Ալյումին

Ալյումին (Կաղապար:Lang-lat), քիմիական նշանը՝ Al (կարդացվում է՝ «ալյումին»), ատոմային համարը՝ 13, ատոմային զանգվածը՝ 26.98154։ Ալյումինը p–տարր է։

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։

Կաղապար:Lang-lat-ը գալիս է նույն լատիներեն Կաղապար:Lang-lat 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.

$\mathrm{𝟤}𝖠{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\to }\mathrm{𝟦}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

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.

$\mathrm{𝟦}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖠{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}$

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.

$\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖲{𝖮}_{\mathrm{𝟦}}\mathsf{\to }𝖠{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{(}𝖲{𝖮}_{\mathrm{𝟦}}{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}$

$\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟨}𝖧𝖢𝗅\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖠𝗅𝖢{𝗅}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}$

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

$\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖭𝖺𝖮𝖧\mathsf{+}\mathrm{𝟤}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖭𝖺𝖠𝗅{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}$

Գոյացող աղը ջրային միջավայրում հանդես է գալիս հիդրատացված ձևով։

Հալոգենների հետ (բացի ֆտորից) առաջացնելով քլորիդ, բրոմիդ, յոդիդ.

Ալյումինի Նմուշը

$\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟥}𝖧𝖺{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖠𝗅𝖧𝖺{𝗅}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{(}𝖧𝖺𝗅\mathsf{=}𝖢𝗅,𝖡𝗋,𝖨\mathsf{)}$

Ալյումինը շատ ակտիվ մետաղ է։ Փոխազդում է ջրի հետ՝

$\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟨}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\to }𝖠𝗅\mathsf{(}𝖮𝖧{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}$

Բարձր մաքրության ալյումին (99.99%)

Տաքացման պայմաններում փոխազդում է ոչ մետաղների հետ.

• Ֆտորի հետ, առաջացնելով ալյումինի ֆտորիդ.

$\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖥}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖠𝗅{𝖥}_{\mathrm{𝟥}}$

• ծծմբի հետ, առաջացնելով ալյումինի սուլֆիդ.

$\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟥}𝖲\mathsf{\to }𝖠{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}{𝖲}_{\mathrm{𝟥}}$

• Ազոտի հետ, առաջացնելով ալյումինի նիտրիդ.

$\mathrm{𝟤}𝖠𝗅\mathsf{+}{𝖭}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖠𝗅𝖭$

• ածխածնի հետ, առաջացնելով ալյումինի կարբիդ.

$\mathrm{𝟦}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟥}𝖢\mathsf{\to }𝖠{𝗅}_{\mathrm{𝟦}}{𝖢}_{\mathrm{𝟥}}$

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

$\mathrm{𝟪}𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟣}\mathrm{𝟧}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖲{𝖮}_{\mathrm{𝟦}}\mathsf{\to }\mathrm{𝟦}𝖠{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{(}𝖲{𝖮}_{\mathrm{𝟦}}{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖲\mathsf{+}\mathrm{𝟣}\mathrm{𝟤}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮$

$𝖠𝗅\mathsf{+}\mathrm{𝟨}𝖧𝖭{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\to }𝖠𝗅\mathsf{(}𝖭{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}𝖭{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮$

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

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» բանաստեղծությունր, որտեղ ալյումինը օգտագործել էր որպես գեղարվեստական պատկեր.

<poem> …Եվ պատուհանից դուրս, սառնամանիքին, փռված են դաշտերը ալյումինե… </poem>

Վիկտոր Ցոյը երգ է գրել «Ալյումինե վարունգ» կրկներգով.

<poem> Ես տնկում եմ ալյումինե վարունգներ Բրեզենտի դաշտում </poem>

Գրականություն

• Luitgard Marschall։ Aluminium. Metall der Moderne. Oekom, München 2008, ISBN 978-3-86581-090-8.
• P. F. Zatta, A. C. Alfrey։ Aluminium Toxicity in Infant’s Health and Disease. World Scientific Publishing, Singapur 1977, ISBN 981-02-2914-3 (englisch).

Արտաքին հղումներ

• Ալյումին Webelements