Древний историк Плиний Старший рассказывает об интересном событии, которое произошло почти два тысячелетия назад. Однажды к римскому императору Тиберию пришел незнакомец. В дар императору он преподнес изготовленную им чашу из блестящего, как серебро, но чрезвычайно легкого металла. Мастер поведал, что этот никому не известный металл он сумел получить из глинистой земли. Должно быть, чувство благодарности редко обременяло Тиберия да и правителем он был недальновидным. Боясь, что новый металл с его прекрасными свойствами обесценит хранившиеся в казне золото и серебро, он отрубил изобретателю голову, а его мастерскую разрушил, чтобы никому не повадно было заниматься производством «опасного» металла.

Быль это или легенда — трудно сказать. Но так или иначе «опасность» миновала и, к сожалению, надолго. Лишь в XVI веке, т. е. спустя примерно полторы тысячи лет, в историю алюминия была вписана новая страница. Это сделал талантливый немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм.

Исследуя различные вещества и минералы, в том числе квасцы, Парацельс установил, что они «есть соль некоторой квасцовой земли», в состав которой входит окись неизвестного металла, впоследствии названная глиноземом.

Квасцы, заинтересовавшие Парацельса, были известны с давних времен.
По свидетельству греческого историка Геродота, жившего в V веке до н. э., древние народы применяли при крашении тканей для закрепления их цвета минеральную породу, которую они называли «алюмен», т. е. «свяжущая». Этой породой и были квасцы.

Примерно к VIII-IX векам относятся первые упоминания об изготовлении квасцов в Древней Руси, где их также использовали для окраски тканей и приготовления сафьяновых кож. В средние века в Европе уже действовало несколько заводов для производства квасцов. В 1754 году немецкий химик Маргграф сумел выделить «квасцовую землю», о которой 200 лет до этого писал Парацельс. Прошло еще несколько десятков лет, прежде чем англичанин Дэви попытался получить металл, скрывающийся в квасцах. В 1807 году ему удалось электролизом щелочей открыть натрий и калий, но разложить с помощью электрического тока глинозем он так и не сумел.

Подобные же попытки предпринял спустя несколько лет швед Берцелиус, но и его работы не увенчались успехом. Несмотря на это, ученые все же решили дать «неподдающемуся» металлу имя: сначала Берцелиус назвал его алюмием, а затем Дэви изменил алюмий на алюминий.

Первым, кому удалось, подобно неизвестному мастеру Древнего Рима, получить металлический алюминий, был датский ученый Эрстед. В 1825 году в одном из химических журналов он опубликовал свою статью, в которой писал, что в результате проведенных им опытов образовался «кусок металла, с цветом и блеском, несколько похожим на олово». Однако журнал этот был не очень известен, и сообщение Эрстеда осталось почти незамеченным в научном мире. Да и сам ученый, поглощенный работами по электромагнетизму, не придавал своему открытию большого значения.

Спустя два года в Копенгаген к Эрстеду приехал молодой, но уже известный немецкий химик Вёлер. Эрстед сообщил ему, что не намерен продолжать опыты по получению алюминия. Вернувшись в Германию, Вёлер немедленно занялся этой проблемой, весьма заинтересовавшей его, и уже в конце 1827 года опубликовал свой метод получения нового металла. Правда, метод Вёлера позволял выделять алюминий лишь в виде зерен величиной не более булавочной головки, но ученый продолжал эксперименты до тех пор, пока не сумел, наконец, разработать способ Получения алюминия в виде компактной массы. На это ему потребовалось … 18 лет.

К тому времени новый металл уже успел завоевать популярность и, поскольку получали его в мизерных количествах, цены на него превышали цены на золото, да и достать его было делом не простым.

Немудрено, что когда один из европейских монархов приобрел в личное пользование камзол с алюминиевыми пуговицами, он начал свысока посматривать на других правителей, которым такая роскошь была не по карману. Тем же не оставалось ничего другого, как только завидовать счастливому обладателю редчайших пуговиц и с тихой грустью дожидаться лучших времен.

К их великой радости ждать пришлось недолго: уже в 1855 году на Всемирной выставке в Париже было представлено «серебро из глины», которое произвело большую сенсацию. Это были пластины и слитки алюминия, полученные французским ученым и промышленником Сент-Клер Девилем.
Появлению этих экспонатов предшествовали следующие события. Императором Франции в то время был Наполеон III — «маленький племянник великого дяди», как называли его тогда. Большой любитель пустить пыль в глаза, он устроил однажды банкет, на котором члены монаршей семьи и наиболее почетные гости были удостоены чести есть алюминиевыми ложками и вилками. Гостям же попроще пришлось пользоваться обычными (для императорских банкетов, разумеется) золотыми и серебряными приборами. Конечно, было обидно до слез, и кусок не лез в горло, но что поделаешь, если даже император не мог тогда обеспечить каждого гостя алюминием по потребности.

Вскоре в голове Наполеона III созрел дерзновенный проект, который сулил славу и почет, но, главное, должен был заставить государей других стран позеленеть от зависти: император решил снабдить солдат своей армии доспехами из алюминия. Он предоставил Сент Клер Девилю крупные средства, чтобы тот изыскал способ получения алюминия в больших количествах. Девиль, положив в основу своих экспериментов метод Вёлера, сумел разработать соответствующую технологию, но металл, полученный им, продолжал оставаться весьма дорогим.

Именно поэтому французским солдатам так и не довелось примерить обещанные доспехи, но о своей личной охране император позаботился: его кирасиры начали щеголять в новеньких алюминиевых кирасах.

К этому периоду и относится появление «серебра Девиля» в качестве экспоната на Всемирной выставке. Быть может, ее устроители и отнесли алюминий к металлам широкого потребления, но, увы, от этого он не стал доступнее. Правда, уже тогда передовые люди понимали, что пуговицы и кирасы — лишь незначительный эпизод в деятельности алюминия.

Впервые увидев алюминиевые изделия, Н. Г. Чернышевский с восторгом сказал: «Этому металлу суждено великое будущее! Перед вами, друзья, металл социализма». В его романе «Что делать?», вышедшем в 1863 году, есть такие строки: «…Какая легкая архитектура этого внутреннего дома, какие маленькие простенки между окнами, — окна огромные, широкие, во всю вышину этажей… Но какие эти полы и потолки? Из чего эти двери и рамы окон? Что это такое? Серебро? Платина?.. Ах, знаю теперь, Саша показывал мне такую дощечку, она была легка, как стекло, и теперь уже есть такие серьги, броши; да, Саша говорил, что рано или поздно алюминий заменит собой дерево, может быть и камень. Но как же все это богато. Везде алюминий и алюминий… Вот в этом зале половина пола открыта, тут и видно, что он из алюминия…».

Но в тот период, когда писались эти пророческие строки, алюминий по-прежнему оставался главным образом ювелирным металлом, интересно, что даже в 1889 году, когда Д, И. Менделеев находился в Лондоне, ему в знак признания его выдающихся заслуг в развитии химии был преподнесен ценный подарок — весы, сделанные из золота и алюминия.

Сент-Клер Девиль развил бурную деятельность. В местечке Ла-Гласьер он построил первый в мире алюминиевый завод. Однако в процессе плавки завод выделял много вредных газов, которые загрязняли атмосферу Ла-Гласьера. Местные жители, дорожившие здоровьем, не пожелали жертвовать им ради технического прогресса и обратились с жалобой к правительству. Завод пришлось перенести сначала в предместье Парижа Нантер, а позднее на юг Франции.

К этому времени для многих ученых стало ясно, что, несмотря на все старания Девиля, его метод не имеет перспектив. Химики разных стран продолжали поиски. В 1865 году известный русский ученый Н. Н. Бекетов предложил интересный способ, который быстро нашел применение на алюминиевых заводах Франции (в Руане) и Германии (в Гмелингензе близ Бремена).

Важной вехой в истории алюминия стал 1886 год, когда независимо друг от друга американский студент Холл и французский инженер Эру разработали электролитический способ производства этого металла. Идея была не нова: ещё в 1854 году немецкий ученый Бунзен высказал мысль о получении алюминия электролизом его солей. Но прошло более тридцати лет, прежде чем эта мысль получила практическое воплощение. Поскольку электролитический способ требовал большого количества энергии, первый в Европе завод для производства алюминия электролизом был построен в Нейгаузене (Швейцария) близ Рейнского водопада — дешевого источника тока.

И сегодня, спустя без малого сто лет, без электролиза немыслимо получение алюминия. Именно это обстоятельство и заставляет ученых ломать голову над весьма загадочным фактом.

В Китае есть гробница известного полководца Чжоу-Чжу, умершего в начале III века. Сравнительно недавно некоторые элементы орнамента этой гробницы были подвергнуты спектральному анализу. Результат оказался настолько неожиданным, что анализ пришлось несколько раз повторить. И каждый раз беспристрастный спектр неопровержимо свидетельствовал о том, что сплав, из которого древние мастера выполнили орнамент, содержит 85% алюминия. Но каким же образом удалось получить в III веке этот металл? Ведь с электричеством человек тогда был знаком разве что по молниям, а они вряд ли «соглашались» принять участие в электролитическом процессе. Значит, остается предположить, что в те далекие времена существовал какой-то другой способ получения алюминия, к сожалению, затерявшийся в веках.

В конце 80-х годов прошлого столетия в «биографию» алюминия была вписана еще одна очень важная страница: работавший в России австрийский химик К. И. Байер создал и успешно применил в заводских условиях оригинальную технологию получения глинозема — основного промышленного сырья для производства алюминия. Способ Байера, быстро получивший признание во всем мире, сохранил свое большое значение до наших дней.

В эти годы производство алюминия резко возросло и, как следствие, значительно снизились цены на этот металл, еще не так давно считавшийся драгоценным. Если в 1854 году 1 килограмм алюминия стоил 1200 рублей, то уже к концу XIX века цена на него упала до 1 рубля. Разумеется, для ювелиров он уже не представлял никакого интереса, зато сразу приковал к себе внимание промышленного мира, находившегося в преддверии больших событий: начинало бурно развиваться машиностроение, становилась на ноги автомобильная промышленность и, что особенно важно, вот-вот должна была сделать первые шаги авиация, где алюминию предстояло сыграть важнейшую роль.

В 1893 году в Москве вышла книга инженера Н. Жукова «Алюминий и его металлургия», в которой автор писал: «Алюминий призван занять выдающееся место в технике и заместить собой, если не все, то многие из обыденных металлов…» Для такого утверждения имелись основания: ведь уже тогда были известны замечательные свойства «серебра из глины». Алюминий один из самых легких металлов: он в 3 с лишним раза легче меди и в 2,9 раза легче железа. По теплопроводности и электропроводности он уступает лишь серебру, золоту и меди. В обычных условиях этот металл обладает достаточной химической стойкостью. Высокая пластичность алюминия позволяет прокатывать его в фольгу толщиной до 3 микрон, вытягивать в тончайшую, как паутина, проволоку: при длине 1000 метров она весит всего 27 граммов и умещается в спичечной коробке.

И лишь его прочностные характеристики оставляют желать лучшего. Это обстоятельство и побудило ученых задуматься над тем, как сделать алюминий прочнее, сохранив все его полезные качества. Издавна было известно, что прочность многих сплавов зачастую гораздо выше, чем чистых металлов, входящих в их состав. Вот почему металлурги и занялись поисками тех «компаньонов», которые, вступив в союз с алюминием, помогли бы ему «окрепнуть». Вскоре пришел успех. Как не раз бывало в истории науки, едва ли не решающую роль при этом сыграли случайные обстоятельства. Впрочем, расскажем все по порядку.

Однажды (это было в начале XX века) немецкий химик Вильм приготовил сплав, в который, помимо алюминия, входили различные добавки: медь, магнии, марганец. Прочность этого сплава была выше, чем у чистого алюминия, но Вильм чувствовал, что сплав можно еще более упрочнить, подвергнув его закалке. Ученый нагрел несколько образцов сплава примерно до 600°С, а затем опустил их в воду. Закалка заметно повысила прочность сплава, но, поскольку результаты испытаний различных образцов оказались неоднородными, Вильм усомнился в исправности прибора и точности измерений.

Несколько дней исследователь тщательно выверял прибор. Забытые им на время образцы лежали без дела на столе, и к тому моменту, когда прибор был вновь готов к работе, они оказались уже не только закаленными, но и запыленными. Вильм продолжил испытания и не поверил своим глазам: прибор показывал, что прочность образцов возросла чуть ли не вдвое.

Вновь и вновь повторял ученый свои опыты и каждый раз убеждался, что его сплав после закалки продолжает в течение 5-7 дней становиться все прочнее и прочнее. Так было открыто интереснейшее явление — естественное старение алюминиевых сплавов после закалки.

Сам Вильм не знал, что происходит с металлом в процессе старения, но, подобрав опытным путем оптимальный состав сплава и режим термической обработки он получил патент и вскоре продал его одной немецкой фирме, которая в 1911 году выпустила первую партию нового сплава, названного дюралюминием (Дюрен — город, где было начато промышленное производство сплава). Позже этот сплав стали называть дуралюминою. В 1919 году появились первые самолеты из дуралюмина. С тех пор алюминий навсегда связал свою судьбу с авиацией. Он по праву заслужил репутацию «крылатого металла». Превратив примитивные деревянные «этажерки» в гигантские воздушные лайнеры. Но в те годы его еще не хватало, и многие самолеты, главным образом легких типов, продолжали изготовлять из дерева.

В нашей стране производством алюминиевых сплавов занимался тогда лишь Кольчугинский завод по обработке цветных металлов, который выпускал в небольших количествах кольчугалюминий — сплав, по составу и свойствам сходный с дуралюмином. На повестку дня стал вопрос о создании мощной алюминиевой промышленности.

В начале 1929 года в Ленинграде на заводе «Красный Выборжец» были проведены опыты по получению алюминия. Руководил ими Федотьев — замечательный ученый, с именем которого связаны многие страницы истории «крылатого металла».
27 марта 1929 года удалось получить первые 8 килограммов металла. «Этот момент, — писал впоследствии П. П. Федотьев, — можно считать возникновением
производства алюминия в СССР на волховской энергии и целиком из материалов собственного приготовления».

Завод по производству алюминия. В ленинградской печати отмечалось тогда, что «первый слиток алюминия, представляющий музейную ценность, должен быть сохранен как памятник одного из крупнейших достижений советской техники». Образцы алюминия, полученного в дальнейшем на «Красном Выборжце», и изделия из него были преподнесены от трудящихся Ленинграда V Всесоюзному съезду Советов. Успешное проведение этих опытов позволило приступить к сооружению Волховского и Днепровского алюминиевых заводов. В 1932 году вступил в строй первый из них, а спустя год — второй.

В эти же годы значительные природные запасы алюминиевых руд были обнаружены на Урале. Любопытна предыстория этого открытия. В 1931 году молодой геолог Н. А. Каржавин в музее одного из уральских рудников обратил внимание на экспонат, считавшийся железной рудой с низким содержанием железа. Геолога поразило сходство этого образца с бокситам и — глинистой горной породой, богатой алюминием. Подвергнув минерал анализу, он убедился, что «бедная железная руда» является отличнейшим алюминиевым сырьем. Там, где был найден этот образец, начались геологические поиски, которые вскоре увенчались успехом.

На базе найденных месторождений был построен Уральский алюминиевый завод, а спустя несколько лет (уже в годы войны) -Богословский, Который выдал свою первую продукцию в исторический День Победы — 9 мая 1945 года.

Сейчас в нашей стране уже многие предприятия выпускают «крылатый металл», но нужда в нем продолжает расти. Конечно, по-прежнему основной потребитель алюминия — авиация. Алюминий занимает первое место среди металлов, применяемых в самолето и ракетостроении. От 2/3 до 3/4 сухого веса пассажирского самолета и от 1/20 до 1/2 сухого веса ракеты- вот его доля в летающих конструкциях. Из алюминиевых сплавов была изготовлена оболочка первого советского искусственного спутника Земли. Оболочка корпусов американских ракет «Авангард» и «Титан», применявшихся для запуска на орбиту первых американских спутников, а позднее и космических кораблей, также была выполнена из сплавов алюминия. Из них делают различные детали космической аппаратуры — кронштейны, крепления, шасси, футляры и корпуса для многих инструментов и приборов.

В 1960 году в США запустили спутник «Эхо-1», предназначенный для отражения радиосигналов. Это был огромный, диаметром около 30 метров шар, представляющий собой пластическую пленку, покрытую тончайшим слоем алюминия. Несмотря на столь внушительные габариты, этот спутник весил всего 62 килограмма. Фольга из чистейшего алюминия служила флуоресцирующим экраном, установленным на одном из спутников для исследования испускаемых Солнцем заряженных частиц. Когда американские космонавты Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин высадились на Луну, они расстелили на ее поверхности лист такой же фольги и в течение двух часов подвергали фольгу воздействию газов, излучаемых Солнцем, Покидая Луну, космонавты захватили с собой эту фольгу и образцы лунных пород, которые они упаковали в специальные алюминиевые коробки.

Алюминий принимает участие в овладении не только космическими высотами, но и морскими безднами. Несколько лет назад в США была создана океанографическая подводная лодка «Алюминаут», которая может погружаться на глубину 4600 метров. Новый сверхглубинный корабль построен не из стали, как обычно принято, а из алюминия. Во Франции спущен на воду громадный океанский лайнер водоизмещением свыше 50 тысяч тонн, длиной 315 метров, способный принять на борт две тысячи пассажиров. Корпус, трубы, шлюпки и даже мебель этого колосса выполнены из алюминия. Область применения алюминия постоянно расширяется. В послевоенные годы в США был составлен список изготовляемых из него изделий. В списке оказалось примерно две тысячи наименований.

Важный потребитель этого металла — электротехническая промышленность. Провода высоковольтных линий передач, обмотки моторов и трансформаторов, кабели, цоколи ламп, конденсаторы и многие другие изделия делают из алюминия. Желанный гость он и на транспорте. Сейчас в нашей стране ведутся работы по созданию железнодорожного суперэкспресса. «Русская тройка» — так поэтично назван этот поезд — своими формами напоминает фюзеляж современного самолета. Да и помчится он со скоростью взлетающего «Ту». Конструкторы предложили изготовить кузов экспресса из алюминия. Опытный кузов уже прошел испытания: его сжимали с силой в 200 тонн, подвергали сильнейшей вибрационной тряске и другим «экзекуциям», но металл все выдержал. Недалек тот день, когда «Русская тройка» стремительно понесется по нашим необъятным просторам.
Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью. Этим он обязан тончайшей, толщиной 0,0001 миллиметра пленке, которая возникает на его поверхности и служит в дальнейшем броней, защищающей металл от кислорода. Не будь этой пленки-брони, алюминий вспыхивал бы даже на воздухе и сгорал ослепительным пламенем. Спасительный панцирь позволяет алюминиевым деталям служить десятки лет даже в такой вредной для «здоровья» металлов отрасли, как химическая промышленность. Ученые установили, что алюминий обладает еще одним ценным свойством: он не разрушает витамины. Поэтому из него изготовляют аппаратуру для маслобойной, сахарной, кондитерской, пивоваренной промышленности. Прочные позиции завоевал этот металл и в строительстве. Еще в 1890 году в одном из американских городов алюминий был впервые применен при постройке жилого дома. Спустя полстолетия все алюминиевые детали находились в прекрасном состоянии. Первая алюминиевая крыша, поставленная в 1897 году, стоит без ремонта по сей день.

На территории Московского Кремля из алюминия и пластмасс сооружен величественный Дворец съездов. В 1958 году на Всемирной выставке в Брюсселе из стекла и алюминия был построен поражавший красотой павильон Советского Союза. Мосты, здания, гидротехнические объекты, ангары — везде находит применение чудесный легкий металл.

Металлурги широко используют алюминий для удаления из стали кислорода. В качестве основного компонента алюминиевая крупка входит в состав термитных смесей, применяемых при алюминотермических процессах получения многих сплавов.

Алюминий можно встретить и в коллекциях филателистов: в 1955 году в Венгрии была выпущена необычная почтовая марка, отпечатанная на алюминиевой фольге толщиной 0,009 миллиметра. Позднее такие марки появились и в других странах.

Уже создана алюминированная (покрытая тончайшим слоем алюминия) ткань, которая обладает замечательным свойством: она «умеет» и согревать, и охлаждать. Занавеси на окнах из этой ткани, если их повесить металлом наружу, пропустят световые лучи, но отразят тепловые — в жаркий летний день в комнате будет прохладно. Зимой же занавеси следует перевернуть: тогда они будут возвращать тепло в помещение. В плаще из такой ткани можно не бояться ни жары и ни холода. Чтобы спастись от палящих солнечных лучей, плащ нужно будет носить металлом наружу. Если же на улице похолодает — выверните его наизнанку, и металл возвратит тепло вашему телу. Чехословацкая промышленность начала выпускать очень удобные алюминированные одеяла, которые одинаково хороши и в теплых, и в прохладных помещениях. К тому же весят они всего 55 граммов и в свернутом виде легко умещаются в футляре размером не более обычного портсигара.

Можно не сомневаться, что геологи, туристы, рыбаки — словом, все те, кого опаляет солнце и овевают ветры, по достоинству оценят куртки и палатки из такой ткани. В жарких краях большим спросом будут пользоваться «алюминиевые» тюбетейки, панамы, халаты, зонтики. Металлизированная одежда сделает профессию сталевара менее горячей. Поможет она пожарным в их тяжелой борьбе с огнем.

В последнее время ученые и инженеры большое внимание уделяют созданию совершенно новых материалов — пенометаллов. Уже разработана технология получения пеноалюминия — первенца в этом замечательном семействе. Новый материал поразительно легок: 1 кубический сантиметр некоторых видов пеноалюминия весит всего 0,19 грамма. Пробка, всегда служившая эталоном легкости, не в состоянии конкурировать с этим материалом: она на 25-30% тяжелее. Вслед за пеноалюминием будут созданы пенобериллий, пенотитан и многие другие удивительные материалы.
…Известный писатель-фантаст Герберт Уэллс в своем романе «Война миров», созданном на рубеже XIX и XX веков, описывает машину, с помощью которой марсиане производили алюминий: «От заката солнца до появления звезд эта ловкая машина изготовила не менее сотни полос алюминия непосредственно из глины».

Один из американских исследователей космоса в те годы, когда наше знакомство с Луной было лишь визуальным, предложил любопытную гипотезу. Ученый считал, что на каждом гектаре лунной поверхности можно встретить до 200 тонн чистого алюминия. Он высказывал соображение, что Луна является как бы гигантским природным заводом, в котором так называемый «солнечный ветер» (поток излучаемых Солнцем протонов) превращает руды железа, магния, алюминия в чистые металлы. Пока эта гипотеза не подтвердилась, тем не менее, как показал анализ образцов лунного грунта, доставленных американскими космонавтами и советскими автоматическими станциями, содержание в нем окиси алюминия довольно высокое — примерно 15 %.

Стало быть, можно считать, что на Марсе и на Луне «алюминиевая проблема» решена. А как обстоит дело на Земле? Что ж, пожалуй, и здесь все благополучно. Хотя на нашей планете нет пока машин, подобных марсианским, и на поверхности Земли алюминий не валяется тоннами, все же землянам жаловаться грех: природа щедро позаботилась о том, чтобы люди не испытывали нужды в этом чудесном металле. По содержанию в земной коре алюминий уступает лишь кислороду и кремнию, значительно превосходя все металлы.

Итак, алюминиевым сырьем мы обеспечены. Создать же оригинальные агрегаты, усовершенствовать способы получения «крылатого металла», найти ему новые области применения — это забота инженеров и ученых.

ЧТО ТАКОЕ АЛЮМИНИЙ

Лёгкий, прочный, стойкий к коррозии и функциональный – именно это сочетание качеств сделало алюминий главным конструкционным материалом нашего времени. Алюминий есть в домах, в которых мы живем, автомобилях, поездах и самолетах, на которых мы преодолеваем расстояния, в мобильных телефонах и компьютерах, на полках холодильников и в современных интерьерах. А ведь еще 200 лет назад об этом металле мало что было известно.

«То, что казалось несбыточным на протяжении веков, что вчера было лишь дерзновенной мечтой, сегодня становится реальной задачей, а завтра - свершением».

Сергей Павлович Королев
учёный, конструктор, основоположник практической космонавтики

Алюминий – серебристо-белый металл, 13-й элемент периодической таблицы Менделеева. Невероятно, но факт: алюминий – самый распространенный металл на Земле, на него приходится более 8% всей массы земной коры, и это третий по распространенности химический элемент на нашей планете после кислорода и кремния.

При этом алюминий не встречается в природе в чистом виде из-за своей высокой химической активности. Вот почему мы узнали о нем относительно недавно. Формально алюминий был получен лишь в 1824 году, и прошло еще полвека, прежде чем началось его промышленное производство.

Чаще всего в природе алюминий встречается в составе квасцов . Это минералы, объединяющие в себе две соли серной кислоты: одну на основе щелочного металла (лития, натрия, калия, рубидия или цезия), а другую – на основе металла третьей группы таблицы Менделеева, преимущественно алюминия.

Квасцы и сегодня применяют при очистке воды, в кулинарии, медицине, косметологии, в химической и других отраслях промышленности. Кстати, свое имя алюминий получил как раз благодаря квасцам, которые на латыни назывались alumen.

Корунд

Рубины, сапфиры, изумруды и аквамарин являются минералами алюминия.
Первые два относятся к корундам – это оксид алюминия (Al 2 O 3) в кристаллической форме. Он обладает природной прозрачностью, а по прочности уступает только алмазам. Пуленепробиваемые стекла, иллюминаторы в самолетах, экраны смартфонов производятся именно с применением сапфира.
А один из менее ценных минералов корунда – наждак используется как абразивный материал, в том числе для создания наждачной бумаги.

На сегодняшний день известно почти 300 различных соединений и минералов алюминия – от полевого шпата, являющегося основным породообразующим минералом на Земле, до рубина, сапфира или изумруда, уже не столь распространенных.

Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) – датский физик, почетный член Петербургской академии наук (1830). Родился в городе Рудкёрбинге в семье аптекаря. В 1797 году окончил Копенгагенский университет, в 1806 – стал профессором.

Но каким бы распространенным ни был алюминий, его открытие стало возможным только, когда в распоряжении ученых появился новый инструмент, позволяющий расщеплять сложные вещества на простые, – электрический ток .

И в 1824 году с помощью процесса электролиза датский физик Ханс Кристиан Эрстед получил алюминий. Он был загрязнен примесями калия и ртути, задействованных в химических реакциях, однако это был первый случай получения алюминия.

Используя электролиз, алюминий производят и в наши дни.

Сырьем для производства алюминия сегодня служит еще одна распространенная в природе алюминиевая руда – бокситы . Это глинистая горная порода, состоящая из разнообразных модификаций гидроксида алюминия с примесью оксидов железа, кремния, титана, серы, галлия, хрома, ванадия, карбонатных солей кальция, железа и магния – чуть ли не половины таблицы Менделеева. В среднем из 4-5 тонн бокситов производится 1 тонна алюминия.

Бокситы

Бокситы в 1821 году открыл геолог Пьер Бертье на юге Франции. Порода получила свое название в честь местности Ле-Бо (Les Baux), где была найдена. Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – в Гвинее, Австралии, Вьетнаме, Бразилии, Индии и на Ямайке.

Из бокситов получают глинозем . Это оксид алюминия Al 2 O 3 , который имеет форму белого порошка и из которого путем электролиза на алюминиевых заводах производят металл.

Производство алюминия требует огромного количества электроэнергии. Для производства одной тонны металла необходимо около 15 МВт*ч энергии – столько потребляет 100-квартирный дом в течение целого месяца.Поэтому разумнее всего строить алюминиевые заводы поблизости от мощных и возобновляемых источников энергии. Самое оптимальное решение – гидроэлектростанции , представляющие самый мощный из всех видов «зеленой энергетики».

Свойства алюминия

Алюминий имеет редкое сочетание ценных свойств. Это один из самых легких металлов в природе: он почти в три раза легче железа, но при этом прочен, чрезвычайно пластичен и не подвержен коррозии, так как его поверхность всегда покрыта тончайшей, но очень прочной оксидной пленкой. Он не магнитится, отлично проводит электрический ток и образует сплавы практически со всеми металлами.

Легкий

В три раза легче железа

Прочный

Сравним по прочности со сталью

Пластичный

Поддается всем видам механической обработки

Нет коррозии

Тонкая оксидная пленка защищает от коррозии

Алюминий легко обрабатывается давлением, причем как в горячем, так и в холодном состоянии. Он поддается прокатке, волочению, штамповке. Алюминий не горит, не требует специальной окраски и не токсичен в отличие от пластика.

Очень высока ковкость алюминия: из него можно изготовить листы толщиной всего 4 микрона и тончайшую проволоку. А сверхтонкая алюминиевая фольга втрое тоньше человеческого волоса. Кроме того, по сравнению с другими металлами и материалами он более экономичен.

Высокая способность к образованию соединений с различными химическими элементами породила множество сплавов алюминия. Даже незначительная доля примесей существенно меняет характеристики металла и открывает новые сферы для его применения. Например, сочетание алюминия с кремнием и магнием в повседневной жизни можно встретить буквально на дороге – в форме литых колесных дисков, двигателей, в элементах шасси и других частей современного автомобиля. А если добавить в алюминиевый сплав цинк, то, возможно, вы сейчас держите его в руках, ведь именно этот сплав используется при производстве корпусов мобильных телефонов и планшетов. Тем временем ученые продолжают изобретать новые и новые алюминиевые сплавы.
Запасы алюминия
Около 75% алюминия, выпущенного за все время существования отрасли, используется до сих пор.

В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.

Документально зафиксированное открытие алюминия произошло в 1825. Впервые этот металл получил датский физик Ганс Христиан Эрстед, когда выделил его при действии амальгамы калия на безводный хлорид алюминия (полученный при пропускании хлора через раскаленную смесь оксида алюминия с углем). Отогнав ртуть, Эрстед получил алюминий, правда, загрязненный примесями. В 1827 немецкий химик Фридрих Вёлер получил алюминий в виде порошка восстановлением гексафторалюмината калием. Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарльзом Мартином Холлом. (С 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, а за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28000т. этого металла) Алюминий чистотой свыше 99,99% впервые был получен электролизом в 1920г. В 1925 г. в работе Эдвардса опубликованы некоторые сведения о физических и механических свойствах такого алюминия. В 1938г. Тэйлор, Уиллей, Смит и Эдвардс опубликовали статью, в которой приведены некоторые свойства алюминия чистотой 99,996%, полученного во Франции также электролизом. Первое издание монографии о свойствах алюминия вышло в свет в 1967г. Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978г. в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий - в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий.

Алюминиевые стройматериалы

Получение алюмокалиевых квасцов

Алюминий (лат. Aluminium), – в периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный – 0,126 нм, условный радиус иона Al 3+ – 0,057 нм. Энергия ионизации Al – Al + 5,99 эВ.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl 4- , AlH 4- , алюмосиликаты), но и 6 (Al 2 O 3 , 3+).

Историческая справка . Название Алюминий происходит от лат. alumen – так еще за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский ученый X. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный АlСl 3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый Алюминий. Первый промышленного способ производства Алюминия предложил в 1854 французский химик А.Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида Алюминия и натрия Na 3 AlCl 6 металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, Алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 годы было получено всего 200 т Алюминия. Современный способ получения Алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава разработан в 1886 году одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

Нахождение в природе

Алюминий – самый распространенный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5–6,6 мол. доли% или 8 масс.%. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al 2 O 3 . 2SiO 2 . 2H 2 O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al 2 O 3 . xH 2 O и минералы корунд Al 2 O 3 и криолит AlF 3 . 3NaF.

Получение

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленнном криолите. Al 2 O 3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al 2 O 3 около 2050 о С, а криолита – 1100 о С. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al 2 O 3 , содержащую около 10 масс.% Al 2 O 3 , которая плавится при 960 о С и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF 3 , CaF 2 и MgF 2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 о С.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это – алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.

Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3 3-

На катоде выделяется жидкий алюминий:

Al 3+ + 3е - = Al

Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:

4AlO 3 3- – 12е - = 2Al 2 O 3 + 3O 2

Кислород окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания углерода анод наращивают.

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

Физические свойства алюминия . Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки. Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Å. Свойства Алюминий, как и всех металлов, в значит, степени зависят от его чистоты. Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20 °С) 2698,9 кг/м 3 ; t пл 660,24 °С; t кип около 2500 °С; коэффициент термического расширения (от 20° до 100 °С) 23,86·10 -6 ; теплопроводность (при 190 °С) 343 вт/м·К , удельная теплоемкость (при 100 °С) 931,98 дж/кг·К. ; электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50–60 Мн/м 2), твердостью (170 Мн/м 2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м 2 , твердость – до 270 Мн/м 2 , относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м 2 ~ и 0,1 кгс/мм 2). Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al 2 О 3 , защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.

Химические свойства

При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом – при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:

Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и H2SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется.

При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты – соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH) 3 + NaOH = Na

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2

Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na 2 CO 3 .

В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.

Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al 2 O 3), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.

Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в часности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь («термит») состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe 3 O 4 . Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO 2 . Основная реакция идет по уравнению:

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe + 3350 кДж

Причем развивается температура около 3000 о С.

Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050 о С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al 2 O 3 (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al 2 O 3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.

Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al 2 O 3 , получаемым сплавлением боксита (техническое название – алунд).

Прозрачные окрашеннные кристаллы корунда – красный рубин – примесь хрома – и синий сапфир – примесь титана и железа – драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3 , применяют в качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

Ввиду нерастворимости Al 2 O 3 в воде отвечающий этому оксиду гидроксид Al(OH) 3 может быть получен лишь косвенным путем из солей. Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами OH – постепенно замещаются в аквокомплексах 3+ молекулы воды:

3+ + OH - = 2+ + H 2 O

2+ + OH - = + + H 2 O

OH - = 0 + H 2 O

Al(OH) 3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке NH 4 OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида – алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + Al(OH) 3 = Na

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al 2 O 3 с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO 2 . Большинство из них в воде нерастворимо.

С кислотами Al(OH) 3 образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

В водной среде анион Al 3+ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:

3+ + H 2 O = 2+ + OH 3 +

Константа его диссоциации равна 1 . 10 -5 , т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al 3+ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.

Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO 4 4 – заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO 4 5- Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители – минералы

ортоклаз K 2 Al 2 Si 6 O 16 или K 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2

альбит Na 2 Al 2 Si 6 O 16 или Na 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2

анортит CaAl 2 Si 2 O 8 или CaO . Al 2 O 3 . 2SiO 2

Очень распространены минералы группы слюд, например мусковит Kal 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2 . Большое практическое значение имеет минерал нефелин (Na, K) 2 , который используется для получения глинозема содовых продуктов и цемента. Это производство складывается из следующих операций: a) нефелин и известняк спекают в трубчатых печах при 1200 о С:

(Na, K) 2 + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2

б) образовавшуюся массу выщелачивают водой – образуется раствор алюминатов натрия и калия и шлам CaSiO 3:

NaAlO 2 + KAlO 2 + 4H 2 O = Na + K

в) через раствор алюминатов пропускают образовавшийся при спекании CO 2:

Na + K + 2CO 2 = NaHCO 3 + KHCO 3 + 2Al(OH) 3

г) нагреванием Al(OH) 3 получают глинозем:

2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O

д) выпариванием маточного раствора выделяют соду и потаж, а ранее полученный шлам идет на производство цемента.

При производстве 1 т Al 2 O 3 получают 1 т содопродуктов и 7.5 т цемента.

Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты – природные и особенно искусственные – применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.

Галогениды алюминия в обычных условиях – бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF 3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF 3 основан на действии безводного HF на Al 2 O 3 или Al:

Al 2 O 3 + 6HF = 2AlF 3 + 3H 2 O

Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

Плотности паров AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам – Al 2 Hal 6 . Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена – с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M 3 и M (где Hal – хлор, бром или иод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl 3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F 2 , эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na 3 . Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

2Al(OH) 3 + 12HF + 3Na 2 CO 3 = 2Na 3 + 3CO 2 + 9H 2 O

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH 3) n . Разлагается при нагревании выше 105 о С с выделением водорода.

При взаимодействии AlH 3 с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:

LiH + AlH 3 = Li

Гидридоалюминаты – белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они – сильные восстановители. Применяются (в особенности Li) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3 . 18H 2 O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе – уксуснокислую соль) Al(CH 3 COO) 3 , используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.

Алюминий в организме . Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10 -3 до 10 -5 % Алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание Алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения – от 4 мг (мед) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание алюминия достигает 35–40 мг. Известны организмы – концентраторы алюминия, например, плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2–0,8% алюминия. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).

Геохимия алюминия . Геохимические черты алюминия определяются его большим сродством к кислороду (в минералах алюминий входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород алюминий входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, слюд и других минералов – алюмосиликатов. В биосфере алюминий – слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, алюминий мигрирует в почвах и водах в виде органоминеральных коллоидных соединений; алюминий адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь алюминия с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы – гидрооксиды алюминия – бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть алюминия входит в состав алюмосиликатов – каолинита, бейделлита и других глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление алюминия в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, алюминий почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция алюминия в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые алюминием. В местах смещения кислых вод с щелочными – морскими (в устьях рек и других), алюминий осаждается с образованием бокситовых месторождений.

Применение Алюминия . Сочетание физических, механических и химических свойств Алюминия определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с других металлами. В электротехнике Алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например, в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость Алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из Алюминий вдвое меньше медных). Сверхчистый Алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности оксидной пленки Алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый Алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа А III B V , применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый Алюминий используют в производстве разного рода зеркальных отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, Алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.

В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т.д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление Алюминий для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

В металлургии Алюминий (помимо сплавов на его основе) – одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе Сu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют Алюминий также для раскисления стали перед заливкой ее в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе Алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спеченный алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300 °С большой жаропрочностью.

Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения Алюминия.

Производство и потребление Алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.

Список использованной литературы

1. В.А. Рабинович, З.Я. Хавин «Краткий химический справочник»

2. Л.С. Гузей «Лекции по общей химии»

3. Н.С. Ахметов «Общая и неорганическая химия»

4. Б.В. Некрасов «Учебник общей химии»

5. Н.Л. Глинка «Общая химия»

ИСТОРИЯ АЛЮМИНИЯ

Алюминий – один из самых молодых металлов, открытых человеком. В чистом виде в природе он не встречается, поэтому получить его удалось лишь в XIX веке, благодаря развитию химии и появлению электричества. За полтора века алюминий прошел невероятно интересный путь от драгоценного металла до материала, использующегося абсолютно в каждой
сфере деятельности людей.

« Вы думаете, всё так просто? Да, всё просто.
Но совсем не так».

Альберт Эйнштейн
Физик-теоретик

Открытие алюминия

В элементах орнамента гробниц китайских императоров III века н.э. использован алюминиевый сплав, содержащий алюминий, медь и марганец

Человечество сталкивалось с алюминием задолго до того, как этот металл был получен. В «Естественной истории» римского ученого Плиния Старшего говорится о легенде I века, в которой мастер дарит императору Тиберию чашу из неизвестного металла – похожую на серебряную, но при этом очень легкую .

Достаточно широко в древности применялись квасцы – соль на основе алюминия. Полководец Архелай обнаружил, что дерево практически не горит, если его выдержать в растворе квасцов – этим пользовались для защиты деревянных укреплений от поджогов. В античные времена квасцы применялись в медицине, при выделке кож, в качестве протравы при крашении тканей. В Европе, начиная с XVI века квасцы использовались повсеместно: в кожевенной промышленности в качестве дубильного средства, в целлюлозно-бумажной – для проклеивания бумаги, в медицине – в дерматологии, косметологии, стоматологии и офтальмологии.

Именно квасцам (по-латински – alumen) алюминий обязан своим именем. Его металлу дал английский химик Гемфри Дэви, который в 1808 году установил, что получить алюминий можно методом электролиза из глинозема (оксид алюминия), но подтвердить теорию практикой он не смог.

Ханс Кристиан Эрстед

1777 - 1851

Это сделал датчанин Ханс Кристиан Эрстед в 1825 году. Правда, судя по всему, ему удалось получить не чистый металл, а некий сплав алюминия с элементами, участвовавшими в опытах. Ученый сообщил об открытии и прекратил эксперименты.

Его работу продолжил немецкий химик Фридрих Вёлер, который 22 октября 1827 года получил около 30 граммов алюминия в виде порошка. Ему понадобилось еще 18 лет непрерывных опытов, чтобы в 1845 году получить небольшие шарики застывшего расплавленного алюминия (корольки).

Открытие алюминиевой руды. В 1821 году геолог Пьер Бертье обнаружил во Франции залежи глинистой красноватой по роды. Свое название «боксит» (bauxite) порода получила по наименованию местности, где была найдена – Les Baux.

Открытый учеными химический метод получения алюминия довел до промышленного применения выдающийся французский химик и технолог Анри-Этьенн Сент-Клер Девиль. Он усовершенствовал метод Вёлера и в 1856 году совместно со своими партнерами организовал первое промышленное производство алюминия на заводе братьев Шарля и Александра Тиссье в Руане (Франция).

200 тонн

алюминия было получено химическим способом Сент-Клер Девиля в период с 1855 по 1890 годы

Получаемый металл был похож на серебро, был легким и при этом дорогим, поэтому в то время алюминий считался элитным материалом, предназначенным для изготовления украшений и предметов роскоши. Первыми продуктами из алюминия считаются медали с барельефами Наполеона III, который всячески поддерживал развитие производства алюминия, и Фридриха Вёлера, а также погремушка наследного принца Луи-Наполеона, выполненная из алюминия и золота.

Однако уже тогда Сент-Клер Девиль понимал, что будущее алюминия связано отнюдь не с ювелирным делом.

«Нет ничего труднее, чем заставить людей использовать новый металл. Предметы роскоши и украшения не могут служить единственной областью его применения. Я надеюсь, что настанет время, когда алюминий будет служить удовлетворению повседневных нужд».

Сент-Клер Девиль
Французский химик

Метод Холла-Эру

Ситуация изменилась с открытием более дешевого электролитического способа производства алюминия в 1886 году. Его одновременно и независимо друг от друга разработали французский инженер Поль Эру и американский студент Чарльз Холл. Предложенный ими метод подразумевал электролиз расплавленной в криолите окиси алюминия и давал прекрасные результаты, но требовал большого количества электроэнергии.

Чарльз Холл

Поэтому свое первое производство Эру организовал на металлургическом заводе в Нейгаузене (Швейцария), рядом со знаменитым Рейнским водопадом, сила падающей воды которого приводила в действие динамо-машины предприятия.

18 ноября 1888 года, между Швейцарским металлургическим обществом и немецким
промышленником Ратенау было подписано соглашение об учреждении в Нейгаузене Акционерного общества алюминиевой промышленности с общим капиталом в 10 миллионов швейцарских франков. Позднее его переименовали в Общество алюминиевых заводов. На его торговой марке было изображено солнце, восходящее из-за алюминиевого слитка, что должно было, по замыслу Ратенау, символизировать зарождение алюминиевой промышленности. За пять лет производительность завода возросла более чем в 10 раз. Если в 1890 году в Нейгаузене было выплавлено всего 40 тонн алюминия, то в 1895 году – 450 тонн.

Чарльз Холл, воспользовавшись поддержкой друзей, организовал Питтсбургскую восстановительную компанию, которая запустила свой первый завод в Кенсингтоне неподалеку от Питтсбурга 18 сентября 1888 года. В первые месяцы он выпускал лишь около 20-25 кг алюминия в сутки, а в 1890 – уже по 240 кг ежедневно.

Свои новые заводы компания расположила в штате Нью-Йорк вблизи новой Ниагарской гидроэлектростанции. Алюминиевые заводы и в наше время строятся в непосредственной близости от мощных, дешевых и экологичных источников энергии, таких как ГЭС. В 1907 году Питтсбургская восстановительная компания была реорганизована в Американскую алюминиевую компанию или сокращенно Alcoa.

В 1889 году технологичный и дешевый метод производства глинозема – оксида алюминия, основного сырья для производства металла – изобрел австрийский химик Карл Иосиф Байер, работая в Санкт-Петербурге (Россия) на Тентелевском заводе. В одном из экспериментов ученый добавил в щелочной раствор боксит и нагрел в закрытом сосуде – боксит растворился, но не полностью. В нерастворившемся остатке Байер не обнаружил алюминия – оказалось, что при обработке щелочным раствором весь алюминий, содержащийся в боксите, переходит в раствор.

На основе методов Байера и Холла-Эру основаны современные технологии получения алюминия.

Таким образом, за несколько десятилетий была создана алюминиевая промышленность, завершилась история о «серебре из глины» и алюминий стал новым промышленным металлом.

Широкое применение

На рубеже XIX и XX веков алюминий стал применяться в самых разных сферах и дал толчок для развития целых отраслей.

В 1891 году по заказу Альфреда Нобеля в Швейцарии создается первый пассажирский катер Le Migron с алюминиевым корпусом. А через три года шотландская судостроительная верфь Yarrow & Co представила изготовленную из алюминия 58-метровую торпедную лодку. Этот катер назывался «Сокол», был сделан для военно-морского флота Российской империи и развивал рекордную для того времени скорость в 32 узла.

В 1894 году американская железнодорожная компания New York, New Haven, and Hartford Railroad, принадлежавшая тогда банкиру Джону Пирпонту Моргану (J.P. Morgan), начала выпускать специальные легкие пассажирские вагоны, сидения которых были выполнены из алюминия. А всего через 5 лет на выставке в Берлине Карл Бенц представил первый спортивный автомобиль с алюминиевым корпусом.

На площади Пиккадили в Лондоне в 1893 году появилась алюминиевая статуя древнегреческого бога Антероса. Высотой почти в два с половиной метра она стала первой крупной работой из этого металла в сфере искусства – а ведь всего несколько десятков лет назад каминные часы или статуэтки в кабинетах считались роскошью, доступной только высшему обществу.

Но настоящую революцию алюминий совершил в авиации, за что навсегда заслужил свое второе имя – «крылатый металл». В этот период изобретатели и авиаторы во всем мире работали над созданием управляемых летательных аппаратов – самолетов.

17 декабря 1903 года американские авиаконструкторы братья Уилбур и Орвилл Райт впервые в истории человечества совершили полет на управляемом летательном аппарате «Флайер-1». Для того чтобы заставить его полететь они попытались использовать автомобильный двигатель, однако он оказался слишком тяжелым. Поэтому специально для «Флайера-1» разработали полностью новый двигатель, детали которого были изготовлены из алюминия. Легкий 13-сильный мотор поднял первый в мире самолет с Орвиллом Райтом за штурвалом в воздух на 12 секунд, за которые он пролетел 36,5 метров. Братья совершили еще два полета по 52 и 60 метров на высоте около 3 метров от уровня земли.

В 1909 году был изобретен один из ключевых алюминиевых сплавов – дюралюминий. На его получение у немецкого ученого Альфреда Вильма ушло семь лет, но они того стоили. Сплав с добавлением меди, магния и марганца был таким же легким, как алюминий, но при этом значительно превосходил его по твердости, прочности и упругости. Дюралюминий быстро стал главным авиационным материалом. Из него был сделан фюзеляж первого цельнометаллического самолета в мире Junkers J1, разработанного в 1915 году одним из основателей мирового авиастроения, знаменитым немецким авиаконструктором Хуго Юнкерсом.

Мир входил в этап войн, в которых авиация стала играть стратегическую, а иногда решающую роль. Поэтому дюралюминий первое время являлся военной технологией и метод его получения держался в секрете.

Тем временем, алюминий осваивал новые и новые сферы применения. Из него начали массово производить посуду, которая быстро и почти полностью вытеснила медную и чугунную утварь. Алюминиевые сковородки и кастрюли легкие, быстро нагреваются и остывают, а также не ржавеют.

В 1907 году в Швейцарии Роберт Виктор Неер изобретает способ получения алюминиевой фольги методом непрерывной прокатки алюминия. В 1910 году он уже запускает первый в мире фольгопрокатный завод. А еще через год компания Tobler использует фольгу для упаковки шоколада. В нее, в том числе, заворачивают и знаменитый треугольный Toblerone.

Очередной переломный момент для алюминиевой промышленности наступает в 1920 году, когда группа ученых под руководством норвежца Карла Вильгельма Содерберга изобретает новую технологию производства алюминия, которая существенно удешевляла метод Холла-Эру. До этого в качестве анодов в процессе электролиза использовались предварительно обожженные угольные блоки – они быстро расходовались, поэтому постоянно требовалась установка новых. Содерберг решил эту проблему с помощью постоянно возобновляемого электрода. Он формируется в специальной восстановительной камере из коксосмоляной пасты и по мере необходимости добавляется в верхнее отверстие электролизной ванны.

Технология Содерберга быстро распространяется по всему миру и приводит к увеличению объемов его выпуска. Именно ее берет на вооружение СССР, не имевший тогда собственной алюминиевой промышленности. В дальнейшем развитие технологий вновь сделало применение электролизеров с обожженными анодами предпочтительнее из-за отсутствия на них выбросов смолистых веществ и меньшего расхода электроэнергии. Кроме того, одним из основных достоинств электролизеров с обожженными анодами является возможность увеличения силы тока, то есть производительности.

Еще в 1914 российский химик Николай Пушин писал: «Россия, потребляющая ежегодно 80 000 пудов алюминия, сама не производит ни одного грамма этого металла, и весь алюминий покупает за границей».

В 1920 году, несмотря на продолжающуюся гражданскую войну, руководство страны понимает, что для промышленного роста и индустриализации огромной территории необходимы колоссальные объемы электроэнергии. Для этого был разработана и принята программа, получившая название «План ГОЭЛРО» (ГОсударственной комиссии по ЭЛектрификации РОссии). Он подразумевал строительство на российских реках каскадов ГЭС, а чтобы для вырабатываемой ими энергии сразу был потребитель, рядом было решено строить алюминиевые заводы. При этом алюминий использовался как для военных, так и гражданских нужд.

Первая Волховская ГЭС была запущена в 1926 году в Ленинградской области, рядом с ней возводят Волховский алюминиевый завод, который дал свой первый металл в 1932 году. К началу Второй мировой войны в стране было уже два алюминиевых и один глиноземный завод, еще два алюминиевых предприятия были построены в течение войны.

В это время алюминий активно использовался в авиации, судостроении и автомобилестроении, а также начинал свой путь в строительстве. В США в 1931 году был построен знаменитый небоскреб Empire State Building, вплоть до 1970 года, являвшийся самым высоким зданием в мире. Это было первое здание, при строительстве которого широко использовался алюминий, как в основных конструкциях, так и в интерьере.

Вторая мировая война видоизменила основные рынки спроса на алюминий – на первый план выходит авиация, изготовление танковых и автомобильных моторов. Война подтолкнула страны антигитлеровской коалиции к увеличению объема алюминиевых мощностей, совершенствовалась конструкция самолетов, а вместе с ними и виды новых алюминиевых сплавов. «Дайте мне 30 тысяч тонн алюминия, и я выиграю войну», - писал в 1941 году президенту США Франклину Рузвельту глава СССР Иосиф Сталин. С окончанием войны заводы переориентировались на гражданскую продукцию.

В середине XX века человек шагнул в космос. Чтобы сделать это вновь понадобился алюминий, для которого аэрокосмическая отрасль с тех пор стала одной из ключевых сфер применения. В 1957 году СССР вывел на орбиту Земли первый в истории человечества искусственный спутник – его корпус состоял из двух алюминиевых полусфер. Все последующие космические аппараты изготавливались из крылатого металла.

В 1958 году в США появился алюминиевый продукт, ставший впоследствии одним из самых массовых товаров из алюминия, символом экологичности этого металла и даже культовым предметом в области искусства и дизайна. Это алюминиевая банка. Ее изобретение делят между собой алюминиевая компания Kaiser Aluminum и пивоваренная Coors. К слову, последняя не только первой стала продавать пиво в алюминиевых банках, но и организовала систему сбора и переработки использованных банок. В 1967 году разливать свои напитки в алюминиевые банки начинают Coca-Cola и Pepsi.

В 1962 году легендарный гонщик Микки Томпсон и его гоночный болид Harvey Aluminium Special Indianapolis 500 car, выполненный из алюминиевых сплавов, стали сенсацией. Несмотря на то, что машина уступала конкурентам по мощности на целых 70 лошадиных сил, Томпсону удалось занять восьмое место в квалификации и быть девятым по ходу гонок. В результате его команда получила награду Mechanical Achievement Award за прорыв в дизайне гоночных болидов.

Спустя два года в Японии был запущен знаменитый Shinkansen - первый в мире высокоскоростной поезд, прообраз всех современных поездов такого типа, в которых алюминий является ключевым материалом. Он курсировал между Токио и Осакой и преодолевал расстояние в 515 км за 3 часа 10 минут, разгоняясь до 210 км/ч.