"Алюминий – свойства, производство и применение"

Алюминий – металл 13-й группы Периодической таблицы, обладающий наименьшей плотностью среди конструкционных металлов. Он отличается высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию на поверхности тонкой и прочной оксидной плёнки. В природе алюминий встречается преимущественно в виде стабильного изотопа Al-27.

Легкость и хорошие технические характеристики алюминия делают его широко востребованным в электротехнике, машиностроении и строительстве. Некоторые алюминиевые сплавы обладают высокой прочностью, термостойкостью и жаропрочностью, образуя интерметаллические соединения – алюминиды.

Типы алюминиевых полуфабрикатов

• Уголки и швеллеры;
• прутки и плиты;
• листы и ленты;
• трубы и проволока;
• алюминиевая чушка (литейная заготовка).

Алюминий активно применяется в производстве кабелей, радиаторов, диодов, охлаждающих корпусов, фольги и различных конструкционных элементов.

Химические и физические характеристики алюминия

• Атомная масса – 26,9815 г/моль
• Плотность – 2,6989 г/см³
• Температура плавления – 660 °C
• Температура кипения – 2518,82 °C
• Электропроводность – 0,377 МСм/м
• Теплопроводность – 237 Вт/(м·К)
• Скорость звука – 5200 м/с
• Кристаллическая решётка – кубическая гранецентрированная
• Электроотрицательность – 1,61 (по Полингу)
• Молярная теплоёмкость – 24,35 Дж/(К·моль)

Добыча сырья и производство алюминия

Основным сырьем для производства алюминия является боксит – алюминиевая руда, содержащая 40–60% глинозёма. Крупнейшие месторождения боксита расположены в Австралии, Гвинее, Ямайке, Бразилии и Камеруне. 

Производственный процесс начинается с извлечения глинозёма из боксита, после чего следует электролиз в расплавленном криолите при температуре около 950 °C.

Метод электролитического восстановления алюминия был разработан Полем Эру (Франция) и Чарльзом Холлом (США) в 1886 году. Они значительно снизили температуру плавления оксида алюминия с 2050 °C до 950 °C, используя криолит Na₃AlF₆ в качестве растворителя.

Поскольку природный криолит крайне редок, его получают искусственным путём из фторида алюминия и фторида натрия.

Технология получения глинозёма и алюминия

Основные этапы производства алюминия:

1. Измельчённый боксит выщелачивается при температуре около 240 °C в растворе щёлочи.
2. В результате образуется алюминат натрия, из которого при понижении температуры выделяется гидроксид алюминия Al(OH)₃.
3. Нагрев гидроксида алюминия до 1150–1300 °C приводит к получению глинозёма – оксида алюминия (Al₂O₃).
4. Глинозём подвергается электролизу в расплавленном криолите, в ходе которого выделяется чистый алюминий.
5. Жидкий алюминий осаждается на дно ванны, а аноды сгорают, выделяя углекислый газ (CO и CO₂).

Рафинирование алюминия

Для повышения чистоты алюминий проходит трёхслойный электролиз при температуре 700–800 °C. Этот метод основан на разделении расплавленного металла на анодный и катодный слои с разной плотностью, что позволяет эффективно удалять примеси.

В результате получают алюминий с минимальным содержанием примесей:

• Fe: 0,0005–0,002%
• Si: 0,002–0,005%
• Cu, Zn, Mg – в следовых количествах

Чистый металл используется для производства прокатных, штамповочных и литейных изделий: листов, прутков, профилей, проволоки и порошков.

История и масштабы производства

Коммерческое производство алюминия началось во второй половине XIX века. В СССР первый алюминиевый завод был построен в 1932 году. Сегодня крупнейшими производителями алюминия являются Китай, Россия, Канада, США, Индия, Бразилия и Австралия.

Более 60% мирового объёма алюминия производится из вторичного сырья, что подчёркивает важность переработки и устойчивого использования этого металла.