Cos'è l'alluminio: formula, reazioni, proprietà e applicazioni

L'alluminio è un elemento del terzo periodo della tavola periodica con numero atomico 13. In termini di prevalenza, è il primo tra i metalli e il terzo tra gli elementi chimici della crosta terrestre (dopo l'ossigeno e il silicio). Scopriamo più in dettaglio cosa è l'alluminio e quali proprietà ha.

Caratteristiche generali

Allora, cos'è l'alluminio? Prima di tutto, è un metallo paramagnetico leggero di colore bianco-argento, che è molto malleabile per la lavorazione (fusione, stampaggio, lavorazione, ecc.). La formula chimica dell'alluminio è nota a tutti dal corso di chimica scolastica - Al. Ha un'elevata conducibilità elettrica e termica, oltre alla resistenza ai processi di corrosione. Quest'ultima proprietà è causata dalla capacità dell'alluminio di formare rapidamente pellicole di ossido che proteggono la sua superficie.

Sfondo storico

La comunità mondiale ha imparato cos'è l'alluminio, nel 1825, grazie al fisico danese Hans Oersted. Lo scienziato ha condotto l'interazione di amalgama di potassio con cloruro di alluminio, seguito dall'estrazione di mercurio. L'elemento chimico prende il nome dalla parola latina alumen, che viene tradotto come "allume".

Prima che venisse scoperto il metodo industriale di produzione dell'alluminio, questo metallo era valutato più dell'oro. Nel 1889, volendo onorare il magnifico dono di D.I. Mendeleev, gli inglesi gli hanno consegnato una scala fatta di oro e alluminio.

reception

Il metallo forma un forte legame con l'ossigeno-allumina. Rispetto ad altri metalli noti, il suo recupero dal minerale è più laborioso. La ragione di ciò risiede nell'elevata reattività e nell'elevato punto di fusione dell'alluminio, e più specificamente dei suoi minerali. Il metodo di riduzione diretta del carbonio non viene utilizzato, poiché la capacità di riduzione di questo metallo è superiore a quella del carbonio. Il recupero indiretto è possibile. Si tratta della preparazione di un prodotto intermedio Al ₄ C ₃ , che viene decomposto a una temperatura di circa 2000 ° C per formare alluminio. Finora questo metodo è in fase di sviluppo, ma è già noto che richiederà meno energia rispetto al metodo Hall - Eru.

La tecnica Hall - Eru, che è di gran lunga la più usata oggi, fu sviluppata nel 1886 in parallelo da due scienziati: l'americano Charles Hall e il francese P. Erou. La sua essenza risiede nella dissoluzione di Al ₂ O ₃ (ossido di alluminio) in Na ₃ AlF ₆ (fusione di criolite) e successiva elettrolisi mediante elettrodi anodici (coke o grafite). Poiché questo metodo è molto costoso, è stato ampiamente utilizzato solo nel ventesimo secolo.

La produzione di una tonnellata di bozza di alluminio richiede 1,92 tonnellate di allumina, 0,6 tonnellate di elettrodi, 0,065 tonnellate di criolite, 0,035 tonnellate di fluoruro di alluminio e circa 61 GJ di elettricità.

Per quanto riguarda il metodo di laboratorio per produrre alluminio, fu inventato nel 1827 da Friedrich Wohler. L'essenza del metodo consiste nella riduzione del cloruro di alluminio anidro con metallo di potassio. La reazione ha luogo quando è riscaldata, senza accesso all'aria.

Posto in natura

La concentrazione di massa di questa sostanza nella crosta terrestre è stimata al 7,45-8,14%. Secondo questo indicatore, l'alluminio occupa il primo posto tra i metalli e il terzo tra gli elementi chimici in generale.

In natura, a causa dell'attività chimica del metallo, si verifica principalmente sotto forma di composti. I principali minerali dell'alluminio: bauxite, corindone, nefelina, allumina, alunite, feldspati, berillo, caolinite e crisoberillo. Nelle prese d'aria dei vulcani, in cui sono state create condizioni di riduzione specifiche, sono state trovate piccole quantità di metallo nativo.

Nelle acque naturali, l'alluminio è rappresentato sotto forma di composti a bassa tossicità, ad esempio il fluoruro. L'aspetto del catione o dell'anione è principalmente influenzato dall'acidità del mezzo. In acqua dolce, la concentrazione della soluzione di alluminio può variare da 0,001 a 10 mg / l, e in acqua salata - circa 0,01 mg / l.

La composizione dell'alluminio naturale è dominata dall'isotopo stabile ²⁷ Al e vi sono tracce insignificanti di ²⁶ Al.

Proprietà fisiche

Le principali proprietà fisiche del materiale:

1. Densità - 2712 kg / m ³ .
2. Punto di ebollizione - 2500 ° С.
3. Punto di fusione - 660 ° С.
4. Capacità termica specifica - 897 J / kg * K.
5. Durezza Brinell - da 24 a 32 kgf / mm².
6. Plasticità di materiale puro - 50%.
7. Modulo di Young - 70 GPa.
8. Conduttività elettrica - 37 * 10 ⁶ Cm / m.
9. Conduttività termica - 203,5 W / (m * K).

L'alluminio può formare leghe con quasi tutti i metalli. Il duralluminio (una lega con rame e magnesio) e il silumin (una lega con silicio) sono i più usati.

Proprietà chimiche

In condizioni normali, questo metallo è rivestito con un film di ossido sottile ma molto resistente, che lo rende resistente agli effetti degli agenti ossidanti standard: acqua, ossigeno e anche acido nitrico e solforico. Tuttavia, l'alluminio reagisce con acido cloridrico. A causa di queste proprietà, il metallo non è suscettibile alla corrosione ed è molto popolare nell'industria.

Con la distruzione del film, l'alluminio può agire come un metallo riducente attivo. Per evitare la formazione di film, si aggiungono gallio, stagno o indio.

Considera le equazioni di base dell'alluminio.

Con sostanze semplici, questo metallo forma i seguenti composti:

1. Con ossido di ossigeno. 4Al + 3O ₂ = 2Al ₂ O ₃ .
2. Con alogeni (eccetto il fluoro) - cloruro, ioduro e bromuro. 2Al + 3Hal ₂ = 2AlHal ₃ (Hal = Cl, Br, I).
3. Con fluoro (quando riscaldato) - fluoruro. 2Al + 3F ₂ = 2AlF ₃ .
4. Con zolfo (quando riscaldato) - solfuro. 2Al + 3S = Al ₂ S ₃ .
5. Con azoto (quando riscaldato) - nitruro. 2Al + N ₂ = 2AlN.
6. Con carbone (se riscaldato) - carburo. 4Al + 3C = Al ₄ C ₃ .

Solfuri e carburi di alluminio può essere completamente idrolizzato.

Le reazioni dell'alluminio con sostanze complesse hanno questo aspetto:

1. Con acqua - dopo aver rimosso la pellicola protettiva. 2Al + 6H ₂ O = 2Al (OH) ₃ + 3H ₂ .
2. Con alcali - forma alluminati. 2Al + 2NaOH + 6H ₂ O = 2Na [Al (OH) ₄ ] + 3H ₂ .
3. Con acido cloridrico e acido solforico diluito - si dissolve in loro. 2Al + 6HCl = 2AlCl ₃ + 3H ₂ .
4. Con agenti acido-ossidanti che formano sali solubili - si dissolve in essi quando riscaldati. 8Al + 15H ₂ SO ₄ = 4Al ₂ (SO ₄ ) ₃ + 3H ₂ S + 12H ₂ O.
5. Con ossidi metallici - ripristina i metalli da loro (alluminotermia). 8Al + 3Fe ₃ O ₄ = 4Al ₂ O ₃ + 9Fe.

produzione

Fino alla fine del XIX secolo, l'alluminio non veniva prodotto su scala industriale. Henri St. Clair Deville, il cui lavoro fu finanziato da Napoleone III (sperava di usare il materiale per l'esercito), inventò il primo metodo di produzione industriale di metallo solo nel 1854. L'essenza del metodo era di spostare l'alluminio dal doppio cloruro di sodio-alluminio usando sodio metallico. Nel 1855 fu prodotto il primo lingotto, il cui peso era di circa 7 kg. Nei 36 anni successivi, questo metodo ha prodotto 200 tonnellate di alluminio. Questo nonostante il fatto che già nel 1856 lo stesso scienziato sviluppò un nuovo metodo basato sull'elettrolisi del fuso del suddetto cloruro.

Nel 1885 fu costruito nella città di Gmelingham (Germania) un impianto per la produzione di alluminio secondo la tecnologia di Nikolai Beketov. Questo metodo non era molto diverso da quello sviluppato da Deville, ma era un po 'più semplice. Era basato sull'interazione tra criolite e magnesio. In cinque anni di attività, l'impianto ha prodotto 58 tonnellate di alluminio - oltre il 25% della produzione mondiale per gli anni 1854-1890.

Il metodo Hall - Eru ha segnato l'inizio di una produzione di metallo più moderna e tecnologicamente avanzata. Da allora, con lo sviluppo dell'ingegneria elettrica, le tecnologie di produzione dell'alluminio si sono evolute. Un contributo notevole allo sviluppo di questa direzione è stato fatto anche dagli scienziati russi: Bayer, Penyakov, Kuznetsov, Zhukovsky, Yakovkin e molti altri.

In Russia, il primo impianto di alluminio fu costruito nella città di Volkhov nel 1932. Nel 1939 l'industria metallurgica dell'URSS produsse quasi 50 mila tonnellate di questo metallo all'anno.

La Seconda Guerra Mondiale divenne un incentivo per il rilascio di molti materiali, compreso l'alluminio. Così, nel 1943, la produzione mondiale ammontava a quasi 2 milioni di tonnellate. Ogni anno, anche dopo la fine della guerra, questa cifra aumentava. Nel 1980 ammontava a 16 milioni di tonnellate, nel 1990 - 18 milioni di tonnellate, nel 2008 - circa 40 milioni di tonnellate, e nel 2016 - quasi 60 milioni di tonnellate.

Il rating dei paesi che producono alluminio in grandi quantità è il seguente:

1. Cina.
2. Russia.
3. Il Canada.
4. Stati Uniti.
5. Australia.

L'offerta mondiale di bauxite è quasi illimitata e incommensurabile con la dinamica della domanda. In futuro, molte delle linee per la produzione di alluminio possono essere riorientate alla produzione, ad esempio, di materiali compositi. Il prezzo di questo metallo all'asta delle borse mondiali delle materie prime negli ultimi dieci anni ha oscillato tra 1250 e 3300 dollari per tonnellata.

Uso di

L'alluminio è ampiamente usato come materiale strutturale. I suoi principali vantaggi sono la leggerezza, la resistenza alla corrosione, l'aderenza alla perforazione, il calore elevato, la salute e l'innocuità. Le proprietà recenti hanno reso il materiale molto popolare nella produzione di utensili da cucina e pellicola trasparente. Grazie alle prime tre proprietà, l'alluminio è diventato la principale materia prima per l'industria aerospaziale e aeronautica. Lo svantaggio principale di questo materiale strutturale è la sua bassa resistenza. Per l'indurimento viene solitamente utilizzato in leghe con piccole quantità di rame e magnesio (duralluminio).

L'alluminio è 1,7 volte inferiore al rame nella conduttività elettrica, ma a causa del fatto che la sua densità è 3,3 volte inferiore, ci vuole metà del peso per ottenere una resistenza approssimativamente uguale. Inoltre, l'alluminio è circa 4 volte più economico del rame. Ciò è dovuto all'uso diffuso di questo materiale nell'ingegneria elettrica (produzione e schermatura dei conduttori) e nella microelettronica (deposizione di conduttori sulla superficie dei microcircuiti). Lo svantaggio principale dell'alluminio come materiale per l'ingegneria elettrica è la formazione di un forte film dielettrico sulla sua superficie. Complifica la saldatura e provoca il riscaldamento delle articolazioni, riducendo la qualità del contatto e l'affidabilità dell'isolamento. Per livellare questa funzione, utilizzare conduttori in alluminio di grande sezione.

Inoltre, l'alluminio è utilizzato in tali direzioni:

1. Gioielli. Naturalmente, questo riguarda principalmente i tempi in cui l'alluminio era molto costoso. Oggi è usato in gioielleria, e in Giappone, questo materiale sostituisce l'argento nella produzione di gioielli tradizionali.
2. Posate. In questa direzione, l'alluminio fu usato ai tempi di Napoleone III, ma ancora oggi è possibile trovare posate da esso ricavate negli stabilimenti di ristorazione.
3. Fabbricazione del vetro Fosfato, fluoruro e allumina sono utilizzati in quest'area.
4. Industria alimentare Questo metallo è registrato come additivo alimentare E173.
5. Industria militare Grazie al basso costo e alla bassa massa di alluminio, viene utilizzato nella produzione di pistole e macchine automatiche.
6. Tecnologia a razzo. L'alluminio e i suoi composti sono stati usati come combustibile per razzi in carburanti a 2 componenti.
7. Energia. L'alluminio viene utilizzato come vettore di energia secondaria.

L'alluminio è usato come agente riducente nelle seguenti aree:

1. Come componente di miscele per aluminothermia.
2. Come riduttore di metalli rari dai loro ossidi e alogenuri.
3. In pirotecnica.
4. Con protezione anodica, come protezione.

Utilizzare le leghe

L'alluminio non puro, ma le sue leghe, sono spesso usati come materiale da costruzione.

Leghe di alluminio-magnesio . Sono caratterizzati da una combinazione di elevata plasticità, resistenza soddisfacente, resistenza alla corrosione, buona saldabilità ed elevata resistenza alle vibrazioni. Il più delle volte nell'industria si utilizzano leghe in cui il contenuto di magnesio oscilla entro i limiti dell'1-5%. Più alto è il tasso, più affidabile è la lega. Ogni percentuale dà un ulteriore 30 MPa a forza finale.

Le leghe contenenti fino al 3% di magnesio in peso sono strutturalmente stabili a temperature normali ed elevate, anche allo stato indurito. Con l'aumento del contenuto di magnesio, la stabilità diminuisce. Con un aumento della sua quantità al 6%, la resistenza alla corrosione della lega si deteriora. Pertanto, per migliorare ulteriormente le caratteristiche di resistenza, i sistemi di alluminio-magnesio sono drogati con titanio, manganese, cromo, vanadio o silicio. L'ingresso di rame e ferro in tali leghe è indesiderabile. Porta a una diminuzione della saldabilità e della resistenza alla corrosione.

Leghe di alluminio-manganese . Hanno alta resistenza, duttilità, lavorabilità, resistenza alla corrosione e saldabilità. Nei sistemi alluminio-manganese, ferro e silicio sono le principali impurità. Questi elementi riducono la solubilità del manganese in alluminio. Per ottenere una struttura a grana fine, tali leghe sono in lega con il titanio. Una quantità sufficiente di manganese garantisce una struttura stabile del metallo duro a qualsiasi temperatura.

Leghe di alluminio-rame . Secondo le sue proprietà meccaniche in uno stato rinforzato dal calore, questo sistema può bypassare acciai a basso tenore di carbonio. Tali leghe sono molto tecnologiche. Il loro unico inconveniente è la bassa resistenza alla corrosione. Questo problema viene affrontato attraverso l'uso di rivestimenti protettivi.

Ferro, magnesio, manganese e silicio sono usati come additivi leganti. Il magnesio influisce soprattutto sulle proprietà della lega, aumentando notevolmente i limiti di snervamento e resistenza del sistema. Il silicio aumenta la capacità della lega di invecchiare artificialmente e ferro con nichel - la sua resistenza al calore. Il legame di questi sistemi dopo la tempra accelera l'invecchiamento artificiale e aumenta anche la resistenza alla corrosione e la resistenza.

Leghe di alluminio-zinco-manganese . Apprezzato per alta resistenza e producibilità. L'elevato indurimento si ottiene grazie alla buona solubilità dei componenti a temperature elevate, che diminuisce notevolmente al raffreddamento. L'inconveniente principale e molto significativo di tali sistemi è la loro bassa resistenza alla corrosione. Per aumentare questo indicatore, si usa il doping di rame. Inoltre, negli anni '60 del secolo scorso, si è riscontrato che la presenza di litio nei sistemi di alluminio-zinco-manganese consente di rallentare il naturale e accelerare l'invecchiamento artificiale. Inoltre, il litio riduce il peso della lega e aumenta il suo modulo di forza.

I siluminas (leghe di alluminio-silicio) sono utilizzati anche nell'industria, da cui sono colati involucri di tutti i tipi di meccanismi e leghe complesse (vie aeree).

tossicità

Rispondendo alla domanda su cosa sia l'alluminio, vale la pena menzionare la tossicità di questo metallo. Nonostante la sua ampia distribuzione in natura, l'alluminio è una sostanza morta, cioè non viene utilizzata dagli esseri viventi nel metabolismo. Di per sé, il metallo ha un leggero effetto tossico, ma molti dei suoi composti inorganici, solubili in acqua, possono avere un effetto dannoso sui ruminanti a sangue caldo e sull'uomo. Per una persona, tali dosi di composti metallici (mg / kg di peso corporeo) hanno un effetto tossico:

1. Acetato: 0,2-0,4.
2. Idrossido - 3.7-7.3.
3. Alum - 2.9.

Quando vengono ingeriti con acqua, i composti di alluminio agiscono sul sistema nervoso, il che può portare a gravi disturbi. Positivo è il fatto che l'accumulo di metallo nel corpo impedisce il meccanismo di escrezione. Fino a 15 mg di un elemento possono essere escreti con le urine al giorno. Pertanto, l'effetto negativo dei composti di alluminio può interessare solo le persone che soffrono di funzionalità escretoria renale compromessa.