Ալյումին

Ալյումին (լատին․՝ Aluminium), քիմիական նշանը՝ Al (կարդացվում է՝ «ալյումին»), ատոմային համարը՝ 13, ատոմային զանգվածը՝ 26.98154։ Ալյումինը p–տարր է։

13 Մագնեզիում ← Ալյումին → Սիլիցիում Քիմիական տարրերի պարբերական համակարգ 13Al
Պարզ նյութի արտաքին տեսք
Ալյումին պարզ նյութը փափուկ, թեթև արծաթասպիտակավուն երանգով մետաղ է։
Ատոմի հատկություններ
Անվանում, սիմվոլ, կարգաթիվ	Ալյումին / Aluminium (Al), Al, 13
Խումբ, պարբերություն, բլոկ	13, 3,
Ատոմային զանգված (մոլային զանգված)	26,9815386(8)[1] զ. ա. մ. (գ/մոլ)
Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա	[Ne] 3s2 3p1
Էլեկտրոնները ըստ թաղանթների	2, 8, 3
Ատոմի շառավիղ	143 պմ
Քիմիական հատկություններ
Կովալենտ շառավիղ	121±4 պմ
Վան-դեր-Վալսի շառավիղ	184
Իոնի շառավիղ	51 (+3e) պմ
Էլեկտրաբացասականություն	1,61 (Պոլինգի սանդղակ)
Էլեկտրոդային պոտենցիալ	-1,66 В
Օքսիդացման աստիճաններ	3
Իոնացման էներգիա	1‑ին: 577.5 (5.984) կՋ/մոլ (էՎ) 2‑րդ: 1816.7 (18.828) կՋ/մոլ (էՎ)
Պարզ նյութի թերմոդինամիկական հատկություններ
Թերմոդինամիկական ֆազ	Պինդ նյութ
Հալման ջերմաստիճան	660 °C, 933,5 Կ
Եռման ջերմաստիճան	2518,82 °C, 2792 Կ
Հալման տեսակարար ջերմունակություն	10,75 կՋ/մոլ
Մոլյար ջերմունակություն	24,35[2] Ջ/(Կ·մոլ)
Մոլային ծավալ	10,0 սմ³/մոլ
Պարզ նյութի բյուրեղային ցանց
Բյուրեղացանցի կառուցվածք	խորանարդ
Բյուրեղացանցի տվյալներ	4,050
Դեբայի ջերմաստիճան	394 Կ
Այլ հատկություններ
Ջերմահաղորդականություն	(300 Կ) 237 Վտ/(մ·Կ)
Ձայնի արագություն	5200
CAS համար	CAS գրանցման համար?

13	Ալյումին
Al 26,982
3s23p1

Բնական ալյումինը բաղկացած է ²⁷Al մեկ նուկլիդից։ Վալենտային էլեկտրոնները երեքն են։ Արտաքին էլեկտրական շերտի դասավորվածությունն է 3s²p¹։ Գործնականում բոլոր միացություններում օքսիդացման աստիճանը +3 է (եռավալենտ) և 3 վալենտականություն։ Ալյումինի նեյտրալ ատոմի շառավիղը 0.143 նմ է, իսկ Al³⁺ իոնինը՝ 0.057 նմ։

Ալյումին պարզ նյութը փափուկ, թեթև արծաթասպիտակավուն երանգով մետաղ է, օժտված է մեծ էլեկտրա– և ջերմահաղորդականությամբ։ Ալյումինի խտությունը 2,7 գ/սմ³ է։ Մոտ 3 անգամ թեթև է երկաթից և պղնձից, սակայն բավական ամուր է։ Ալյումինը հալվում է 600 °C ջերմաստիճանում։

Տարածվածությամբ ալյումինը մետաղների մեջ գրավում է առաջին տեղը և կազմում է երկրակեղևի զանգվածի 7 %–ը։

Պատմություն

Առաջին անգամ ալյումինը ստացել է դանիացի ֆիզիկոս Հանս Էրսթեդի կողմից 1825 թվականին։

լատին․՝ aluminium-ը գալիս է նույն լատիներեն լատին․՝ alumen բառից, որը նշանակում է պաղլեղ (շիբ – ալյումինի և կալիումի սուլֆատ՝ KAl(SO₄)₂.12H₂O), որը վաղուց օգտագործվել է կաշվի մշակման ժամանակ և ինչպես կպցնող միջոց։

Քիմիական բարձր ակտիվության պատճառով մաքուր ալյումինի հայտնագործումն ու ստացումը ձգվել է համարյա 100 տարի։ Եզրակացությունն այն մասին, որ պաղլեղից կարելի է ստանալ «հող» (դժվարահալ նյութ, ժամանակակից՝ ալյումինի օքսիդ) եկել է դեռ 1754 թվականից՝ գերմանացի քիմիկոս Ա. Մարգգրաֆից։ Ավելի ուշ պարզվեց, որ հենց այդպիսի «հող» կարելի է ստանալ կավից, և այն սկսեցին անվանել կավահող։

Մետաղական ալյումին կարողացավ ստանալ դանիացի ֆիզիկոս Հ. Ք. Էսթրեդը։ Նա ալյումինի քլորիդի (AlCl₃, որը կարելի էր ստանալ կավահողից) վրա ազդեց կալիումի ամալգամայով (սնդկահալվածքով՝ հալելով կալիումը սնդիկի հետ)։ Միայն քառորդ դար հետո այս մեթոդը հնարավոր եղավ մի քիչ կատարելագործել։ Ֆրանսիացի քիմիկոս Ա. Է. Սենտ-Կլեր Դեվիլը 1854 թվականին առաջարկեց ալյումին ստանալու համար օգտագործել մետաղական նատրիում և ստացավ նոր մետաղի առաջին ձուլակտորները։ Այդ ժամանակ ալյումինի գինը շատ բարձր էր, և դրանից պատրաստում էին թանկարժեք զարդեր։

Դժվար խառնուրդների հալույթի (որոնք ներառում են ալյումինի օքսիդ, ֆտորիդ և այլ նյութեր) էլեկտրոլիզի միջոցով ալյումինի արտադրության գործարանային տարբերակն իրարից անկախ մշակել են Պ. Էրուն (Ֆրանսիա) և Չ. Հոլլը (ԱՄՆ) 1888 թվականին։

Ալյումինի արտադրությունը կապված էր էլեկտրաէներգիայի մեծ ծախսերի հետ, այդ պատճառով մեծ մասշտաբներով այն սկսեցին ստանալ միայն 20-րդ դարում։

Ստացում

Ալյումինը ստանում են Al₂O₃ օքսիդի հալույթի էլեկտրոլիզով, իսկ օքսիդն առանձնացնում են բոքսիտ հանքաքարից.

${\displaystyle {\mathsf {2Al_{2}O_{3}\rightarrow 4Al+3O_{2}}}}$

Օքսիդի հալման ջերմաստիճանը 2000-ից բարձր է, և հնարավոր չէ ունենալ էլեկտրոլիզի սարքեր, որոնք դիմանան այդպիսի բարձր ջերմաստիճանների։ Այդ պատճառով օքսիդին խառնում են կրիոլիտ՝ Al₃[AlF₆], և դրա առկայությամբ իրականացնում հալույթի էլեկտրոլիզը բավականին ցածր՝ մոտ 900 °C ջերմաստիճանում։

Որպես կաթոդ ծառայում են էլեկտրոլիզային գուռի հատակին տեղադրված գրաֆիտե սալիկները, իսկ որպես անոդ՝ գրաֆիտե ձողերի շարանը։ Գոյացող ալյումինը հալված վիճակում հավաքվում է գուռի հատակին և շարունակում կատարել կաթոդի դերը։ Անոդի վրա թթվածինն առաջանում է ատոմների ձևով, որոնք անմիջապես միանում են ածխի հետ՝ վերջինս այրելով մինչև CO և CO₂։ Էլեկտրոլիզի ամբողջ ընթացքում անոդի գրաֆիտե զանգվածն անընդհատ ավելացնում են։

Ֆիզիկական հատկություններ

Ալյումին փրփուր

• Ալյումինը արծաթափայլ սպիտակ մետաղ է
• Խտությունը՝ 2,7 գ/սմ³
• Տեխնիկական ալյումինի հալման ջերմաստիճանը՝ 658 °C, իսկ մաքուր ալյումինինը՝ 660 °C
• Եռման ջերմաստիճան՝ 2500 °C
• Կարծրությունը ըստ Բրինելլի՝ 24…32 կգ սմ/մմ²
• Բարձր պլաստիկությունն՝ 50 %
• Յունգի մոդուլը՝ 70 գՊա
• Ալյումինն օժտված է մեծ էլեկտրահաղորդականությամբ (37·10⁶ սմ/մ) և ջերմահաղորդականությամբ (203,5 Վտ/(մ·Կ)
• Ջերմաստիճանը գործակիցը՝ 24,58·10−6 К−1 (20…200 °C)
• Տեսակարար դիմադրությունը՝ 0,0262..0,0295 օհմ·մմ²/մ
• Էլեկտրական դիմադրության ջերմաստիճանը գործակիցը՝ 4,3·10⁻³K⁻¹։

Ալյումինը գրեթե բոլոր մետաղների հետ առաջացնում է համաձուլվածքներ։ Առավել հայտնի համաձուլվածքներն են պղնձի (դյուրալյումին) և սիլիցիումի համաձուլվածքները։

Քիմիական հատկություններ

Մետաղների էլեկտրաքիմիական շարքում ալյումինը գտնվում է բավական ձախ, իսկ դա նշանակում է, որ ուժեղ վերականգնիչ և շատ ակտիվ մետաղ է։ Թթվածնի մթնոլորտում տաքացված ալյումինն այրվում է՝ արձակելով օքսիդի շիկացած շիթեր.

${\displaystyle {\mathsf {4Al+3O_{2}\rightarrow 2Al_{2}O_{3}}}}$

Ալյումինի հիդրօքսիդ

Օդում ալյումինը շատ կայուն է և փոփոխության չի ենթարկվում։ Ալյումինը պատվում է օքսիդի աննշմարելի շերտով, որը պահպանում է մետաղը հետագա օքսիդացումից։ Օքսիդային ամուր թաղանթը թույլ չի տալիս, որ ալյումինը ռեակցիայի մեջ մտնի նաև ջրի հետ։ Թթվածնի և ջրի նկատմամբ իր մեծ կայունության շնորհիվ ալյումինը ունի լայն կիրառություն։ Օքսիդի շերտը ալյումինին կայուն է դարձնում նաև ազոտական թթվի ինչպես նոսր, այնպես էլ խիտ լուծույթների նկատմամբ։ Ծծմբական թթվի լուծույթի և աղաթթվի հետ ալյումինը փոխազդում է ոչ մեծ արագությամբ.

${\displaystyle {\mathsf {2Al+3H_{2}SO_{4}\rightarrow Al_{2}(SO_{4})_{3}+3H_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Al+6HCl\rightarrow 2AlCl_{3}+3H_{2}}}}$

Սակայն ալյումինը շատ զգայուն է ալկալիների նկատմամբ։ Արդեն սենյակային ջերմաստիճանում լուծվում է ալկալու ջրային լուծույթում՝ անջատելով ջրածին.

${\displaystyle {\mathsf {2Al+2NaOH+2H_{2}O\rightarrow 2NaAlO_{2}+3H_{2}}}}$

Գոյացող աղը ջրային միջավայրում հանդես է գալիս հիդրատացված ձևով։

Հալոգենների հետ (բացի ֆտորից^[3]) առաջացնելով քլորիդ, բրոմիդ, յոդիդ.

Ալյումինի Նմուշը

${\displaystyle {\mathsf {2Al+3Hal_{2}\rightarrow 2AlHal_{3}(Hal=Cl,Br,I)}}}$

Ալյումինը շատ ակտիվ մետաղ է։ Փոխազդում է ջրի հետ՝

${\displaystyle {\mathsf {2Al+6H_{2}O\rightarrow Al(OH)_{3}+3H_{2}}}}$

Բարձր մաքրության ալյումին (99.99%)

Տաքացման պայմաններում փոխազդում է ոչ մետաղների հետ.

• Ֆտորի հետ, առաջացնելով ալյումինի ֆտորիդ.

${\displaystyle {\mathsf {2Al+3F_{2}\rightarrow 2AlF_{3}}}}$

• ծծմբի հետ, առաջացնելով ալյումինի սուլֆիդ.

${\displaystyle {\mathsf {2Al+3S\rightarrow Al_{2}S_{3}}}}$

• Ազոտի հետ, առաջացնելով ալյումինի նիտրիդ.

${\displaystyle {\mathsf {2Al+N_{2}\rightarrow 2AlN}}}$

• ածխածնի հետ, առաջացնելով ալյումինի կարբիդ.

${\displaystyle {\mathsf {4Al+3C\rightarrow Al_{4}C_{3}}}}$

Հեշտությամբ լուծվում է աղաթթվում և նոսր ծծմբական թթվում, իսկ տաքացման պայմաններում՝ նաև խիտ ազոտական և ծծմբական թթուներում։

${\displaystyle {\mathsf {8Al+15H_{2}SO_{4}\rightarrow 4Al_{2}(SO_{4})_{3}+3H_{2}S+12H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Al+6HNO_{3}\rightarrow Al(NO_{3})_{3}+3NO_{2}+3H_{2}O}}}$

Կիրառվում է թեթև և ամուր համաձուլվածքների ստացման, ալյումինաթերմիայի, ինչպես նաև կենցաղային իրերի պատրաստման համար։

Բնության մեջ

Ալյումինի կտոր

Բնության մեջ տարածվածությունով ալյումինը գրավում է առաջին տեղը մետաղների մեջ և երրորդ տեղը բոլոր տարրերի մեջ (թթվածնից և սիլիցիումից հետո), այն զբաղեցնում է երկրակեղևի զանգվածի 8.8%-ը։ Ալյումինը մտնում է ահռելի քանակությամբ հանքանյութերի բաղադրության մեջ, գլխավորությամբ ալյումոսիլիկատների և լեռնային ապարների։ Ալյումինի միացություններ պարունակում են գրանիտները, բազալտները, կավը, դաշտային սպաթը և այլն։ Բայց ահա պարադոքս. չնայած նրան, որ ալյումինը պարունակվում է շատ մեծ քանակությամբ հանքանյութերում և ապարներում, բոքսիտներով հարուստ տեղանքները, որոնք հանդիսանում են ալյումինի գործարանային ստացման հիմնական հումք, բավականին հազվադեպ են հանդիպում։ Միկրոէլեմենտների տեսքով ալյումինը առկա է կենդանիների և բույսերի հյուսվածքներում։

Արտադրություն և շուկա

2007 թվականին աշխարհում արտադրվել է 38 միլիոն տոննա, իսկ 2008 թվականին 39,7 միլիոն տոննա ալյումին։ Ալյումին արտադրող առաջատար երկրներն են՝

Ալյումինի արտադրությունը

1. (2007 թվականին արտադրվել է 12,60 միլիոն տ, իսկ 2008՝ 13,50 միլիոն տ)
2. (3,96/4,20)
3. (3,09/3,10)
4. (2,55/2,64)
5. (1,96/1,96)
6. (1,66/1,66)
7. (1,22/1,30)
8. (1,30/1,10)
9. (0,89/0,92)
10. (0,87/0,87)
11. (0,90/0,85)
12. (0,40/0,79)
13. (0,55/0,59)
14. (0,61/0,55)
15. (0,56/0,55)
16. (0,42/0,42)^[4]

Կիրառություն

Ալյումինե գլանվածք

Ալյումինը հեշտությամբ է ենթարկվում մեխանիկական մշակման, որովհետև ունի մեծ կռելիություն և ձգվողականություն։ Կարելի է գլանել, լար ձգել, ինչպես նաև մամլել ու դրոշմել՝ իրին տալով ցանկացած ձև։

Թունավոր հատկության բացակայությունը թույլ է տալիս ալյումինը լայնորեն օգտագործելու խոհանոցային սպասքի, սննդի և գարեջրի արտադրական սարքավորումների պատրաստման, ինչպես նաև՝ սննդանյութերի և դեղանյութերի փաթեթավորման համար։ Առանց ալյումինի դժվար կլիներ պատկերացնել ինքնաթիռաշինությունը։ Ալյումինի աղերից մեծ կիրառություն ունի ալյումինական շիբը՝ KAl(SO₄)₂•12H₂O, որը կրկնակի աղ է (նաև բյուրեղահիդրատ է) և օգտագործվում է արյան մակարդման համար, ինչպես նաև մուրաբաների պատրաստման և մանրաթելերի ներկման ժամանակ (մեծացնում է ներկանյութի կապը մանրաթելի հետ)։

Ալյումինը համաշխարհային մշակույթում

1959 թվականին հայտնի բանաստեղծ Անդրեյ Վոզնեսենսկին գրել էր «Աշուն»^[5] բանաստեղծությունր, որտեղ ալյումինը օգտագործել էր որպես գեղարվեստական պատկեր.

…Եվ պատուհանից դուրս, սառնամանիքին,
փռված են դաշտերը ալյումինե…

Վիկտոր Ցոյը երգ է գրել «Ալյումինե վարունգ» կրկներգով.

Ես տնկում եմ ալյումինե վարունգներ
Բրեզենտի դաշտում