Алюминий (также известный как алюминий) – самый распространенный металлический элемент в земной коре. И это тоже хорошо, потому что мы много его используем. Ежегодно выплавляется около 41 миллиона тонн, которые используются в самых разных сферах. От кузовов автомобилей до пивных банок, от электрических кабелей до обшивки самолетов – алюминий – очень большая часть нашей повседневной жизни.
Свойства
- Атомный символ: Al
- Атомный номер: 13
- Категория элемента: Постпереходный металл
- Плотность: 2,70 г/см 3
- Точка плавления: 1220,58 ° F (660,32 ° C)
- Точка кипения: 4566 ° F (2519 ° C)
- Твердость по Моосу: 2,75
Характеристики
Алюминий – это легкий, обладающий высокой проводимостью, отражающий и нетоксичный металл, который легко поддается механической обработке. Прочность металла и многочисленные полезные свойства делают его идеальным материалом для многих промышленных применений.
История
Компаунды алюминия использовались древних египтян в качестве красителей, косметики и лекарств, но только 5000 лет спустя люди открыли, как плавить чистый металлический алюминий. Неудивительно, что разработка методов производства металлического алюминия совпала с появлением электричества в 19 веке, поскольку выплавка алюминия требует значительного количества электроэнергии.
A Главный прорыв в производстве алюминия произошел в 1886 году, когда Чарльз Мартин Холл обнаружил, что алюминий можно производить с помощью электролитического восстановления. До этого времени алюминий был реже и дороже золота. Однако в течение двух лет после открытия Холла алюминиевые компании были созданы в Европе и Америке.
В течение 20 века спрос на алюминий существенно вырос, особенно в транспортная и упаковочная промышленность. Хотя методы производства существенно не изменились, они стали заметно более эффективными. За последние 100 лет количество энергии, потребляемой для производства одной единицы алюминия, уменьшилось на 70%.
Производство
Производство алюминия из руды зависит от оксида алюминия (Al2O3), который извлекается из бокситовой руды. Бокситы обычно содержат 30-60% оксида алюминия (обычно называемого глиноземом) и регулярно встречаются у поверхности земли. Этот процесс можно разделить на две части; (1) извлечение глинозема из бокситов и (2) выплавка металлического алюминия из глинозема.
Разделение глинозема обычно осуществляется с использованием того, что известный как процесс Байера. Это включает в себя измельчение боксита в порошок, смешивание его с водой для получения суспензии, нагревание и добавление едкого натра (NaOH). Каустическая сода растворяет оксид алюминия, что позволяет ему проходить через фильтры, оставляя после себя примеси..
Затем раствор алюмината сливают в осадительные баки, куда добавляют частицы гидроксида алюминия в качестве «затравки». Перемешивание и охлаждение приводят к осаждению гидроксида алюминия на затравочный материал, который затем нагревают и сушат для получения оксида алюминия.
Электролитические ячейки используются для плавления алюминия из оксида алюминия. в процессе, обнаруженном Чарльзом Мартином Холлом. Оксид алюминия, подаваемый в ячейки, растворяется во фторированной ванне расплавленного криолита при температуре 1742 ° F (950 ° C).
Постоянный ток от 10 000 до 300 000 А направляется от угольных анодов электролизера через смесь к катодной оболочке. Этот электрический ток расщепляет глинозем на алюминий и кислород. Кислород реагирует с углеродом с образованием диоксида углерода, в то время как алюминий притягивается к облицовке углеродного катода ячейки.
Затем алюминий можно собрать и отправить в печи, в которые можно добавить перерабатываемый алюминиевый материал. Около одной трети всего производимого сегодня алюминия производится из переработанных материалов. По данным Геологической службы США, крупнейшими странами-производителями алюминия в 2010 году были Китай, Россия и Канада.
Области применения
Области применения алюминия слишком многочисленны, чтобы перечислять их, а из-за особых свойств металла исследователи постоянно находят новые применения. Вообще говоря, алюминий и многие его сплавы используются в трех основных отраслях промышленности; транспортировка, упаковка и строительство.
Алюминий в различных формах и сплавах имеет решающее значение для структурных компонентов (рамы и кузова) самолетов, автомобилей. , поезда и лодки. Некоторые коммерческие самолеты на 70% состоят из алюминиевых сплавов (по весу). Независимо от того, требует ли деталь устойчивости к нагрузкам, коррозии или устойчивости к высоким температурам, тип используемого сплава зависит от требований каждой составляющей детали.
Около 20 % всего произведенного алюминия используется в упаковочных материалах. Алюминиевая фольга является подходящим упаковочным материалом для пищевых продуктов, поскольку она нетоксична, а также является подходящим герметиком для химических продуктов из-за ее низкой реакционной способности и непроницаемости для света, воды и кислорода. Только в США ежегодно отгружается около 100 миллиардов алюминиевых банок. Более половины из них в конечном итоге перерабатывается.
Из-за его долговечности и устойчивости к коррозии около 15% алюминия, производимого ежегодно, используется в строительстве. Сюда входят окна и дверные коробки, кровля, сайдинг и структурный каркас, а также водостоки, ставни и гаражные ворота.
Электропроводность алюминия также позволяет ему использоваться в проводных линиях большой протяженности. Алюминиевые сплавы, армированные сталью, более экономичны, чем медь, и уменьшают провисание из-за своего небольшого веса..
Другие области применения алюминия включают корпуса и радиаторы для бытовой электроники, столбы уличного освещения, верхние конструкции нефтяных вышек, окна с алюминиевым покрытием, кухонную утварь, бейсбольные биты. , и светоотражающие устройства безопасности.
Источники:
Стрит, Артур. & Александр, У. О. 1944. Металлы на службе человеку . 11-е издание (1998 г.).
USGS. Обзор минерального сырья: Алюминий (2011 г.). http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/alumin/