Алюминий – химический элемент в главной подгруппе III группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Открыт датским учёным Х. Эрстедом в 1825 г. Порядковый номер его 13, атомный вес 26,9815. Электронная конфигурация атома алюминия в невозбужденном состоянии 1s22s22p63s23p1. Валентными являются три электрона s- и р-подуровней последнего слоя, в соответствии с этим алюминий проявляет максимальную валентность 3+. В обычных условиях алюминий проявляет степень окисления +3, при высоких температурах +1, редко +2.
Алюминий состоит из одного стабильного изотопа 27Al (100%). Алюминий - серебристо-белый лёгкий металл. Решётка алюминия кубическая гранцентрированная с параметром а = 0,40413 нм. (4,0413 Е). Алюминий высокой чистоты (99,996%) характеризуется следующими физическими свойствами: плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м3, t плавления 660,24°С, t кипения 2500°С, теплопроводность (при 190°С) 343 Вт/м • К, удельная теплоёмкость (при 100°С) 931,98 Дж/кг • К, электропроводность по отношению к меди (при 20°С) 65,5%, коэффициент термического расширения (от 20 до 100°С) 2,39 • 10-5 град-1. Алюминий обладает невысокими прочностью (предел прочности при растяжении 50-60 МПа) и твёрдостью (170 МПа, по Бринеллю), но высокой пластичностью (до 50%). Алюминий хорошо полируется, анодируется и имеет высокую отражательную способность (90%). Алюминий стоек к действию различных типов природных вод, азотной и органической кислот. На воздухе алюминий покрывается тонкой прочной плёнкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и коррозии.
Алюминий обладает большим сродством к кислороду, образуя окись Al2О3; в порошкообразном состоянии при накаливании в токе кислорода он сгорает, развивая температуру около 3000°С. Эту особенность алюминия используют в алюминотермии для восстановления некоторых металлов из их окислов. При высокой температуре алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AlN, карбид Al4С3 и сульфид Al2S3. С водородом алюминий не взаимодействует; гидрид (AlH3)х получают косвенным путём. Алюминий легко растворяется в щелочах с выделением водорода и образованием алюминатов. Большинство солей алюминия хорошо растворимо в воде.
Алюминий по распространенности в земной коре занимает третье место. Содержание его в литосфере, по А.П.Виноградову, 8,80%. В природе встречается исключительно в виде соединений. Алюминий входит в состав 270 минералов. Наиболее распространенные из них алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды и др.) и продукты их выветривания - глины. Важнейшие минералы: калиевый полевой шпат, плагиоклаз, биотит, мусковит, цинвальдит, лепидолит, нефелин и лейцит. Известны двойные силикаты кальция и алюминия - цоизит, эпидот и везувиан, двойной силикат магния и алюминия - кордиерит. Силикат алюминия Al2SiO5 образует минералы: кианит, силлиманит и андалузит. Из содержащих фтор алюмосиликатов можно отметить топаз Аl2(ОН,F)2[SiO4]. Оксид алюминия -минерал корунд. Важнейший источник получения алюминия - боксит - состоит из минералов бемита и диаспора АlООН и гидраргиллита (гиббсита) Аl(ОН)3. Важным минералом алюминия является также криолит Na3AlF6. Из руд основным сырьём для получения алюминия служат бокситы. Затем используются нефелиновые сиениты и их разновидности (уртиты, силлиманитовые и кианитовые сланцы, алунитовые породы).
Основной особенностью геохимического поведения алюминия в эндогенных процессах является его довольно равномерное распределение в кристаллизующихся алюмосиликатах - полевых шпатах, слюдах, амфиболах и пироксенах. Для постмагматических и гидротермальных образований он не характерен. Единственным своеобразным, но достаточно редким минералом алюминия, связанным с пегматитами, является криолит Na3[AlF6]. В экзогенных процессах алюминий - весьма слабый мигрант вследствие высокой гидролизуемости его солей с выпадением в осадок малорастворимой гидроокиси Al(OH)3, слабой растворимости его других соединений, высокой кристаллохимической устойчивости алюмокремнекислородных радикалов в алюмосиликатах. Главным концентратором алюминия в экзогенных процессах является каолин, образующийся как остаточный продукт в процессе выветривания кислых, средних и основных пород. Впоследствии при размыве и переотложении каолинитовых кор выветривания алюминий попадает в осадочные породы, главным образом глины. В особо контрастных условиях выветривания (влажные тропики, высокая температура среды) разложение в горных породах достигает стадии формирования остаточных (элювиальных) бокситов. Мало алюминия в живых организмах и гидросфере, хотя и известны отдельные организмы - концентраторы алюминия (плауны, некоторые виды моллюсков). Вместе с тем в почвах и в некоторых водах, богатых органическим веществом, отмечается определённая миграционная подвижность алюминия в виде органо-минеральных соединений. Особая подвижность алюминия устанавливается в некоторых вулканогенно-гидротермальных ультракислых и кислых растворах.
Металлический алюминий в промышленности получают электролизом раствора глинозёма в расплавленном криолите или расплаве AlCl3; А. высокой чистоты (99,996%) вырабатывают электролитическим рафинированием с помощью т.н. трёхслойного способа. Принципиально та же технология, но с использованием органических электролитов позволяет доводить чистоту рафинируемого алюминия до 99,999%.
См. также:
Литература:
- Тихонов В. Н. Аналитическая химия алюминия. М., «Наука». 1971, стр. 266.
Статья
Обсуждение