Алюминий является одним из наиболее распространенных химических элементов на Земле. Однако появление промышленного способа его производства в конце XIX века позволило значительно расширить сферы его применения и сделать этот металл незаменимым во многих областях человеческой деятельности. Рассмотрим на примере алюминия историю открытия, свойства и применение одного из ключевых химических элементов таблицы Д.И. Менделеева.
История открытия и изучения химических свойств алюминия
Согласно данным в Encyclopædia Britannica , первое упоминание о химическом элементе алюминий появилось в 1787 году. Немецкий ученый Андреас Маргграф выделил из квасцов соединение, которое впоследствии стало известно как оксид алюминия или глинозем. Полученное Маргграфом вещество не являлось чистым металлом, а представляло соединение алюминия и кислорода.
Оксид алюминия выделяют из боксита - землистой глиноподобной массы, состоящей из гидроксида алюминия, оксидов железа и других металлов, а также оксида кремния.
Алюминий как химический элемент был впервые выделен в чистом, металлическом виде в 1825 году датским физиком и химиком Хансом Эрстедом. Однако он смог получить лишь небольшое его количество в виде серого порошка и не исследовал свойства и особенности вещества. Алюминий как химический элемент был впервые получен в достаточном количестве и изучен немецким химиком Фридрихом Велером в 1827 году. Велер осуществил восстановление хлорида алюминия калием и таким образом удалось выделить значительное количество металла.
Химические свойства алюминия были подробно изучены Велером. Так, было обнаружено, что алюминий:
- Легко взаимодействует с соляной и серной кислотами, выделяя водород
- В мелкодисперсном состоянии активно реагирует с кислородом, особенно при повышенных температурах
- При нагревании также реагирует с серой, фосфором, азотом и углеродом
- Восстанавливает многие металлы (железо, титан, хром) из их оксидов и солей
Алюминий как химический элемент имеет высокое сродство к кислороду, поэтому на воздухе быстро покрывается тонкой плотной пленкой гидроксида алюминия - это обеспечивает ему высокую коррозионную стойкость. Также было обнаружено, что алюминий хорошо проводит электрический ток и обладает высокой пластичностью. Эти свойства определили впоследствии основную область применения алюминия.
Промышленные способы производства алюминия
Несмотря на обилие алюминия в земной коре, он не встречается в природе в чистом виде, а только в форме соединений (обычно оксидов) или алюмосиликатов. Поэтому после открытия металла встала задача разработки промышленного способа его получения. Алюминий стал широко использоваться в промышленности только после того, как в 1886 году был запатентован экономически эффективный способ электролитического производства алюминия из глинозема, разработанный американским инженером Чарльзом Мартином Холлом.
- В автоклаве руду боксита нагревают с едким натром для экстракции оксида алюминия
- Затем гидроксид алюминия осаждают из раствора и прокаливают для получения чистого оксида алюминия
- Путем электролиза расплавленного при 950 С глинозема с криолитом происходит восстановление алюминия. Металл осаждается на катоде.
Этот способ, известный как процесс Холла-Эра, и по сей день является основным промышленным способом получения алюминия. Позднее были предложены и некоторые альтернативные методы, например, электролиз хлорида алюминия в расплавах эвтектических смесей солей. Однако они не получили столь широкого применения из-за ряда недостатков.
Свойства и применение алюминия
Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам, алюминий нашел очень широкое применение в самых разных отраслях промышленности и быта. К основным достоинствам алюминия относятся:
- Небольшой удельный вес (2,7 г/см3)
- Высокие тепло- и электропроводность
- Пластичность и ковкость
- Стойкость к коррозии благодаря защитному слою оксида
Благодаря сочетанию этих свойств, алюминий применяют:
- Для изготовления кабелей и электропроводов (вместо меди)
- В авиации и космической отрасли благодаря высокой прочности и легкости алюминиевых сплавов
- Для производства разнообразной бытовой утвари, посуды и упаковки
- Для получения порошков алюминия, используемых в термитных смесях для сварки металлов
| Основные сплавы на основе алюминия | Область применения |
Дуралюминий (Al + Cu + Mg) | Авиа- и судостроение, автомобилестроение |
Силумин (Al + Si) | Детали машин и механизмов |
Также алюминий нашел широкое применение и в других областях - медицине, пищевой промышленности, производстве удобрений и взрывчатых веществ. Такое разнообразие сфер использования делает алюминий поистине незаменимым.
Производство алюминия в России
В России производство алюминия базируется главным образом на использовании нефелинового сырья, запасы которого сосредоточены на Кольском полуострове и в Сибири. Крупнейшие российские производители алюминия:
- РУСАЛ - крупнейший в мире производитель алюминия
- Ростех - второе место в России по выпуску алюминия
В 2020 году Россия произвела около 3,8 млн тонн алюминия. Это ставит Россию на 2 место в мире после Китая по объемам производства этого металла. При этом большая часть российского алюминия идет на экспорт.
Переработка алюминиевого лома
Вторичная переработка алюминия, то есть использование алюминиевого лома, играет важную роль в мировой алюминиевой промышленности. Переплавка алюминиевого лома требует гораздо меньше энергозатрат по сравнению с производством первичного алюминия. Это делает вторичный алюминий более дешевым.
Доля вторичного алюминия в мировом производстве составляет около 35%. В некоторых регионах, например в Европе, эта доля доходит до 50%.
Экологические аспекты производства алюминия
Несмотря на все достоинства, алюминиевая промышленность оказывает и негативное воздействие на окружающую среду. Основные экологические проблемы, связанные с производством алюминия:
- Выбросы парниковых газов и загрязнение воздуха. Производство тонны алюминия связано с выбросом 1-1.5 тонны CO2.
- Нарушение земель и ландшафтов при разработке бокситов и строительстве предприятий.
- Загрязнение вод фтором, щелочами и тяжелыми металлами.
- Образование токсичных отходов производства, например "красного шлама".
Для снижения экологического ущерба применяются различные методы очистки выбросов и сточных вод, утилизации отходов, а также используется вторичный алюминий.
Альтернативы традиционным алюминиевым сплавам
Несмотря на широкое распространение дуралюминиев и силуминов, продолжаются исследования по созданию новых алюминиевых сплавов с улучшенными характеристиками. Одними из перспективных заменителей традиционных сплавов являются:
- Высокопрочные алюминиево-литиевые сплавы
- Композиционные алюмо-матричные материалы, армированные наночастицами или волокнами
- Алюмоматричные композиты на основе карбида или нитрида алюминия
Применение таких материалов позволит создавать более легкие и прочные конструкции для авиации, автомобиле-, судо- и ракетостроения. Активно ведутся работы по замене деталей из титановых и магниевых сплавов на алюминиевые композиты.
Перспективы развития производства и применения алюминия
Несмотря на более чем 100-летнюю историю промышленного производства, алюминий не теряет своих позиций и остается одним из ключевых конструкционных и функциональных материалов. Рост спроса на алюминий в мире составляет 3-4% в год. К 2030 году ожидается увеличение мирового потребления алюминия до 100 млн тонн в год.
Основными факторами, которые будут определять развитие алюминиевой промышленности в ближайшие десятилетия, являются:
- Рост авиастроения, автомобилестроения и других отраслей-потребителей алюминия
- Снижение энергоемкости производства алюминия
- Разработка новых более эффективных сплавов и композитов на основе алюминия
- Ужесточение экологических требований к алюминиевой промышленности
Применение алюминия в электротехнике
Благодаря высокой электропроводности, алюминий и его сплавы широко используются в производстве различных электротехнических изделий:
- Алюминиевые провода для линий электропередач
- Обмоточные провода из алюминия
- Контакты и разъемы из алюминиевых сплавов
- Радиаторы и оребрение для охлаждения электрооборудования
- Корпуса трансформаторов и других электрических устройств
По сравнению с медными аналогами алюминиевые провода и кабели более легкие, гибкие и дешевые. Это позволяет снижать материалоемкость и стоимость электрооборудования.
Применение алюминия в пищевой промышленности
Использование алюминия в пищевой промышленности связано с его способностью к пассивации. Тончайшая пленка оксида алюминия не растворяется в пищевых продуктах и не взаимодействует с ними. Благодаря этому алюминий нашел широкое применение:
- Фольга и контейнеры для хранения и транспортировки пищевых продуктов
- Столовые приборы (ложки, вилки)
- Кастрюли, сковороды и противни
- Упаковки для напитков (банки, бутылки и т.д.)
- Оборудование пищевых производств (конвейеры, емкости)
Алюминиевая посуда используется для приготовления и хранения пищи уже более 100 лет и это применение продолжает активно развиваться.
Применение алюминия в строительстве
Прочность, легкость, высокая коррозиестойкость и пластичность алюминия определили его широкое применение в современном строительстве:
- Алюминиевые профили в оконных и дверных конструкциях
- Облицовочные панели и кровельные материалы
- Металлоконструкции общественных и промышленных зданий
- Отделка фасадов зданий алюминиевыми композитными панелями и профилями
Использование алюминия позволяет создавать функциональные, легкие и долговечные строительные конструкции и облицовки.
Переработка вторичного алюминия в России
В России ежегодно образуется около 700 тыс. тонн алюминиевого лома и отходов. При этом уровень их переработки и вовлечения во вторичное производство пока невысок - не более 30%. Для сравнения в США и Европе этот показатель составляет около 90%.
Для решения этой проблемы в России реализуется ряд мер:
- Строительство специализированных заводов по переработке алюминиевого лома
- Создание сборочных пунктов и логистической инфраструктуры
- Повышение экологических сборов для стимулирования утилизации отходов
Это позволит сократить потери алюминия, снизить нагрузку на окружающую среду и получить дополнительный источник вторичного металла для российской промышленности.
Перспективы использования алюминия в автомобилестроении
В настоящее время наблюдается тенденция к расширению использования алюминия и его сплавов при производстве автомобилей. Это связано со следующими факторами:
- Требования к снижению веса и повышению топливной эффективности
- Ужесточение норм безопасности, требующих применения прочных и легких материалов
- Совершенствование технологий обработки алюминиевых заготовок
Ожидается, что к 2030 году средний автомобиль будет содержать до 250 кг алюминия. Это почти вдвое больше по сравнению с текущим уровнем использования этого металла в автопроме.
Применение алюминия в производстве тары и упаковки
Благодаря высокой коррозийной стойкости, прочности и легкости, алюминий широко используется для изготовления различной тары и упаковки. Основные виды алюминиевой упаковки:
- Банки для напитков и консервов
- Тубы для паст, кремов и других вязких продуктов
- Фольга для упаковки пищевых продуктов и лекарств
- Аэрозольные баллоны бытовой химии и косметики
- Крышки и колпачки для бутылок и банок
По сравнению со стальной или пластиковой, алюминиевая тара обеспечивает лучшую сохранность продуктов и не влияет на их вкус.
Перспективы использования алюминия в электромобилях
Переход к производству электромобилей открывает новые возможности для применения алюминия в автомобилестроении. Это связано с необходимостью компенсации веса тяжелых аккумуляторных батарей.
Алюминий и его сплавы могут использоваться в электрокарах для:
- Корпусов и рам
- Колесных дисков
- Элементов подвески и трансмиссии
- Облицовок аккумуляторов
- Силовой электроники
Применение алюминия позволит снизить массу электромобилей и увеличить запас хода на одном заряде батареи.
Покрытия на основе алюминия
Благодаря высокой отражательной способности, теплопроводности и коррозионной стойкости, алюминий применяется в различных защитных и декоративных покрытиях:
- Алюминиевое зеркало
- Анодированный алюминий
- Декоративное алитирование стали
- Теплоотражающие краски на основе пудры или пасты алюминия
Такие покрытия используются для придания изделиям эстетических, защитных и функциональных свойств.
Применение наноструктурированного алюминия
Интенсивно ведутся работы по созданию и исследованию нанокристаллических, нанокомпозитных и пористых материалов на основе алюминия. Такие наноструктурированные формы алюминия обладают уникальными механическими, оптическими, каталитическими и другими свойствами.
Основные области применения наноалюминия:
- Высокопрочные конструкционные материалы
- Катализаторы химических процессов
- Сенсоры для детектирования газов и биомолекул
- Электроды литий-ионных аккумуляторов
Развитие нанотехнологий существенно расширит возможности практического использования алюминия.
Применение алюмооксидной керамики
Керамика на основе оксида алюминия (Al2O3) обладает высокой твердостью, износостойкостью, жаропрочностью и химической стойкостью. Это определяет ее широкое использование:
- Режущий инструмент
- Детали химического оборудования
- Имплантаты и протезы в медицине
- Защитные бронеэлементы
- Футеровка высокотемпературных печей и теплообменников
