![]() |
История науки | Биографии | Открытая наука | Исследования | Автодром | Библиотека |
Тринадцатый номер - алюминийАлюминий — 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
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.
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 алюминияЭрстед 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. 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 биосистемахЛюбопытно 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: Железо. Номер 26 Главная | Открытая наука | Алюминий. Номер 13 ![]() |
Курсы химии на Высших Бестужевских курсахПервые женщины-химикиРусские изобретения в залах ЭрмитажаИз истории советской калийной промышленностиИз истории содыИстория освоения космосаНесколько дат
Ковалевская Софья ВасильевнаСемья КюриБогдановская Вера ЕвстафьевнаБрюс Яков ВилимовичВолкова Анна ФедоровнаКурнаков Николай СеменовичЛермонтова Юлия Всеволодовна
Алюминий. Номер 13Железо. Номер 26Кальций в живой природеПриродные минералы кальцияРоль кальция в жизни животныхАвтоматическое пожаротушениеЭнология - наука о винеCтарые люди и технический прогрессИнтересно и короткоСамый маленький радиоприемникКак работает Нанорадио
Океан в опасностиДревние животные - теплокровные или нет?Алмазный слойЕдинство мира как проблема современной наукиЕдинство мира с точки зрения научного знанияУниверсальная симметрия и устойчивое равновесиеНоосфера - единство общества и природыЕдинство мира как методологическая проблема Исследование точек ЛагранжаКосмический бильярдНовые увеличители
Волшебники были людьми цивилизованными, образованными и культурными. И, оказавшись на необитаемом острове, они не растерялись, а мгновенно...
|
|
© Волшебство науки, 2010-2020
Научные открытия, история науки, научные достижения, наука вокруг нас. Биографии великих учёных. Техника и технология через призму научных теорий. |
![]() |