Алюминий (Al)

[aluminium] — химический элемент III группы Периодической системы; атомный номер 13, атомная масса 26,9815; серебристо-белый легкий металл. Состоит из одного стабильного изотопа ²⁷Al. Первый промышленный способ производства Al предложил в 1854 г. французский химик А. Э. С-Клер Девиль: восстановление двойного хлорида Na₃AlCl₆ металлическим Na. Похожий по цвету на серебро Al сначала ценился очень дорого. С 1855 по 1890 г. было получено всего 200 т Al. Современный способ получения Al электролизом криолито-глиноземного расплава разработали в 1886 г. одновременно и независимо Ч. Холл (США) и П. Эру (Франция).По распространенности в природе Al занимает 3-е место после кислорода и кремния и 1-е — среди металлов. Его содержание в земной коре 8,80 мас. %. В свободном виде Al в силу химической активности не встречается. Известны сотни минералов Al, преимущественно алюмосиликатов. Промышленное значение имеют бокситы, алуниты и нефелины. Нефелиновые породы беднее бокситов глиноземом, но при их комплексной переработке разработанным в России способом получают важные побочные продукты: соду, поташ, серную кислоту. Нефелиновые руды в России образуют, в отличие от бокситов, весьма крупные месторождения (на Кольском полуострове, на Урале, в Красноярском крае и др.).
Al сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие тепло- и электропроводность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Al хорошо сваривается газовой, контактной и другими видами сварки. Решетка Al — ГЦК (а = 0,40413 нм). Свойства Al, как и всех металлов, зависят от его чистоты. Свойства Al особой чистоты (99,996 %): γ_{20 °С} = 2,69 г/см³; t_пл = 660,24 °С; t _кип = 2500 °с; ТКЛР (от 20 до 100 °С) 23,86 • 10^-6; λ_{190 °С} = 343 Вт/(м • К) электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5 %. Прочность Al невысока (σ_B= 50-60 МПа), НВ = 170 МПа, пластичность до 50 %. После холодной прокатки σ_BAl возрастает до 115 МПа, НВ < 270 МПа, ε₁ снижается до 5 %. Al хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к Ag. При большом сродстве к кислороду, Al на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой Al₂O₃, защищающей его от дальнейшего окисления и обусловливающего высокие антикоррозионные свойства. Al стоек на воздухе, в морской и пресной воде, практически не взаимодействует с концентрирированной или сильно разбавленной HNO₃, с органическими кислотами, пищевыми продуктами.
Произодство Al включает две основные стадии: получение глинозема (Al₂O₃) сложной химической переработкой Al-руд и металлического Al электролизом Al₂O₃, растворённого в расплавленном криолите (Na₃AlF₆). Глинозем получают из бокситов, нефелинов, алунитов, но наиболее широко используют бокситы, которые, в основном, перерабатывают по способу Байера (Смотри Глинозем). Электролиз раствора Al₂O₃ в криолите ведут в электролизерах при 950 — 975 °С. Используют электролизеры трех основных конструкций: с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым подводом тока; те же, но с верхним подводом тока; с обожженными анодами. Электролитная ванна-железный кожух, футерованный огнеупорным кирпичом и выложенный угольными плитами и блоками. Катод-подина ванны. Промышленный электролит помимо криолита содержит добавки (AlF₃, CaF₂, LiF, MgF₂, NaCl и др.), сумма которых не превышает 8-10 %. Основное назначение добавок-снижение t_пл электролита и увеличение электропроводности. В промышленном электролите поддерживают содержание 6-8 % Al₂O₃ во избежание его остатков на подине ванны. Важная характеристика электролита — криолитовое отношение — отношение молярных содержаний NaF/AlF₃. Для чистого криолита криолитовое отношение = 3. Электролиты с криолитовым отношением = 3 называют нейтральными, < 3 — кислыми, > 3 — основными. В промышленных Al-ваннах применяют кислые электролиты с криолитовым отношением = 2,6-5-2,8. У промышленного электролита γ = 2,09-2,11 г/см³ при 1100 °С, т.е. на ~ 10 % меньше, чем у расплавленного Al.
При электролизе Al₂O₃ Fe, Si и Cu. Предельно-допустимая концентрация в воздухе пыли металлического Al и его оксидов-2 мг/м³.
Сочетание физических, механических и химических свойств Al определяет его широкое применение во всех областях техники, особенно в виде сплавов (Смотри Al-сплавы). В электротехнике Al успешно заменяет Cu, особенно в массивных проводниках, например, воздушных линий, высоковольтных кабелях, шинах распределяющих устройств, трансформаторов и т. п. (при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводников из Al вдвое меньше медных). Сверхчистый Al используют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей. Al применяют для предохранения металлических поверхностей от атмосферной коррозии (алитирование, Mg, Ti, Ni, Zn и один из основных раскислителей сталей и сплавов на основе железа.