Алюминий
Алюминий
Алюминий или глиний (хим. обозначение – Al, атомный вес 27, 04) – металл, ненайденный до сих пор в природе в свободном состоянии; зато в виде соединений, а именно силикатов, элемент этот повсеместно и широко распространен; он входит в состав массы горных пород. В форме глиноземного силиката алюминий находится в глинах, мергелях, в любой частице земли, а глиноземно-калийный силикат образует полевой шпат, существенную составную часть многих горных пород. В свободном состоянии, в виде серого порошка, алюминий впервые был получен Вёлером, в 1827 г., а позднее им же (в 1846 г.), в виде небольших блестящих металлических шариков, причем были описаны и все его свойства. Технический способ получения существенно усовершенствован и разработан Сен-Клер Девиллем (в 1854 г.). При добывании алюминия по последнему способу поступают следующим образом: 400 вес. ч. двойной соли хлористого натрия и хлористого алюминия – NaAlCl4 200 ч. поваренной соли и 200 ч. плавикового шпата или криолита тщательно высушивают (каждое соединение в отдельности), измельчают и смешивают с 75 – 80 ч. металлического Na, разрезанного на мелкие куски; смесь вносят в объемистый глиняный тигель и нагревают вначале слабо, причем наступает сильная реакция, сопровождающаяся раскаливанием массы; вслед затем начинают греть сильнее, почти до температуры плавления серебра, чтобы сплавить алюминий, выделяющийся сначала в виде порошка и при этом время от времени помешивают массу глиняным шпателем. Из всех взятых веществ в реакцию вступают только металлический натрий и хлористый алюминий, заключающийся в соединении с хлористым натрием (NaAlCI4), причем образуется хлористый натрий и металлический алюминий; прочие же вещества частью играют роль шлаков, предохраняющих реагирующую массу от доступа кислорода воздуха, а отчасти, как плавни, способствуют сплавлению отдельных зерен алюминия между собою. Если операция получения ведена правильно, то по окончании плавления сперва сливают жидкие шлаки, а затем собравшийся на дне металл выливают в формы. В существенных чертах такой же способ практикуется на заводах Руссо и Морэна, только там плавка производится не в тиглях, а в пламенной печи, в полу которой, ближе к середине, сделано углубление, имеющее отверстие для стока металла и шлаков. Смесь необходимых веществ вносится лопатками в пламенную печь, нагретую предварительно до слабо красного каления; по окончании сплавления сначала стекает расплавленный металл, затем содержащие металл шлаки и, наконец, чистые шлаки. Шлаки, содержапце металл, после ручной отборки более крупных металлических зерен, вновь идут в дело при дальнейшей работе. Так как получение соединения хлористого натрия с хлористым алюминием представляет значительные затруднения, то в иных случаях пользуются соответствующим фтористым соединением, которое в виде минерала криолита найдено в значительных массах в Гренландии; способы обработки криолита по существу одни и те же, что и при работе с хлористым соединением. Ныне производство металлического алюминия ведется в особенно значительных размерах в Англии (во Франции его издавна фабрикуют в Salindres, около Alais). Кроме вышеупомянутого, предложено много других методов получения, имеющих целью обойти применение ценного металлического натрия, (главным образом при промощи гальванического тока), но до сих пор наивыгоднейшим способом остается тот, который дан Девиллем.
Продажный алюминий не представляет химически чистого вещества: он содержит от 2% до 12% посторонних тел, главным образом железа и кремния, что зависит уже прямо от фабрикации. По блеску и цвету алюминий стоит посредине между серебром и платиной; он в высшей степени тягуч и при повторном слабом нагревании может быть вытянут в тонкую проволоку или плющится в тончайшие листки; по твердости он близок к цинку, но после холодной проковки значительно превосходит его в этом отношении. Удельный вес алюмиия 2,56, но при обработке, проковке и т. п. он возвышается до 2,67, так что алюминий втрое легче меди и вчетверо легче серебра. Плавится он приблизительно около 700° C.; обладает весьма слабыми магнитными свойствами; хороший проводник теплоты и электричества; при ударе издает превосходный, ясный звук. На воздухе алюминий не утрачивает своего блеска и цвета и противостоит действию влажности. Серная и азотная кислота на него не действуют, в соляной же и во многих других слабых кислотах, даже сильно разбавленных водой, он легко растворяется; точно также легко растворяют его, с выделением водорода, водные растворы щелочей. От действия сероводорода он не изменяется; при сплавлении, даже при доступе воздуха, не окисляется. Прессованием, проковкой, вальцеванием, плавлением можно придать ему любую форму, а поделки из этого металла можно шлифовать и украшать разнообразнейшими способами, посредством гильошировки и местного золочения или серебрения. Но не смотря на все эти преимущества, алюминий имеет сравнительно небольшое применение: до сих пор он служит преимущественно для выделки недорогих предметов роскоши, затем для устройства тех научных приборов, которые должны иметь по возможности незначительный вес, каковы, например: коромысла точных весов, трубы больших телескопов и т. д. Ежегодная добыча металла равняется приблизительно 2500 килогр.
В периодической системе элементов проф. Менделеева алюминий помещается в III группе, в 3-м ряду, чем и определяется большая часть его свойств, а также и его соединений. Алюминий способен соединяться с тремя атомами галоидов; но частица галоидных соединений алюминия является простою, напр. в виде АlСl3, только при температурах очень возвышенных, однако и при этих последних значительная часть вещества остается в полимеризованном состоянии, в виде удвоенной частицы Al2Cl6. Это становится легко понятным, если принять во внимание, что так называемые предельные формы соединений некоторых элементов способны давать еще дальнейшие соединения с другими частицами, чему пример мы видим в способности многих тел образовать кристаллические соединения с аммиаком, кристаллизационною водою и т. д. Так и в предельной форме соединения алюминия АlХ3 сильно развита способность давать такого рода соединения; а раз имеется способность соединяться с другими частицами, то становится возможным допускать и соединение тождественных частиц самих с собою, что мы имеем для А12Сl6=АlСl3+АlСl3.
Наиболее важные соединения алюминия следующие:
Хлористый алюминий Al2Cl6 получается при накаливании в струе хлора смеси чистого глинозема (окиси алюминия) и угля; такую смесь сначала замешивают в тестообразную массу с маслом, сахарным сиропом или дегтем, формуют из ее шарики и прокаливают их в закрытом тигле до тех пор, пока не перестанут выделяться горючие пары; по охлаждении вносят эти шарики в фарфоровую трубку или глиняную реторту и накаливают в струе хлора, причем образующийся хлористый алюминий улетучивается и сгущается в приемнике в белую кристаллическую, сильно гигроскопическую массу, легко растворимую в воде, алкоголе и эфире. В последнее время хлористый алюминий, а также АlВr3, и AlJ3 имеют огромное значение при синтезах многих сложных органических соединений, в особенности ароматического ряда (см. соч. Г. Г. Густавсона, «Органические соединения в их отношениях к галоидным солям алюминия», 1883 г.).
Соединение хлористого натрия с хлористым алюминием NaCI + AlCl3 = NaAlCl, исходный материал для получения алюминия. Образуется подобным же путем, как и хлористый алюминий, с той разницей, что к смеси глинозема с углем прибавляют еще соответственное количество хлористого натрия. Кристаллическая, бесцветная, улетучивающаяся при краснокалильном жаре, масса, легко растворимая в воде, но менее гигроскопическая, чем хлористый алюминий.
Соединение фтористого алюминия с фтористым натрием NaF + AlF3 = NaAlF4 образует минерал криолит.
Окись алюминия Аl2О4 (глинозем)встречается в природе в кристаллическом состоянии в виде различных минералов: окрашенная в красный цвет представляет рубин, в желтый или коричневый – корунд и восточный топаз, в синий – сапфир, в пурпурово-красный – восточный аметист ; мелкозернистая кристаллическая масса, с примесью кремнекислоты и соединений железа, называется шмиргелем или наждаком. Все эти кристаллические минералы немного уступают по твердости алмазу и не изменяются даже от действия крепких кислот. В аморфном виде глинозем получается при сильном прокаливании некоторых глиноземных солей или при умеренном нагревании гидрата окиси алюминия, в виде рыхлого белого, порошка, растворяющегося в слабых кислотах и щелочах, если только он не был предварительно нагрет слишком сильно.
Гидрат окиси алюминия, гидрат глинозема Al2(OH6). Кроме нормального глиноземного гидрата, с составом, указанным формулою, встречающегося в природе в виде минерала гидраргиллита (гиббсита), есть еще два других гидрата, а именно Al2O2(OH)2 – минерал диаспор и Al2O(OH)2 – боксит. Гидрат глинозема образуется в виде белого студенистого осадка при смешении растворимых глиноземных солей с водным аммиаком. В технике его получают сплавлением мелко измельченного боксита с содой, или при прокаливании криолита с известью; в обоих случаях образующийся алюминат натрия извлекают водою и из раствора осаждают глиноземный гидрат в виде плотного осадка пропусканием углекислоты, причем углекислый натрий переходит в раствор. При выслушивании глиноземный гидрат образует плотные, твердые куски, или легкий, белый порошок, отдающий при прокаливании свою воду и переходящий в аморфный глинозем. Гидрат, полученный искусственным путем, легко растворяется в щелочах и кислотах, а гидраты, встречающиеся в природе, растворяются в кислотах только после слабого прокаливания. Гидрат окиси алюминия может быть также получен в растворимом состоянии, в форме коллоидального глинозема. По Грэму, такое видоизменение – гидрозоль глинозема – получается, если подвергнуть диализу насыщенный глиноземом водный раствор хлористого алюминия; при этом соляная кислота диффундирует в наружную воду, а растворимый гидрат остается в диализаторе; он необычайно легко переходит в нерастворимое состояние, напр. от следов солей, так что достаточно уже подбавить обыкновенной ключевой воды, чтобы из такого раствора осел обыкновенный гидрат глинозема. От гидрата окиси алюминия можно, с одной стороны, перейти к алюминатам, замещая водородные атомы гидроксильных групп металлами, а с другой – к глиноземным солям, при замещении водородных атомов в гидроксильных группах кислотными радикалами.
Соли окиси алюминия(глиноземные соли) образуются при обработке аморфного водного глинозема соответственными кислотами, или при обменном разложении солей окиси алюминия с другими солями. Азотно-глиноземная соль образуется, напр., при растворении гидрата окиси алюминия в азотной вислой, а уксуснокислая соль – при смешении сернокислого глинозема с уксусно-свинцовою солью. Средние соли производятся от нормального гидрата Аl2(ОН)6, при чем 6 водородных атомов гидроксильных групп замещаются столькими же одноэквивалентными или тремя двуэквивалентными кислотными радикалами, напр. Al2O6(NO2)6 – азотно-глиноземная соль, Al2O6(SO2)3 или Аl2(SO4)3 – серно-глиноземная соль. Водные растворы этих средних солей имеют кислую реакцию: сюда относятся сернокислая, азотнокислая и уксуснокислая соли, из которых сернокислая имеет свойство образовать с другими сернокислыми солями двойные соли, так называемые квасцы. Кроме средних солей имеются еще основные соли, которые производятся подобным же образом от двух остальных гидратов глинозема.
Сернистый алюминий Al2S3, образуется, если бросать серу на раскаленный до красна алюминий; при температурах ниже красного каления взаимодействия не происходит. Полученный таким образом сернистый алюминий представляет черную слившуюся массу, очень нестойкую, распадающуюся под влиянием воды или просто влажного воздуха на сероводород и водную окись алюминия. Подобного соединения алюминия с серой нельзя получить мокрым путем.