Сегодня мы поговорим про алюминий. Это очень лёгкий и особенный химический элемент. Он является самым распространённым металлом в земной коре. И используется людьми гораздо чаще, чем любой другой. Из-за интересных свойств и изобилия в природе…
На этой планете были времена, когда алюминий был более ценным металлом, чем золото! И некоторые короли и даже императоры хранили его как самую драгоценную драгоценность! Однако позже он стал одним из самых скромных и повседневных металлов.
О нём мы сегодня и поговорим.
Металл, которого много
Алюминий имеет тринадцать протонов в ядре. Когда все «нормально», и он не ионизирован, он также имеет тринадцать электронов в атоме. Кроме того, ядро атома алюминия содержит тринадцать или четырнадцать нейтронов. Это стабильные изотопы алюминия. Есть и другие комбинации, которые существуют всего несколько наносекунд. Поэтому алюминий в заметных количествах в дикой природе представлен двумя изотопами: алюминий-26 (13 протонов + 13 нейтронов) и алюминий-27 (13 протонов + 14 нейтронов).
Могу заверить Вас, что тот алюминий, к которому Вы прикасались в последнее время – это алюминий-27.
Алюминий является особым элементом. Потому что его чрезвычайно много, как уже отмечалось выше, в земной коре. Он был произведён первым поколением звёзд. И распространился по космосу после того, как некоторые из них стали сверхновыми. Около 8% земной коры – это алюминий. Он содержится в огромном количестве разнообразных горных пород. От самых скромных, таких как бокситы, до самых ценных, таких как изумруд.
Как и находящийся непосредственно над ним в периодической таблице имени Дмитрия Ивановича Менделеева бор, алюминий чрезвычайно активен. И вряд ли существует в чистом виде в природе. Этот металл очень легко реагирует почти со всем, что хочет получить как можно больше электронов. Например – с кислородом. Поэтому тот алюминий, что Вы видели, несомненно был получен искусственно.
Тем не менее этому металлу пришлось долго ждать своего часа. Конечно, учитывая его изобилие, с самых древних времён было известно множество соединений этого элемента. В одной из первых энциклопедий древности под названием «Естественная история», составленной в I веке до н.э. древнеримским учёным Плинием Старшим, упоминается вещество под названием квасцы. Оно относится к солям, применяемым в медицинских целях.
Дорого-богато
Однако потребовалось почти два тысячелетия, прежде чем удалось выделить металлическую основу квасцов. Это произошло во время «ажиотажа» по поиску химических элементов в 19 веке. Первооткрывателем металлического элемента в квасцах был сэр Хамфри Дэви. Это случилось в 1808 году. Однако сколько-нибудь значительного количества алюминия получено тогда не было.
Лишь через несколько лет датчанин Ганс Кристиан Эрстед смог получить довольно загрязнённый алюминий. Это случилось в 1825 году. И, наконец, немецкий химик Фридрих Вёлер смог выделить достаточно приличное количество чистого алюминия в 1827 году.
Однако разработанные методы получения металла были крайне неэффективны. И требовали организации длительных химических процессов при высоких температурах. То есть получить металл было совсем не просто.
А теперь представьте, как отреагировали бы люди на такую новость: обнаружен блестящий металл серебристого цвета, который существует в чистом виде в ничтожных количествах. И его чрезвычайно трудно и дорого добывать. Что тогда случится? Правильно! Люди поведут себя как люди. Поэтому алюминий вскоре стал символом богатства, высоко ценимым и очень желанным металлом. Самые богатые и влиятельные представители человечества стали ценить алюминий гораздо выше, чем золото!
На Всемирной выставке 1855 года слитки из чистого алюминия были выставлены вместе с драгоценностями французской короны. Более того, у самого императора Наполеона III одним из самых ценных сокровищ был набор алюминиевых тарелок и столовых приборов. А его алюминиевый унитаз вызывал восхищение среди самых богатых людей мира (шутка).
На некоторых обедах и приёмах самые дорогие и близкие гости имели честь есть из алюминиевой посуды алюминиевыми столовыми приборами. Прямо как в солдатской столовой в наши дни. А остальные терпели «унижение». И обедали с дешёвых золотых тарелок, ковыряя холодец «лоховскими» золотыми вилками.
Недешевый обелиск
Есть и ещё один интересный пример. Вы, вероятно, неоднократно бывали возле обелиска, установленного в честь Джорджа Вашингтона. Если нет, обязательно выберете время и посетите это место. Обелиск находится в Вашингтоне, округ Колумбия, США. Его установили в 1884 году.
Верхняя часть памятника сделана из чистого алюминия. И это самый большой из сохранившихся до наших дней кусков металла, произведённого в 19 веке. Он весит около трех килограмм. Хотя ко времени изготовления обелиска цена на алюминий начала немного падать, каждые 30 граммов алюминия стоили тогда столько же, сколько дневной заработок рабочего, строящего памятник. То есть примерно столько же, сколько серебро.
Но сегодня вершина обелиска будет стоить… около 6 долларов! Поверили бы Вам его строители? Что уж говорить о Наполеоне III! Он был вообще в сума сошёл.
«Вина» за эту чудовищную ситуацию лежит на американском инженере Шарле Мартине Холле. А также на французском учёном Поле Эру. В 1886 году, всего через два года после возведения Вашингтонского обелиска, они независимо друг от друга разработали новый метод получения алюминия, известный сегодня как процесс Холла-Эру. Он до сих пор используется в промышленности для получения чистого металла.
Вот вам алюминий!
Процесс Холла-Эру в общих чертах выглядит так: оксид алюминия (Al2O3) растворяется в расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре около 1000°C в электролизере с угольным анодом. При пропускании электрического тока через кювету углерод окисляется, а алюминий восстанавливается:
2 Al2O3 + 3 C → 4 Al + 3 CO2
На аноде образуются пузырьки углекислого газа, а на катоде осаждается расплавленный алюминий. Поскольку алюминий плотнее криолита, он постепенно образует в лотке «алюминиевое дно», которое можно периодически снимать.
Всё бы ничего, но для организации подробного производства требуется огромное количество электроэнергии (электричество составляет от 20% до 40% цены алюминия). И всё же процесс Холла-Эру оказался достаточно дешёвым, чтобы алюминий сильно упал в цене.
Фактически, алюминий второй наиболее используемый металл в мире (после железа). Мировое производство алюминия составляет около 70 миллионов тонн в год. Причина его популярности (помимо того, что металл очень недорогой) заключается в том, что алюминий обладает рядом интересных свойств. Как мы уже выяснили ранее, он легко окисляется. Однако подобно магнию (и в отличие, например, от железа) не полностью. При контакте с воздухом на поверхности металла образуется мелкая оксидная патина, защищающая внутреннюю часть куска металла от коррозии.
Хм. Но почему тогда в земной коре нет кусков чистого алюминия, защищённых слоями оксида? Дело в том, что изначально алюминий находился в расплавленном состоянии. А при смешивании с кислородом и другими элементами в таком состоянии защитный слой не образуется.
Невыносимая лёгкость алюминия
Алюминий широко используется, когда требуется металл, который умеет хорошо противостоять коррозии. Однако, несмотря на свою лёгкость, алюминий не очень прочен. Поэтому его часто сплавляют с другими металлами, чтобы придать ему нужные качества. Почти весь алюминий, который используется в повседневной жизни, сплавляется с другими металлами. Такие сплавы часто используются в авиационной или автомобильной промышленности, при постройке космических аппаратов и т. д. В этих случаях часто говорят, что это «сделано из алюминия». Но на самом деле это не так. Это сделано, скорее всего, из его сплава с каким-то другим металлом.
Алюминий отражает более 90% света в видимом участке электромагнитного спектра. А в инфракрасном диапазоне алюминий отражает более 98% излучения! Именно поэтому, когда Вы готовите в духовке кролика (нет, кролика жалко, пусть это будет картошка), то оборачиваете его алюминиевой фольгой. Это делается для того, чтобы излучение, испускаемое горячей пищей, не убегало далеко. И пища хорошо пропекалась. То же самое происходит и с серебристыми термоодеялами. Они позволяют сохранять тепло тела, так как алюминий отлично отражает испускаемое инфракрасное излучение.
У алюминия есть и ещё одна особенность. В отличие от почти всех других металлов (за исключением некоторых, например, золота) он сохраняет свою отражательную способность даже при распылении. Почти все металлы теряют свой блеск при измельчении в очень мелкий порошок. Но не алюминий. Поэтому он используется, например, для изготовления красок, особенно металлических. Или для окраски отражающей поверхности зеркал.
Некоторое время считалось, что алюминий может быть токсичным. Хотя и не таким токсичным, как тяжёлые металлы. Однако, за исключением людей, у которых есть аллергия на металл, этому не было обнаружено никаких доказательств.
Высокая концентрация алюминия наблюдается в областях мозга человека, поражённых болезнью Альцгеймера. Однако сегодня считается, что это может быть связано с тем, что он накапливается там как следствие болезни. Но не как её причина.
Алюминий широко используется для изготовления кухонной утвари. Поскольку он очень хорошо противостоит коррозии, очень лёгкий и отлично проводит тепло. И хотя в течение нескольких лет была некоторая паранойя по поводу его применения, сегодня использование алюминия не считается опасным.
Об изотопах
Но что там насчёт изотопов? Как уже говорилось в начале статьи, их два: алюминий-27 имеет 14 нейтронов и стабилен. Более 99,9% алюминия на Земле – это алюминий-27. Алюминий-26 образуется лишь при попадании на атом аргона космических лучей, которые разбивают его на осколки, один из которых имеет 13 протонов и 13 нейтронов — алюминий-26. Однако этот изотоп нестабилен. И его период полураспада составляет всего около 700 000 лет («всего» с геологической точки зрения, конечно). На самом деле этот изотоп иногда используют для датировки метеоритов: когда метеорит падает на Землю, атмосфера защищает его от космических лучей, и алюминий-26 перестаёт «производится». Поэтому доля этого изотопа, которая продолжает существовать в метеоритах, является мерой их «возраста».
Итак, друзья мои, подведём итог.
Заключение
И для начала пообещайте мне, что когда в следующий раз будете использовать алюминиевую фольгу или варить в кастрюле из нашего отличного металла, мысленно подмигните Наполеону III. Поскольку он бы умер от зависти, увидев вас в этот момент.
И помните, что производство алюминия требует огромное количество электроэнергии. А её производство приводит к выбросам углекислого газа в атмосферу. Или строительства небезопасных АЭС. Которые оказывают неизбежное воздействие на окружающую среду.
Переработка алюминия экономически выгодна. Однако фундаментальная выгода от переработки металла не столько экономическая, сколько социальная. Отдайте его в переработку! Не выбрасывайте алюминий в канаву, если можете.
Помните: Наполеон III никогда бы так не поступил!
