АЛЮМИ́НИЙ

АЛЮМИ́НИЙ (лат. Alu­min­ium), Al, хи­мич. эле­мент III груп­пы ко­рот­кой фор­мы (13-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы, ат. н. 13, ат. м. 26,981538. В при­ро­де один ста­биль­ный изо­топ ²⁷Al; ис­кус­ствен­но по­лу­че­ны ра­дио­ак­тив­ные изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 21–40, на­и­бо­лее дол­го­жи­ву­щий из ко­то­рых ²⁹Al (β-рас­пад, T_1/2 6,56 мин).

Историческая справка

Назв. «А.» про­ис­хо­дит от лат. alu­men – так за 500 лет до н. э. на­зы­ва­лись алю­ми­ние­вые квас­цы, ис­поль­зуе­мые как про­тра­ва при кра­ше­нии тка­ней и для дуб­ле­ния ко­жи. Впер­вые А. по­лу­чен Х. Эр­сте­дом в 1825 дей­ст­ви­ем амаль­га­мы ка­лия на хло­рид алю­ми­ния с по­сле­дующей отгон­кой рту­ти. Пер­вый пром. спо­соб про­из-ва А. – вос­ста­нов­ле­ни­ем Na₃AlCl₆ ме­тал­лич. на­три­ем – пред­ло­жил в 1854 А. Сент-Клер Де­виль. Совр. элек­тро­ли­тич. спо­соб по­лу­че­ния А. раз­ра­бо­тан в 1886 од­но­вре­мен­но и не­за­ви­си­мо друг от дру­га Ч. Хол­лом в США и П. Эру во Фран­ции.

Распространённость в природе

А. – са­мый рас­про­стра­нён­ный ме­талл и чет­вёр­тый по рас­про­стра­нён­но­сти (по­сле ки­сло­ро­да, во­до­ро­да и крем­ния) из всех хи­мич. эле­мен­тов. Со­дер­жа­ние в зем­ной ко­ре 8,8% по мас­се. Вслед­ст­вие вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­сти в сво­бод­ном ви­де не встре­ча­ет­ся. Из­вест­но неск. со­тен ми­не­ра­лов А., пре­им. алю­мо­си­ли­ка­тов (не­фе­лин, као­ли­нит и др.). На­и­бо­лее бо­га­тые А. по­ро­ды (бок­си­ты и др.) яв­ля­ют­ся алю­ми­ние­вы­ми ру­да­ми.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма А. 3s²3p¹; сте­пень окис­ле­ния +3, при вы­со­кой темп-ре об­ра­зу­ет со­еди­не­ния со сте­пе­нью окис­ле­ния +1 (ре­же +2); элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 1,5; атом­ный ра­ди­ус 143 пм.

А. – се­реб­ри­сто-бе­лый ме­талл. Кри­стал­лич. ре­шёт­ка А. ку­би­че­ская гра­не­цен­три­ро­ван­ная; t_пл 660 °С, t_кип 2519 °С. А. – лёг­кий, элек­тро- и те­п­ло­про­водный ме­талл: при 20 °С плот­ность 2698 кг/м³, удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние 2,6548610^–8 Ом·м, те­п­ло­про­вод­ность 237 Вт/(м·К). А. об­ла­да­ет вы­со­кой пла­стич­но­стью и хо­ро­шей кор­ро­зи­он­ной стой­ко­стью; лег­ко под­да­ёт­ся прес­со­ванию, про­кат­ке, ков­ке, штам­по­ва­нию, во­ло­че­нию; хо­ро­шо по­ли­ру­ет­ся, ано­ди­ру­ет­ся, име­ет вы­со­кую от­ра­жат. спо­соб­но­сть (от­ра­жа­ет до 90% па­даю­ще­го све­то­во­го из­лу­че­ния). Тер­мич. об­ра­бот­кой не уп­роч­ня­ет­ся. А. хо­ро­шо сва­ри­ва­ет­ся га­зо­вой, ар­го­но­ду­го­вой, кон­такт­ной свар­кой.

А. на воз­ду­хе по­кры­ва­ет­ся тон­ким, проч­ным сло­ем ок­си­да Al₂O₃ (см. Алю­ми­ния ок­сид), пре­до­хра­няю­щим от даль­ней­ше­го окис­ле­ния и обу­слов­ли­ваю­щим вы­со­кую кор­ро­зи­он­ную стой­кость ме­тал­ла. По­ро­шок А. со ср. раз­ме­ром час­тиц ок. 10 мкм пи­ро­фо­рен. При сжи­гании А. в то­ке ки­сло­ро­да дос­ти­га­ет­ся темп-ра вы­ше 3000 °С. Спо­соб­ность А. вы­тес­нять ме­тал­лы из их со­еди­не­ний ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния ме­тал­лов и их спла­вов вос­ста­нов­ле­ни­ем ок­си­дов ме­тал­лов – алю­ми­но­тер­мия. При 20 °С в ат­мо­сфе­ре фто­ра А. по­кры­ва­ет­ся плёнкой фто­ри­да алю­ми­ния; хлор и бром реа­ги­ру­ют с А. при 20 °С, иод – при на­гре­ва­нии; про­дук­та­ми ре­ак­ции яв­ля­ют­ся алю­ми­ния га­ло­ге­ни­ды. При темп-ре вы­ше 200 °С взаи­мо­дей­ст­ву­ет с се­рой, об­ра­зуя суль­фид Al₂S₃. С во­до­ро­дом А. не взаи­мо­дей­ст­ву­ет, но во­до­род яв­ля­ется не­из­беж­ной при­ме­сью в А. и всех его спла­вах, при­сут­ст­вуя в жид­ком А. в ви­де пу­зырь­ков и об­ра­зуя плён­ки, ино­гда в ви­де алю­мо­гид­ри­дов ме­тал­лов, ухуд­шаю­щих свой­ст­ва ме­тал­ла. С азо­том при темп-ре вы­ше 800 °С А. об­ра­зует нит­рид AlN (бе­лые кри­стал­лы, t_пл 2200 °С; ог­не­упор­ный, кор­ро­зи­он­но- и из­но­со­стой­кий ма­те­ри­ал). При темп-ре 1400 °С об­ра­зу­ет с уг­ле­ро­дом кар­бид Al₄C₃. А. взаи­мо­дей­ст­ву­ет со мн. ме­тал­ла­ми (Cu, Mg, Zn, Si, Li, Mn, Cr, Zr, Sc, Ag), об­ра­зуя ме­тал­лич. спла­вы эв­тек­ти­чес­ко­го или пе­ри­тек­ти­чес­ко­го со­ста­вов. На ба­зе этих мно­го­ком­по­нент­ных сис­тем соз­да­ны прак­ти­че­ски все пром. алю­ми­ние­вые спла­вы. А. ус­той­чив в кон­цен­трированных азот­ной HNO₃ и сер­ной H₂SO₄ ки­сло­тах, не реа­ги­ру­ет с фос­фор­ной H₃PO₄ и со­ля­ной HCl ки­сло­та­ми. А. лег­ко взаи­мо­дей­ст­ву­ет с раз­бав­лен­ны­ми сер­ной и азот­ной ки­сло­та­ми, об­ра­зуя со­ли – суль­фат Al₂(SO₄)₃ и нит­рат Al(NO₃)₃, рас­тво­ры ко­то­рых вслед­ст­вие гид­ро­ли­за име­ют кис­лую ре­ак­цию. А. хо­ро­шо рас­тво­ря­ет­ся в ще­лочах, об­ра­зуя алю­ми­на­ты. Из­вест­ны мно­го­числ. алю­ми­ний­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния.

Получение

В пром-сти А. по­лу­ча­ют элек­тро­ли­зом рас­тво­ра алю­ми­ния ок­си­да Al₂O₃ в рас­плав­лен­ном крио­ли­те Na₃AlF₆ при темп-ре 950 °С. Элек­тро­лиз­ная ван­на вы­пол­ня­ет­ся в ви­де же­лез­но­го ящи­ка, по­ди­на и бо­ко­вые стен­ки фу­те­ру­ют­ся пли­та­ми из сме­си уг­ле­ро­да и гра­фита (слу­жат ка­то­дом), свер­ху в ван­ну опус­ка­ют­ся обож­жён­ные пли­ты из уг­ле­ро­ди­стой мас­сы (анод). При про­хо­ж­де­нии по­сто­ян­но­го элек­трич. то­ка Al₂O₃ раз­ла­га­ет­ся на Al, ко­то­рый на­ка­п­ли­ва­ет­ся на по­ди­не, и О₂, об­ра­зую­щий с ма­те­риа­лом ано­да ок­си­ды уг­ле­ро­да СО и СО₂. Рас­плав­лен­ный А., со­дер­жа­щий ок. 1% при­ме­сей, раз­ли­ва­ют в фор­мы или от­ли­ва­ют не­пре­рыв­ным ме­то­дом. Из не­го элек­тро­ли­тич. ра­фи­ни­ро­ва­ни­ем по­лу­ча­ют А. вы­со­кой чис­то­ты – не бо­лее 0,05% при­ме­сей. При про­из-ве А. зон­ной плав­кой со­дер­жа­ние азо­та и се­ры не долж­но пре­вы­шать 10^–4%, лю­бой др. при­ме­си – 10^–5%. Про­из-во А. свя­за­но с вы­со­ким рас­хо­дом элек­тро­энер­гии. Ми­ро­вое про­из-во А. со­став­ля­ет ок. 25 млн. т/год (2002).

Применение

А. ис­поль­зу­ют гл. обр. для по­лу­че­ния спла­вов. По объ­ё­му при­ме­не­ния A. и его спла­вы за­ни­ма­ют 2-е ме­сто сре­ди ме­тал­лов по­сле ста­ли. А. – од­на из са­мых рас­про­стра­нён­ных ле­гирую­щих до­ба­вок в спла­вах на ос­но­ве ме­ди, маг­ния, ти­та­на, цин­ка, ни­ке­ля, же­ле­за. Чис­тый А. ис­поль­зу­ют: в элек­тро­тех­ни­ке (ка­бе­ли и др. то­ко­про­во­дя­щие из­де­лия); элек­тро­ни­ке (в т. ч. для из­го­тов­ле­ния по­лу­про­вод­ни­ко­вых при­бо­ров); для из­го­тов­ле­ния зер­кал-от­ража­те­лей, спец. хи­мич. ап­па­ра­ту­ры и ре­зер­вуа­ров для хра­не­ния и транс­пор­ти­ров­ки жид­ких га­зов (ме­тан, ки­сло­род, во­до­род и пр.), азот­ной и ук­сус­ной ки­слот, чис­той во­ды, пи­ще­вых ма­сел; как кон­ст­рукц. ма­те­ри­ал ядер­ных ре­ак­то­ров. А. ши­ро­ко при­ме­ня­ют как рас­кисли­тель в про­из-ве ста­ли, для по­лу­че­ния ме­тал­лов и спла­вов ме­то­дом алю­ми­нотер­мии, по­рош­ко­об­раз­ный А. – как ком­по­нент твёр­дых ра­кет­ных то­п­лив, взрыв­ча­тых ве­ществ. По­кры­тия из А. на­но­сят на ме­тал­лич. по­верх­но­сти для пре­до­хра­не­ния от кор­ро­зии (пла­ки­ро­ва­ние, алю­ми­ние­вая крас­ка). А. – кон­струкц. ма­те­ри­ал в стро­и­тель­ст­ве жи­лых и об­щест­вен­ных зда­ний, с.-х. объ­ек­тов и пр. Из не­го из­го­тав­ли­ва­ют де­та­ли быто­вых электро­при­бо­ров (хо­ло­диль­ни­ков, сти­раль­ных ма­шин, кон­ди­ци­о­не­ров и пр.), а так­же ки­пя­тиль­ни­ки, ка­стрю­ли и др. бы­то­вую по­су­ду, ме­бель, спор­тив­ный ин­вен­тарь, кар­ни­зы, што­ры, лод­ки, та­ру для пи­ще­вых про­дук­тов (кон­серв­ные бан­ки, ту­бы, од­но­ра­зовые ём­ко­сти из фоль­ги для пи­щи и пр.). Со­ли А. ис­поль­зу­ют при дуб­лении кож, а так­же как про­тра­ву при кра­ше­нии тка­ней; ги­дро­ксид А. – об­во­ла­ки­ваю­щее и ад­сор­би­рую­щее сред­ство в ме­ди­ци­не.

Алюминий в почве и организмах

Все поч­вен­ные ми­не­ра­лы, в со­став ко­то­рых вхо­дит А., спо­соб­ны ад­сор­би­ро­вать ор­га­нич. ве­ще­ст­ва. Яв­ля­ясь к то­му же ка­та­ли­за­то­ра­ми хи­мич. ре­ак­ций, ми­не­ра­лы А. уча­ст­ву­ют в про­цес­сах гу­му­со­об­ра­зо­ва­ния.

А. от­но­сит­ся к чис­лу мик­ро­эле­мен­тов. В со­ста­ве боль­шин­ст­ва ор­га­низ­мов он со­дер­жит­ся в не­зна­чит. ко­ли­че­ст­вах, при­чём его кон­цен­тра­ции в разл. объ­ек­тах мо­гут су­ще­ст­вен­но ко­ле­бать­ся (напр., в картофеле – ок. 4 мг на 1 кг су­хо­го ве­ще­ст­ва, в жёл­той репе – ок. 45 мг, в мёде – 4 мг, в говядине – ок. 70 мг). С на­ли­чи­ем вы­со­ко­го со­дер­жа­ния А. свя­зы­ва­ют ле­чеб­ные свой­ст­ва ки­тай­ско­го чая (0,84 мг А. на 1 г су­хо­го ве­ще­ст­ва), кор­ней им­би­ря ле­кар­ст­вен­но­го (0,74 мг), ра­пон­ти­ку­ма со­фло­ро­вид­но­го (ок. 0,94 мг), са­бель­ни­ка бо­лот­но­го (ок. 0,55 мг), бе­рё­зо­вых по­чек (бо­лее 0,15 мг). К чис­лу организмов – кон­цен­тра­то­ров А. от­но­сят­ся плау­ны и мол­лю­ски (сем. ге­ли­ци­ды и лит­то­ри­ны): в их зо­ле на до­лю А. при­хо­дит­ся 5,3% и 0,2–0,8% А. со­от­вет­ст­вен­но. Мн. рас­те­ния пло­хо пе­ре­но­сят по­вы­шен­ные кон­цен­тра­ции А., в т. ч. крас­ный кле­вер, свёк­ла, лю­цер­на, яч­мень, мор­ковь, ка­пус­та, ози­мая пше­ни­ца и рожь, а мхи и па­по­рот­ни­ки, на­про­тив, лег­ко при­спо­саб­ли­ва­ют­ся к вы­со­ко­му его со­дер­жа­нию в поч­ве. В ор­га­низм че­ло­ве­ка еже­днев­но с пи­щей и во­дой по­сту­па­ет до 40–45 мг А. Он на­ка­п­ли­ва­ет­ся (как и у др. мле­ко­пи­таю­щих) в пе­че­ни, под­же­лу­доч­ной и щи­то­вид­ной же­ле­зах. По­ка не яс­но, в ка­ких хи­мич. ре­ак­ци­ях уча­ст­ву­ет А. Его роль в рас­те­ни­ях свя­зы­ва­ют с вы­со­кой спо­соб­но­стью к ге­леоб­ра­зо­ва­нию. При­сут­ст­вие А. в вы­соко­очи­щен­ных пре­па­ра­тах РНК, ДНК и фи­то­хро­ма ука­зы­ва­ет на то, что он мо­жет уча­ст­во­вать в под­дер­жа­нии их кон­фи­гу­ра­ции. Пред­по­ла­га­ют, что А. яв­ля­ет­ся спе­ци­фич. ак­ти­ва­то­ром ря­да фер­мен­тов, в т. ч. сук­ци­нат­де­гид­ро­ге­на­зы и пи­ри­док­са­ле­вых фер­мен­тов. Воз­мож­но, А. иг­ра­ет оп­ре­де­лён­ную роль в раз­ви­тии бо­лез­ни Альц­гей­ме­ра. По­сто­ян­ное вды­ха­ние пы­ли ме­тал­лич. А. и его со­еди­не­ний вы­зы­ва­ет алю­ми­ноз.