Алуминий

Химични и физични свойства на алуминия

Лек, сребристо сив, нестабилен, ковък метал, изключително електрически проводим. При температури под 1,18 K е свръхпроводим. В природата се среща предимно под формата на съединения, като най-известната руда е боксит Al2O3 · 2 H2O (дихидрат на алуминиев оксид).

Образува съединения с окислителни числа от +I до +III, най-обичайни и стабилни са алуминиевите съединения. В кисела среда образува във воден разтвор алуминиев катийон, а в алкална среда – алуминиев анийон [AlO2]−. В чисто състояние алуминият е много реактивен и бързо се покрива с тънък слой от оксид Al2O3, който защитава метала от по-нататъшна окислителна реакция.

Алуминият е много добре разтворим в разредени киселини. Но концентрираната азотна или сярна киселина, както и въздушният кислород, покриват метала с пасивиращ оксиден слой. Също така, хидроксидите на алкалните метали лесно разтварят алуминия, образувайки алуминиати (AlO2)−.

Алуминият и алуминиевите сплави са много добре заваряеми с почти всички методи на заваряване. Изключение прави сплавта дурал, чиято заваряемост е трудна.

Алуминият в металическа форма е изолиран през 1825 г. от датския физик Ханс Кристиан Ерстед.

Алуминий и неговото разпространение в природата

Поради голямата реактивност на алуминия, в природата той се среща практически само като съединения.

Алуминият е третият най-разпространен елемент в земната кора. Според последните налични данни алуминият съставлява 7,5–8,3% от земната кора. В морската вода концентрацията му е много ниска, едва 0,01 mg Al/l, а в космоса на един атом алуминий съответстват приблизително половин милион атоми водород.

Най-честата скала на база на алуминий е бокситът, Al2O3 · 2 H2O. Обикновено е придружен от други примеси на база на оксидите на силиций, титан, желязо и други.

Друг важен минерал е криолитът, натриевият хексафлуороалуминат Na3AlF6, използван предимно като флюс за понижаване на температурата на топене на алуминиевия оксид при електролитното производство на алуминий.

Минерали на база на алуминиев оксид Al2O3 са много важни и ценени. Корундът е на 9-о място в скалата за твърдост на Моос. Техническият алуминиев оксид е известен също като електрит и е широко използван за производство на шкурка.

Ценните камъни, чийто основен материал е алуминиев оксид, се различават по примесите, които придават характерно оцветяване. Червеният рубин е оцветен от примеси на хромов оксид, а синият сапфир съдържа предимно следи от оксиди на титан и желязо.

И двете споменати форми на корунд са сред най-ценените скъпоценни камъни в света, но те имат и значително техническо приложение. Сапфирените върхове изпъкват с твърдост и издръжливост, използвани в първокласни научни уреди за измерване. Рубинът е известен като материал за конструкция първия лазер в света.

Производство на алуминий

Въпреки че алуминият е сред елементите с най-широко разпространение в земната кора, неговото промишлено производство съвсем доскоро бе много сложен процес. Основната причина е, че елементарният алуминий не може просто да бъде металургично извлечен от рудата си, както например желязото с кокс във висока пещ. Едва овладяването на промишлената електролиза на разтвора на метални руди доведе до настоящата многотонна годишна продукция на чист алуминий.
При електролизата, от разтвора на предварително обработен боксит и криолит при температура около 950 °C, на катода се отделя елементарен алуминий, а на графитната анода се образува кислород, който моментално реагира с материала на електрода, образувайки токсичен газов оксид на въглерода, CO.
На територията на бивша Чехословакия през 1933 г. започна производството на алуминиеви листове, а по-късно през 1954 г. производството на потребителски стоки от алуминиево фолио в Бржидлична. Компанията продължава да функционира в същото производство. Освен това през 1953 г. започна производството на алуминий в Жиар над Хроном в Словакия, където по-голямата част от боксаита се внасяше от Унгария. Производството на алуминий по Söderberg технология приключи през 1998 г.

Алуминиеви сплави

Най-важно е използването на алуминия под формата на сплави, най-известната от които безспорно е сплавта с магнезий, мед и манган, известна като дурал. Този материал има много по-голяма здравина и твърдост от самия алуминий, като в същото време запазва много ниска плътност. Освен това те са изключително устойчиви на корозия. Всички тези свойства правят дурала идеален материал за авиационната и автомобилната индустрия, но той се използва и в производството на асансьори, велосипеди, леки стълби и подобни приложения.

Много известни алуминиеви сплави са категории 6061 и 7005. Каква е разликата между тях? Сплавта от серия 7005 (съставена от 93,35% Al, 0,13% Cr, 1,4% Mg, 0,45% Mn, 0,03% Ti, 4,5% Zn, 0,14% Zr), често заменяна от сплав с означение Alloy 6061, състояща се от 98,1% Al, 0,020% Cr, 1% Mg, 0,28% Mn, 0,6% S. Материалът Al 6061 има малко по-ниски механични свойства, но по-добра заваряемост, защото, за разлика от 7005, не съдържа цинк, който при заваряване може да предизвика пукнатини. Въпреки това, за разлика от велосипедни рамки от материал 7005, които могат да се закаляват самостоятелно, рамките от Al 6061 винаги трябва да бъдат термично обработени. Недостатък на сплав 6061 е, че има с 20% по-малка здравина от серия 7005. От друга страна, материалът 6061 има предимство, а именно, че благодарение на по-голямата си мекост може да се обработва по-лесно, и при същата дебелина на тръбата в сравнение с 7005 ще бъде със сигурност по-лек.