Aliuminis

ALIUMINIS

Aliuminis- lengvas metalas.Gryno gamtoje nerandama, nes jis chemiškai labai aktyvus.Aliuminis Žemės plutoje sudaro 8,05% jos masės.Aliuminis dažniausiai gaunamas iš boksito- aliuminio rūdos, susidedančios iš Al hidroksidų HAlO2, AlO(OH)3, Al(OH)3 su kitų mineralų priedais, rečiau iš korundo ir kriolito Na3AlF6.Daug aliuminio yra molyje, įvairiose mineraluose. Aliuminis yra periodinės elementų sistemos trečiojoje grupėje.Aliuminio atomo branduolio krūvis +13, elektronų pasiskirstymas sluoksniais:2,8,3, atominis svoris 27.

Nors aliuminio žaliavų atsargos Žemėje labai didelės, tačiau jį išskirti iš junginių sunku

XIX amžiaus viduryje aliuminis bbuvo brangesnis už auksą.Pasakojama, kad Prancūzijoje imperatorienė turėjo papuošalų iš aliuminio, imperatorius Napoleonas III valgė iš aliuminių indų, o ne tokie garbingi asmenys turėjo tenkintis auksiniais.Aliuminio gamyba atpigo tada, kai metalus išmokta gauti elektrolizės būdu.

Aliuminio induose negalima laikyti medžiagų, kurios turi rūgštinių savybių,nes aliuminio oksido plėvelė reaguoja su rūgštimis.Nepatartina aliuminio puoduose laikyti ar virti rūgščių uogienių, kompotų, raugintų kopūstų.Al2O3,kaip ir ZnO, yra būdingos amfoterinės savybės, todėl aliuminio oksido plėvelę ardo ir šarmai.

ALIUMINIO SAVYBĖS

Fizikinės savybės. Aliuminis yra ssidabriškai baltos spalvos.Jis priklauso prie lengvųjų metalų- aliuminio specifinis svoris 2,7.Lydymosi temperatūra gana žema (659 C);aliuminė folija lengvai lydosi degtuko liepsnoje.

Aliuminis gerai praleidžia šilumą ir elektros srovę:jo elektrinis laidumas maždaug 2/3 vario elektrinio laidumo.Aliuminis labai kalus.Jis lengvai apdirbamas tiek kkarštas, tiek šaltas;iš jo galima ištempti ploniausią vielą ir išvalcuoti foliją.

Cheminės savybės.Cheminėse reakcijose aliuminio atomas netenka trijų išorinio sluoksnio elektronų ir virsta teigiamuoju jonu Al3+ ,turinčiu tris krūvio vienetus.Todėl aliuminis visuose patvariuose savo junginiuose yra teigiamai trivalentis.

Aliuminis,kaitinamas ore, neužsidega, bet iš paviršiaus oksiduojasi ir virsta aliuminio oksidu Al 2O3 :

4Al+3O2=2Al2O3

Aliuminis jungiasi su oro deguonimi ir normalioje temperatūroje.Jo paviršiuje greitai susidaro plonytė, bet tanki aliuminio oksido plėvelė.Pro ją beveik nepraeina dujos, be to, ji neleidžia metalui toliau oksiduotis.

Skutant arba drožiant aliuminį, nuo jo paviršiaus, be abejo, pašalinama ir apsauginė plėvelė, bet vietoj jos pažeistame metalo paviršiuje bematant susidaro nauja oksido sluoksnis.Tirpinant aliuminį reagentuose, kurie neveikia jo oksido, yra pavykę atskirti plėvelę plonyčiu, permatomų skiautelių pavidalu.

Kad aapsauginė plėvelė tikrai yra, galima įsitikinti dar ir taip:įdėti aliuminio gabalėlį į gyvsidabrį ir panardinti jame( kad prie aliuminio neprieitų oras)įbrėžti aliuminį keliose vietose dilde.Įbrėžimuose susidarys aliuminio amalgama- jo lydinys su gyvsidabriu.Amalgamuotame aliuminio paviršiuje oksido plėvelė nesilaiko ir lengvai nusilupa.Netekęs apsauginio sluoksnio, aliuminis, išimtas iš gyvsidabrio, greitai oksiduojasi- virsta baltu puriu aliuminio oksidu.

Dabar lengva paaiškinti aliuminio pasyvumą vandens, pakaitinto net iki virimo temperatūros, atžvilgiu.Reakcija tarp aliuminio ir vandens nevyksta todėl, kad oksido plėvelė, dengianti aliuminio paviršių, netirpsta vandenyje.

Jei ššią plėvelę pašalinsime, nugramdydami aliuminį gyvsidabryje, ir po to panardinsime aliuminį į vandenį, tai jis energingai reaguos su vandeniu, išstumtas iš jo į vandenilį :

2Al+6H2O=2Al(OH )3+3H2

Aliuminio oksidas ir hidroksidas pasižymi bazinėmis savybėmis ir rūgštyse turi tirpti, leisdami rūgščiai prieiti prie metalinio aliuminio.

Įbėrus aliuminio drožlių į mėgintuvėlį su druskos rūgštimi arba praskiesta sieros rūgštimi,aliuminis tirpsta, išstumdamas iš rūgšties vandenilį ir virsdamas druska, pavyzdžiui:

2Al+6HCl=2AlCl3+3H2

Su koncentruota azoto rūgštimi( skirtingai, negu su praskiesta )aliuminis normalioje temperatūroje nereaguoja.Todėl koncentruota azoto rūgštis laikoma aliuminio induose ir transportuojama aliuminiuose cisternose.

Aliuminis reaguoja su daugelio metalų oksidais, tame tarpe ir su trivalentės geležies oksidu.Pastaruoju atveju susidaro geležies ir aliuminio oksidas:

2Al+Fe2O3=2Fe+Al2O3

Aliuminis priklauso prie chemiškai aktyvių metalų ir jų tarpe užima vietą po šarminių ir šarminių žemės metalų.

Aliuminio pritaikymas.Pagrindines aliuminio pritaikymo sritis apsprendžia tai, kad jo lydiniai yra lengvi, stiprūs ir atsparūs oro bei vandens poveikiui.Šitoks naudingų savybių derinys reikalingas visų pirma transportui.Todėl daugiausia aliuminio lydiniai naudojami lėktuvų ir automobilių gamybai.Pakeitus plieną aliuminio lydiniais automobiliuose ir lėktuvuose, jie yra judresni, geriau manevruoja, lengviau juos vairuoti ir mažiau jiems reikia kuro.

Tos pačios trys aliuminio lydinių savybės panaudojamos ir statyboje.Joje aliuminio lydinai daug kur sėkmingai pakeičia plieną, medį ir gelžbetonį, ypač kai nėra vietinių sstatybinių medžiagų, o gabenti jas iš toli sunku.Antai plėšiniuose iš gofruotų aliuminio lakštų statomi sandėliai, kuriuose telpa šimtai tūkstančių tonų grūdų.

Statyboje ir architektūroje plačiai naudojami“sidabriniai“ dažai- aliuminio miltelių ir mineralinės alyvos mišinys.Jie ne tik puošia pastatus, bet ir saugo juos nuo cheminio irimo bei šiluminio spinduliavimo.Dėl to naftos produktai, laikomi aliuminiais dažais dažytuose rezervuaruose, neperkaista nuo saulės spindulių.

Didelis gryno aliuminio laidumas elektrai panaudojamas elektrotechnikoje.Iš aliuminio gaminami laidai, kuriais elektros energija perduodama į tolimas vietas su mažiausiais nuostoliais kelyje.Aliuminis laidais yra dvigubai lengvesnis už tokios pat varžos varinį.Dėl to jam pakabinti nereikia tokių sunkių atramų

Iš aliuminio daugiausia gaminami įvairiausi virtuvės indai.Čia turi reikšmės ne tik aliuminio lengvumas bei tvirtumas, bet ir kitos vertingos savybės : jis gerai praleidžia šilumą, jo neveikia ne tik šaltas, bet ir verdantis vanduo, nenuodingi jo junginiai, kurių nedidelis kiekis gali susidaryti, veikiant aliuminį silpnomis rūgštimis, esančiomis maiste.

ALIUMINIO JUNGINIAI

Aliuminio oksidas Al2O3 yra baltos spalvos medžiaga, sunkiai besilydanti( aliuminio oksido lydymosi temperatūra viršija 2000 C )ir labai kieta.Mineralas korundas, sudarytas iš aliuminio oksido, yra viena kiečiausių gamtoje randamų medžiagų; už jį kietesnis tik deimantas.Iš aliuminio oksido daromi šlifavimo diskai, galąstuvai ir kiti įrankiai metaliniams bei kitokiems dirbiniams šlifuoti ir poliruoti.Pašalinėmis priemaišomis nudažyti skaidrūs kkorundai- raudonas ir žydras safyras- yra pusiau brangakmeniai.Dirbtiniai rubinai gaminami, sulydant aliuminio oksido miltelius su chromo oksidu.

Aliuminio oksidas vandenyje netirpsta ir su juo nereaguoja.Aliuminio oksidas yra amfoterinis.Su rūgštimis jis reaguoja kaip bazinis oksidas- tirpsta rūgščių tirpaluose, sudarydamas aliuminio druskas, pavyzdžiui:

Al2O3+NaOH=2AlCl3+H2O.

Su šarmais aliuminio oksidas reaguoja kaip rūgštinis oksidas- tirpsta juose, sudarydamas šarminių metalų druskas- aliuminatus, pavyzdžiui:

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O.

Aliuminio hidroksidas Al(OH)3 yra kieta balta medžiaga, netirpstanti vandenyje.Aliuminio hidroksidas susidaro, reaguojant aliuminio druskoms su šarmais.Jeigu, pavyzdžiui, į aliuminio chlorido tirpalą lašinsime natrio šarmo tirpalą, tai susidarys purios, į drebučius panašios aliuminio hidroksido nuosėdos:

AlCl3+3NaOH=Al(OH)3 +3NaCl.

Kaitinamas aliuminio hidroksidas skyla į aliuminio oksidą ir vandenį:

2Al(OH)3=Al2O3+3H2O.

Paveikus aliuminio hidroksidą kokia nors rūgštimi, pavyzdžiui druskos rūgštimi, nuosėdos išnyksta ir lieka skaidrus tirpalas- įvyksta reakcija, kurios metu susidaro tirpstanti vandenyje aliuminio druska ir vanduo:

Al(OH)3+3HCl= AlCl3+3H2O

Šioje reakcijoje pasireiškia bazinės aliuminio hidroksido savybės.

Tačiau jeigu aliuminio hidroksidą užpilsime natrio šarmo tirpalu, tai irgi gausime skaidrų tirpalą.Šiuo atveju susidaro tirpus vandenyje natrio aliuminatas- metaaliuminio rūgšties HAlO2 druska.

Vadinasi, aliuminio hidroksidas, priklausomai nuo sąlygų, gali reaguoti ir kaip bazė, ir kaip rūgštis, taigi jis yra amfoterinis.

Aliuminis gamtoje.Aliuminis yra labiausiai gamtoje paplitęs Žemės plutoje metalas.Laisvo aliuminio gamtoje nerandama, nes jis chemiškai labai aktyvus.Prie gamtinių junginių,

turinčių aliuminio, priklauso aliumosilikatai, boksitai, korundas ir jo atmaina- švitras.

Aliumosilikatai- tai druskos, kurių anijonų sudėtyje yra aliuminio ir silicio.Šių druskų katijonai yra šarminiai žemės metalai.Pagrindinę Žemės plutos masę sudaro aliumosilikatai.Prie jų priklauso, pavyzdžiui, toks plačiai paplitęs mineralas, kaip lauko špatas ( putnagas).Uolienų, kuriose yra daug aliumosilikatų, dūlėjimo produktas yra kaolinitas- pagrindinė molio sudedamoji dalis.

Boksitai- uoliena, kurios pagrindinis mineralas yra aliuminio hidroksidas Al(OH)3.Be to, boksituose yra geležies oksidų ir silicio dioksido.Boksitai susidarę iš įvairių uolienų dūlėjimo produktų, kuriuos vanduo ssunešė į ežerus bei jūras.Šių vandens baseinų pakrantėse jie ir nusėdo.

ALIUMINIO GAMYBA.Aliuminis buvo atrastas ir pirmą kartą gautas grynas 1825m., veikiant kalį aliuminio chloridu, t.y. metaloterminiu metodu.1854m. prasidėjo jo pramoninė gamyba, naudojant reduktoriumi natrį.Tačiau šiuo būdu gaunamas aliuminis buvo labai brangus.Jis buvo nebetaikomas, vos tik atradus elektrolitinį aliuminio gavimo būdą.Pirmoji gamykla, įsisavinusi naująjį būdą, pradėjo veikti 1888m. Šveicarijoje.

Elektrolizei reikalingas grynas aliuminio oksidas, laisvas nuo geležies oksido bei silicio dioksido priemaišų, nes kartu su aliuminiu redukuojasi ir geležis, ir ssilicis.

Svarbiausia žaliava, iš kurios gaunamas aliuminio oksidas, yra boksitai.Aliuminio oksido juose esti daugiau kaip 50%, t.y. daugiau, negu bet kurioje kitoje medžiagoje.

Mūsų šalyje taip pat sukurta aliuminio pramonė, naudojanti nefeliną- šarminį aliumosilikatą.Nefelinas įeina į apatito- nefelino uolienų sudėtį.Jos ssodrinamos, turint tikslą gauti apatitus- žaliavą fosforinių trąšų gamybai.Iš atliekų išskiriamas nefelinas,kuris perdirbamas mokslininkų ir inžinierių paruoštu būdu.Tas būdas geras tuo, kad jį taikant galima kompleksiškai, be atliekų, panaudoti žaliavą.Iš nefelino koncentratų gaunamas aliuminio oksidas, iš kurio gaminamas aliuminis.Šarmai, esantieji žaliavoje, paverčiami soda ir potašu, o iš silicio dioksido gaminamas aukštos kokybės cementas.Nefelinas plačiai naudojamas mūsų naujose stambiose aliuminio gamyklose.

Kaip elektrolitas aliuminiui gauti naudojamas aliuminio oksidas, ištirpintas išlydytame kriolite Na3AlF6.Į išlydytą masę taip pat įdedama šiek tiek aliuminio fluorido AlF3.Toks elektrolitas, palyginti, lengvai lydosi, pasižymi geru laidumu elektrai, jame blogai tirpsta metalinis aliuminis.Elektrolizė vykdoma 950 C temperatūroje, naudojant anglinius anodus.

Tekant pro išlydytą medžiagą nuolatinei 4-5 V įtampos srovei, ant katodo išsiskiria skystas aliuminis.

Deguonies jonai išsielektrina ant anodo, bbetarpiškai sudarydami su anglimi absorbuotus anglies monoksidą bei anglies dioksidą.

Pramoninis elektrolizeris yra plieninė stačiakampė vonia, iš vidaus išklota ugniai atspariomis plytomis ir anglies blokais.Į apatinius blokus įstatomi plieniniai strypai, kuriais teka elektros srovė.Jų galai kyšo iš vonios.Jos dugne susirenkantis skystas aliuminis atstoja katodą.Virš skysto aliuminio sluoksnio yra išlydytas elektrolitas, į kurį iš viršaus įleistas stačiakampio skersinio pjūvio anglinis anglinis anodas.Elektros srovė tiekiama į anodą plieniniais strypais.Anodas pamažu sudega, todėl jis periodiškai pailginamas, pakraunant į aliuminį anodo apvalkalą anglinės masės.Iš vviršaus ir iš šoninių sienelių pusės elektrolitas, šaldomas aplinkos oro, aušta, apsitraukdamas vientisine plutele.Susidarančioms elektrolizės dujoms išeiti, plutelėje pramušamos angos.

Aliuminiui gauti reikia labai daug energijos- geriausiuose įrenginiuose vienai tonai aliuminio sunaudojama 17000kWh elektros

Naujų galingų šiluminių ir hidroelektrinių statyba atveria dideles galimybes toliau didinti aliuminio gamybą.

Gautas elektrolizės būdu aliuminis turi 99,5-99,8% Al.Jame yra,geležies, silicio, metaloidų ir dujų priemaišų.Grynesnis aliuminis gaunamas, kai jis dar kartą perlydomas ir elektrolizuojamas.Dalis aliuminio sunaudojama lydiniams.Plačiai taikomas deformuojamasis lydinys- duraliuminis.Tai aliuminio lydinys su variu, magniu ir manganu.Iš duraliuminio gaminami lakštai, viela, vamzdžiai.Iš liejiminių lydinių plačiai naudojami siluminiai- aliuminio lydiniai su siliciu.Siluminius lengva suvirinti.

Aliuminio analogai.Aliuminis priklauso III grupės pagrindiniam pogrupiui.Iš padėties periodinėje elementų sistemoje ir iš atomų sandaros galima spręsti, kad šios šeimos elementų metalinės savybės turi būti silpnesnės, negu II grupės pagrindinio pogrupio elementų .Šią prielaidą aliuminis patvirtina.Jis yra amfoterinis metalas ir skiria metalus nuo metaloidų.Prieš jį yra metalai natris, magnis, o už jo- metaloidai silicis ir kiti.Tokią pat ribinę padėtį aliuminis užima savo pogrupyje.

Kadangi pagrindiniuose pogrupiuose, mažėjant elementų eilės numeriui, metaloidinės jų savybės stiprėja, metalinės- silpnėja, tai elementas boras, esantis aliuminio pogrupyje virš jo, turi jau tik metaloidines savybes- jis yra metaloidas.Jo oksido hidratas turi tik rūgštines savybes.Tatai boro rūgštis H3BO3.O eelementai, išsidėstę aliuminio pogrupyje po juo,- galis, indis, talis- yra metalai.

ALIUMINIO METALURGIJA.Svarbiausia aliuminio gamybos žaliava- boksitas.Tai pasaulyje paplitusi raudonos arba rusvos nuosėdinė uoliena.Pirmieji jo gavybą pradėjo prancūzai, atradę didelius jo telkinius nedidelėje Bo ( Baux ) vietovėje Prancūzijos pietuose.Iš čia ir kilęs uolienos pavadinimas.

Žemėje yra kelios labai turtingos boksito slūgsojimo juostos.Viena driekiasi per Pietų ir Pietryčių Europą, kitos apima Gvinėjos įlankos ( Vidurio ir Pietų Ameriką ).Gausius telkinius turi Australija- 1/3 visų boksitų atsargų.Australija pirmauja ir pagal jo gavybą.

Nemaži boksito ištekliai yra NVS, Kinijoje.Labai nedidelius- Japonija, Kanada ir JAV, todėl žaliavą aliuminio pramonei jos įsiveža.Pavyzdžiui, JAV- net iš dvylikos valstybių.

Pagal boksito eksportą pasaulyje pirmauja Gvinėja.Ji aprūpina Kanados, Vokietijos ir kitų Europos valstybių aliuminio lydymo kombinatus.

Aliuminio lydymo kombinatai statomi prie pigių elektros šaltinių ( atominių jėgainių arba hidroelektrinių ), nes gavyba reikalauja daug vandens ir elektros energijos.Europoje palankiausias sąlygas aliuminiui lydyti turi Rusija, Norvegija ir Alpių šalys.XX amžiaus pabaigoje aliuminio gamybą padidino Vokietija ir Olandija ( turi dideles gamtinių dujų atsargas- gamina pigią elektros energiją ).Palankias sąlygas aliuminio metalurgijai turi Kanada, Brazilija, Venesuela, Persų įlankos šalys,Pietų Afrikos Respublikos ir kitos.

Daugiausia aliuminio pasaulyje išlydo JAV, Rusija, Kanada ir kitos šalys.Labai svarbi vieta tenka Norvegijai ir Japonijai.Daugiausia aaliuminio vienam gyventojui išlydo Islandija, Norvegija, JAE ir kitos.

Ekonomiškai stiprios valstybės mažina pirminio aliuminio lydymą, tačiau didina antrinio ( perlydyto ) gamybą.Pavyzdžiui, Austrija gamina tik antrinį aliuminį, net 68% iš aliuminio pagamintos taros perlydoma JAV.Intensyvi antrinių žaliavų rinkimo kompanija vyksta Vakarų Europoje.Daugiau nei pusė elektrotechnikoje, statyboje ir transporto priemonių gamyboje naudojamo aliuminio yra perlydoma.