Волшебство науки
История науки Биографии Открытая наука Исследования Автодром Библиотека

Тринадцатый номер - алюминий

Алюминий — элемент № 13, занимающий в таблице Д.И.Менделеева отведенное ему место в третьем периоде и в третьей «а» группе со всеми вытекающими отсюда последствиями: два электрона на внешней s-оболочке, еще одни на р. Оттого традиционная степень окисления — 3.

В виде простого вещества алюминий — легкий серебристо-белый металл, кристаллической решетке которого свойственна гранецентрированная кубическая структура, что тоже естественным образом сказывается на свойствах изделий из алюминия — как чистого, так и технического. Последний в обычных условиях практически всегда покрыт тонкой оксидной пленкой, предохраняющей изделия из алюминия и его сплавов от дальнейшего окисления.

Визитная карточка химического элемента Алюминий

Название русское Алюминий
Название латинское Aluminium
Символ Al
Атомный номер 13
Атомная масса 26,9815
Известно изотопов 9
их массовые числа 23-31
Строение молекулы Al
Конфигурация внешних электронов 3s2 3p1
Степени окисления +1, +3 (обычно)
Потенциал ионизации 5,986
Распространенность в земной коре, масс.%; г/т 8,80; 81300
Распространенность в космосе, мг/л 5
Распространенность в морской воде, мг/л 0,01
Основные константы простого вещества чистотой 99,999 и выше:
Цвет серебристо-белый
Плотность, г/см3 2,7
Температура плавления, °C 660,2
Температура кипения, °C 2400

Алюминий — один из самых распространенных на Земле элементов. Во многих справочных и популярных изданиях можно встретить изображение, напоминающее монумент с четырехугольным основанием: кларки элементов, соответствующие их распространенности в земной коре, по Ф.У.Кларку. Был такой американский геохимик (1847 — 1931), очень известный. Это он первым обобщил разрозненные сведения о содержании всех элементов во всех горных породах, и числа, отражающие концентрации элементов в земной коре на глубине до 16 км, были названы в его честь. Многие кларки были впоследствии уточнены другими геохимиками, но сооружение, воспроизведенное на этой странице, можно считать графическим памятником Франку Уиглсуорту Кларку.

Распространенность элементов в земной коре - Ф.Кларк

Памятником, в котором, заметим, третий снизу большой моноблок построен из атомов элемента № 13. Как видим, лишь два элемента — кислород и кремний — распространены на нашей планете больше, чем алюминий, а из металлов он — первый.

Несмотря на это, металлический алюминий был впервые получен лишь в 1825 г. известным датским физиком Гансом Христианом Эрстедом (1777 — 1851). Незадолго до него пытался получить алюминий разносторонний экспериментатор и мужественный человек, британец сэр Хэмфри Дэви (1778 — 1829). Не получилось. Ему на этот раз не помог и вольтов столб...

Есть, впрочем, довольно зыбкие основания считать, что Эрстед и Дэви не были первыми. Из одной популярной книги в другую ходит история о некоем древнем изобретателе, принесшем некоему владыке легкую серебристую чашу, очень похожую по описаниям на сосуд из высокочистого или свеженадраенного алюминия. А владыка тот велел изобретателя казнить, боясь, как бы не обесценилось его, владыки, серебро...

Скорее всего, это не более чем красивая легенда. Что же касается соединений этого элемента, то с ними имели дело даже первобытные люди: ведь и им наверняка доводилось поскользнуться на мокрой глине. А оксид Al O, недаром называют глиноземом.

Глинозема А1203 в глинах, даже белых и огнеупорных, как правило, не больше 40%, обычно же — до тридцати Глины — это мелкодисперстные осадочные породы, состоящие в основном из глинистых минералов и обладающие способностью образовывать с водой пластичное тесто, которое, высыхая, сохраняет приданную ему форму. У глинозема же и физические свойства другие, а как у химического соединения определенного состава — два атома алюминия на три кислорода — есть и другие названия: корунд, например.

Так что не очень правы или даже совсем не правы были и те наши соотечественники и предшественники, кто, ратуя за чистоту языка, предлагали переименовать алюминий в глиний (см., например, 15-й том Энциклопедического словаря братьев Гранат). Существующее название элемента № 13 произведено от латинского названия другого его соединения — алюминиевых квасцов, применявшихся красильщиками еще за пять веков до Рождества Христова и называвшихся по-латыни alumen. Свидетельства тому можно найти, например, в «Естественной истории» Плиния Старшего.

История открытия алюминия

Эрстед выделил алюминий из глинозема, удачно сочетая химические и физических воздействия на вещество. Содержащийся в оксиде металл можно высвободить, отняв у него кислород. Эрстед смешивал глинозем с восстановителем. Этого оказалось мало. Смесь раскаляли и пропускали через нее газообразный хлор. В результате получался, конечно, не алюминии. а лишь его хлорид. Нагрев этой соли с амальгамой калия приводил к тому, что калий взаимодействовал с хлором, а алюминий переходил в амальгаму — сплав-соединение с ртутью. Оставалось разложить амальгаму нагреванием, что и сделал Эрстед.

Однако его метод, сложный и связанный с огромными энергозатратами и ядовитыми веществами (хлор. ртуть), был негоден ни для промышленности, ни, строго говоря, для науки: металл получился сильно загрязненный.

Спустя три десятилетия французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девиль разработал первый промышленный способ производства алюминия, основанный на вытеснении элемента № 13 металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия. Тоже энергоемко, тоже связано с вредностями, но все же за 36 лет, с 1855 по 1890, способом Сент-Клер Девиля были получены первые 200 тонн металлического алюминия, и Наполеон III — последний император Франции — мог позволить себе иногда едать не на злате-серебре, а на алюминии. Алюминиевой ложкой. Как мы с вами в какой-нибудь институтской столовой.

Путь алюминия в технику только-только начинался, и причины этого — в свойствах алюминия и некоторых его соединений, прежде всего, глинозема. Выделить его, скажем, из глины и других распространенных пород, разлучить с диоксидом кремний SiO и прочими оксидами — дело достаточно сложное.

Проще оказалось выделить глинозем из боксита — довольно распространенной, обычно красно-бурого цвета горной породы, получившей свое название в честь местности Ле-Бо на юге Франции. Боксит содержит до 60% оксида алюминия, но главное его достоинство и отличие в том, что соотношение оксидов алюминия и кремния в нем всегда в пользу глинозема. Боксит и стал главным сырьем для производства глинозема. Но как с наименьшими или хотя бы приемлемыми затратами восстановить Al из оксида? В обычных условиях этот оксид химически инертен, не гигроскопичен, нерастворим в воде. Заставить вступить его в химические реакции с едкими мелочами можно, но лишь при 100 градусной температуре образуются растворимые в воде алюминаты щелочных металлов. Но при электролизе этих растворов можно получить лишь исходные вещества, но не чистый алюминий. Электролиз же глинозема затруднен из-за его состава, тепловых и термодинамических свойств. Достаточно упомянуть температуру плавления: 2050'С.

Тем не менее 1886 год стал в истории алюминия переломным. В тот год практически одновременно и независимо друг от друга два очень молодых ученых, не знавших, к счастью, про многие подводные камни в характере алюминия и его соединений, нашли один и тот же, по сути, способ превратить алюминий в промышленно значимый металл.

Это были француз Поль Эру и американец Чарлз Мартин Холл. Они выяснили, что глинозем достаточно хорошо растворяется в расплавленном криолите (он же фтороалюминат натрия), и a при электролизе этого раствора на катоде оседает достаточно чистый алюминий. Важно, что температура плавления криолита — всего 1009'С, а при 1050'С он способен растворить 16% оксида алюминия. Более того, у эвтектической смеси фтороалюмината натрия с 10% оксидом алюминия, точка плавления еще ниже — 962'С. Согласитесь, тысяча градусов энергетически (и экономически, и технически) куда более доступна, нежели две. Открытие Эру и Холла открыло алюминию дорогу в технику.

Алюминий

Но прежде чем заработали во всю мощь многочисленные алюминиевые производства во всех промышленно развитых странах мира, инженерам и исследователям пришлось решить еще множество проблем: выявить оптимальные характеристики тока, наладить производство синтетического криолита — природного оказалось недостаточно, выбрать оптимальные материалы для анодов и катодов, их конфигурацию, конструкцию электролитических ванн.

Алюминий в биосистемах

Любопытно такое сопоставление: в тверди земной (земной коре) каждый двенадцатый атом — алюминия, в воде же морей и океанов его концентрация в 40000000 раз меньше, около 2 микрограммов на литр, и лишь половина этих атомов находится в подвижной форме и, следовательно, может попасть в глубь живых организмов Вот почему биохимики относят алюминий к микроэлементам, так же, как и другой распространенный элемент литосферы - кремний.

Подмечена, правда, такая закономерность: соотношение алюминия и кремния в живых организмах сильно меняется по мере продвижения по ступеням эволюции. В микроскопических водорослях — фитопланктоне — больше кремния, чем алюминия, а вот в водорослях немикроскопических — макрофитах — преобладает уже последний. У стоящих еще выше моллюсков на лестнице эволюции содержание алюминия в 17 раз больше, чем кремния, а у рыб (еще выше) — уже почти в 300. Но и при этом алюминий не перестает быть «рядовым-необученным» (читай, «не-» или «недоизученным»), самым что ни на есть второразрядным микроэлементом.

Немного его и в организме высших млекопитающих, в том числе человека: 10-' — 10-'%. Есть он у нас в печени, некоторых железах — щитовидной и поджелудочной, но функции его так окончательно и не выяснены. Другое дело – растения. Там его тоже немного: 4 мг/кг в сухом веществе картофеля, 46 мг/кг — репы. Но именно в растениеводства роль алюминия, окажись он в доступной для усвоения растениями форме, становится отрицательной.

Реагируя с находящимися в почве фосфатами — важнейшими элементами питания растений, алюминий связывает их в нерастворимые соединения. Об этом приходится думать из-за кислотных дождей, в результате которых часть вечно связанного алюминия переходит в подвижные формы, и тут уж он сам выбирает себе партнеров для взаимодействия. Фосфаты — среди предпочтительных. Снижает он, по некоторым данным, и активность азотфиксирующих бактерий. Когда в результате кислотных дождей концентрация алюминия в природных водоемах и почвах стала расти, это сказалось на численности популяций живых организмов, населяющих внутренние водоемы скандинавских стран, в научной литературе появился даже термин «алюминиевая болезнь».

К счастью, человек и млекопитающие этой болезни не подвержены, а вот о прямых экологических последствиях некоторых побочных продуктов алюминиевого производства — СО, фторидов, жидких и твердых отходов переработки боксита и производства искусственного криолита — приходится говорить и писать как о причинах кардинального ухудшения нашей с вами среды обитания.

В.Станцо



Далее: Интересно и коротко

Главная   |  Открытая наука  |  Тринадцатый номер - алюминий







Единство мира как проблема современной науки
Среди вечных философских проблем, кардинальных вопросов мировоззрения идея единства мира занимает особое место...
Ноосфера - единство общества и природы
Абсолютизация разнообразных видов и форм природных взаимосвязей нередко приводит к спекулятивным утверждениям...
Единство мира как методологическая проблема
Современный этап развития научного знания характеризуется все в большей степени тенденцией к единству науки...
© Волшебство науки, 2010-2017
Научные открытия, история науки, научные достижения, наука вокруг нас.
Биографии великих учёных. Техника и технология через призму научных теорий.