребовался лишь один год, а поле получилось добиться новой высоты – первый металлический слиток, масса которого была шесть-восемь килограмм. Это грандиозный успех на то время! В тот же год ученый вывел продукт уже благодаря электролизу жидкого хлорида натрия-алюминия. Благодаря методике ученого за тридцать шесть лет применения вплоть до окончания 1890 года было добыто примерно двести тонн продукции.

В 1885 была возведена первая фабрика по изготовлению металла, это осуществилось в городке Гмелингеме, но функционировал объект по методике, которую предложил Николай Бекетовый. Технология его фактически не различалась от методики датского специалиста, однако она была несколько легче: производилось взаимодействие между криолитом и магнием. На протяжении пяти лет работы фабрика получила примерно пятьдесят восемь тонн готовой продукции.

Методика, созданная фактически в единое время Чарльзом Холлом в Америке и Полем Эру во Франции и базировавшаяся на вычленении металла путем применения электролиза глинозёма, что растворили вначале в криолите, стала началом инновационного способа создания продукции. Прошло время, улучшалась электротехника, а потому производство сырья только улучшилось. Существенный вклад в расцвет внесли отечественные ученые и многие их ассистенты, помощники, способствовавшие работе исследователей.

Современное потребление и производство алюминия

Завод по созданию алюминия в Российской Федерации появился только в 1932 году, это произошло в городке Волхов. Прошло немного времени, а точнее шесть лет и вот уже Советский Союз производил фактически пятьдесят тон металла за год, а примерно три тонны продукции продавалось за рубежом.

Вторая мировая война несколько ускорила развитие данной отрасли. Общемировое производство продукции в 1939 году было 620 тысяч тонн, но вот к средине войны году эта цифра увеличилась в три раза и стала – 1,9 миллионов тонн.

К 1956 году в мировом масштабе создавалось 3,4 миллионов тонн алюминия, в этом же году масштабы увеличились до 5,4 миллионов тонн, в 80-х годах — 16,1 миллионов тонн, а через десять лет уже производили — 18 миллионов тонн. В 2007 году производились подсчеты и было добыто тридцать восемь миллионов тонн алюминия, год спустя – практически сорок миллионов тонн.

Лидерами в этой сфере были: КНР; Российская Федерация; Канада, США; Австралия и другие страны.

Сейчас среднесуточная добыча равняется 128,6 тысячам тонн. На территории РФ монополистом в этой сфере признана корпорация «Российский алюминий». На ее доле насчитывается примерно тринадцать процентов мирового рынка и шестнадцать процентов глинозема.

Необходимо сказать, что мировые запасы этих бокситов фактически не истощаемые, потому динамика спроса будет в дальнейшем влиять на масштабы добывания продукции. Нынешние монополисты с нынешними мощностями в год могут создавать до 45 миллионов тонн алюминия.

Стоимость на алюминий в мире разная, сейчас до практически четырех тысяч долларов за тонну.

Применение алюминия

В крупных объемах продукция применяется в больших объемах на производствах, промышленности и так далее. Очевидные преимущества продукции: легкость, устойчивость к окислению, легкость в штамповке, высокие показатели теплопроводности, не токсичность. Что касается устойчивости к окислительным процессам, то стоит отметить, что материал на воздухе в один миг покрывается пленкой, которая не позволяет распространится окислению. Из-за этих явных достоинств алюминий пользуется огромным спросом во время создания посуды, фольги для упаковывания пищевых товаров и заводских целей. Помимо прочего, продукция активно применяется еще в авиастроительной, космической сфере, правда сейчас уже постепенно идет его вытеснение углеволокном и иными композитными препаратами.

Минусы и плюсы алюминия

Основной минус представленного металла — низкие показатели прочности, потому его и разбавляют малым объемом меди, магния, а композицию именуют дюраль алюминием.

Важный факт: у продукции электропроводимость в несколько раз ниже, нежели у меди, однако алюминий в четыре раза дешевле, кроме того, он практически в четыре раза слабее по плотности, а значит для формирования равноценного сопротивления продукции потребуется значительно меньше. Именно потому продукция пускается в ход в техническом оснащении для разработки разнообразных кабелей и также в микроэлектронике: производится нанесение покрытия на микросхемы. Довольно-таки небольшую электропроводность продукции, если же проводить сравнительного анализа с медью, для сбережения равноценного сопротивления, возмещают расширением поверхности сечения металлических проводников. Основным минусом изделия как электротехнического продукта является формирование на его площади прочной плёнки из оксидов, которая в разы утруждает пайку и негативно отражается на работоспособности контакта и изоляционном слое. Именно потому, седьмая редакция правил и норм по устройству электроустановок, подписанная и введенная в эксплуатацию еще в 2002 году, запрещает применять алюминиевые проводники, у которых сечение меньше шестнадцати квадратных миллиметров.

Из-за целого набора полезных качеств материал активно применяется в тепловых аппаратах. Алюминий и его композиции славятся отсутствием ломкости и хрупкости при низких температурных показателях, его активно используют в криогенных технологиях.

Алюминий отличается большими показателями отражения, к тому же он недорогая технология легкого напыления в вакууме делают алюминий наилучшим сырьем для создания зеркальных поверхностей.

Сульфид алюминия активно применяется при формировании сероводорода, так же выступает в роли восстановителя. Применяется для создания пиротехнических продуктов, выступает в роли термита, растворов для алюмотермии. Если требуется защита на аноде, то металл в малых концентрациях добавляется для выполнения роли протектора.

В обиходе для конструкционной основы применяют не чистейший продукт металла, а сплавы их него. Все обозначения, указанные здесь, приведены для США, но все они отвечают ГОСТам России. Необходимо сказать, что главный стандарт в РФ – несколько пунктов из ГОСТ. Существует еще и специальная маркировка UNS, а также международные нормы для композиций и их маркирование.

Распространенные сплавы с алюминием

Алюминиево-магниевые сплавы различаются идеальным набором прочности, гибкости, прекрасными показателями свариваемости и неподатливостью к окислению. Помимо прочего, представленные сплавы Al-Mg (ANSI: серия 5ххх у деформируемых сплавов и 5xx.x у сплавов для изделий фасонного литья; по ГОСТу : АМг) отличаются прекрасной устойчивостью к вибрациям.

Есть композиции, где в строении находится примерно шесть процентов, за счет которых и формируется связующая система Al3Mg2 c алюминиевым растворимым продуктом. Самыми распространёнными в промышленности признаны композиции, где в структуре магния от одного до пяти процентов.

Если в продукции постепенно увеличивать концентрацию магния то, будут расти прочностные параметры композиции. Каждый процент этого продукта способствует росту граничных прочностных параметров на тридцать мега паскалей и текучести — на двадцать мега паскалей. Во время этого механизма относительное удлинение убавляется и располагается в разбросанном диапазоне, в среднем выдающий тридцать процентов.

Композиции с магнием до трех процентов стойкие при различных температурных показателях в любой среде, даже если применяются в нагартованных сплавах. С ростом магниевых объемов, если это осуществляется в нагартованной среде, структура трансформируется и становится непостоянной. Помимо того, рост объемов магния вплоть до отметки, что больше шести процентов, то это приводит к регрессу коррозионных параметров композиции.

Для форсирования прочностных параметров сплавы представленной композиции легируются различными веществами, среди которых хром, титан и иные важные составляющие. В данную систему не стоит вносить медь или же железо. Все из-за того, что вещества понижают стойкость к окислению и сварочные характеристики конечного изделия.

Алюминиево-марганцевые схемы. Композиции представленной системы отличается хорошими индексами прочности, пластичности и прекрасной устойчивостью к окислению, свариваемостью.

Главными добавками признаны железо, кремний. Два представленных компонента понижают показатели растворимости марганца в продукции. Для создания мелкозернистой сплавной композиции разрешается легировать продукт.

Al-Cu или же еще Al-Cu-Mg. Механические качества сплавов представленной системы в термоупрочненном положении достигают и бывает превосходят механические качества низкоуглеродистых продуктов. Представленные сплавы высокотехнологичны, но минус у них имеется — слабое сопротивление окислению, потому требуется на практике применять защитные напыления.

Легирующими дополнения могут выступать различные вещества. Например, марганец, кремний и иные элементы. Причем крайне сильное воздействие на качественную структуру сплава демонстрирует последний компонент: легирование магнием существенно приближают прочностные и текучие границы. Если внести немного кремния в композицию, то это поспособствует его быстрому синтетическому старению.

Алюминий-цинк-магний или эта же композиция, с медью. Продукция из представленной системы ценится в мире за прочность. Ярким представителем можно назвать вещество под номером 7075, сейчас это наиболее прочный из существующих сплавов. Эффект такого качественного упрочнения возможен за счет прекрасных плавительных способностей цинка-магния – это примерно семьдесят и восемнадцать процентов при внушительных температурных показателях.

Впрочем, ярким минусом представленных композиций признана слабая устойчивость к окислению под воздействием напряжения. Улучшить показатели сопротивления возможно с применением медного легирования.

Невозможно не упомянуть найденной закономерности в шестидесятых: наличие лития в композициях тормозит природное и форсирует синтетическое изнашивание. Требуется сказать, что наличие этого вещества в композициях способствует понижению граничного веса сплава и значительно форсирует его упругий модуль. В итоговом счете из-за представленного открытия были сформированы уникальные композиции, отличающиеся по структуре и опциям системы в целом.

Алюминий как добавочный элемент

Представленный металл – это важнейшая составляющая массы мировых сплавов. Приведем примеры. В алюминиевой бронзе главными веществами структуры является алюминий вперемешку с медью, магниевые композиции обычно применяют на практике только алюминий. При создании спиралей для электрических нагревательных аппаратов добвляют фехраль – это комплекс из железа, хрома и опять-таки алюминия. Требуется сказать, что добавочный элемент в виде представленного металла в «автоматных сталях» существенно облегчают обработку продукции: будет хорошее и четкое обламывание готовой детали в конечном итоге процесса.

Алюминий – это крайне важный компонент в нынешнее время, из него производят массу необходимых миру деталей и продуктов, которые применяются в повседневности. Прогресс не стоит на месте и постоянно ученые ищут новые методики добычи алюминия, чтобы сделать процесс этот менее затратным и более продуктивным.

Источник https://24smi.org/facts/216017-samye-legkie-metally-v-mire.html

Источник https://tutsvarka.ru/raznoe/alyuminij-svojstva-harakretistiki-obzornaya-statya

Источник https://metallpro.su/alyuminiy