Алюминий

Алюминий —  не рассматривается, как пищевой минерал, элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации это элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначают символом Al, от латинского Aluminium. Относят к группе легких металлов. Широко распространенный металл и по распространенности химических элементов в земной коре после кислорода и кремния занимает третье место. Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — легкий парамагнитный металл, цвет серебристо-белый, легко поддающийся механической обработке, формовке, литью. Алюминию свойственны высокая тепло- и электропроводность, стойкость к коррозии с помощью быстрого образования прочных оксидных пленок, которые предохраняют поверхность от дальнейшего взаимодействия. В больших количествах ядовит, как и железо, для организма человека. В качестве пищевой добавки зарегистрирован как Е173.

Алюминий перестал быть драгоценным металлом, однако некоторые соединения с ним по-прежнему считаются драгоценными камнями. Небольшие добавки красящих окислов с монокристаллами окиси алюминия – это и ярко-красный рубин и сияющий синий сапфир, являющиеся драгоценными камнями первого – высшего порядка. Сапфиру придают цвет ионы железа и титана, рубину ионы хрома. Чистая кристаллическая окись алюминия совершенно бесцветна и называется корундом. Алюминий является составляющей частью турмалина, желтого восточного топаза, бесцветного лейкосапфира и других ценных камней. В промышленных масштабах производятся искусственные сапфир, корунд, рубин, в них нуждаются не только ювелиры, но и многие отрасли современной техники. Напомним читателю о сапфировых окнах “Токамака” – первейшей установки для изучения термоядерных процессов, о часах на пятнадцати камнях, о рубиновых лазерах, о наждаке, изготовляемому преимущественно из корунда, получаемого в электропечах.

Соли ортоалюминиевой Н3АlO3 и метаалюминиевой НаlO2 кислот носят название алюминаты. Драгоценный хризоберилл и благородная шпинель представители природных алюминатов. Алюминат натрия NaAlO2, который образуется при получении глинозема, применяют в производстве текстиля как протраву. Практическое значение приобрели в наше время и алюминаты редкоземельных элементов, которым свойственна высокая тугоплавкость и характерна красивая окраска. Окрашены алюминаты и самария и лантана в кремовые цвета, для гадолиния, европия, и диспрозия характерны розовые, неодима носит сиреневый, а желтые это празеодима. Материалы все эти считают перспективными для производства оптических стекол и специальной керамики, в ядерной энергетике, где используют редкоземельные элементы с исключительной способностью захвата тепловых нейтронов. Подробнее читайте об этом в рассказах о лантаноидах.

История

Несмотря на то, что древние греки и римляне использовали соли алюминия для травления при крашении и в качестве связующих при обработке ран, сам металл не был известен до Нового времени. Квасцы – соль алюминия и калия – до сих пор используется для остановки кровотечений. В 1782 году Гитон де Морво предположил, что основой их является металл alumine. В 1808, сэр Хампфри Дэви доказал существование металла в квасцах и первый назвал его alumium, и позже – aluminum. Слово пришло в английский из древнего французского alumen, что по-латински означало «горькая соль». Сегодня используется два варианта:

  • aluminium (транскрипция: /ˌæljʊˈmɪniəm/);
  • aluminum (/əˈluːmɪnəm/).

Имеется также устаревший вариант alumium. IUPAC считает стандартным вариантом aluminium, начиная с 1990 года. Три года спустя второй вариант тоже был сочтен допустимым. Сегодня в публикациях IUPAC оба слова встречаются попеременно.

В популярных книгах по металлургии и химии и приводится рассказ об алюминии, который якобы известен с древности. Некий изобретатель, имя которого неизвестно, приподнес одному владыке чашу, изготовленную из незнакомого очень легкого металла, но внешне схожего с серебром. История закончилась печально: изобретателя казнили, поскольку правящий владыка испугался, как бы новоявленный металл не обесценил все его серебро. Возможно, эта история всего лишь красивая сказка. И все же некоторые соединения алюминия люди использовали в древности. И не только глину, в основе которой лежит Al2O3. Плиний Старший упоминал в “Естественной истории”, что квасцы (их формула Kal(SO4)2х12Н2О) применяли на рубеже старой и новой эры в как протраву при окрашевании тканей. Римский полководец Архелай в начале нашей эры во время военных действий с персами приказал деревянные башни обмазать квасцами. Результат таков, дерево приобрело огнестойкость, и не смогли персы сжечь укреплений римлян.

В 1825 году впервые металлический алюминий получил датский физик Ганс Христиан Эрстед, знаменитый в первую голову работами с электромагнетизмом. Ученый пропускал хлор через огненную смесь глинозема, химическая формула окиси алюминия Аl2О3, с углем и полученный безводный хлористый алюминий подвергал нагреву с амальгамой калия. Затем, так делал и Дэви, которому попытка получить алюминий электролизом глинозема не удалась, амальгаму разлагали нагреванием, ртуть испарялась, и – алюминий появился на свет. В 1827 году алюминий получил иначе Фридрих Велер, вытеснив элемент из того же хлорида, но теперь металлическим калием. Впервые промышленный способ получения алюминия разработали лишь в 1855 году, а технически важным металлом алюминий стал лишь в конце XIX века начале XX в.

Алюминий легко сплавляется с различными металлами. Техническое применение имеет сплав с медью, который называли алюминиевая бронза. Действительно, из первых сплавов алюминия, а самым первым считался сплав с кремнием, практическое применение нашел один сплав, который упомянул Менделеев. Впрочем, алюминия он содержал всего 11%, а изготавливали из сплава в основном вилки и ложки. В часовую промышленность шло немного алюминиевой бронзы.

В начале XX века получили первые сплавы семейства дюралюмина. Сплавы на алюминиевой основе с добавками и магния и меди получал и исследовал известный немецкий ученый А. Вильм в период с 1903 по 1911 годы. Ему принадлежит открытие характерное для этих сплавов это явление естественного старения, приводящее к улучшению прочностных свойств. У дюралюмина после закалки, процесс которой заключался в резком охлаждении от 500oC до комнатной температуры и вылеживании при ней же в течение 4-5 суток, многократно возрастает и твердость и прочность. Способность деформации не снижается, а величина предела прочности вырастает от6 – 8 до 36 – 38 кг/мм2. Велико значение этого открытия для развития алюминиевой промышленности.

В 1965 году группа советских ученых открыла эффект возрастания прочности при старении в сплавах системы Al – Li – Mg. Сплавы эти, в частности сплав 01420, имеют прочность, как дюралюмины, однако они на 12% легче и обладают более высоким модулем упругости. При использовании в конструкциях летательных аппаратов это приводит к получению 12 – 14% выигрышу в весе. Сплав 01420 хорошо сваривается, обладает высокой коррозионной стойкостью. Весь мир проявляют повышенный интерес к сплавам этой системы и сегодня.

Электролиз

Из рассказа профессора Иветта. В 1880 году после его возвращения из Японии, где профессор преподавал 4 года химию, его внимание привлек шестнадцатилетний паренек. Молодой человек приходил в лабораторию, чтобы за несколько центов приобрести стеклянные трубки, пробирки и что-нибудь из этой серии. Ничего не зная о мальчике, но часто думая, предполагал что он должен стать ученым. Ведь юноша занимался исследованиями в том возрасте, когда другие подростки только играют и развлекаются. Подросток этот и был Чарльз М. Холл, в 23 года сделал открытие метода выделения алюминия из руд.

Чарльз обучался в колледже, и после окончания части обязательного курса, профессор взял его в свою лабораторию. В беседе со студентами, он сказал, что изобретатель, который сможет разработать дешевое получение алюминия и сделать его металлом массового потребления, большую услугу окажет человечеству а себе приобретет заслуженную славу выдающегося ученого. Юноша обернувшись к своему сокурснику, сказал, что займется этим металлом. Чарльз приступил к работе. Перепробовал множество методов, однако все они были безуспешны. Холл выбрал электролиз. Иветт отдал парню старые, ненужные приборы и батареи. Холл, используя все это, смог выполнить какое-то сооружение из разных чашек с кусками угля. Однако ток получили такой, какой был необходим.

После окончания колледжа Холл забрал сооружение себе. Он устроил лабораторию в лесу неподалеку от своего дома, продолжал упорно проводить опыты и держал профессора в курсе результатов. Требовалось найти растворитель для окиси алюминия – основного алюминиевого сырья. Через полгода Холл нашел, что окисел растворяется в расплаве фтористого алюмината натрия 3NaF х АlF3. Было утро, когда Холл вбежал с радостным возгласом к Иветту: “Профессор, я получил его!” На вытянутой ладони блестели двенадцать маленьких шариков алюминия, первейшего алюминия, полученного в результате электролиза. Это открытие свершилось 23 февраля 1886 года.

Выше пересказан рассказ профессора Иветта из сборника “Вспышка гения”, составленного американским ученым А. Гарретом по первоисточникам. До момента открытия получения алюминия промышленным способом металл алюминий был дороже золота. В 1889 году британцы подарили Д.И. Менделееву весы из золота и алюминия, желая одарить богатым подарком.

Технический прогресс

Промышленных способов получения алюминия до 1855 года не существовало, в лабораториях получали килограммы, а скорее – граммы. На Всемирной парижской выставке 1855 года впервые выставляли алюминиевый слиток, который выглядел как редчайшая драгоценность. Появление слитка на выставке приравнивается к открытию французского химика Анри Этьенна Сент-Клер Девиля первого промышленного способа получения алюминия, основанного на вытеснении элемента Al металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl х AlCl3.

За 36 лет начиная с 1855 года способом Сент-Клер Девиля получили 200 т металлического алюминия. Уже новым способом в мире получили 28 тыс. т алюминия за последнее десятилетие XIX века. В 1930 году мировая выплавка металла составила 300 тыс. т. В 1975 г. В капиталистических странах в 1975 году получили порядка 10 млн. т алюминия, причем эти цифры – не самые высокие. Из сведений американского “Инжениринг энд майнинг джорнэл”, производство алюминия в капиталистических странах в 1975 году по сравнению с прошедшим 1974 снизилось на 11%, или на 1,4 млн. т .

В стоимости алюминия столь же поразительны перемены. В 1825 году цена в 1500 раз дороже железа, на сегодня – лишь втрое. Простая углеродистая сталь дешевле алюминия, а он дешевле нержавеющей. Рассчитывая стоимость алюминиевых и стальных изделий с учетом массы и устойчивости к коррозии, оказывается, что во многих случаях значительно выгоднее применять алюминий нежели сталь.

В земле

По распространенности в земной коре занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. По данным различных исследователей массовая концентрация алюминия в земной коре оценивается от 7,45 до 8,14 %. Производство алюминия в мире постоянно растет. Оно составляет около 2% от производства стали, если считать по массе, а по объему то 5 – 6%, поскольку алюминий практически втрое легче стали. Алюминий стал вторым по важности металлом, уверенно оттеснив на третье место медь. К концу столетия доля алюминия в общем выпуске металлов должна достигнуть 4 – 5% по массе.

Причин тому много, с одной стороны – распространенность алюминия, с другой комплекс свойств – легкость, коррозионная стойкость, пластичность, электропроводность, универсальность в полном смысле этого слова. В технику алюминий пришел поздно потому, что в природе прочно связан прежде всего с кислородом и через кислород с кремнием, и для разрушения этих соединений, высвобождения из них легкого серебристого металла нужно затратить много сил и энергии.

Очевидно, что далеко не всякое природное соединение алюминия можно рассматривать как алюминиевую руду. В русской химической литературе алюминий часто называли глинием, его окись до сих пор называют глиноземом, в середине и даже в конце XIX века. В этих терминах указание на присутствие элемента Al в повсеместно распространенной глине. Глина – достаточно сложный конгломерат трех окислений – глинозема, кремнезема и воды (плюс разные добавки); выделить из нее глинозем можно, но сделать это намного труднее, чем получить ту же окись алюминия из распространенной красно-бурого цвета горной породы, получившей свое название в честь местности Ле-Бо на юге Франции.

Эта порода – боксит содержит от 28 до 60% Al2О3. Главное ее достоинство в содержании глинозема, которого в ней по меньшей мере вдвое больше, чем кремнезема. А кремнезем – самая вредная примесь, от которой избавиться труднее всего. Кроме этих окислов, боксит всегда содержит окись железа Fe2О3, бывают в нем также окислы фосфора, титана, кальция и магния, марганца. В годы второй мировой войны воюющим странам не хватало алюминия, полученного из боксита, пользовались другими видами сырья. Италия получала алюминий из лавы Везувия, а Германия и США – из каолиновых глин, Япония – из глинистых сланцев и алунита. Обходился этот алюминий в пятеро дороже алюминия из боксита, и после войны, когда открыли колоссальные запасы этой породы в Африке, Южной Америке, а позже и в Австралии, вернулась к традиционному бокситовому сырью алюминиевая промышленность всего мира.

В Советском Союзе существовали опробованные в заводских масштабах способы производства алюминия на основе нефелиносиенитовых и нефелиноапатитовых пород. В Азербайджанской ССР начинали промышленное освоение алунита как комплексного, в том числе и алюминиевого, сырья. Но и лучшим алюминиевым сырьем – бокситом природа не обделила Россию. В Казахстане Тургайский бокситоносный район. В стране есть Северо-Уральский бокситоносный район, есть бокситы в Западной и Восточной Сибири, на северо-западе европейской части страны. Начинал в 1932 году свою работу первенец отечественной алюминиевой промышленности Волховский алюминиевый завод на базе Тихвинского бокситового месторождения и энергии Волховской ГЭС. Дешевая электроэнергия огромных сибирских ГЭС и ГРЭС стала важным компонентом развивающейся высокими темпами алюминиевой промышленности в Сибири.

В организме

Соли алюминия удивительно нетоксичны. Средняя летальная доза сульфата составляет 6,2 г/кг (испытано на мышах) при приеме перорально. Что в переводе на человека массой 80 кг составляет полкило. Несмотря на эту безвредность, воздействие алюминия представляет чрезвычайный интерес в связи с его распространенностью в земной коре.

Несмотря на распространенность в природе, ни одно живое существо не использует алюминий в метаболизме — это мертвый металл. Растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворенном состоянии длительное время и могут вредно воздействовать на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Ядовиты нитраты, хлориды, ацетаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела):

  • ацетат алюминия — 0,2—0,4;
  • гидроксид алюминия — 3,7—7,3;
  • алюминиевые квасцы — 2,9.

В первую очередь действует на нервную систему, накапливается в нервной ткани, приводя к тяжелым расстройствам функции ЦНС. Свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. Обычно может выделяться до 15 мг элемента в сутки с мочой. Наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушением выделительной функцией почек.

Норматив содержания алюминия в хозяйственно-питьевой воде России составляет 0,2 мг/л. По данным ПДК можно увеличить до 0,5 мг/л главным государственным санитарным врачом по территории для конкретной системы водоснабжения. По некоторым биологическим исследованиям, поступивший алюминий в организм человека считают фактором в развитии болезни Альцгеймера, но эти исследования позже раскритиковали, и связь одного с другим опровергли. Соединения алюминия подозревали как фактор стимулирующий рак молочной железы при применении антиперспирантов на основе хлорида алюминия. Но научных данных в пользу этого утверждения меньше, чем против.

В очень высоких концентрациях алюминий нарушает функции гемато-энцефалического барьера. Процент аллергических реакций среди населения очень мал. Может вызвать расстройства пищеварения, рвоту. Токсической считается доза выше 40 мг на кг массы тела ежедневно. Использование алюминиевой посуды было признано безвредным. Гораздо опаснее антиперспиранты. Алюминий лучше усваивается в кислой среде, накопление идет в нервной и костной ткани. Металл повышает эстроген-зависимую экспрессию генов в раковых клетках (молочной железы), то есть вписывается в класс металлоэстрогенов (провоцирующих рак).

Почти нет доказательств, что дезодоранты раздражают кожу из-за наличия в них этого элемента. Департамент США по Здоровью и Обслуживанию населения не считает алюминий канцерогеном. При подозрении на отравление рекомендуют принимать дефероксамин мезилат для устранения угрозы путем хелятации.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *