Документально зафиксированное открытие алюминия произошло в 1825. Впервые этот металл получил датский физик Ганс Христиан Эрстед, когда выделил его при действии амальгамы калия на безводный хлорид алюминия (полученный при пропускании хлора через раскаленную смесь оксида алюминия с углем). Отогнав ртуть, Эрстед получил алюминий, правда, загрязненный примесями. В 1827 немецкий химик Фридрих Вёлер получил алюминий в виде порошка восстановлением гексафторалюмината калием. Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарльзом Мартином Холлом. (С 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, а за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28000т. этого металла) Алюминий чистотой свыше 99,99% впервые был получен электролизом в 1920г. В 1925 г. в работе Эдвардса опубликованы некоторые сведения о физических и механических свойствах такого алюминия. В 1938г. Тэйлор, Уиллей, Смит и Эдвардс опубликовали статью, в которой приведены некоторые свойства алюминия чистотой 99,996%, полученного во Франции также электролизом. Первое издание монографии о свойствах алюминия вышло в свет в 1967г. Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978г. в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий - в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий.

Алюминиевые стройматериалы

Алюминий - один из интереснейших химических элементов. Интересен он не только тем, что неожиданно быстро и победоносно, в течение нескольких десятков лет, вошел в нашу жизнь, в быт, в технику, в важнейшие отрасли народного хозяйства, не только тем, что это тот легкий металл, который вместе с магнием создал крылатую мощь самолета. Большой интерес представляют его свойства и прежде всего геохимическая роль. Дело в том, что алюминий, с которым культурное человечество познакомилось так недавно, является одним из важнейших, самых распространенных химических элементов .

Мы с вами отлично знаем, что под покровом глин, песков, образовавшихся в разное время в результате выветривания и разрушения массивных горных пород, находится сплошная, облегающая весь земной шар, каменная оболочка Земли, или земная кора.

Мощность этой каменной оболочки, ее толщина не менее сотни километров, а может быть, как сейчас начинают предполагать, и значительно больше. Эта оболочка на глубине постепенно переходит в другую - рудную, содержащую железо и другие металлы, и, наконец, в центре Земли находится, по-видимому, железное ядро.

Каменная оболочка образует на поверхности Земли огромные выступы - материковые массы, или континенты. На них, в свою очередь, образовались складки в виде длинных цепей гор.

Каменная оболочка Земли, составляющая основание континентов и их горных цепей, слагается из алюмосиликатов и силикатов. Алюмосиликаты состоят, как это видно по их названию, из кремния, алюминия и кислорода. Вот почему каменную оболочку часто называют «сиаль» - SiAl,- по сочетанию первых слогов латинских названий кремния - Silicium - и алюминия - Aluminium.

Эта оболочка, в состав которой главным образом входит гранит, по весу состоит примерно!лз 50% кислорода, 25% кремния и 10% алюминия. Таким образом, алюминий но распространению занимает на Земле третье место среди химических элементов и первое место среди металлов. Его на Земле больше, чем железа.

Алюминий, кремний и кислород вместе являются самыми главными элементами, из которых построена земная кора, и в каменной оболочке Земли они образуют разнообразные минералы. Эти минералы являются такого рода соединениями атомов, у которых в центре находится либо атом кремния, либо атом алюминия, а вокруг них правильно в четырех углах, образуя фигуру тетраэдра, располагаются атомы кислорода.

Таким образом, наряду с кремнекислородными возникают алюмокислородные тетраэдры. При этом роль алюминия бывает двоякой: либо он, подобно другим металлам, располагается между кремнекислородными тетраэдрами, связывая их друг с другом, либо он становится в некоторых тетраэдрах на место кремния.

Вот из этих-то тетраэдров кремния и алюминия путем сочетания их между собой я образуется множество важнейших минералов земной коры, объединенных под общим названием алюмосиликатов. С первого взгляда сложный рисунок расположения атомов алюминия, кремния и кислорода напоминает яам тонкие кружева или узоры ковров. Эта картина могла быть установлена лишь при помощи рентгеновских лучей, которые как бы сфотографировали внутреннее строение минералов.

Вспомним, какими серыми и однообразными казались нам камни в далеком детстве и какая сложная и разнообразная картина рисуется нам, когда мы проникаем в глубь их структуры.

Распространенность некоторых алюмосиликатов колоссальна. Достаточно сказать, что более половины земной коры сложено минералами, носящими название нолевых шпатов. Они входят в состав гранитов, гнейсов и других каменных пород, охватывающих землю как бы сплошным каменным панцирем и выступающих в виде могучих горных цепей.

В результате выветривания полевых шпатов на земной поверхности в ходе тысячелетий откладываются, грандиозные скопления глин, состоящих на 15-20% из алюминия. Алюминий, открытый в составе этих повсеместно распространенных пород, даже был назван глинием.

Безводную окись алюминия (АЬОз) мы встречаем в виде минерала корунда, отличающегося замечательной твердостью, а иногда и необычайной красотой. Прозрачные разности глинозема, где к алюминию и кислороду примешиваются лишь крошечные количества элементов - красителей - хрома, железа, титана, принадлежат к числу первоклассных красавцев- самоцветов. Какое разнообразие цветов и богатство красок создает в одном и том же глиноземе ничтожная примесь того или иного вещества! Это сверкающий яркими тонами красный рубин и синий сапфир, пленявшие человека с незапамятных времен. Сколько сказок связано с этими камнями! Издавна служат человеку и менее чистые, непрозрачные, окрашенные в бурые, серые, синеватые, красноватые цвета кристаллы корунда, по своей твердости уступающие лишь алмазу.

С их помощью мы обрабатываем разные твердые материалы, в том числе блестящую сталь инструментов, оружия, станков, машин.

Мелкие кристаллики того же корунда в смеси с магнетитом и другими минералами,- так называемый наждак - хорошо известны каждому; вы, вероятно, не раз чистили наждаком свой перочинный ножик!

Корунд мог бы, конечно, служить легким источником получения металлического алюминия, но он слишком ценен сам по себе, и его мало в природе.

С незапамятных времен, еще на заре человеческой культуры, с каменного века и до наших дней человек широко использовал граниты, базальты, порфиры, глины и другие породы из алюмосиликатов, строя из них целые города, создавая здания, произведения искусства, утварь, получая керамику, фаянс, фарфор.

Но в течение тысячелетий человек и не подозревал благородных и чудесных свойств алюминия - металла, который был скрыт в этих породах.

Алюминий никогда и нигде в природе не встречается в металлическом виде, он всегда находится в различных соединениях, совершенно отличных по свойствам и виду от металла алюминия.

И нужен был гений человека, его упорный труд, чтобы извлечь и вызвать к жизни этот чудесный металл.

Впервые удалось выделить небольшое количество блестящего серебристого металла около 125 лет назад. Й никто тогда не думал, что он вообще будет играть какую-то роль в жизни человека, тем более, что получение его было очень трудным. Но вот в начале прошлого века ряду ученых удалось путем электролиза выделить алюминий на катоде под коркой шлаков из расплавленных при высоких температурах соединений алюминия. Это был чистый серебристый металл - «серебро из глины», как говорили в то время.

Этот метод получения алюминия перешел на заводы, и металл быстро стал завоевывать себе широкое применение. Он имеет цвет, напоминающий серебро. А свойства его действительно оказались удивительными.

Производство металлического алюминия основано на двух самостоятельных процессах. Прежде всего из боксита после довольно сложной обработки извлекается чистая безводная окись алюминия - глинозем. Затем окись алюминия подвергается электролизу в специальных ваннах, выложенных графитовыми плитами.

Порошок глинозема загружается в эти ванны в смеси с порошком криолита. При включении мощного электрического тока развивается высокая температура (около 1000°); криолит плавится и растворяет в себе глинозем, который в дальнейшем разлагается током на алюминий и кислород. Дно ванны служит при этом катодом (отрицательным полюсом), и на нем собирается расплавленный алюминий. Через особый кран его выпускают и разливают по формам, где он и застывает в виде блестящих серебристых брусков.

Кое-какие из свойств алюминия хорошо известны всем. Это очень легкий металл, почти в три раза легче железа. Он очень тягуч и при этом достаточно прочен: его можно вытягивать в проволоку, плющить в тончайшие листы. Не менее замечательны и его химические свойства. С одной стороны, он как будто не боится окисления; это мы знаем по поведению алюминиевой посуды, кастрюлек, сковородок, бидонов. А между тем сродство его с кислородом очень велико. Это кажущееся противоречие отметил еще наш великий химик Д. И. Менделеев. Дело в том, что серебряно-блестящий после выплавки алюминий на воздухе покрывается тусклой пленочкой окиси, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Не всякому металлу дана такая способность самозащиты. Окись железа, например, хорошо всем известная ржавчина, нисколько не мешает дальнейшему разрушению металла: она слишком рыхла и легко проницаема для воздуха и ®оды. Напротив, тоненькая пленочка окиси, одевающей алюминий, очень плотна, эластична и служит ему надежным покровом.

При нагревании алюминий жадно соединяется с кислородом, превращаясь в окись алюминия, и выделяет при этом огромное количество тепла. Это свойство алюминия выделять тепло при сгорании было использовано в технике для выплавки других металлов из их окисей путем смешения с порошком металлического алюминия. В этом процессе алюминотермии

металлический алюминий отбирает кислород от окисей других металлов и восстанавливает их.

Если вы смешаете, например, порошок окиси железа с порошком алюминия и подожжете эту смесь лентой магния, на ваших глазах разовьется бурная реакция с выделением огромного количества тепла, и температура поднимется до 3 000°. Вытесненное алюминием железо при этой температуре плавится, а образовавшаяся окись алюминия всплывает на его поверхность в виде шлака. Человек использовал эту активность алюминия для получения некоторых тугоплавких и технически ценных металлов.

Таким путем выплавляют металлический титан, ванадий, хром, марганец и другие металлы. Так как при алюминотермии развивается высокая температура, то смесь окиси железа с алюминием - так называемый термит - применяют для сварки стали. Каждый из вас видел, вероятно, как это делается, например, при сварке трамвайных рельсов. Расплавляемое при горении термита железо стекает на соединенные концы рельсов и сваривает их.

Вряд ли можно назвать много элементов, которые сделали бы столь быструю и блестящую карьеру, как алюминий!

Алюминий стал стремительно проникать в автомобильную, машиностроительную и другие области промышленности, во многих случаях заменяя сталь и железо. В военном судостроении его использование произвело переворот, позволив создать, например, «карманные линкоры» (суда размером с легкий крейсер и мощностью дредноута).

Человек научился получать это «серебро» из природных минералов в огромных масштабах. И «серебро из глины» позволило человеку окончательно покорить воздушную стихию.

Алюминий или его легкие сплавы как нельзя лучше подходят для постройки жестких аэростатов, фюзеляжей, крыльев или цельнометаллических самолетов.

Эта новая промышленность, которая так широко использовала алюминий, выросла с чудесной быстротой на наших глазах.

Когда мы видим летающий над нами самолет, вспомним, что 69% его веса без мотора приходится на алюминий и его- сплавы, и что даже в авиационном моторе вес алюминия и магния - двух легчайших металлов - достигает 25%.

Одновременно с грандиозным потреблением в тяжелой промышленности, с постройкой цельноалюминиевых поездов, с затратой алюминия на машиностроение и особенно на авиационную промышленность, сотни тысяч тонн алюминия расходуются на алюминиевые провода и детали для электрической промышленности.

Но и этим не исчерпывается применение этого металла.

Добавим еще отражательные зеркала прожекторов, ответственные части спарядов и пулеметных лент, осветительные ракеты, алюминиевый порошок в смеси с окисью железа - в зажигательных бомбах. Вспомним о колоссальном значении искусственного кристаллического глинозема (электрокорунда, алундума), получаемого в настоящее время из тех же бокситов и применяемого в так называемом абразивном деле, главным образом в обработке металлов.

Кристаллизуя чистую окись алюминия с добавкой красителей, мы получаем чудесные рубины и сапфиры, не уступающие природным ни по твердости, ни по красоте. Мы применяем их главным образом как не поддающиеся истиранию опорные камни в ответственных частях точных приборов: часовых механизмов, весов, электросчетчиков, гальванометроз и т. п.

Тонким порошком алюминия мы покрываем железо, получая своего рода алюминиевую жесть, не поддающуюся ржавчине. Этот же порошок служит для приготовления красивой литографской краски. А с недавнего времени его оценили и мастера знаменитого народного искусства - хохломской росписи по дереву. Алюминиевая пудра при помощи мягкой «куколки» наносится на пропитанную маслом поверхность предмета. Таким образом создается прелестный серебряный фон, по которому мастер выводит затем сложный цветистый узор росписи.

Почему мы называем алюминий металлом XX века?

Потому что его применение благодаря его замечательным свойствам растет и растет с каждым годом, а огромные запасы алюминия неисчерпаемы, и есть все основания считать, что алюминий сейчас входит в обиход человечества так же, как вошло в свое время железо.

Пройдут столетия, и наше время, возможно, будут называть алюминиевым веком!

Одними из самых удобных в обработке материалов являются металлы. Среди них также есть свои лидеры. Так, например, основные свойства алюминия известны людям уже давно. Они настолько подходят для применения в быту, что данный металл стал очень популярным. Каковы же как простого вещества и как атома, рассмотрим в данной статье.

История открытия алюминия

Издавна человеку было известно соединение рассматриваемого металла - Оно использовалось как средство, способное набухать и связывать между собой компоненты смеси, это было необходимо и при выделке кожаных изделий. О существовании в чистом виде оксида алюминия стало известно в XVIII веке, во второй его половине. Однако при этом получено не было.

Сумел же выделить металл из его хлорида впервые ученый Х. К. Эрстед. Именно он обработал амальгамой калия соль и выделил из смеси серый порошок, который и был алюминием в чистом виде.

Тогда же стало понятно, что химические свойства алюминия проявляются в его высокой активности, сильной восстановительной способности. Поэтому долгое время с ним никто больше не работал.

Однако в 1854 году француз Девиль смог получить слитки металла методом электролиза расплава. Этот способ актуален и по сей день. Особенно массовое производство ценного материала началось в XX веке, когда были решены проблемы получения большого количества электроэнергии на предприятиях.

На сегодняшний день данный металл - один из самых популярных и применяемых в строительстве и бытовой промышленности.

Общая характеристика атома алюминия

Если характеризовать рассматриваемый элемент по положению в периодической системе, то можно выделить несколько пунктов.

1. Порядковый номер - 13.
2. Располагается в третьем малом периоде, третьей группе, главной подгруппе.
3. Атомная масса - 26,98.
4. Количество валентных электронов - 3.
5. Конфигурация внешнего слоя выражается формулой 3s 2 3p 1 .
6. Название элемента - алюминий.
7. выражены сильно.
8. Изотопов в природе не имеет, существует только в одном виде, с массовым числом 27.
9. Химический символ - AL, в формулах читается как "алюминий".
10. Степень окисления одна, равна +3.

Химические свойства алюминия полностью подтверждаются электронным строением его атома, ведь имея большой атомный радиус и малое сродство к электрону, он способен выступать в роли сильного восстановителя, как и все активные металлы.

Алюминий как простое вещество: физические свойства

Если говорить об алюминии, как о простом веществе, то он представляет собой серебристо-белый блестящий металл. На воздухе быстро окисляется и покрывается плотной оксидной пленкой. Тоже самое происходит и при действии концентрированных кислот.

Наличие подобной особенности делает изделия из этого металла устойчивыми к коррозии, что, естественно, очень удобно для людей. Поэтому и находит такое широкое применение в строительстве именно алюминий. также еще интересны тем, что данный металл очень легкий, при этом прочный и мягкий. Сочетание таких характеристик доступно далеко не каждому веществу.

Можно выделить несколько основных физических свойств, которые характерны для алюминия.

1. Высокая степень ковкости и пластичности. Из данного металла изготовляют легкую, прочную и очень тонкую фольгу, его же прокатывают в проволоку.
2. Температура плавления - 660 0 С.
3. Температура кипения - 2450 0 С.
4. Плотность - 2,7 г/см 3 .
5. Кристаллическая решетка объемная гранецентрированная, металлическая.
6. Тип связи - металлическая.

Физические и химические свойства алюминия определяют области его применения и использования. Если говорить о бытовых сторонах, то большую роль играют именно уже рассмотренные нами выше характеристики. Как легкий, прочный и антикоррозионный металл, алюминий применяется в самолето- и кораблестроении. Поэтому эти свойства очень важно знать.

Химические свойства алюминия

С точки зрения химии, рассматриваемый металл - сильный восстановитель, который способен проявлять высокую химическую активность, будучи чистым веществом. Главное - это устранить оксидную пленку. В этом случае активность резко возрастает.

Химические свойства алюминия как простого вещества определяются его способностью вступать в реакции с:

• кислотами;
• щелочами;
• галогенами;
• серой.

С водой он не взаимодействует при обычных условиях. При этом из галогенов без нагревания реагирует только с йодом. Для остальных реакций нужна температура.

Можно привести примеры, иллюстрирующие химические свойства алюминия. Уравнения реакций взаимодействия с:

• кислотами - AL + HCL = AlCL 3 + H 2 ;
• щелочами - 2Al + 6H 2 O + 2NaOH = Na + 3Н 2 ;
• галогенами - AL + Hal = ALHal 3 ;
• серой - 2AL + 3S = AL 2 S 3 .

В целом, самое главное свойство рассматриваемого вещества - это высокая способность к восстановлению других элементов из их соединений.

Восстановительная способность

Восстановительные свойства алюминия хорошо прослеживаются на реакциях взаимодействия с оксидами других металлов. Он легко извлекает их из состава вещества и позволяет существовать в простом виде. Например: Cr 2 O 3 + AL = AL 2 O 3 + Cr.

В металлургии существует целая методика получения веществ, основанная на подобных реакциях. Она получила название алюминотермии. Поэтому в химической отрасли данный элемент используется именно для получения других металлов.

Распространение в природе

По распространенности среди других элементов-металлов алюминий занимает первое место. Его в земной коре содержится 8,8 %. Если же сравнивать с неметаллами, то место его будет третьим, после кислорода и кремния.

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико.

Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл:

• полевые шпаты;
• бокситы;
• граниты;
• кремнезем;
• алюмосиликаты;
• базальты и прочие.

В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.

Получение

Физические и химические свойства алюминия позволяют получать его только одним способом: электролизом расплава соответствующего оксида. Однако процесс этот технологически сложен. Температура плавления AL 2 O 3 превышает 2000 0 С. Из-за этого подвергать электролизу непосредственно его не получается. Поэтому поступают следующим образом.

Выход продукта составляет 99,7 %. Однако возможно получение и еще более чистого металла, который используется в технических целях.

Применение

Механические свойства алюминия не столь хороши, чтобы применять его в чистом виде. Поэтому чаще всего используются сплавы на основе данного вещества. Таких много, можно назвать самые основные.

1. Дюралюминий.
2. Алюминиево-марганцевые.
3. Алюминиево-магниевые.
4. Алюминиево-медные.
5. Силумины.
6. Авиаль.

Основное их отличие - это, естественно, сторонние добавки. Во всех основу составляет именно алюминий. Другие же металлы делают материал более прочным, стойким к коррозии, износоустойчивым и податливым в обработке.

Можно назвать несколько основных областей применения алюминия как в чистом виде, так и в виде его соединений (сплавов).

Вместе с железом и его сплавами алюминий - самый важный металл. Именно эти два представителя периодической системы нашли самое обширное промышленное применение в руках человека.

Свойства гидроксида алюминия

Гидроксид - самое распространенное соединение, которое образует алюминий. Свойства химические его такие же, как и у самого металла, - он амфотерный. Это значит, что он способен проявлять двойственную природу, вступая в реакции как с кислотами, так и со щелочами.

Сам по себе гидроксид алюминия - это белый студенистый осадок. Получить его легко при взаимодействии соли алюминия с щелочью или При взаимодействии с кислотами данный гидроксид дает обычную соответствующую соль и воду. Если же реакция идет с щелочью, то формируются гидроксокомплексы алюминия, в которых его координационное число равно 4. Пример: Na - тетрагидроксоалюминат натрия.

В земной коре алюминия очень много: 8,6% по массе. Он занимает первое место среди всех металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых! Как писал более 100 лет назад в своем классическом учебнике Основы химии Д.И.Менделеев , из всех металлов «алюминий есть самый распространенный в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине».

Важнейший минерал алюминия – боксит, смесь основного оксида AlO(OH) и гидроксида Al(OH) 3 . Крупнейшие месторождения боксита находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; промышленная добыча ведется и в других странах. Богаты алюминием также алунит (квасцовый камень) (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH) 3 , нефелин (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 . Всего же известно более 250 минералов, в состав которых входит алюминий; большинство из них – алюмосиликаты, из которых и образована в основном земная кора. При их выветривании образуется глина, основу которой составляет минерал каолинит Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина – каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.

Изредка встречается исключительно твердый (уступает лишь алмазу) минерал корунд – кристаллический оксид Al 2 O 3 , часто окрашенный примесями в разные цвета. Его синяя разновидность (примесь титана и железа) называется сапфиром, красная (примесь хрома) – рубином. Разные примеси могут окрашивать так называемый благородный корунд также в зеленый, желтый, оранжевый, фиолетовый и другие цвета и оттенки.

Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978 в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий – в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. Известно, что при нагревании галогенидов алюминия – хлорида, бромида, фторида они могут с большей или меньшей легкостью испаряться (так, AlCl 3 возгоняется уже при 180° C). При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть – восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.

Название алюминия происходит от латинского alumen (род. падеж aluminis). Так называли квасцы, двойной сульфат калия-алюминия KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O), которые использовали как протраву при крашении тканей. Латинское название, вероятно, восходит к греческому «халмэ» – рассол, соляной раствор. Любопытно, что в Англии алюминий – это aluminium, а в США – aluminum.

Во многих популярных книгах по химии приводится легенда о том, что некий изобретатель, имя которого история не сохранила, принес императору Тиберию, правившему Римом в 14–27 н.э., чашу из металла, напоминающего цветом серебро, но более легкого. Этот подарок стоил жизни мастеру: Тиберий приказал казнить его, а мастерскую уничтожить, поскольку боялся, что новый металл может обесценить серебро в императорской сокровищнице.

Эта легенда основана на рассказе Плиния Старшего , римского писателя и ученого, автора Естественной истории – энциклопедии естественнонаучных знаний античных времен. Согласно Плинию, новый металл был получен из «глинистой земли». А ведь глина действительно содержит алюминий.

Современные авторы почти всегда делают оговорку, что вся эта история – не более чем красивая сказка. И это не удивительно: алюминий в горных породах чрезвычайно прочно связан с кислородом, и для его выделения необходимо затратить очень много энергии. Однако в последнее время появились новые данные о принципиальной возможности получения металлического алюминия в древности. Как показал спектральный анализ, украшения на гробнице китайского полководца Чжоу-Чжу, умершего в начале III в. н.э., сделаны из сплава, на 85% состоящего из алюминия. Могли ли древние получить свободный алюминий? Все известные способы (электролиз, восстановление металлическим натрием или калием) отпадают автоматически. Могли ли в древности найти самородный алюминий, как, например, самородки золота, серебра, меди? Это тоже исключено: самородный алюминий – редчайший минерал, который встречается в ничтожных количествах, так что древние мастера никак не могли найти и собрать в нужном количестве такие самородки.

Однако возможно и другое объяснение рассказа Плиния. Алюминий можно восстановить из руд не только с помощью электричества и щелочных металлов. Существует доступный и широко используемый с древних времен восстановитель – это уголь, с помощью которого оксиды многих металлов при нагревании восстанавливаются до свободных металлов. В конце 1970-х немецкие химики решили проверить, могли ли в древности получить алюминий восстановлением углем. Они нагрели в глиняном тигле до красного каления смесь глины с угольным порошком и поваренной солью или поташом (карбонатом калия). Соль была получена из морской воды, а поташ – из золы растений, чтобы использовать только те вещества и методы, которые были доступны в древности. Через некоторое время на поверхности тигля всплыл шлак с шариками алюминия! Выход металла был мал, но не исключено, что именно этим путем древние металлурги могли получить «металл 20 века».

Свойства алюминия.

По цвету чистый алюминий напоминает серебро, это очень легкий металл: его плотность всего 2,7 г/см 3 . Легче алюминия только щелочные и щелочноземельные металлы (кроме бария), бериллий и магний. Плавится алюминий тоже легко – при 600° С (тонкую алюминиевую проволоку можно расплавить на обычной кухонной конфорке), зато кипит лишь при 2452° С. По электропроводности алюминий – на 4-м месте, уступая лишь серебру (оно на первом месте), меди и золоту, что при дешевизне алюминия имеет огромное практическое значение. В таком же порядке изменяется и теплопроводность металлов. В высокой теплопроводности алюминия легко убедиться, опустив алюминиевую ложечку в горячий чай. И еще одно замечательное свойство у этого металла: его ровная блестящая поверхность прекрасно отражает свет: от 80 до 93% в видимой области спектра в зависимости от длины волны. В ультрафиолетовой области алюминию в этом отношении вообще нет равных, и лишь в красной области он немного уступает серебру (в ультрафиолете серебро имеет очень низкую отражательную способность).

Чистый алюминий – довольно мягкий металл – почти втрое мягче меди, поэтому даже сравнительно толстые алюминиевые пластинки и стержни легко согнуть, но когда алюминий образует сплавы (их известно огромное множество), его твердость может возрасти в десятки раз.

Характерная степень окисления алюминия +3, но благодаря наличию незаполненных 3р - и 3d -орбиталей атомы алюминия могут образовывать дополнительные донорно-акцепторные связи. Поэтому ион Al 3+ с небольшим радиусом весьма склонен к комплексообразованию, образуя разнообразные катионные и анионные комплексы: AlCl 4 – , AlF 6 3– , 3+ , Al(OH) 4 – , Al(OH) 6 3– , AlH 4 – и многие другие. Известны комплексы и с органическими соединениями.

Химическая активность алюминия весьма высока; в ряду электродных потенциалов он стоит сразу за магнием. На первый взгляд такое утверждение может показаться странным: ведь алюминиевая кастрюля или ложка вполне устойчивы на воздухе, не разрушаются и в кипящей воде. Алюминий, в отличие от железа, не ржавеет. Оказывается, на воздухе металл покрывается бесцветной тонкой, но прочной «броней» из оксида, которая защищает металл от окисления. Так, если внести в пламя горелки толстую алюминиевую проволоку или пластинку толщиной 0,5–1 мм, то металл плавится, но алюминий не течет, так как остается в мешочке из его оксида. Если лишить алюминий защитной пленки или сделать ее рыхлой (например, погружением в раствор ртутных солей), алюминий тут же проявит свою истинную сущность: уже при комнатной температуре начнет энергично реагировать с водой с выделением водорода: 2Al + 6H 2 O ® 2Al(OH) 3 + 3H 2 . На воздухе лишенный защитной пленки алюминий прямо на глазах превращается в рыхлый порошок оксида: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 . Особенно активен алюминий в мелкораздробленном состоянии; алюминиевая пыль при вдувании в пламя моментально сгорает. Если смешать на керамической пластинке алюминиевую пыль с пероксидом натрия и капнуть на смесь водой, алюминий также вспыхивает и сгорает белым пламенем.

Очень высокое сродство алюминия к кислороду позволяет ему «отнимать» кислород от оксидов ряда других металлов, восстанавливая их (метод алюминотермии). Самый известный пример – термитная смесь, при горении которой выделяется так много тепла, что полученное железо расплавляется: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Эта реакция была открыта в 1856 Н.Н.Бекетовым. Таким способом можно восстановить до металлов Fe 2 O 3 , CoO, NiO, MoO 3 , V 2 O 5 , SnO 2 , CuO, ряд других оксидов. При восстановлении же алюминием Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 теплоты реакции недостаточно для нагрева продуктов реакции выше их температуры плавления.

Алюминий легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах с образованием солей. Концентрированная азотная кислота, окисляя поверхность алюминия, способствует утолщению и упрочнению оксидной пленки (так называемая пассивация металла). Обработанный таким образом алюминий не реагирует даже с соляной кислотой. С помощью электрохимического анодного окисления (анодирования) на поверхности алюминия можно создать толстую пленку, которую нетрудно окрасить в разные цвета.

Вытеснение алюминием из растворов солей менее активных металлов часто затруднено защитной пленкой на поверхности алюминия. Эта пленка быстро разрушается хлоридом меди, поэтому легко идет реакция 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu, которая сопровождается сильным разогревом. В крепких растворах щелочей алюминий легко растворяется с выделением водорода: 2Al + 6NaOH + 6Н 2 О ® 2Na 3 + 3H 2 (образуются и другие анионные гидроксо-комплексы). Амфотерный характер соединений алюминия проявляется также в легком растворении в щелочах его свежеосажденного оксида и гидроксида. Кристаллический оксид (корунд) весьма устойчив к действию кислот и щелочей. При сплавлении со щелочами образуются безводные алюминаты: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. Алюминат магния Mg(AlO 2) 2 – полудрагоценный камень шпинель, обычно окрашенный примесями в самые разнообразные цвета.

Бурно протекает реакция алюминия с галогенами. Если в пробирку с 1 мл брома внести тонкую алюминиевую проволоку, то через короткое время алюминий загорается и горит ярким пламенем. Реакция смеси порошков алюминия и иода инициируется каплей воды (вода с иодом образует кислоту, которая разрушает оксидную пленку), после чего появляется яркое пламя с клубами фиолетовых паров иода. Галогениды алюминия в водных растворах имеют кислую реакцию из-за гидролиза: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Реакция алюминия с азотом идет только выше 800° С с образованием нитрида AlN, с серой – при 200° С (образуется сульфид Al 2 S 3), с фосфором – при 500° С (образуется фосфид AlP). При внесении в расплавленный алюминий бора образуются бориды состава AlB 2 и AlB 12 – тугоплавкие соединения, устойчивые к действию кислот. Гидрид (AlH) х (х = 1,2) образуется только в вакууме при низких температурах в реакции атомарного водорода с парами алюминия. Устойчивый в отсутствие влаги при комнатной температуре гидрид AlH 3 получают в растворе безводного эфира: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. При избытке LiH образуется солеобразный алюмогидрид лития LiAlH 4 – очень сильный восстановитель, применяющийся в органических синтезах. Водой он мгновенно разлагается: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al(OH) 3 + 4H 2 .

Получение алюминия.

Документально зафиксированное открытие алюминия произошло в 1825. Впервые этот металл получил датский физик Ганс Христиан Эрстед , когда выделил его при действии амальгамы калия на безводный хлорид алюминия (полученный при пропускании хлора через раскаленную смесь оксида алюминия с углем). Отогнав ртуть, Эрстед получил алюминий, правда, загрязненный примесями. В 1827 немецкий химик Фридрих Вёлер получил алюминий в виде порошка восстановлением гексафторалюмината калием:

Na 3 AlF 6 + 3K ® Al + 3NaF + 3KF. Позднее ему удалось получить алюминий в виде блестящих металлических шариков. В 1854 французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девилль разработал первый промышленный способ получения алюминия – восстановлением расплава тетрахлоралюминиата натрием: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Тем не менее, алюминий продолжал оставаться чрезвычайно редким и дорогим металлом; он стоил ненамного дешевле золота и в 1500 раз дороже железа (сейчас – только втрое). Из золота, алюминия и драгоценных камней была сделана в 1850-х погремушка для сына французского императора Наполеона III . Когда в 1855 на Всемирной выставке в Париже был выставлен большой слиток алюминия, полученный новым способом, на него смотрели, как на драгоценность. Из драгоценного алюминия сделали верхнюю часть (в виде пирамидки) памятника Вашингтону в столице США. В то время алюминий был ненамного дешевле серебра: в США, например, в 1856 он продавался по цене 12 долл. за фунт (454 г), а серебро – по 15 долл. В изданном в 1890 1-м томе знаменитого Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона говорилось, что «алюминий до сих пор служит преимущественно для выделки... предметов роскоши». К тому времени во всем мире ежегодно добывалось всего 2,5 т. металла. Лишь к концу 19 в., когда был разработан электролитический способ получения алюминия, его ежегодное производство начало исчисляться тысячами тонн, а в 20 в. – млн. тонн. Это сделало алюминий из полудрагоценного широко доступным металлом.

Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарлзом Мартином Холлом . Химией он увлекся еще в детстве. Найдя старый учебник химии своего отца, он начал усердно штудировать его, а также ставить опыты, однажды даже получил нагоняй от матери за порчу обеденной скатерти. А спустя 10 лет он сделал выдающееся открытие, прославившее его на весь мир.

Став в 16 лет студентом, Холл услышал от своего преподавателя, Ф.Ф.Джуэтта, что если кому-нибудь удастся разработать дешевый способ получения алюминия, то этот человек не только окажет огромную услугу человечеству, но и заработает огромное состояние. Джуэтт знал, что говорил: ранее он стажировался в Германии, работал у Вёлера, обсуждал с ним проблемы получения алюминия. С собой в Америку Джуэтт привез и образец редкого металла, который показал ученикам. Неожиданно Холл заявил во всеуслышание: «Я получу этот металл!»

Шесть лет продолжалась упорная работа. Холл пытался получать алюминий разными методами, но безуспешно. Наконец, он попробовал извлечь этот металл электролизом. В то время электростанций не было, ток приходилось получать с помощью больших самодельных батарей из угля, цинка, азотной и серной кислот. Холл работал в сарае, где устроил маленькую лабораторию. Ему помогала сестра Джулия, которая очень интересовалась опытами брата. Она сохранила все его письма и рабочие журналы, которые позволяют буквально по дням проследить историю открытия. Вот выдержка из ее воспоминаний:

«Чарлз всегда был в хорошем настроении, и даже в самые плохие дни был способен посмеяться над судьбой незадачливых изобретателей. В часы неудач он находил утешение за нашим стареньким пианино. В своей домашней лаборатории он работал по-многу часов без перерыва; а когда он мог ненадолго оставить установку, то мчался через весь наш длинный дом, чтобы немного поиграть... Я знала, что, играя с таким обаянием и чувством, он постоянно думает о своей работе. И музыка ему в этом помогала.»

Самым трудным было подобрать электролит и защитить алюминий от окисления. Через шесть месяцев изнурительного труда в тигле, наконец, появилось несколько маленьких серебристых шариков. Холл немедленно побежал к своему бывшему преподавателю, чтобы рассказать об успехе. «Профессор, я получил его!», – воскликнул он, протягивая руку: на ладони лежал десяток маленьких алюминиевых шариков. Это произошло 23 февраля 1886. А спустя ровно два месяца, 23 апреля того же года, француз Поль Эру взял патент на аналогичное изобретение, которое он сделал независимо и почти одновременно (поразительны и два других совпадения: и Холл, и Эру родились в 1863 и умерли в 1914).

Сейчас первые шарики алюминия, полученные Холлом, хранятся в Американской Алюминиевой компании в Питтсбурге как национальная реликвия, а в его колледже стоит памятник Холлу, отлитый из алюминия. Впоследствии Джуэтт писал: «Моим самым важным открытием было открытие человека. Это был Чарлз М.Холл, который в возрасте 21 года открыл способ восстановления алюминия из руды, и таким образом сделал алюминий тем замечательным металлом, которым теперь широко пользуются во всем мире». Пророчество Джуэтта сбылось: Холл получил широкое признание, стал почетным членом многих научных обществ. Но личная жизнь ему не удалась: невеста не хотела смириться с тем, что ее жених все время проводит в лаборатории, и расторгла помолвку. Холл нашел утешение в родном колледже, где он проработал до конца жизни. Как писал брат Чарлза, «колледж был для него и женой, и детьми, и всем остальным – всю его жизнь». Колледжу Холл завещал и б?льшую часть своего наследства – 5 млн. долл. Умер Холл от лейкемии в возрасте 51 года.

Метод Холла позволил получать с помощью электричества сравнительно недорогой алюминий в больших масштабах. Если с 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, то за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28 000 т этого металла! К 1930 мировое ежегодное производство алюминия достигло 300 тыс. тонн. Сейчас же ежегодно получают более 15 млн. т. алюминия. В специальных ваннах при температуре 960–970° С подвергают электролизу раствор глинозема (технический Al 2 O 3) в расплавленном криолите Na 3 AlF 6 , который частично добывают в виде минерала, а частично специально синтезируют. Жидкий алюминий накапливается на дне ванны (катод), кислород выделяется на угольных анодах, которые постепенно обгорают. При низком напряжении (около 4,5 В) электролизеры потребляют огромные токи – до 250 000 А! За сутки один электролизер дает около тонны алюминия. Производство требует больших затрат электроэнергии: на получение 1 тонны металла затрачивается 15000 киловатт-часов электроэнергии. Такое количество электричества потребляет большой 150-квартирный дом в течение целого месяца. Производство алюминия экологически опасно, так как атмосферный воздух загрязняется летучими соединениями фтора.

Применение алюминия.

Еще Д.И.Менделеев писал, что «металлический алюминий, обладая большою легкостью и прочностью и малою изменчивостью на воздухе, очень пригоден для некоторых изделий». Алюминий – один из самых распространенных и дешевых металлов. Без него трудно представить себе современную жизнь. Недаром алюминий называют металлом 20 века. Он хорошо поддается обработке: ковке, штамповке, прокату, волочению, прессованию. Чистый алюминий – довольно мягкий металл; из него делают электрические провода, детали конструкций, фольгу для пищевых продуктов, кухонную утварь и «серебряную» краску. Этот красивый и легкий металл широко используют в строительстве и авиационной технике. Алюминий очень хорошо отражает свет. Поэтому его используют для изготовления зеркал – методом напыления металла в вакууме.

В авиа- и машиностроении, при изготовлении строительных конструкций, используют значительно более твердые сплавы алюминия. Один из самых известных – сплав алюминия с медью и магнием (дуралюмин, или просто «дюраль»; название происходит от немецкого города Дюрена). Этот сплав после закалки приобретает особую твёрдость и становится примерно в 7 раз прочнее чистого алюминия. В то же время он почти втрое легче железа. Его получают, сплавляя алюминий с небольшими добавками меди, магния, марганца, кремния и железа. Широко распространены силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием. Производятся также высокопрочные, криогенные (устойчивые к морозам) и жаропрочные сплавы. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Легкость и прочность алюминиевых сплавов особенно пригодились в авиационной технике. Например, из сплава алюминия, магния и кремния делают винты вертолетов. Сравнительно дешевая алюминиевая бронза (до 11% Al) обладает высокими механическими свойствами, она устойчива в морской воде и даже в разбавленной соляной кислоте. Из алюминиевой бронзы в СССР с 1926 по 1957 чеканились монеты достоинством 1, 2, 3 и 5 копеек.

В настоящее время четвертая часть всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% – в электротехнике.

Алюминий содержат также многие горючие и взрывчатые смеси. Алюмотол, литая смесь тринитротолуола с порошком алюминия, – одно из самых мощных промышленных взрывчатых веществ. Аммонал – взрывчатое вещество, состоящее из аммиачной селитры, тринитротолуола и порошка алюминия. Зажигательные составы содержат алюминий и окислитель – нитрат, перхлорат. Пиротехнические составы «Звездочки» также содержат порошкообразный алюминий.

Смесь порошка алюминия с оксидами металлов (термит) применяют для получения некоторых металлов и сплавов, для сварки рельсов, в зажигательных боеприпасах.

Алюминий нашел также практическое применение в качестве ракетного топлива. Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сгорании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Идею использования алюминия в качестве горючего еще в 1924 предложил отечественный ученый и изобретатель Ф.А.Цандер. По его замыслу можно использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время твердых ракетных топлив содержат металлический алюминий в виде тонкоизмельченного порошка. Добавление 15% алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя – главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия.

Широкое применение находят и соединения алюминия. Оксид алюминия – огнеупорный и абразивный (наждак) материал, сырье для получения керамики. Из него также делают лазерные материалы, подшипники для часов, ювелирные камни (искусственные рубины). Прокаленный оксид алюминия – адсорбент для очистки газов и жидкостей и катализатор ряда органических реакций. Безводный хлорид алюминия – катализатор в органическом синтезе (реакция Фриделя – Крафтса), исходное вещество для получения алюминия высокой чистоты. Сульфат алюминия применяют для очистки воды; реагируя с содержащимся в ней гидрокарбонатом кальция:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O, он образует хлопья оксида-гидроксида, которые, оседая, захватывают, а также сорбируют на поверхности находящиеся в воде взвешенные примеси и даже микроорганизмы. Кроме того, сульфат алюминия применяют как протраву при крашении тканей, для дубления кожи, консервирования древесины, проклеивания бумаги. Алюминат кальция – компонент вяжущих материалов, в том числе портландцемента. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) YAlO 3 – лазерный материал. Нитрид алюминия – огнеупорный материал для электропечей. Синтетические цеолиты (они относятся к алюмосиликатам) – адсорбенты в хроматографии и катализаторы. Алюминийорганические соединения (например, триэтилалюминий) – компоненты катализаторов Циглера – Натты, которые используются для синтеза полимеров, в том числе синтетического каучука высокого качества.

Илья Леенсон

Литература:

Тихонов В.Н. Аналитическая химия алюминия . М., «Наука», 1971
Популярная библиотека химических элементов . М., «Наука», 1983
Craig N.C. Charles Martin Hall and his Metall. J.Chem.Educ . 1986, vol. 63, № 7
Kumar V., Milewski L. Charles Martin Hall and the Great Aluminium Revolution . J.Chem.Educ., 1987, vol. 64, № 8



ИСТОРИЯ АЛЮМИНИЯ

Алюминий – один из самых молодых металлов, открытых человеком. В чистом виде в природе он не встречается, поэтому получить его удалось лишь в XIX веке, благодаря развитию химии и появлению электричества. За полтора века алюминий прошел невероятно интересный путь от драгоценного металла до материала, использующегося абсолютно в каждой
сфере деятельности людей.

« Вы думаете, всё так просто? Да, всё просто.
Но совсем не так».

Альберт Эйнштейн
Физик-теоретик

Открытие алюминия

В элементах орнамента гробниц китайских императоров III века н.э. использован алюминиевый сплав, содержащий алюминий, медь и марганец

Человечество сталкивалось с алюминием задолго до того, как этот металл был получен. В «Естественной истории» римского ученого Плиния Старшего говорится о легенде I века, в которой мастер дарит императору Тиберию чашу из неизвестного металла – похожую на серебряную, но при этом очень легкую .

Достаточно широко в древности применялись квасцы – соль на основе алюминия. Полководец Архелай обнаружил, что дерево практически не горит, если его выдержать в растворе квасцов – этим пользовались для защиты деревянных укреплений от поджогов. В античные времена квасцы применялись в медицине, при выделке кож, в качестве протравы при крашении тканей. В Европе, начиная с XVI века квасцы использовались повсеместно: в кожевенной промышленности в качестве дубильного средства, в целлюлозно-бумажной – для проклеивания бумаги, в медицине – в дерматологии, косметологии, стоматологии и офтальмологии.

Именно квасцам (по-латински – alumen) алюминий обязан своим именем. Его металлу дал английский химик Гемфри Дэви, который в 1808 году установил, что получить алюминий можно методом электролиза из глинозема (оксид алюминия), но подтвердить теорию практикой он не смог.

Ханс Кристиан Эрстед

1777 - 1851

Это сделал датчанин Ханс Кристиан Эрстед в 1825 году. Правда, судя по всему, ему удалось получить не чистый металл, а некий сплав алюминия с элементами, участвовавшими в опытах. Ученый сообщил об открытии и прекратил эксперименты.

Его работу продолжил немецкий химик Фридрих Вёлер, который 22 октября 1827 года получил около 30 граммов алюминия в виде порошка. Ему понадобилось еще 18 лет непрерывных опытов, чтобы в 1845 году получить небольшие шарики застывшего расплавленного алюминия (корольки).

Открытие алюминиевой руды. В 1821 году геолог Пьер Бертье обнаружил во Франции залежи глинистой красноватой по роды. Свое название «боксит» (bauxite) порода получила по наименованию местности, где была найдена – Les Baux.

Открытый учеными химический метод получения алюминия довел до промышленного применения выдающийся французский химик и технолог Анри-Этьенн Сент-Клер Девиль. Он усовершенствовал метод Вёлера и в 1856 году совместно со своими партнерами организовал первое промышленное производство алюминия на заводе братьев Шарля и Александра Тиссье в Руане (Франция).

200 тонн

алюминия было получено химическим способом Сент-Клер Девиля в период с 1855 по 1890 годы

Получаемый металл был похож на серебро, был легким и при этом дорогим, поэтому в то время алюминий считался элитным материалом, предназначенным для изготовления украшений и предметов роскоши. Первыми продуктами из алюминия считаются медали с барельефами Наполеона III, который всячески поддерживал развитие производства алюминия, и Фридриха Вёлера, а также погремушка наследного принца Луи-Наполеона, выполненная из алюминия и золота.

Однако уже тогда Сент-Клер Девиль понимал, что будущее алюминия связано отнюдь не с ювелирным делом.

«Нет ничего труднее, чем заставить людей использовать новый металл. Предметы роскоши и украшения не могут служить единственной областью его применения. Я надеюсь, что настанет время, когда алюминий будет служить удовлетворению повседневных нужд».

Сент-Клер Девиль
Французский химик

Метод Холла-Эру

Ситуация изменилась с открытием более дешевого электролитического способа производства алюминия в 1886 году. Его одновременно и независимо друг от друга разработали французский инженер Поль Эру и американский студент Чарльз Холл. Предложенный ими метод подразумевал электролиз расплавленной в криолите окиси алюминия и давал прекрасные результаты, но требовал большого количества электроэнергии.

Чарльз Холл

Поэтому свое первое производство Эру организовал на металлургическом заводе в Нейгаузене (Швейцария), рядом со знаменитым Рейнским водопадом, сила падающей воды которого приводила в действие динамо-машины предприятия.

18 ноября 1888 года, между Швейцарским металлургическим обществом и немецким
промышленником Ратенау было подписано соглашение об учреждении в Нейгаузене Акционерного общества алюминиевой промышленности с общим капиталом в 10 миллионов швейцарских франков. Позднее его переименовали в Общество алюминиевых заводов. На его торговой марке было изображено солнце, восходящее из-за алюминиевого слитка, что должно было, по замыслу Ратенау, символизировать зарождение алюминиевой промышленности. За пять лет производительность завода возросла более чем в 10 раз. Если в 1890 году в Нейгаузене было выплавлено всего 40 тонн алюминия, то в 1895 году – 450 тонн.

Чарльз Холл, воспользовавшись поддержкой друзей, организовал Питтсбургскую восстановительную компанию, которая запустила свой первый завод в Кенсингтоне неподалеку от Питтсбурга 18 сентября 1888 года. В первые месяцы он выпускал лишь около 20-25 кг алюминия в сутки, а в 1890 – уже по 240 кг ежедневно.

Свои новые заводы компания расположила в штате Нью-Йорк вблизи новой Ниагарской гидроэлектростанции. Алюминиевые заводы и в наше время строятся в непосредственной близости от мощных, дешевых и экологичных источников энергии, таких как ГЭС. В 1907 году Питтсбургская восстановительная компания была реорганизована в Американскую алюминиевую компанию или сокращенно Alcoa.

В 1889 году технологичный и дешевый метод производства глинозема – оксида алюминия, основного сырья для производства металла – изобрел австрийский химик Карл Иосиф Байер, работая в Санкт-Петербурге (Россия) на Тентелевском заводе. В одном из экспериментов ученый добавил в щелочной раствор боксит и нагрел в закрытом сосуде – боксит растворился, но не полностью. В нерастворившемся остатке Байер не обнаружил алюминия – оказалось, что при обработке щелочным раствором весь алюминий, содержащийся в боксите, переходит в раствор.

На основе методов Байера и Холла-Эру основаны современные технологии получения алюминия.

Таким образом, за несколько десятилетий была создана алюминиевая промышленность, завершилась история о «серебре из глины» и алюминий стал новым промышленным металлом.

Широкое применение

На рубеже XIX и XX веков алюминий стал применяться в самых разных сферах и дал толчок для развития целых отраслей.

В 1891 году по заказу Альфреда Нобеля в Швейцарии создается первый пассажирский катер Le Migron с алюминиевым корпусом. А через три года шотландская судостроительная верфь Yarrow & Co представила изготовленную из алюминия 58-метровую торпедную лодку. Этот катер назывался «Сокол», был сделан для военно-морского флота Российской империи и развивал рекордную для того времени скорость в 32 узла.

В 1894 году американская железнодорожная компания New York, New Haven, and Hartford Railroad, принадлежавшая тогда банкиру Джону Пирпонту Моргану (J.P. Morgan), начала выпускать специальные легкие пассажирские вагоны, сидения которых были выполнены из алюминия. А всего через 5 лет на выставке в Берлине Карл Бенц представил первый спортивный автомобиль с алюминиевым корпусом.

На площади Пиккадили в Лондоне в 1893 году появилась алюминиевая статуя древнегреческого бога Антероса. Высотой почти в два с половиной метра она стала первой крупной работой из этого металла в сфере искусства – а ведь всего несколько десятков лет назад каминные часы или статуэтки в кабинетах считались роскошью, доступной только высшему обществу.

Но настоящую революцию алюминий совершил в авиации, за что навсегда заслужил свое второе имя – «крылатый металл». В этот период изобретатели и авиаторы во всем мире работали над созданием управляемых летательных аппаратов – самолетов.

17 декабря 1903 года американские авиаконструкторы братья Уилбур и Орвилл Райт впервые в истории человечества совершили полет на управляемом летательном аппарате «Флайер-1». Для того чтобы заставить его полететь они попытались использовать автомобильный двигатель, однако он оказался слишком тяжелым. Поэтому специально для «Флайера-1» разработали полностью новый двигатель, детали которого были изготовлены из алюминия. Легкий 13-сильный мотор поднял первый в мире самолет с Орвиллом Райтом за штурвалом в воздух на 12 секунд, за которые он пролетел 36,5 метров. Братья совершили еще два полета по 52 и 60 метров на высоте около 3 метров от уровня земли.

В 1909 году был изобретен один из ключевых алюминиевых сплавов – дюралюминий. На его получение у немецкого ученого Альфреда Вильма ушло семь лет, но они того стоили. Сплав с добавлением меди, магния и марганца был таким же легким, как алюминий, но при этом значительно превосходил его по твердости, прочности и упругости. Дюралюминий быстро стал главным авиационным материалом. Из него был сделан фюзеляж первого цельнометаллического самолета в мире Junkers J1, разработанного в 1915 году одним из основателей мирового авиастроения, знаменитым немецким авиаконструктором Хуго Юнкерсом.

Мир входил в этап войн, в которых авиация стала играть стратегическую, а иногда решающую роль. Поэтому дюралюминий первое время являлся военной технологией и метод его получения держался в секрете.

Тем временем, алюминий осваивал новые и новые сферы применения. Из него начали массово производить посуду, которая быстро и почти полностью вытеснила медную и чугунную утварь. Алюминиевые сковородки и кастрюли легкие, быстро нагреваются и остывают, а также не ржавеют.

В 1907 году в Швейцарии Роберт Виктор Неер изобретает способ получения алюминиевой фольги методом непрерывной прокатки алюминия. В 1910 году он уже запускает первый в мире фольгопрокатный завод. А еще через год компания Tobler использует фольгу для упаковки шоколада. В нее, в том числе, заворачивают и знаменитый треугольный Toblerone.

Очередной переломный момент для алюминиевой промышленности наступает в 1920 году, когда группа ученых под руководством норвежца Карла Вильгельма Содерберга изобретает новую технологию производства алюминия, которая существенно удешевляла метод Холла-Эру. До этого в качестве анодов в процессе электролиза использовались предварительно обожженные угольные блоки – они быстро расходовались, поэтому постоянно требовалась установка новых. Содерберг решил эту проблему с помощью постоянно возобновляемого электрода. Он формируется в специальной восстановительной камере из коксосмоляной пасты и по мере необходимости добавляется в верхнее отверстие электролизной ванны.

Технология Содерберга быстро распространяется по всему миру и приводит к увеличению объемов его выпуска. Именно ее берет на вооружение СССР, не имевший тогда собственной алюминиевой промышленности. В дальнейшем развитие технологий вновь сделало применение электролизеров с обожженными анодами предпочтительнее из-за отсутствия на них выбросов смолистых веществ и меньшего расхода электроэнергии. Кроме того, одним из основных достоинств электролизеров с обожженными анодами является возможность увеличения силы тока, то есть производительности.

Еще в 1914 российский химик Николай Пушин писал: «Россия, потребляющая ежегодно 80 000 пудов алюминия, сама не производит ни одного грамма этого металла, и весь алюминий покупает за границей».

В 1920 году, несмотря на продолжающуюся гражданскую войну, руководство страны понимает, что для промышленного роста и индустриализации огромной территории необходимы колоссальные объемы электроэнергии. Для этого был разработана и принята программа, получившая название «План ГОЭЛРО» (ГОсударственной комиссии по ЭЛектрификации РОссии). Он подразумевал строительство на российских реках каскадов ГЭС, а чтобы для вырабатываемой ими энергии сразу был потребитель, рядом было решено строить алюминиевые заводы. При этом алюминий использовался как для военных, так и гражданских нужд.

Первая Волховская ГЭС была запущена в 1926 году в Ленинградской области, рядом с ней возводят Волховский алюминиевый завод, который дал свой первый металл в 1932 году. К началу Второй мировой войны в стране было уже два алюминиевых и один глиноземный завод, еще два алюминиевых предприятия были построены в течение войны.

В это время алюминий активно использовался в авиации, судостроении и автомобилестроении, а также начинал свой путь в строительстве. В США в 1931 году был построен знаменитый небоскреб Empire State Building, вплоть до 1970 года, являвшийся самым высоким зданием в мире. Это было первое здание, при строительстве которого широко использовался алюминий, как в основных конструкциях, так и в интерьере.

Вторая мировая война видоизменила основные рынки спроса на алюминий – на первый план выходит авиация, изготовление танковых и автомобильных моторов. Война подтолкнула страны антигитлеровской коалиции к увеличению объема алюминиевых мощностей, совершенствовалась конструкция самолетов, а вместе с ними и виды новых алюминиевых сплавов. «Дайте мне 30 тысяч тонн алюминия, и я выиграю войну», - писал в 1941 году президенту США Франклину Рузвельту глава СССР Иосиф Сталин. С окончанием войны заводы переориентировались на гражданскую продукцию.

В середине XX века человек шагнул в космос. Чтобы сделать это вновь понадобился алюминий, для которого аэрокосмическая отрасль с тех пор стала одной из ключевых сфер применения. В 1957 году СССР вывел на орбиту Земли первый в истории человечества искусственный спутник – его корпус состоял из двух алюминиевых полусфер. Все последующие космические аппараты изготавливались из крылатого металла.

В 1958 году в США появился алюминиевый продукт, ставший впоследствии одним из самых массовых товаров из алюминия, символом экологичности этого металла и даже культовым предметом в области искусства и дизайна. Это алюминиевая банка. Ее изобретение делят между собой алюминиевая компания Kaiser Aluminum и пивоваренная Coors. К слову, последняя не только первой стала продавать пиво в алюминиевых банках, но и организовала систему сбора и переработки использованных банок. В 1967 году разливать свои напитки в алюминиевые банки начинают Coca-Cola и Pepsi.

В 1962 году легендарный гонщик Микки Томпсон и его гоночный болид Harvey Aluminium Special Indianapolis 500 car, выполненный из алюминиевых сплавов, стали сенсацией. Несмотря на то, что машина уступала конкурентам по мощности на целых 70 лошадиных сил, Томпсону удалось занять восьмое место в квалификации и быть девятым по ходу гонок. В результате его команда получила награду Mechanical Achievement Award за прорыв в дизайне гоночных болидов.

Спустя два года в Японии был запущен знаменитый Shinkansen - первый в мире высокоскоростной поезд, прообраз всех современных поездов такого типа, в которых алюминий является ключевым материалом. Он курсировал между Токио и Осакой и преодолевал расстояние в 515 км за 3 часа 10 минут, разгоняясь до 210 км/ч.