Известный и неизвестный алюминий

Жизнь как явление биологическое не слишком жалует самый распространенный на нашей планете металл. Его роль в биологических процессах скромна — по той же, очевидно, причине, из-за которой наука и промышленность так долго не могли получить алюминий: в природных соединениях он связан весьма прочно и подавляющее большинство этих соединений в воде практически не растворимо. Эта статья – об алюминии, его сплавах и соединениях в повседневной жизни: в быту и в жизни как системе взаимоотношений живой и неживой природы. Фольга, упаковка, жалюзи, раздвижные стенки, алюминиевый шифер — все это на виду и хорошо известно, но что ещё занимательного и интересного таит в себе алюминий?

В начале всех начал

Можно предполагать, что элемент № 13, вернее, его оксид как составная часть глины имел прямое отношение к сотворению человека. Согласно Библии (Бытие 2 7), «И создал Бог человека из праха земного и вдунул в лице его дыхание жизни, и стал человек душою живою» На роль праха земного, пригодного для формирования достаточно сложных фигур вроде человеческой, глина, наверное, — самый подходящий материал... Пути Господни неисповедимы.

Квасцы

Алюминиевые квасцы — вещество, в честь которого назван элемент № 13, — известны с глубокой древности. Еще за 500 лет до н э. их использовали как протраву при крашении тканей и для дубления кож. Алюминиевые квасцы-комплексные соли, сульфаты алюминия и одного из щелочных металлов первой группы, обычно калия или натрия. Алюмокалиевые квасцы в наши дни применяют шире, чем алюмонатриевые. Это бесцветные кристаллы, кристаллогидраты, в которых соответствующие сернокислые соли связаны с 24 молекулами воды.

Кроме уже названных сфер применения квасцов следует, очевидно, упомянуть и медицину. В твердом виде квасцы применяют наружно как кровоостанавливающее и прижигающее средство, а их раствор — для полосканий и примочек. Следует иметь в виду, что не все виды квасцов содержат алюминий: его место может занять и другой металл третьей группы.

Универсальный оксид

Глинозем, корунд, благородные рубин и сапфир — разные названия оксида алюминия. Обычно оксид алюминия - мелкие кристаллы белого цвета с ромбоэдрической решеткой. Крупные прозрачные кристаллы, подкрашенные малыми добавками оксидов хрома или кобальта, превращают промышленное сырье в драгоценные камни. И корунд, и сапфиры с рубинами уже достаточно давно получают искусственным путем. Известно еще несколько кристаллических разновидностей оксида алюминия, но устойчив из них при обычных условиях лишь оксид с кристаллами в форме куба. Следует помянуть еще и так называемый активный оксид алюминия особым образом приготовленный мелкодисперсный Аl2O3 — известный адсорбент и катализатор.

Глинозем из боксита

Главное сегодня сырье для производства глинозема, а, следовательно, и алюминия.— боксит. Это довольно распространенная порода красного бурого, иногда серого цвета, средней плотности и твердости. Постоянством состава, физических и химических свойств не отличается. Породообразующие минералы — прежде всего диаспор. бемит и гиббсит с точки зрения чистой химии представляют собой гидраты глинозема. Кроме основных в боксите много сопутствующих минералов: каолинит, кальцит, хлориты, разнообразные минералы железа и — кремнезем, здесь самая что ни на есть пустая порода. Есть также примеси других элементов — титана, фосфора и т.д. Хорошими считаются те бокситы, в которых содержание АlО от 50% и выше, а соотношение глинозема и кремнезема не менее. 2,1:1, в идеале 8 — 10:1.

Разнообразие состава бокситов влечет за собой разнообразие способов получения глинозема, но есть обязательные общие операции, например щелочное обогащение, цель и смысл которого — перевести в раствор большую часть кремнезема. Щелочное обогащение возможно потому, что оксид алюминия при температурах ниже 100'С в щелочах практически не растворим. В результате этой операции получается бокситовый концентрат, который перерабатывают пирометаллургическими, гидрохимическими или комбинированными способами В любом случае цццель — разделить соединения кремния и алюминия и получить в конечном счете достаточно чистый оксид алюминия.

Природа распорядилась таким образом, что большинство месторождений высококачественного боксита сосредоточены в странах тропического пояса: Суринам, Ямайка, Гвинея, Австралия... В России же наиболее богатые месторождения бокситов расположены в Сибири и на Северном Урале. Во второй половине XX столетия Советский Союз стал вторым после США мировым производителем алюминия и его сплавов.

Алюминий из нефелинов

Вторым по важности источником алюминиевого сырья могла бы быть другая распространенная горная порода - нефелины. На Кольском полуострове, например, целые горы нефелинов. Именно с этой породой природа смешала главное горнорудное богатство полуострова: имеются в виду апатиты, высококачественное фосфорное сырье. Человек их разделил: апатиты использовал, нефелины — выбросил...

Еще в 30-х годах группа энтузиастов комплексного использования минерального сырья во главе с инженером И.Л.Талмудом, позже директором Волховского алюминиевого завода, еще позже экспертом ГКНТ и лауреатом Ленинской премии (1957 г.) разработала и реализовала в промышленных масштабах способ комплексной переработки нефелинового сырья на глинозем, цемент и содопродукты. Три завода — два в Ленинградской области и один в Сибири — наладили это комплексное производство.

Алюминотермия

Еще в середине прошлого века известный русский химик Н.Н.Бекетов разработал способ восстановления многих ценных металлов из их оксидов с помощью алюминия, получивший название алюминотермии. Алюминий в этом случае используется в виде порошка или малой стружки, которая образует шихту с соответствующим кислородным соединением восстанавливаемого металла. Или нескольких сразу — в этом случае в конце процесса получают готовые сплавы. Физико-химическая основа алюминотермии проста: соединение алюминия с кислородом сопровождается большим выделением тепла, чем аналогичная реакция многих других металлов-марганца, хрома, вольфрама, ванадия. Но аппаратурное оформление иногда оказывается достаточно сложным: температура к концу процесса может достигнуть 3000'С и даже выше, хотя начинают его поджогом сравнительно легко воспламеняемой запальной смеси. Состав ее приводить не будем — чтобы юные химики чего-нибудь не сожгли и себе не навредили. Процесс может быть опасным, особенно в неумелых руках.

Алюминий-органика

В отличие от магний-органических соединений алюминий-органические не стали заметным явлением в мировой науке. Впрочем, некоторые из них стали первыми катализаторами реакции стереорегулярной полимеризации, открытой в середине ХХ века Карлом Циглером и Джулио Натта. Работа удостоена Нобелевской премии по химии, и поделом! Качество полимерных материалов, каучуков в первую очередь, резко улучшилось, стабилизировалось.

Первый алюминиевый костыль

Самоочевидно, что легкие, прочные, химически стойкие алюминиевые сплавы и композиты охотно применяют в ортопедии. Любопытно, что первый в литературе, подчеркнем — в художественной литературе, алюминиевый костыль принадлежал незабвенному Шерлоку Холмсу, попадавшему иногда и в неприятные переделки. У вас, наверное, должны были возникнуть некоторые сомнения в связи с этим заявлением, особенно если знать, что Артур Конан Дойл писал свои рассказы о великом сышике в основном в 90-х голах прошлого века, а технически значимым металлом алюминий стал уже в ХХ веке. Но в том-то и хитрость, что автором рассказа «Восковые игроки», где помянут алюминиевый костыль Шерлока Холмса, был не сам Артур Конан Дойл, а его младший сын Адриан в соавторстве с биографом знаменитого писателя Джоном Д.Карром. Так что все может быть, как говорится.

Алюминиевые вилки и ложки

По установленному стандарту на изготовление посуды для пищи идут алюминий и eгo сплавы марок АД, АД1, ММ. Эти материалы не содержат и не выделяют вредных примесей даже при длительном контакте с продуктами. Марка АД — это алюминий, в котором процент примесей (железа, цинка, титана и других) не превышает 0,5, следовательно, чистого алюминия здесь не менее 99,5%. В марке АД1 допустимых примесей чуть больше — 0,7%. Марка ММ кроме самого алюминия содержит легирующие компоненты: 0.2-0,5% магния и 1.0 — 1.4% марганца. Кроме того в стандарте особо оговорено количество свинца не более 0,15% — и мышьяка не более 0,015%.

Сразу успокоим: кушайте на здоровье алюминиевыми ложками и вилками, в кастрюлях варите супы, в мисках делайте салаты и так далее. Но для пущей надежности посмотрите, какое клеймо стоит на вашей посуде, — ведь сейчас много, так сказать, левого, кустарного товара. А он, может быть, изготовлен из алюминия непищевых марок — там примесей, в том числе вредных, будет гораздо больше.

В.Станцо

Статья предоставлена сайтом Волшебство науки. На сайте размещаются научно-популярные и информационные статьи и заметки о различных отраслях науки и техники. Сайт расчитан на широкую аудиторию заинтересованных читателей, инженеров и студентов технических вузов.
Читайте статью Тринадцатый номер - алюминий, посвященную истории открытия алюминия и получения способов промышленного производства.

Следующая страница: Изобретение электрической лампочки