§1. Historie objevu hliníku. Hliník - obecná charakteristika prvku, chemické vlastnosti Objevil se hliník
Příprava kamence draselného
Hliník(lat. hliník), – v periodické tabulce je hliník ve třetí periodě, v hlavní podskupině třetí skupiny. Základní nabití +13. Elektronová struktura atomu je 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1. Kovový atomový poloměr je 0,143 nm, kovalentní poloměr je 0,126 nm, konvenční poloměr iontu Al 3+ je 0,057 nm. Ionizační energie Al – Al + 5,99 eV.
Nejcharakterističtější oxidační stav atomu hliníku je +3. Negativní oxidační stavy se vyskytují zřídka. Ve vnější elektronové vrstvě atomu jsou volné d-podúrovně. Díky tomu může být jeho koordinační číslo ve sloučeninách nejen 4 (AlCl 4-, AlH 4-, hlinitokřemičitany), ale i 6 (Al 2 O 3, 3+).
Historický odkaz. Název hliník pochází z latiny. alumen – tedy ještě v roce 500 př. Kr. zvaný hliníkový kamenec, který se používal jako mořidlo k barvení látek a k činění kůže. Dánský vědec H. K. Oersted v roce 1825, působením amalgámu draslíku na bezvodý AlCl 3 a poté oddestilováním rtuti, získal relativně čistý hliník. První průmyslový způsob výroby hliníku navrhl v roce 1854 francouzský chemik A.E. Sainte-Clair Deville: metoda spočívala v redukci dvojitého hliníku a chloridu sodného Na 3 AlCl 6 kovovým sodíkem. Barva podobná stříbru, hliník byl zpočátku velmi drahý. Od roku 1855 do roku 1890 bylo vyrobeno pouze 200 tun hliníku. Moderní způsob výroby hliníku elektrolýzou taveniny kryolit-oxid hlinitý vyvinuli v roce 1886 současně a nezávisle C. Hall v USA a P. Heroux ve Francii.
Být v přírodě
Hliník je nejběžnějším kovem v zemské kůře. To představuje 5,5–6,6 mol. zlomek % nebo 8 % hmotn. Jeho hlavní hmota je soustředěna v hlinitokřemičitanech. Extrémně běžným produktem destrukce jimi tvořených hornin je jíl, jehož hlavní složení odpovídá vzorci Al 2 O 3. 2SiO2. 2H 2 O. Z jiných přírodních forem hliníku nejvyšší hodnotu mají bauxit Al 2 O 3 . xH 2 O a minerály korund Al 2 O 3 a kryolit AlF 3 . 3NaF.
Účtenka
V současné době se v průmyslu hliník vyrábí elektrolýzou roztoku oxidu hlinitého Al 2 O 3 v roztaveném kryolitu. Al 2 O 3 musí být poměrně čistý, protože nečistoty se z taveného hliníku obtížně odstraňují. Teplota tání Al 2 O 3 je asi 2050 o C a kryolitu je 1 100 o C. Roztavená směs kryolitu a Al 2 O 3 obsahující asi 10 hm. % Al 2 O 3 se podrobí elektrolýze, která taje při 960 o C a má elektrickou vodivost, hustotu a viskozitu, které jsou pro proces nejpříznivější. S přidáním AlF3, CaF2 a MgF2 je elektrolýza možná při 950 °C.
Elektrolyzér pro tavení hliníku je železný plášť vyložený zevnitř žáruvzdornými cihlami. Jeho dno (spodní), sestavené z bloků stlačeného uhlí, slouží jako katoda. Anody jsou umístěny nahoře: jedná se o hliníkové rámy plněné uhelnými briketami.
Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3 3-
Na katodě se uvolňuje tekutý hliník:
Al3+ + 3e- = Al
Hliník se shromažďuje na dně pece, odkud se periodicky uvolňuje. Na anodě se uvolňuje kyslík:
4AlO 3 3- – 12e - = 2Al 2 O 3 + 3O 2
Kyslík oxiduje grafit na oxidy uhlíku. Jak uhlík hoří, anoda se vytváří.
Hliník se také používá jako legovací přísada do mnoha slitin, aby jim dodal tepelnou odolnost.
Fyzikální vlastnosti hliníku. Hliník kombinuje velmi cenný soubor vlastností: nízkou hustotu, vysokou tepelnou a elektrickou vodivost, vysokou tažnost a dobrou odolnost proti korozi. Dá se snadno kovat, razit, válcovat, kreslit. Hliník se dobře svařuje plynovým, kontaktním a jinými druhy svařování. Hliníková mřížka je krychlová plošně centrovaná s parametrem a = 4,0413 Å. Vlastnosti hliníku, stejně jako všech kovů, proto závisí na jeho čistotě. Vlastnosti vysoce čistého hliníku (99,996 %): hustota (při 20 °C) 2698,9 kg/m3; tpl 660,24 °C; bod varu asi 2500 °C; koeficient tepelné roztažnosti (od 20° do 100 °C) 23,86·10 -6; tepelná vodivost (při 190 °C) 343 W/m·K, měrná tepelná kapacita (při 100 °С) 931,98 J/kg·K. ; elektrická vodivost vzhledem k mědi (při 20 °C) 65,5 %. Hliník má nízkou pevnost (pevnost v tahu 50–60 Mn/m2), tvrdost (170 Mn/m2 podle Brinella) a vysokou tažnost (až 50 %). Během válcování za studena se pevnost v tahu hliníku zvyšuje na 115 Mn/m2, tvrdost - až 270 Mn/m2, relativní prodloužení klesá na 5 % (1 Mn/m2 ~ a 0,1 kgf/mm2). Hliník je vysoce leštěný, eloxovaný a má vysokou odrazivost blízkou stříbru (odráží až 90 % dopadající světelné energie). Díky vysoké afinitě ke kyslíku je hliník ve vzduchu pokryt tenkým, ale velmi silným filmem oxidu Al 2 O 3, který chrání kov před další oxidací a určuje jeho vysoké antikorozní vlastnosti. Pevnost oxidového filmu a jeho ochranný účinek jsou značně sníženy v přítomnosti nečistot rtuti, sodíku, hořčíku, mědi atd. Hliník je odolný vůči atmosférickým, mořským a čerstvou vodu, prakticky neinteraguje s koncentrovanou nebo vysoce zředěnou kyselinou dusičnou, s organickými kyselinami a potravinářskými produkty.
Chemické vlastnosti
Když se jemně drcený hliník zahřeje, na vzduchu prudce hoří. Jeho interakce se sírou probíhá podobně. Ke kombinaci s chlorem a bromem dochází při běžných teplotách a s jódem - při zahřívání. Při velmi vysokých teplotách se hliník také přímo spojuje s dusíkem a uhlíkem. Naopak s vodíkem neinteraguje.
Hliník je poměrně odolný vůči vodě. Pokud je však ochranný účinek oxidového filmu odstraněn mechanicky nebo amalgamací, dojde k prudké reakci:
Vysoce zředěná a velmi koncentrovaná HNO3 a H2SO4 nemají na hliník (za studena) téměř žádný vliv, zatímco při středních koncentracích těchto kyselin se postupně rozpouští. Čistý hliník je docela odolný vůči kyselině chlorovodíkové, ale běžný průmyslový kov se v něm rozpouští.
Když je hliník vystaven vodným roztokům alkálií, vrstva oxidu se rozpustí a vytvoří se hlinitany - soli obsahující hliník jako součást aniontu:
A1203 + 2NaOH + 3H20 = 2Na
Hliník bez ochranného filmu interaguje s vodou a vytlačuje z ní vodík:
2Al + 6H20 = 2Al(OH)3 + 3H2
Výsledný hydroxid hlinitý reaguje s přebytkem alkálie za vzniku hydroxoaluminátu:
Al(OH)3 + NaOH = Na
Celková rovnice pro rozpouštění hliníku ve vodném alkalickém roztoku:
2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na + 3H 2
Hliník se znatelně rozpouští v roztocích solí, které v důsledku své hydrolýzy reagují kysele nebo zásaditě, například v roztoku Na2C03.
V řadě napětí se nachází mezi Mg a Zn. Hliník je ve všech svých stabilních sloučeninách trojmocný.
Kombinace hliníku s kyslíkem je doprovázena enormním uvolňováním tepla (1676 kJ/mol Al 2 O 3), výrazně větším než u mnoha jiných kovů. Vzhledem k tomu, když se směs oxidu odpovídajícího kovu s hliníkovým práškem zahřeje, dojde k prudké reakci, která vede k uvolnění volného kovu z odebraného oxidu. K získání řady prvků (Cr, Mn, V, W aj.) ve volném stavu se často používá redukční metoda pomocí Al (aluminotermie).
Aluminotermie se někdy používá pro svařování jednotlivých ocelových dílů, zejména spojů tramvajových kolejí. Použitá směs („termit“) se obvykle skládá z jemných prášků hliníku a Fe 3 O 4 . Zapaluje se pomocí zápalnice vyrobené ze směsi Al a BaO 2. Hlavní reakce probíhá podle rovnice:
8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe + 3350 kJ
Navíc se teplota vyvíjí kolem 3000 o C.
Oxid hlinitý je bílý, velmi žáruvzdorný (t.t. 2050 o C) a nerozpustný ve vodní hmotě. Přírodní Al 2 O 3 (minerální korund), stejně jako ty získané uměle a následně vysoce kalcinované, se vyznačují vysokou tvrdostí a nerozpustností v kyselinách. Al 2 O 3 (tzv. oxid hlinitý) lze převést do rozpustného stavu fúzí s alkáliemi.
Typicky se přírodní korund kontaminovaný oxidem železa díky své extrémní tvrdosti používá k výrobě brusných kotoučů, brousků atd. V jemně drcené formě se nazývá smirek a používá se k čištění kovových povrchů a výrobě brusného papíru. Ke stejným účelům se často používá Al 2 O 3, získaný tavením bauxitu (odborný název - alundum).
Transparentní barevné krystaly korundu - červený rubín - příměs chrómu - a modrý safír - příměs titanu a železa - drahé kameny. Získávají se také uměle a používají se pro technické účely, například pro výrobu dílů přesných přístrojů, hodinových kamenů atd. Krystaly rubínu obsahující malou příměs Cr 2 O 3 se používají jako kvantové generátory - lasery, které vytvářejí směrovaný paprsek monochromatického záření.
Vzhledem k nerozpustnosti Al 2 O 3 ve vodě lze hydroxid Al(OH) 3 odpovídající tomuto oxidu získat pouze nepřímo ze solí. Příprava hydroxidu může být znázorněna jako následující schéma. Působením alkálií jsou OH – ionty postupně nahrazovány 3+ molekulami vody v akvakomplexech:
3+ + OH- = 2+ + H20
2+ + OH- = + + H20
OH- = 0 + H20
Al(OH) 3 je objemná želatinová sraženina bílý, prakticky nerozpustný ve vodě, ale snadno rozpustný v kyselinách a silných zásadách. Má tedy amfoterní charakter. Jeho zásadité a zejména kyselé vlastnosti se však projevují spíše slabě. Hydroxid hlinitý je nerozpustný v přebytku NH 4 OH. Jedna z forem dehydratovaného hydroxidu, hlinitý gel, se v technologii používá jako adsorbent.
Při interakci se silnými alkáliemi se tvoří odpovídající alumináty:
NaOH + Al(OH)3 = Na
Hlinitany nejaktivnějších jednomocných kovů jsou vysoce rozpustné ve vodě, ale díky silné hydrolýze jsou jejich roztoky stabilní pouze v přítomnosti dostatečného přebytku alkálií. Hlinitany, vyráběné ze slabších zásad, jsou téměř úplně hydrolyzovány v roztoku a lze je proto získat pouze za sucha (tavením Al 2 O 3 s oxidy příslušných kovů). Vznikají metahlinitany, jejichž složení je odvozeno od metahlinité kyseliny HAlO 2. Většina z nich je nerozpustná ve vodě.
Al(OH) 3 tvoří soli s kyselinami. Deriváty většiny silných kyselin jsou vysoce rozpustné ve vodě, ale jsou poměrně výrazně hydrolyzovány, a proto jejich roztoky vykazují kyselou reakci. Rozpustné hlinité soli a slabé kyseliny jsou ještě více hydrolyzovány. Kvůli hydrolýze nelze z vodných roztoků získat sulfid, uhličitan, kyanid a některé další soli hliníku.
Ve vodném prostředí je anion Al 3+ přímo obklopen šesti molekulami vody. Takový hydratovaný iont je poněkud disociován podle schématu:
3+ + H20 = 2+ + OH3+
Jeho disociační konstanta je 1. 10-5, tzn. je to slabá kyselina (sílou blízkou kyselině octové). Oktaedrické prostředí Al 3+ se šesti molekulami vody je zachováno i v krystalických hydrátech řady hliníkových solí.
Za křemičitany lze považovat hlinitokřemičitany, ve kterých je část křemíko-kyslíkových tetraedrů SiO 4 4 - nahrazena hliníkovo-kyslíkatými tetraedry AlO 4 5. Z hlinitokřemičitanů jsou nejčastější živce, které tvoří více než polovinu hmotnosti zemská kůra. Jejich hlavními představiteli jsou minerály
ortoklas K2Al2Si6016 nebo K20. Al203. 6SiO2
albit Na2Al2Si6016 nebo Na20. Al203. 6SiO2
anortit CaAl 2 Si 2 O 8 nebo CaO. Al203. 2SiO2
Velmi rozšířené jsou minerály slídové skupiny, například muskovit Kal 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2. Velký praktický význam má minerál nefelin (Na, K) 2, který se používá k výrobě sodných produktů z oxidu hlinitého a cementu. Tato výroba se skládá z následujících operací: a) nefelín a vápenec se slinují v trubkových pecích při 1200 o C:
(Na, K) 2 + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2
b) vzniklá hmota se vyluhuje vodou - vznikne roztok hlinitanů sodných a draselných a suspenze CaSiO 3:
NaAl02 + KAl02 + 4H20 = Na + K
c) CO 2 vznikající při slinování prochází roztokem hlinitanu:
Na + K + 2CO 2 = NaHC03 + KHC03 + 2Al(OH)3
d) zahříváním Al(OH) 3 se získá oxid hlinitý:
2Al(OH)3 = A1203 + 3H20
e) odpařením matečného louhu se oddělí soda a výluh a dříve získaný kal se použije k výrobě cementu.
Při výrobě 1 tuny Al 2 O 3 se získá 1 tuna produktů sody a 7,5 tuny cementu.
Některé hlinitokřemičitany mají volnou strukturu a jsou schopné iontové výměny. Takové silikáty – přírodní a zejména umělé – se používají ke změkčování vody. Navíc se díky svému vysoce vyvinutému povrchu používají jako nosiče katalyzátorů, tzn. jako materiály impregnované katalyzátorem.
Halogenidy hliníku jsou za normálních podmínek bezbarvé krystalické látky. V řadě halogenidů hliníku se AlF 3 svými vlastnostmi velmi liší od svých analogů. Je žáruvzdorný, málo rozpustný ve vodě a chemicky neaktivní. Hlavní způsob výroby AlF 3 je založen na působení bezvodého HF na Al 2 O 3 nebo Al:
AI2O3 + 6HF = 2AlF3 + 3H20
Sloučeniny hliníku s chlorem, bromem a jodem jsou tavitelné, velmi reaktivní a vysoce rozpustné nejen ve vodě, ale i v mnoha organických rozpouštědlech. Interakce halogenidů hliníku s vodou je doprovázena výrazným uvolňováním tepla. Ve vodném roztoku jsou všechny vysoce hydrolyzovány, ale na rozdíl od typických kyselých halogenidů nekovů je jejich hydrolýza neúplná a vratná. AlCl 3, AlBr 3 a Al 3, které jsou znatelně těkavé i za normálních podmínek, kouří ve vlhkém vzduchu (v důsledku hydrolýzy). Lze je získat přímou interakcí jednoduchých látek.
Hustoty par AlCl 3, AlBr 3 a AlI 3 při relativně nízkých teplotách víceméně přesně odpovídají dvojím vzorcům - Al 2 Hal 6. Prostorová struktura těchto molekul odpovídá dvěma čtyřstěnům se společným okrajem. Každý atom hliníku je vázán ke čtyřem atomům halogenu a každý z centrálních atomů halogenu je vázán k oběma atomům hliníku. Ze dvou vazeb centrálního atomu halogenu je jedna donor-akceptorová, přičemž hliník funguje jako akceptor.
S halogenidovými solemi řady jednomocných kovů tvoří halogenidy hliníku komplexní sloučeniny, hlavně typu M 3 a M (kde Hal je chlor, brom nebo jod). Tendence k adičním reakcím je obecně velmi výrazná u uvažovaných halogenidů. To je právě důvod nejdůležitějšího technického využití AlCl 3 jako katalyzátoru (při rafinaci ropy a při organických syntézách).
Z fluorohlinitanů má největší využití (pro výrobu Al, F 2, smaltů, skla aj.) kryolit Na 3 . Průmyslová výroba umělého kryolitu je založena na úpravě hydroxidu hlinitého kyselinou fluorovodíkovou a sodou:
2Al(OH)3 + 12HF + 3Na2C03 = 2Na3 + 3CO2 + 9H20
Chlor-, bromo- a jodhlinitany se získávají tavením trihalogenidů hliníku s halogenidy odpovídajících kovů.
Přestože hliník chemicky nereaguje s vodíkem, lze hydrid hlinitý získat nepřímo. Je to bílá amorfní hmota o složení (AlH 3)n. Při zahřátí nad 105 o C se rozkládá za uvolňování vodíku.
Když AlH3 interaguje s bazickými hydridy v etherickém roztoku, tvoří se hydroalumináty:
LiH + AIH3 = Li
Hydridoalumináty jsou bílé pevné látky. Rychle se rozkládá vodou. Jsou to silná redukční činidla. Používají se (zejména Li) v organické syntéze.
Síran hlinitý Al 2 (SO 4) 3. 18H 2 O se získává působením horké kyseliny sírové na oxid hlinitý nebo kaolin. Používá se k čištění vody a také při přípravě určitých druhů papíru.
Kamenec hlinitodraselný KAl(SO 4) 2. 12H 2 O se používá ve velkém množství pro činění kůže a také v barvířském průmyslu jako mořidlo pro bavlněné tkaniny. V posledním případě je účinek kamence založen na tom, že hydroxid hlinitý vzniklý v důsledku jeho hydrolýzy se ukládá ve vláknech tkaniny v jemně rozptýleném stavu a adsorbováním barviva je pevně drží na vláknu.
Z dalších derivátů hliníku je třeba zmínit jeho acetát (jinak sůl kyseliny octové) Al(CH 3 COO) 3, používaný při barvení látek (jako mořidlo) a v lékařství (vody a obklady). Dusičnan hlinitý je snadno rozpustný ve vodě. Fosforečnan hlinitý je nerozpustný ve vodě a kyselině octové, ale rozpustný v silné kyseliny a alkálie.
Hliník v těle. Hliník je součástí tkání zvířat a rostlin; v orgánech savců bylo nalezeno 10 -3 až 10 -5 % hliníku (na hrubém základě). Hliník se hromadí v játrech, slinivce břišní a štítné žlázy. V rostlinných produktech se obsah hliníku pohybuje od 4 mg na 1 kg sušiny (brambory) do 46 mg (žlutá tuřín), v produktech živočišného původu - od 4 mg (med) do 72 mg na 1 kg sušiny ( hovězí). V denní lidské stravě dosahuje obsah hliníku 35–40 mg. Známé jsou organismy, které koncentrují hliník, např. mechy (Lycopodiaceae), které obsahují v popelu až 5,3 % hliníku, a měkkýši (Helix a Lithorina), kteří obsahují v popelu 0,2–0,8 % hliníku. Tvořením nerozpustných sloučenin s fosforečnany narušuje hliník výživu rostlin (absorpce fosforečnanů kořeny) a živočichů (absorpce fosforečnanů ve střevech).
Geochemie hliníku. Geochemické vlastnosti hliníku jsou určeny jeho vysokou afinitou ke kyslíku (v minerálech je hliník součástí kyslíkových oktaedrů a čtyřstěnů), konstantní mocností (3) a nízkou rozpustností většiny přírodních sloučenin. Při endogenních procesech při tuhnutí magmatu a vzniku vyvřelých hornin se hliník dostává do krystalické mřížky živců, slíd a dalších minerálů – hlinitokřemičitanů. V biosféře je hliník slabým migrantem, v organismech a hydrosféře je ho málo. Ve vlhkém klimatu, kde rozkládající se zbytky bohaté vegetace tvoří mnoho organických kyselin, hliník migruje v půdách a vodách ve formě organominerálních koloidních sloučenin; hliník je adsorbován koloidy a ukládán ve spodní části půd. Vazba mezi hliníkem a křemíkem je částečně porušena a místy v tropech vznikají minerály - hydroxidy hliníku - boehmit, diaspory, hydrargillit. Většina hliníku je součástí hlinitokřemičitanů – kaolinitu, beidelitu a dalších jílových minerálů. Slabá pohyblivost určuje zbytkovou akumulaci hliníku ve zvětrávací kůře vlhkých tropů. V důsledku toho vzniká eluviální bauxit. V minulých geologických epochách se bauxit hromadil také v jezerech a pobřežních zónách moří v tropických oblastech (např. sedimentární bauxity v Kazachstánu). Ve stepích a pouštích, kde je málo živé hmoty a vody jsou neutrální a zásadité, hliník téměř nemigruje. Migrace hliníku je nejvíce energetická ve vulkanických oblastech, kde jsou pozorovány vysoce kyselé řeky a podzemní vody bohaté na hliník. V místech, kde se kyselé vody mísí s alkalickými mořskými vodami (u ústí řek a dalších), dochází k vysrážení hliníku za vzniku ložisek bauxitu.
Aplikace hliníku. Kombinace fyzikálních, mechanických a chemických vlastností hliníku určuje jeho široké použití téměř ve všech oblastech technologie, zejména ve formě jeho slitin s jinými kovy. V elektrotechnice hliník úspěšně nahrazuje měď, zejména při výrobě masivních vodičů, např. v nadzemních vedeních, vysokonapěťových kabelech, sběrnicích rozvaděčů, transformátorech (elektrická vodivost hliníku dosahuje 65,5 % elektrické vodivosti mědi, popř. je více než třikrát lehčí než měď; s průřezem poskytujícím stejnou vodivost je hmotnost hliníkových drátů poloviční než hmotnost mědi). Ultra čistý hliník se používá při výrobě elektrických kondenzátorů a usměrňovačů, jejichž působení je založeno na schopnosti vrstvy oxidu hlinitého propouštět elektrický proud pouze jedním směrem. Ultračistý hliník, čištěný zónovým tavením, se používá pro syntézu polovodičových sloučenin typu A III B V, používaných pro výrobu polovodičových součástek. Čistý hliník se používá při výrobě různých typů zrcadlových reflektorů. Vysoce čistý hliník se používá k ochraně kovových povrchů před atmosférickou korozí (opláštění, hliníkový nátěr). Hliník má relativně nízký průřez absorpce neutronů a používá se jako konstrukční materiál v jaderných reaktorech.
Velkokapacitní hliníkové nádrže skladují a přepravují kapalné plyny (metan, kyslík, vodík atd.), kyseliny dusičné a octové, čistá voda, peroxid vodíku a jedlé oleje. Hliník je široce používán v potravinářských zařízeních a zařízeních pro balení potravinářské výrobky(ve formě fólie), pro výrobu různých druhů výrobků pro domácnost. Prudce vzrostla spotřeba hliníku pro dokončovací stavební, architektonické, dopravní a sportovní stavby.
V metalurgii je hliník (vedle slitin na jeho bázi) jednou z nejběžnějších legovacích přísad ve slitinách na bázi Cu, Mg, Ti, Ni, Zn a Fe. Hliník se také používá k dezoxidaci oceli před jejím litím do formy, stejně jako v procesech výroby určitých kovů pomocí aluminotermické metody. Na bázi hliníku byl práškovou metalurgií vytvořen SAP (slinutý hliníkový prášek), který má vysokou tepelnou odolnost při teplotách nad 300 °C.
Hliník se používá při výrobě výbušnin (amonal, alumotol). Široce se používají různé sloučeniny hliníku.
Výroba a spotřeba hliníku neustále roste a výrazně převyšuje tempo růstu výroby oceli, mědi, olova a zinku.
Seznam použité literatury
1. V.A. Rabinovich, Z.Ya. Khavin „Krátká chemická referenční kniha“
2. L.S. Guzey "Přednášky o obecné chemii"
3. N.S. Achmetov „Obecná a anorganická chemie“
4. B.V. Nekrasov „Učebnice obecné chemie“
5. N.L. Glinka "Obecná chemie"
Sloučeniny hliníku byly člověku známy již od starověku. Jedním z nich byla pojiva, mezi které patří hliník-draselný kamenec KAl(SO4)2. Našli široké uplatnění. Používaly se jako mořidlo a jako uzávěr krve. Impregnace dřeva roztokem kamence draselného způsobila, že je nehořlavé. Je známá zajímavá historická skutečnost, jak Archeláos, velitel z Říma, za války s Peršany nařídil namazat věže, které sloužily jako obranné stavby, kamencem. Peršané je nikdy nedokázali spálit.
Další sloučeninou hliníku byly přírodní jíly, které zahrnovaly oxid hlinitý Al2O3.
První pokusy získat hliník až v polovině 19. století. Pokus dánského vědce H. K. Oersteda byl korunován úspěchem. K jeho získání použil amalgamovaný draslík jako redukci hliníku z oxidu. Jaký kov se tehdy získával, se ale zjistit nepodařilo. O něco později, o dva roky později, byl hliník získán německým chemikem Wöhlerem, který hliník získal zahříváním bezvodého chloridu hlinitého s kovem draslíku. Mnoho let práce německého vědce nebyla marná. Během 20 let se mu podařilo připravit granulovaný kov. Ukázalo se, že je podobný stříbru, ale byl mnohem lehčí. Hliník byl velmi drahý kov a až do začátku 20. století byla jeho cena vyšší než cena zlata. Proto byl hliník po mnoho a mnoho let používán jako muzejní exponát. Kolem roku 1807 se Davy pokusil provést elektrolýzu oxidu hlinitého a získal kov, který se nazýval hliník (Alumium) nebo hliník (Aluminium), což se z latiny překládá jako kamenec.
Výroba hliníku z jílů zajímala nejen chemiky, ale i průmyslníky. Hliník bylo velmi obtížné oddělit od ostatních látek, což přispělo k tomu, že byl dražší než zlato. V roce 1886 chemik C.M. Hall navrhl metodu, která umožnila získat kov ve velkém množství. Při provádění výzkumu rozpustil oxid hlinitý v kryolitové tavenině AlF3 nNaF. Výsledná směs byla umístěna do žulové nádoby a taveninou byl veden stejnosměrný elektrický proud. Byl velmi překvapen, když po nějaké době objevil na dně nádoby plakety z čistého hliníku. Tato metoda je v současnosti hlavní pro výrobu hliníku v průmyslovém měřítku. Výsledný kov byl dobrý ve všem kromě pevnosti, která byla nezbytná pro průmysl. A tento problém byl vyřešen. Německý chemik Alfred Wilm legoval hliník s dalšími kovy: mědí, manganem a hořčíkem. Výsledkem byla slitina, která byla mnohem pevnější než hliník.
§2. Způsoby získávání
|
Vynález se týká způsobu výroby hliníku jeho elektrolytickou separací z vodných roztoků současně s vodíkem. Metoda využívá katodu z tekutého kovu, například gallia. Obsah hliníku v kovu se zvýší na 6 % hm., slitina se vyjme z elektrolyzéru, ochladí se v rozmezí od 98 do 26 °C a hliník se izoluje krystalizací, čímž se získá primární nasycený pevný roztok s obsahem hliníku. asi 80 % hmotn. Matečný louh, slitina eutektického složení, se vrací do elektrolýzy jako katodový kov a primární pevný roztok se roztaví a podrobí rekrystalizaci při teplotách pod 660 °C, přičemž se postupně oddělí sekundární, terciární atd. pevné roztoky z kapalin, aby se z nich získal hliník technické čistoty. Alternativní způsoby výroby hliníku – karbotermický proces, Todtův proces, Kuwaharský proces, elektrolýza chloridů, redukce hliníku sodíkem – neprokázaly žádné výhody oproti Héroux-Hallově metodě. Prototypem tohoto vynálezu je náš předchozí stejnojmenný návrh pod N. Výroba hliníku z vodných roztoků současně s vodíkem, která tvoří podstatu tohoto vynálezu, je nesmírně lákavá, ale vzhledem k procesům ji nelze realizovat. pasivace pevné hliníkové katody oxido-hydroxidovými filmy různého složení. Naše pokusy implementovat způsob v roztocích hlinitanu alkalického kovu, kyselině sírové, kyselině chlorovodíkové a kyselině dusičné byly stejně neúspěšné. V tomto ohledu navrhujeme vyrábět hliník a vodík na průtočné katodě z tekutého kovu, například na katodě galia nebo na katodě sestávající ze slitiny galia a hliníku. Lze použít i jiné nízkotavitelné slitiny. Katoda. V důsledku toho se elektrolýza provádí snadno a na první přiblížení jednoduše se zaručeným uvolňováním hliníku do katodové slitiny. |
V průmyslu se hliník vyrábí elektrolýzou Al2O3 v roztaveném kryolitu Na3 při teplotě 950
2Al2O3 = 4Al(3+) + 6O(2-) = 2Al + 3O2
Hlavní reakce procesů:
CaF2 + H2SO4 → 2HF + CaSO4 (15,z)
Si02 + 6HF ->H2SiF6 + 2H2
HF a H2SiF6 jsou plynné produkty zachycené vodou. Pro desilikonizaci výsledného roztoku se do něj nejprve zavede vypočítané množství sody:
H2SiF6 + Na2CO3 → Na2SiF6 + CO2 + H2O (15.i)
Těžce rozpustný Na2SiF6 se oddělí a zbývající roztok kyseliny fluorovodíkové se neutralizuje přebytkem sody a hydroxidu hlinitého, aby se získal kryolit:
12HF + 3Na2CO3 + 2Al(OH)3 → 2(3NaF AlF3) + 3CO2 + 9H2O (15,k)
NaF a AlF3 lze získat odděleně stejným způsobem, pokud se desilikonizovaný roztok kyseliny fluorovodíkové neutralizuje vypočteným množstvím Na2CO3 nebo Al(OH)3.
Starověký historik Plinius starší hovoří o zajímavé události, která se stala před téměř dvěma tisíciletími. Jednoho dne přišel k římskému císaři Tiberiovi cizinec. Jako dar císaři daroval misku, kterou vyrobil, vyrobenou z kovu lesklého jako stříbro, ale extrémně lehkého. Mistr řekl, že se mu podařilo tento neznámý kov získat z jílovité půdy. Pocit vděčnosti musel Tiberia jen zřídka tížit a byl také krátkozrakým vládcem. Z obavy, že nový kov se svými vynikajícími vlastnostmi znehodnotí zlato a stříbro uložené v pokladnici, usekl vynálezci hlavu a zničil jeho dílnu, aby se do výroby „nebezpečného“ kovu nikdo nesměl zapojit.
Jestli je to pravda nebo legenda, těžko říct. Ale tak či onak, „nebezpečí“ pominulo a bohužel na dlouhou dobu. Teprve v 16. století, tedy zhruba po jednom a půl tisíci letech, se do historie hliníku zapsala nová stránka. Udělal to talentovaný německý lékař a přírodovědec Paracelsus Philipp Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim.
Při zkoumání různých látek a minerálů, včetně kamence, Paracelsus zjistil, že „jsou solí nějaké kamencové zeminy“, která obsahuje oxid neznámého kovu, později nazývaného oxid hlinitý.
Kamence, které zajímaly Paracelsa, byly známy již od starověku.
Podle svědectví řeckého historika Hérodota, který žil v 5. století př. Kr. starověké národy používali při barvení látek k fixaci jejich barvy minerální horninu, kterou nazývali „alumen“, tedy „pojivo“. Toto plemeno bylo kamencem.
Zhruba z 8.-9.století pocházejí první zmínky o výrobě kamence z r starověká Rus, kde se také používaly k barvení látek a přípravě saffiano kůží. Ve středověku již v Evropě fungovalo několik továren na výrobu kamence. V roce 1754 se německému chemikovi Marggrafovi podařilo izolovat „kamencovou zeminu“, kterou Paracelsus napsal o 200 let dříve. Než se Angličan Davy pokusil získat kov skrytý v kamenci, uplynulo ještě několik desetiletí. V roce 1807 se mu podařilo elektrolýzou alkálií objevit sodík a draslík, ale nikdy se mu nepodařilo rozložit oxid hlinitý pomocí elektrického proudu.
Podobné pokusy dělal o pár let později Švéd Berzelius, ale jeho dílo nebylo korunováno úspěchem. Navzdory tomu se vědci stále rozhodli dát „neústupnému“ kovu jméno: nejprve jej Berzelius nazval hliník a poté Davy změnil hliník na hliník.
První, kdo uspěje, jako neznámý mistr Starověký Řím Dánský vědec Oersted byl první, kdo získal kovový hliník. V roce 1825 publikoval svůj článek v jednom z chemických časopisů, ve kterém napsal, že v důsledku jeho experimentů vznikl „kus kovu s barvou a leskem poněkud podobným cínu“. Tento časopis však nebyl příliš známý a Oerstedovo poselství zůstalo ve vědeckém světě téměř nepovšimnuto. A sám vědec, pohlcený prací na elektromagnetismu, nepřikládal svému objevu velký význam.
O dva roky později přišel do kodaňského Oerstedu mladý, ale již slavný německý chemik Wöhler. Oersted ho informoval, že nemá v úmyslu pokračovat v experimentech na výrobu hliníku. Po návratu do Německa se Wöhler ihned ujal tohoto problému, který ho velmi zaujal, a již koncem roku 1827 zveřejnil svou metodu získávání nového kovu. Je pravda, že Wöhlerova metoda umožnila izolovat hliník pouze ve formě zrn ne větších než špendlíková hlavička, ale vědec pokračoval v experimentech, dokud se mu nakonec nepodařilo vyvinout metodu pro získání hliníku ve formě kompaktní hmoty. Trvalo mu to... 18 let.
V té době si nový kov již získal oblibu a jelikož se ho získávalo v mizivém množství, jeho ceny převyšovaly ceny zlata a získat jej nebylo snadné.
Není divu, že když si jeden z evropských panovníků pořídil pro osobní potřebu košilku s hliníkovými knoflíky, začal se na ostatní panovníky, kteří si takový luxus dovolit nemohli, dívat s despektem. Těm, kterým nezbylo, než šťastnému majiteli nejvzácnější knoflíky závidět a s tichým smutkem čekat na lepší časy.
K jejich velké radosti na sebe nenechali dlouho čekat: již v roce 1855 bylo na Světové výstavě v Paříži představeno „stříbro vyrobené z hlíny“, což vyvolalo velkou senzaci. Jednalo se o desky a slitky z hliníku, které získal francouzský vědec a průmyslník Sainte-Clair Deville.
Vzniku těchto exponátů předcházely následující akce. Francouzským císařem byl v té době Napoleon III - „malý synovec velkého strýce“, jak se mu tehdy říkalo. Velký fanoušek hýření jednou uspořádal banket, na kterém členové královské rodiny a nejváženější hosté dostali tu čest jíst hliníkovými lžícemi a vidličkami. Jednodušší hosté museli používat obvyklé (samozřejmě pro císařské hostiny) zlaté a stříbrné příbory. Samozřejmě to bylo urážlivé až k slzám a ten kousek mi nemohl jít po krku, ale co dělat, když ani císař nemohl poskytnout každému hostu hliník podle potřeby.
Brzy v hlavě Napoleona III. uzrál odvážný projekt, který sliboval slávu a čest, ale hlavně měl přimět panovníky jiných zemí zezelenat závistí: císař se rozhodl zásobovat vojáky své armády hliníkem. brnění. Poskytl velké finanční prostředky St. Clair Deville, aby našel způsob, jak vyrábět hliník ve velkém množství. Deville, využívající Wöhlerovu metodu jako základ pro své experimenty, dokázal vyvinout vhodnou technologii, ale kov, který získal, zůstával nadále velmi drahý.
Francouzští vojáci proto nikdy neměli možnost si slibované brnění vyzkoušet, ale císař se postaral o jeho osobní bezpečnost: jeho kyrysníci se začali předvádět ve zbrusu nových hliníkových kyrysech.
Z tohoto období se datuje výskyt „Devillova stříbra“ jako exponátu na světové výstavě. Možná jeho organizátoři klasifikovali hliník jako spotřební kov, ale to jej bohužel neučinilo dostupnější. Pravda, už tehdy pokročilí lidé chápali, že knoflíky a kyrysy jsou jen malou epizodou v činnosti hliníku.
Když N. G. Chernyshevsky poprvé viděl hliníkové výrobky, řekl s potěšením: „Tento kov je předurčen pro skvělou budoucnost! Před vámi, přátelé, je kov socialismu.“ V jeho románu „Co se má dělat?“, vydaném v roce 1863, jsou následující řádky: „...Jaká lehká architektura tohoto vnitřního domu, jaké malé příčky mezi okny – okna jsou obrovská, široká, celá výška podlah... Ale jaké jsou tyto podlahy a stropy? Z čeho jsou tyto dveře a okenní rámy vyrobeny? co to je? Stříbrný? Platina?.. Ach, už vím, Saša mi ukázal takovou tabuli, byla lehká jako sklo, a teď už jsou takové náušnice a brože; ano, Saša říkal, že dřív nebo později hliník nahradí dřevo a možná i kámen. Ale jak je to všechno bohaté. Všude je hliník a hliník... V této místnosti je polovina podlahy otevřená a je vidět, že je z hliníku...“.
Ale v době, kdy byly napsány tyto prorocké řádky, zůstával hliník stále hlavně šperkařským kovem, je zajímavé, že ještě v roce 1889, kdy byl D. I. Mendělejev v Londýně, dostal medaili jako uznání za vynikající zásluhy o rozvoj chemie byl předán hodnotný dárek - váhy ze zlata a hliníku.
Saint-Clair Deville vyvinul energickou aktivitu. Ve městě La Glacier postavil první hliníkovou huť na světě. Během procesu tavení však závod uvolnil mnoho škodlivých plynů, které znečišťovaly atmosféru La Glaciere. Místní obyvatelé, kteří si svého zdraví vážili, ho nechtěli obětovat kvůli technologickému pokroku a podali stížnost na vládu. Závod se musel přesunout nejprve na pařížské předměstí Nanterre a později na jih Francie.
V té době už bylo mnoha vědcům jasné, že navzdory veškerému Devillovu úsilí nemá jeho metoda žádné vyhlídky. Chemici rozdílné země pokračoval v pátrání. V roce 1865 navrhl slavný ruský vědec N.N.Beketov zajímavou metodu, která rychle našla uplatnění v hliníkárnách ve Francii (v Rouenu) a Německu (v Gmelingense u Brém).
Důležitým mezníkem v historii hliníku byl rok 1886, kdy nezávisle na sobě americký student Hall a francouzský inženýr Héroux vyvinuli elektrolytickou metodu výroby tohoto kovu. Myšlenka nebyla nová: v roce 1854 vyslovil německý vědec Bunsen myšlenku výroby hliníku elektrolýzou jeho solí. Než byla tato myšlenka uvedena do praxe, uplynulo však více než třicet let. Vzhledem k tomu, že je vyžadována elektrolytická metoda velké množství energie byl v Neuhausenu (Švýcarsko) u Rýnských vodopádů postaven první závod v Evropě na výrobu hliníku elektrolýzou - levný zdroj proudu.
A dnes, téměř o sto let později, je nemyslitelné vyrábět hliník bez elektrolýzy. Právě tato okolnost nutí vědce si lámat hlavu nad velmi záhadným faktem.
V Číně se nachází hrob slavného velitele Zhou Zhu, který zemřel na začátku 3. století. Relativně nedávno byly některé prvky ozdoby této hrobky podrobeny spektrální analýze. Výsledek byl tak neočekávaný, že se analýza musela několikrát opakovat. A pokaždé nestranné spektrum nevyvratitelně naznačovalo, že slitina, ze které starověcí řemeslníci ozdobu vyráběli, obsahuje 85 % hliníku. Jak ale bylo možné tento kov získat ve 3. století? Ostatně elektřinu tehdy lidé znali jen díky blesku a s účastí na elektrolytickém procesu stěží „souhlasili“. To znamená, že se můžeme jen domnívat, že v těch vzdálených dobách existoval nějaký jiný způsob výroby hliníku, který se bohužel v průběhu staletí ztratil.
Na konci 80. let minulého století byla do „biografie“ hliníku zapsána další velmi důležitá stránka: rakouský chemik K. I. Bayer, který působil v Rusku, vytvořil a úspěšně aplikoval v továrně originální technologii výroby oxidu hlinitého - hlavní průmyslová surovina pro výrobu hliníku. Bayerova metoda, která si rychle získala uznání po celém světě, si dodnes zachovala svůj velký význam.
Během těchto let výroba hliníku prudce vzrostla a v důsledku toho se ceny tohoto kovu, který byl ještě nedávno považován za vzácný, výrazně snížily. Jestliže v roce 1854 stál 1 kilogram hliníku 1200 rublů, pak do konce 19. století cena klesla na 1 rubl. Samozřejmě už o něj nebyl zájem klenotníků, ale okamžitě přitáhl pozornost průmyslového světa, který byl na prahu velkých událostí: strojírenství se začalo rychle rozvíjet, automobilový průmysl se stavěl na nohy a A co je nejdůležitější, chystal se udělat své první kroky v letectví, kde měl hliník hrát zásadní roli.
V roce 1893 vyšla v Moskvě kniha inženýra N. Žukova „Hliník a jeho metalurgie“, v níž autor napsal: „Hliník je předurčen k tomu, aby zaujímal výjimečné místo v technologii a nahradil, ne-li všechny, pak mnoho běžných kovů. ..“ Důvody pro takové tvrzení byly: vždyť pozoruhodné vlastnosti „stříbra z hlíny“ byly známy již tehdy. Hliník je jedním z nejlehčích kovů: je více než 3krát lehčí než měď a 2,9krát lehčí než železo. Z hlediska tepelné a elektrické vodivosti je na druhém místě za stříbrem, zlatem a mědí. Za normálních podmínek má tento kov dostatečnou chemickou odolnost. Vysoká plasticita hliníku umožňuje jeho svinutí do fólie o tloušťce až 3 mikrony a vtažení do nejtenčího drátu jako pavučina: s délkou 1000 metrů váží pouhých 27 gramů a vejde se do krabičky od zápalek.
A jen on pevnostní charakteristiky nechat hodně být požadovaný. Tato okolnost přiměla vědce k zamyšlení nad tím, jak vyrobit hliník pevnější při zachování všech jeho užitečných vlastností. Již dlouho je známo, že pevnost mnoha slitin je často mnohem vyšší než u čistých kovů, které je tvoří. Proto metalurgové začali pátrat po těch „společnících“, kteří by uzavřením aliance s hliníkem pomohli „posílit“. Úspěch se brzy dostavil. Jak už se v dějinách vědy nejednou stalo, rozhodující roli téměř hrály náhodné okolnosti. Řekněme si však vše popořadě.
Kdysi (to bylo na začátku 20. století) německý chemik Wilm připravil slitinu, která kromě hliníku obsahovala různé přísady: měď, hořčík, mangan. Pevnost této slitiny byla vyšší než u čistého hliníku, ale Wilm cítil, že slitinu lze dále zpevnit vytvrzením. Vědec zahřál několik vzorků slitiny na přibližně 600 °C a poté je ponořil do vody. Kalení znatelně zvýšilo pevnost slitiny, ale protože se výsledky testů různých vzorků ukázaly jako heterogenní, Wilm pochyboval o provozuschopnosti zařízení a přesnosti měření.
Výzkumník pečlivě kontroloval zařízení několik dní. Vzorky, které na chvíli zapomněl, ležely ladem na stole, a když byl přístroj opět připraven k použití, byly už nejen ztvrdlé, ale i zaprášené. Vilm pokračoval v testování a nevěřil svým očím: zařízení ukázalo, že síla vzorků se téměř zdvojnásobila.
Vědec své experimenty opakoval znovu a znovu a pokaždé byl přesvědčen, že jeho slitina po vytvrzení během 5-7 dnů stále sílí a zpevňuje. Byl tak objeven nejzajímavější jev – přirozené stárnutí hliníkových slitin po vytvrzení.
Wilm sám nevěděl, co se stalo s kovem během procesu stárnutí, ale po experimentálním výběru optimálního složení slitiny a režimu tepelného zpracování získal patent a brzy jej prodal německé společnosti, která v roce 1911 vyrobila první várku nová slitina zvaná dural (Düren - město, kde byla založena průmyslová produkce slitina). Později se této slitině začalo říkat dural. V roce 1919 se objevil první letoun vyrobený z duralu. Od té doby hliník navždy spojil svůj osud s letectvím. Právem si vysloužil pověst „okřídleného kovu“. Proměnou primitivních dřevěných „polic“ na obří dopravní letadla. V těch letech ho ale stále nebylo dost a mnoho letadel, hlavně lehkých typů, se nadále vyrábělo ze dřeva.
U nás se pak výrobou hliníkových slitin zabýval pouze závod na zpracování barevných kovů Kolčuginskij, který vyráběl v malém množství hliník řetězové pošty, slitinu podobnou složením a vlastnostmi duralu. Na pořadu dne byla otázka vytvoření silného hliníkového průmyslu.
Začátkem roku 1929 byly v závodě Krasnyj Vyborzhets v Leningradě provedeny pokusy s výrobou hliníku. Vedl je Fedotiev, pozoruhodný vědec, s jehož jménem je spojeno mnoho stránek historie „okřídleného kovu“.
27. března 1929 bylo získáno prvních 8 kilogramů kovu. „Tento okamžik,“ napsal později P. P. Fedotiev, „může být považován za vznik
výroba hliníku v SSSR s využitím Volchovovy energie a výhradně z domácích materiálů.
Závod na výrobu hliníku. Leningradský tisk tehdy poznamenal, že „první hliníkový ingot muzejní hodnoty by měl být zachován jako památník jednoho z největších úspěchů sovětské technologie“. Vzorky hliníku, následně získané v Krasnyj Vyborzhets, a výrobky z něj byly prezentovány dělníky Leningradu na V. Všesvazovém sjezdu Sovětů. Úspěšné dokončení těchto experimentů umožnilo zahájit stavbu volchovských a dněprských hliníkových hutí. V roce 1932 byl uveden do provozu první z nich ao rok později - druhý.
Během stejných let byly na Urale objeveny významné přírodní zásoby hliníkových rud. Pozadí tohoto objevu je zvláštní. V roce 1931 mladý geolog N.A. Karzhavin v muzeu jednoho z uralských dolů upozornil na exponát, který byl považován za železnou rudu s nízkým obsahem železa. Geologa zarazila podobnost tohoto vzorku s bauxitem a jílovitou horninou bohatou na hliník. Poté, co tento minerál podrobil analýze, nabyl přesvědčení, že „chudá železná ruda“ je vynikající hliníkovou surovinou. Tam, kde byl tento vzorek nalezen, začalo geologické pátrání, které bylo brzy korunováno úspěchem.
Na základě nalezených ložisek byla postavena Uralská hliníková továrna a o pár let později (již během válečných let) Bogoslovskij závod, který vyrobil své první produkty v historický Den vítězství - 9. května 1945.
Nyní v naší zemi mnoho podniků již vyrábí „okřídlený kov“, ale jeho potřeba stále roste. Hlavním spotřebitelem hliníku je samozřejmě stále letectví. Hliník je na prvním místě mezi kovy používanými při výrobě letadel a raket. Od 2/3 do 3/4 suché hmotnosti osobního letadla a od 1/20 do 1/2 suché hmotnosti rakety je její podíl na létajících konstrukcích. Plášť prvního sovětského letadla byl vyroben z hliníkových slitin. umělá družice Země. Ze slitin hliníku byl vyroben i plášť amerických raket Avangard a Titan, které sloužily k vynášení prvních amerických satelitů a později kosmických lodí na oběžnou dráhu. Vyrábějí se z nich různé části kosmického vybavení - držáky, upevnění, podvozky, pouzdra a pouzdra pro mnoho nástrojů a přístrojů.
V roce 1960 Spojené státy vypustily družici Echo-1, která měla odrážet rádiové signály. Byla to obrovská koule o průměru asi 30 metrů, skládající se z plastové fólie potažené tenkou vrstvou hliníku. I přes tak působivé rozměry vážil tento satelit pouhých 62 kilogramů. Čistá hliníková fólie sloužila jako fluorescenční stínítko instalované na jednom ze satelitů ke studiu nabitých částic emitovaných Sluncem. Když američtí kosmonauti Neil Armstrong a Edwin Aldrin přistáli na Měsíci, rozprostřeli na jeho povrch list stejné fólie a vystavili fólii na dvě hodiny plynům emitovaným Sluncem. Když astronauti opustili Měsíc, vzali s sebou tuto fólii a vzorky měsíčních hornin, které zabalili do speciálních hliníkových krabic.
Hliník se podílí na zvládnutí nejen vesmírných výšin, ale také mořské propasti. Před několika lety Spojené státy vytvořily oceánografickou ponorku Aluminaut, která se může ponořit do hloubky 4 600 metrů. Nová superhluboká loď není postavena z oceli, jak je obvykle zvykem, ale z hliníku. Ve Francii byl spuštěn obrovský zaoceánský parník o výtlaku přes 50 tisíc tun, délce 315 metrů, schopný přepravit dva tisíce pasažérů. Trup, trubky, lodě a dokonce i nábytek tohoto kolosu jsou vyrobeny z hliníku. Rozsah hliníku se neustále rozšiřuje. V poválečných letech byl ve Spojených státech sestaven seznam výrobků z něj vyrobených. Seznam obsahoval přibližně dva tisíce položek.
Významným spotřebitelem tohoto kovu je elektrotechnický průmysl. Z hliníku jsou vyrobeny dráty vysokonapěťových přenosových vedení, vinutí motorů a transformátorů, kabely, patice lamp, kondenzátory a mnoho dalších výrobků. Je také vítaným hostem v dopravě. Nyní v naší zemi probíhají práce na vytvoření železničního superexpresu. „Ruská trojka“ – tak se poeticky jmenuje tento vlak – svým tvarem připomíná trup moderního letadla. A bude se řítit rychlostí vzlétajícího Tu. Designéři navrhli vyrobit expresní tělo z hliníku. Prototypové tělo již bylo testováno: bylo stlačeno silou 200 tun, vystaveno silným vibračním otřesům a dalším „popravám“, ale kov odolal všemu. Není daleko den, kdy se „Ruská trojka“ rychle vrhne přes naše obrovské rozlohy.
Hliník má vysokou odolnost proti korozi. Vděčí za to nejtenčímu, 0,0001 milimetru silnému filmu, který se objevuje na jeho povrchu a následně slouží jako pancíř, který chrání kov před kyslíkem. Bez tohoto filmového pancíře by hliník vzplanul i ve vzduchu a hořel oslepujícím plamenem. Život zachraňující skořepina umožňuje hliníkovým dílům sloužit po celá desetiletí, a to i v odvětví, které je škodlivé pro „zdraví“ kovů, jako je chemický průmysl. Vědci zjistili, že hliník má ještě jednu cennou vlastnost: neničí vitamíny. Vyrábí se z něj proto zařízení pro zpracování ropy, cukrovarnictví, cukrářství a pivovarnictví. Silné postavení si tento kov vydobyl i ve stavebnictví. V roce 1890 byl v jednom z amerických měst poprvé použit hliník při stavbě obytné budovy. O půl století později byly všechny hliníkové díly ve výborném stavu. První hliníková střecha, nainstalovaná v roce 1897, zůstala nedotčena dodnes.
Na území moskevského Kremlu byl z hliníku a plastů postaven majestátní Kongresový palác. V roce 1958 byl na Světové výstavě v Bruselu postaven úžasně krásný pavilon ze skla a hliníku. Sovětský svaz. Mosty, budovy, vodní stavby, hangáry - všude se používá nádherný lehký kov.
Metalurgové široce používají hliník k odstranění kyslíku z oceli. Jako hlavní složka je hliníková drť obsažena v termitových směsích používaných v aluminotermických procesech pro výrobu mnoha slitin.
Hliník najdeme i ve sbírkách filatelistů: v roce 1955 vyšla v Maďarsku neobvyklá poštovní známka vytištěná na hliníkové fólii o tloušťce 0,009 milimetru. Později se takové značky objevily v dalších zemích.
Již byla vytvořena aluminizovaná tkanina (potažená tenkou vrstvou hliníku), která má pozoruhodnou vlastnost: „umí“ hřát i chladit. Závěsy na oknech vyrobené z této látky, pokud jsou zavěšeny kovem směrem ven, propustí světelné paprsky, ale budou odrážet tepelné paprsky - v horkém letním dni bude místnost chladná. V zimě by měly být záclony převráceny: pak vrátí teplo do místnosti. V pláštěnce vyrobené z takové látky se nemůžete bát tepla ani chladu. Chcete-li uniknout spalujícím slunečním paprskům, bude třeba pláštěnku nosit tak, aby kov směřoval ven. Pokud se venku ochladí, otočte ho naruby a kov vrátí teplo do vašeho těla. Československý průmysl začal vyrábět velmi pohodlné hliníkové přikrývky, které jsou stejně dobré v teplých i chladných místnostech. Navíc váží pouhých 55 gramů a po složení se snadno vejdou do pouzdra ne většího než běžné pouzdro na cigarety.
Není pochyb o tom, že geologové, turisté, rybáři - jedním slovem všichni, kteří jsou spáleni sluncem a foukáni větry, ocení bundy a stany vyrobené z takové látky. V horkých oblastech budou velmi žádané „hliníkové“ čepice, panamské klobouky, róby a deštníky. Pokovené oblečení způsobí, že povolání oceláře bude méně horké. Pomůže hasičům v jejich nelehkém boji s ohněm.
V poslední době věnují vědci a inženýři velkou pozornost tvorbě zcela nových materiálů – pěnových kovů. Technologie výroby hliníkové pěny již byla vyvinuta - prvorozený v této úžasné rodině. Nový materiál je úžasně lehký: 1 kubický centimetr některých typů hliníkové pěny váží pouze 0,19 gramu. Korek, který vždy sloužil jako standard lehkosti, není schopen tomuto materiálu konkurovat: je o 25-30% těžší. Následně vznikne hliníková pěna, beryliová pěna, titanová pěna a mnoho dalších úžasných materiálů.
...Slavný spisovatel sci-fi Herbert Wells ve svém románu „Válka světů“, vytvořeném na přelomu 19. a 20. století, popisuje stroj, kterým Marťané vyráběli hliník: „Od západu slunce dokud se neobjevily hvězdy, tento obratný stroj vyrobil ne méně než sto hliníkových pásů přímo vyrobených z hlíny."
Jeden z amerických vesmírných výzkumníků v těch letech, kdy naše známost s Měsícem byla pouze vizuální, navrhl zajímavou hypotézu. Vědec věřil, že na každém hektaru měsíčního povrchu lze nalézt až 200 tun čistého hliníku. Vyjádřil myšlenku, že Měsíc je jako obří přírodní rostlina, ve které takzvaný „sluneční vítr“ (proud protonů emitovaných Sluncem) přeměňuje rudy železa, hořčíku a hliníku na čisté kovy. I když se tato hypotéza nepotvrdila, jak ukázala analýza vzorků měsíční půdy dodaných americkými kosmonauty a sovětskými automatickými stanicemi, obsah oxidu hlinitého v ní je poměrně vysoký - přibližně 15%.
Můžeme tedy předpokládat, že „problém s hliníkem“ byl na Marsu a Měsíci vyřešen. Jaké je to na Zemi? No, tady je snad taky všechno v pořádku. Přestože na naší planetě nejsou žádné stroje podobné těm na Marsu a na povrchu Země se nepovalují tuny hliníku, přesto je pro pozemšťany hříchem si stěžovat: příroda se velkoryse postarala o to, aby lidé necítili potřeba tohoto nádherného kovu. Z hlediska obsahu v zemské kůře je hliník na druhém místě za kyslíkem a křemíkem, výrazně převyšuje všechny kovy.
Máme tedy k dispozici hliníkové suroviny. Vytváření originálních jednotek, vylepšování metod výroby „okřídleného kovu“ a hledání nových oblastí jeho použití je starostí inženýrů a vědců.
O. BULANOVÁ
Kov je v našich životech neustále přítomen. Železo, měď, zlato, stříbro... Jsou i další, ale těm se nějak málo věnujeme, ačkoliv každá hospodyňka má v domácnosti pár kastrůlků z tohoto kovu. Mluvíme o hliníku.
První pokusy získat hliník začaly až v 19. století. Kolem roku 1808 se anglický chemik Humphry Davy pokusil provést elektrolýzu oxidu hlinitého a získal kov, který se nazýval hliník nebo hliník, což v překladu z latiny znamená stejný kamenec, který lidstvo již dlouho zná. (Mimochodem, Davy to zkoušel, ale nebyl schopen potvrdit teorii praxí.)
V roce 1825 dánský fyzik Hans Christian Oersted jako první na světě získal hliník z jeho oxidu: smíchal oxid hlinitý s uhlím, směs zahřál a propustil přes ni chlór.
Výsledný chlorid hlinitý byl zahříván s amalgámem draselným (draslík rozpuštěný ve rtuti) za vzniku hliníkového amalgámu. Po destilaci roztoku získal Oersted několik malých ingotů ne zcela čistého hliníku. Vědec ohlásil objev a experimenty zastavil, protože nebylo možné zjistit, jaký druh kovu byl získán.
V jeho práci pokračoval německý chemik Friedrich Wöhler, který v roce 1827 získal asi 30 gramů hliníku v práškové formě průchodem páry chloridu hlinitého přes draselný kov. Trvalo mu dalších 18 let nepřetržitých experimentů, než v roce 1845 získal malé kuličky ztuhlého roztaveného hliníku (kinglety).
Tyto metody ale nemohly být použity v průmyslu, protože využívaly velmi drahý draslík. Museli jsme hledat jiné cesty.
V roce 1855 na světové výstavě v Paříži francouzský chemik a technolog Saint-Clair Deville předvedl první hliník vyrobený zahříváním chloridu hlinitého se sodíkem.
Zdokonalil Wöhlerovu metodu a již v roce 1856 otevřel první podnik v průmyslu hliníku - závod bratří Charlese a Alexandra Tissierových v Rouenu. Chemicky Deville v letech 1855-1890. Vyrobeno bylo 200 tun hliníku.
Kvůli obtížím spojeným s izolací hliníku ze sloučenin to byl dlouhou dobu a až do začátku 20. století velmi drahý kov. jeho hodnota byla vyšší než hodnota zlata. Proto byl po mnoho let první hliník používán jako muzejní exponát.
Z prvního hliníku se vyráběly šperky, figurky, medaile atd. Za první jsou považovány medaile s basreliéfy Napoleona III., který výrazně podporoval rozvoj výroby hliníku, a Friedricha Wöhlera a také chrastítko Crown Princ Louis Napoleon vyrobený z hliníku a zlata.
Mimochodem, hliníková zařízení byla vybavena v Sovětský časškolní a průmyslové jídelny, stravovací provozy atd. Tato zařízení byla více než levná: návštěvníci je ukradli, rozbili (a hliník se velmi snadno rozbije), ztratili - to není škoda.
Vraťme se ale do historie – do let prvních hliníkových šperků. Měli obavy z hliníku, ale už tehdy Deville pochopil, že budoucnost hliníku není spojena se šperky.
Napsal: „Nic není těžší než přimět lidi, aby používali nový kov. Luxusní předměty a dekorace nemohou být jedinou oblastí jeho použití. Doufám, že přijde čas, kdy hliník bude sloužit každodenním potřebám.“
Výroba hliníku z jílů zajímala nejen chemiky, ale i průmyslníky. Vědci proto neúnavně pracovali. Situace se změnila s objevem levnější elektrolytické metody výroby hliníku v roce 1886.
Současně a nezávisle jej vyvinuli francouzský inženýr Paul Héroult a americký student Charles Hall.
Při provádění výzkumu Hall rozpustil oxid hlinitý v roztaveném kryolitu. Výsledná směs byla umístěna do žulové nádoby a procházel jí konstantní elektrický proud. Byl velmi překvapen, když po nějaké době objevil na dně nádoby plakety z čistého hliníku. Navržená metoda umožnila získat kov ve velkém množství, ale vyžadovala velké množství elektřiny.
Může se však velmi dobře stát, že všechny tyto objevy, které umožňují získat čistý hliník ze sloučenin, jsou zcela nové, na které se zapomnělo.
Protože „Přírodopis“ římského vědce Plinia Staršího hovoří o legendě z 1. století, ve které mistr daruje císaři Tiberiovi pohár z neznámého kovu – podobný stříbru, ale zároveň velmi lehký. Co když to byla hliníková mísa?
Drahé, cenné - soudě podle toho, že to byl dar císaři: vládci nedávají levné věci.
Vraťme se ale do dob Halla a Hérouxe, kdy se metoda našla, ale vysoké náklady na energii si vyžádaly vymyslet něco jiného. Proto Heru zorganizoval svou první výrobu v hutnickém závodě v Neuhausenu (Švýcarsko), vedle slavných Rýnských vodopádů, jejichž síla padající vody poháněla dynama podniku.
A tak byla 18. listopadu 1888 podepsána dohoda mezi Švýcarskou metalurgickou společností a německým průmyslníkem Rathenau o založení společnosti Aluminium Industry JSC v Neuhausenu s celkovým kapitálem 10 milionů švýcarských franků.
Později byla přejmenována na Společnost hutníků hliníku. Jeho ochranná známka znázorňovala slunce vycházející zpoza hliníkového ingotu, což mělo podle Rathenaua symbolizovat zrod hliníkového průmyslu. Během 5 let se produktivita závodu zvýšila více než 10krát: pokud se v roce 1890 v Neuhausenu vytavilo pouze 40 tun hliníku, pak v roce 1895 - 450 tun.
Hall za podpory přátel zorganizoval Pittsburgh Restoration Company, která 18. září 1888 spustila svůj první závod v Kensingtonu u Pittsburghu.
V prvních měsících produkoval jen asi 20-25 kg hliníku denně a v roce 1890 - již 240 kg denně. (V roce 1907 byla Pittsburgh Recycling Company reorganizována na American Aluminium Company - Alcoa.)
Společnost umístila své nové závody ve státě New York poblíž nové vodní elektrárny Niagara.
V roce 1889 vynalezl rakouský chemik Karl Joseph Bayer, působící v Petrohradě v závodě Tentelevsky, technologicky vyspělý a levný způsob výroby oxidu hlinitého – oxidu hlinitého, hlavní suroviny pro výrobu kovů.
V jednom z experimentů vědec přidal bauxit do alkalického roztoku a zahříval ho v uzavřené nádobě – bauxit se rozpustil, ale ne úplně. Bayer v nerozpuštěném zbytku hliník nezjistil – ukázalo se, že při ošetření alkalickým roztokem veškerý hliník obsažený v bauxitu přechází do roztoku.
V průběhu několika desetiletí tak vznikl průmysl hliníku, skončil příběh „stříbra z hlíny“ a hliník se stal novým průmyslovým kovem.
Na přelomu 19. a 20. stol. hliník se začal používat v nejrůznějších oborech a dal impuls k rozvoji celých průmyslových odvětví. V roce 1891 byla na příkaz Alfreda Nobela ve Švýcarsku vytvořena první osobní loď „Le Migron“ s hliníkovým trupem.
V roce 1894 představila skotská loděnice Yarrow & Co 58metrový torpédový člun vyrobený z hliníku. Tato loď se jmenovala „Falcon“, byla vyrobena pro námořnictvo Ruské impérium a vyvinul na tu dobu rekordní rychlost 32 uzlů.
Ve stejném roce začaly New York, New Haven a Hartford Railroad, vlastněné bankéřem Johnem Pierpontem Morganem, vyrábět speciální lehké osobní vozy s hliníkovými sedadly. A jen o 5 let později na výstavě v Berlíně představil Karl Benz první sportovní vůz s hliníkovou karoserií.
Hliníková socha se objevila na Piccadilly Circus v Londýně v roce 1893 starověký řecký bůh Anteros. Téměř 2,5 m vysoký se stal prvním velkým dílem z tohoto kovu v oblasti umění – a teprve nedávno byly římsové hodiny nebo figurky považovány za luxus, přístupný pouze vyšší společnosti.
Ale hliník udělal skutečnou revoluci v letectví, pro kterou si navždy vysloužil své druhé jméno - „okřídlený kov“. Během tohoto období vynálezci a piloti po celém světě pracovali na výrobě letadel.
Hliník byl dobrý na všechno – kromě pevnosti, která byla pro průmysl nezbytná. Ale i tento problém byl vyřešen. Německý chemik Alfred Wilm legoval hliník s dalšími kovy: mědí, manganem a hořčíkem.
Výsledkem byla slitina, která byla mnohem pevnější než hliník. Jeho získání trvalo sedm let. V průmyslovém měřítku byla taková slitina vyrobena v německém městě Düren v roce 1911. Tato slitina byla na počest města pojmenována dural.
První trup prvního celokovového letadla na světě, Junkers J1, byl vyroben z duralu, který v roce 1915 vyvinul jeden ze zakladatelů světového leteckého průmyslu, slavný německý letecký konstruktér Hugo Junkers.
Pojiva obsahující hliník jsou známá již od starověku. Kamenec (lat. Alumen nebo Alumin, německy Alaun), o kterém se zmiňuje zejména Plinius, byl však ve starověku a ve středověku chápán jako různé látky. V Rulandově alchymistickém slovníku je slovo Alumen doplněno různými definicemi ve 34 významech. Konkrétně to znamenalo antimon, Alumen alafuri - alkalická sůl, Alumen Alcori - nitrum nebo alkalický kamenec, Alumen creptum - vinný kámen (vinný kámen) dobrého vína, Alumen fascioli - alkálie, Alumen odig - amoniak, Alumen scoriole - sádra atd. Lemery , autor slavného „Dictionary of Simple Pharmaceutical Products“ (1716), také poskytuje velký seznam odrůd kamence.
Až do 18. století sloučeniny hliníku (kamenec a oxid) nebylo možné odlišit od jiných sloučenin podobného vzhledu. Lemery popisuje kamenec takto: „V roce 1754 Marggraf izoloval z roztoku kamence (působením alkálie) sraženinu oxidu hlinitého, kterou nazval „hlinitá zemina“ (Alaunerde), a stanovil její odlišnost od ostatních zemí. kamencová zemina dostala název alumina (Alumina nebo Alumine). V roce 1782 Lavoisier vyjádřil myšlenku, že hliník je oxid neznámého prvku. V „Tabulce jednoduchých těles“ Lavoisier umístil hliník mezi „jednoduchá tělesa, tvořící sůl , zemitý.“ Jsou zde uvedena i synonyma pro název alumina: argyl (Argile), kamenec. zemina, základ kamence Slovo argile neboli argilla, jak uvádí Lemery ve svém slovníku, pochází z řeckého hrnčířského jílu. Dalton ve svém „Novém systému chemické filozofie“ uvádí zvláštní označení pro oxid hlinitý a poskytuje komplexní strukturní (!) vzorec kamence.
Po objevu alkalických kovů pomocí galvanické elektřiny se Davy a Berzelius neúspěšně pokusili stejným způsobem izolovat kovový hliník od oxidu hlinitého. Teprve v roce 1825 byl problém vyřešen pomocí chemické metody dánským fyzikem Oerstedem. Chlor procházel horkou směsí oxidu hlinitého a uhlí a výsledný bezvodý chlorid hlinitý se zahříval s amalgámem draselným. Po odpaření rtuti, píše Oersted, byl získán kov podobný vzhledu cínu. Nakonec v roce 1827 Wöhler izoloval kovový hliníkový kov účinnějším způsobem – zahřátím bezvodého chloridu hlinitého s kovem draslíku.
Kolem roku 1807 dal Davy, který se pokoušel provést elektrolýzu oxidu hlinitého, jméno kovu, který ho měl obsahovat hliník (Alumium) nebo hliník (Aluminium). Posledně jmenovaný název se od té doby stal běžným v USA, zatímco v Anglii a dalších zemích byl přijat název Aluminium, který později navrhl stejný Davy. Je zcela zřejmé, že všechna tato jména pocházejí z latinského slova alum (Alumen), o jehož původu existují různé názory, založené na důkazech různých autorů, sahající až do starověku. A. M. Vasiliev, když si všímá nejasného původu tohoto slova, uvádí názor jistého Isidora (zřejmě Isidora ze Sevilly, biskupa žijícího v letech 560 - 636, encyklopedisty, který se zabýval zejména etymologickým výzkumem): „ Alumen se nazývá lumen, protože dodává barvám lumen (světlo, jas), když se přidá během barvení." Toto vysvětlení, ač velmi staré, však nedokazuje, že slovo alumen má přesně takový původ. Zde je dost pravděpodobná pouze náhodná tautologie. Lemery (1716) zase poukazuje na to, že slovo alumen souvisí s řečtinou (halmi), což znamená slanost, solanka, solanka atd.
Ruské názvy hliníku v prvních desetiletích 19. století. docela pestrá. Každý z autorů knih o chemii tohoto období se zjevně snažil navrhnout svůj vlastní název. Zacharov tedy nazývá hliník alumina (1810), Giese - hliník (1813), Strakhov - kamenec (1825), Iovsky - hlína, Shcheglov - alumina (1830). V "Dvigubsky's Store" (1822 - 1830) se oxid hlinitý nazývá oxid hlinitý, oxid hlinitý, oxid hlinitý (například oxid hlinitý kyseliny fosforečné) a kov se nazývá hliník a hliník (1824). Hess v prvním vydání „Základy čisté chemie“ (1831) používá název alumina (hliník) a v pátém vydání (1840) - jíl. Názvy pro soli však tvoří na základě výrazu oxid hlinitý, například síran hlinitý. Mendělejev v prvním vydání „Základy chemie“ (1871) používá názvy hliník a jíl. V následujících vydáních se slovo gliny již neobjevuje.
