Някога струвал повече от златото. Днес е третият най-разпространен елемент в земната кора — металът на кенчетата, самолетите и небостъргачите.

Алуминий — Al · №13

Алуминий (Al) — химичен елемент №13

Преди сто и петдесет години алуминиевите прибори за хранене са символ на богатство — по-скъпи от златните. Днес го изхвърляме с кенчетата след пикник. Малко елементи от периодичната таблица на елементите са сменяли социалния си статус толкова драматично, и малко метали са оставили толкова дълбок отпечатък върху начина, по който строим, летим и опаковаме храната си.

История на откриването

Хората са работили с алуминиеви съединения хиляди години, без да подозират какво се крие в тях. Древните египтяни са използвали стипца — двоен сулфат на алуминий и калий — за боядисване на тъкани и за обработка на рани. Римляните са правели същото. Но самият метал се е крил упорито зад химията на оксидите си. През 1808 г. Хъмфри Дейви успява да изолира редица метали чрез електролиза, но с алуминия се проваля — получава само сплав с желязо и така пропуска откритието. Все пак той е предложил името „alumium", после коригирано на „aluminium", от латинското alumen.

Пробивът идва от датски физик. Ханс Кристиан Йорстед — същият, открил електромагнетизма — успява да получи малко количество нечист алуминий през 1825 г., като редуцира алуминиев хлорид с амалгама от калий. Работата е бавна и мръсна, резултатът е само шепа сиво вещество. Две години по-късно германецът Фридрих Вьолер повтаря и усъвършенства метода — вместо амалгама използва чист калий и получава метал с по-добра чистота. Дълги години Вьолер е смятан за откривател, докато историческите документи не възстановяват приоритета на Йорстед.

Онова, което превръща алуминия от лабораторен трофей в масов материал, е открито почти едновременно от двама млади химици на два континента — французинът Пол Еру и американецът Чарлз Мартин Хол — и двамата на 22 години, и двамата през 1886 г. Методът им, известен като процеса Хол-Еру, е прост по замисъл: разтварят алуминиев оксид в разтопен криолит и пускат ток. Цената на метала спада с 98% за десетилетие. Алуминиевите прибори на Наполеон III, с които е угощавал само най-важните гости, стават мотокар за боклук.

Физични свойства

Алуминият е сребристобял метал с характерен лек блясък. Плътността му е 2.698 g/cm³ — по-малко от третата от тази на стоманата. Точно тази лекота е причината да го срещаме в самолети, а не в автомобилни мостове. Топи се при 660 °C, което е достатъчно ниско, за да се обработва сравнително лесно в леярни, но достатъчно високо за повечето технически приложения. Кипи едва при 2519 °C — рядко ни е нужно да стигаме дотам.

Металът е изключително пластичен: може да се изтегли на проводник с дебелина под 100 микрометра или да се разкова на листове толкова тънки, колкото фолиото, в което завиваме сандвичите. Провежда топлина и електричество добре — проводимостта му е около 60% от тази на медта, но килограм алуминий провежда ток почти два пъти по-добре от килограм мед, тъй като е три пъти по-лек. Точно затова електропроводите за далечно пренасяне на ток са направени от него, а не от мед.

Химични свойства

Алуминият е химически активен метал — много повече, отколкото изглежда. Щом повърхността му се докосне до въздух, за секунди се покрива с тънък слой алуминиев оксид (Al₂O₃) с дебелина само 4 нанометра. Този оксиден слой е твърд, непропусклив и плътно залепен за метала — и именно той прави алуминия толкова устойчив на корозия. Без него металът би реагирал бурно с влагата и кислорода.

В периодичната таблица алуминият стои в 13-а група и в третия период, с електронна конфигурация [Ne] 3s² 3p¹. Има три валентни електрона, а доминиращата му окислителна степен е +3. Амфотерен е по природа: реагира и с киселини (разтваря се в солна и сярна), и с основи (реагира с натриева основа, отделяйки водород и образувайки тетрахидроксоалуминатен йон). Тази двойственост прави химията му особено интересна и полезна.

Сред ключовите съединения са алуминиевият оксид (корунд в кристална форма — рубините и сапфирите са нищо друго освен корунд с примеси), алуминиевият хлорид (катализатор в органичната химия), алуминиевият сулфат (стипца, използвана за пречистване на вода) и алуминиевите силикати, от които са изградени голяма част от скалите и глините на Земята.

Къде го срещаме

Алуминият е третият най-разпространен елемент в земната кора — 8.1% по маса — и най-разпространеният метал. Парадоксът е, че въпреки това никога не се среща самостоятелно в природата: свързан е в оксиди и силикати. Основната руда е боксит — смес от алуминиеви оксиди и хидроксиди, добивана в Австралия, Гвинея, Бразилия и Ямайка.

Авиацията е немислима без него: 80% от масата на съвременен пътнически самолет е алуминиеви сплави. Спортните автомобили ценят алуминиевите блокове на двигатели и джанти. Строителството използва алуминиеви профили за прозорци и фасади — тонове от тях изграждат небостъргачите в световните метрополии. Опаковъчната индустрия произвежда около 300 милиарда кенчета годишно само за газирани напитки — почти всички от алуминий. Фолиото в кухнята, рефлекторите на фаровете, лаптопите, смартфоните, прахосмукачките — алуминиевият химичен елемент е буквално навсякъде около нас, макар да го забелязваме рядко.

Рециклирането на алуминий консумира само 5% от енергията, необходима за производство от руда. Едно кенче, хвърлено в рециклиращия контейнер, може да се върне на рафта като ново кенче за 60 дни.

Биологична роля

Алуминият не е биологично необходим елемент — нито за хората, нито за животните, нито за по-голямата част от растенията. Въпреки огромното му количество в почвата, живите организми са развили механизми да го избягват. В кисели почви с pH под 5 алуминиевите йони стават разтворими и токсични за много растения, увреждат корените и намаляват добивите.

При хората нормалният внос на алуминий с храната е около 5–10 mg дневно, по-голямата част от който се екскретира бързо. Антиацидите съдържат алуминиев хидроксид — ефективен, но при хронична употреба може да наруши усвояването на фосфати. За хора с бъбречна недостатъчност натрупването е реален риск. Алуминият в мозъчната тъкан на пациенти с болест на Алцхаймер привлича внимание от 70-те години насам, но засега науката не е установила причинно-следствена връзка — корелацията може да е следствие, а не причина.

Любопитни факти

Наполеоновата трапеза. Император Наполеон III е толкова очарован от новия метал, че наредил да направят алуминиев сервиз за най-почетните гости. Обикновените посетители яли с обикновени сребърни прибори. Ако е знаел, че след петдесет години металът ще се купува на килограм за стотинки, щял да се почувства доста излъган.

Върхът на монумента. Когато Вашингтонският монумент е завършен през 1884 г., покривът му е увенчан с 2.8-килограмов алуминиев пирамидион — тогава сред най-скъпите материали на Земята. Той стои там и до днес, потъмнял от вековете.

Алуминий срещу термит. Смес от алуминиев прах и железен оксид — термит — гори при температура над 2500 °C и не може да бъде загасена с вода. Използвана е за заваряване на железопътни релси и, за съжаление, в запалителни оръжия. Реакцията е толкова екзотермична, че стоманата под нея просто се топи.

Различни имена. В повечето страни металът се казва „aluminium" (с две „i"), но американците го съкратиха на „aluminum" — и двете форми са приети от IUPAC. Хъмфри Дейви е виновен за объркването, тъй като е сменял изписването в собствените си публикации.

Най-рециклираният материал. Около 75% от цялото произведено някога алуминий все още е в употреба под една или друга форма. Металът не губи свойствата си при претопяване — рециклиран алуминий е идентичен с първичния. Тази особеност го прави един от малкото материали, за чието производство рециклирането наистина има смисъл не само екологично, но и икономически.

Повече за елементите около алуминия — магнезия и силиция, галия и индия — можете да намерите в нашия пълен справочник на периодичната таблица на елементите. А ако искате да навлезете по-дълбоко в химията на алуминия, настоящата статия на uchitel.bg е само началото.