118 элементов. Глава 13: от глиния до алюминия

Элемент: алюминий (Aluminium, Aluminum)

Химический символ: Al

Порядковый номер: 13

Год открытия: 1824 (предсказан в 1782 А.Лавуазье)

Стандартная атомная масса: 26.9815384(3)

Температура плавления: 933.47 К

Температура кипения: 2743 К

Плотность при стандартных условиях: 2.70 г/cм³

Число стабильных изотопов: 1

Кристаллическая решётка: гексагональная

Соединения алюминия известны человечеству еще с древности. Латинское слово alumen – «горькая соль» – означало квасцы. Двойной сульфат одно- и трёхвалентного металла в кристаллогидратной форме. Причем в роли трёхвалентных металлов чаще всего выступал алюминий. Собственно говоря, на английском квасцы до сих пор называются alum. Так что с этимологией нашего элемента все достаточно просто.

Использует соединения алюминия человечество еще раньше, чем люди узнали квасцы. Главный признак материальной культуры, который позволяет отличать людей древности – это керамика. Которая делается из глины. А что такое глина? Оксиды кремния и алюминия и вода.

Алюминиевые квасцы

Другое дело, что все не очень просто с открытием, и еще сложнее – с использованием алюминия как металла. Далеко не сразу стало понятно, что в квасцах и в глине есть новый элемент, еще позже его сумели выделить, а уж начать получать в промышленных масштабах так, чтобы это было выгодно, смогли и вовсе относительно недавно. Но обо всем по порядку.

Если говорить о металлическом алюминии, то, как это водится, история начинается с легенды. В 80-90-е годы особенно ходила легенда о том, что императору Тиберию поднесли то ли корону, то ли чашу, изготовленную из ранее неизвестного металла, который удалось добыть из глины. Чаша блестела подобно серебру, но при этом была лёгкой. Император был впечатлён открытием, но при этом испугался, что новый металл может привести к обесцениванию серебра и золота. Дальше следовал распространенный в «историях» сюжет: император выяснил, что секрет нового металла известен только мастеру – и приказал отрубить ему голову (хотя в стиле Тиберия было бы затравить львами или распять). Для достоверности ссылались на римские источники, конкретно – Плиния Старшего.

Но если заглянуть в первоисточник, мы увидим, что, во-первых, Плиний пересказывает слухи, а во-вторых, речь шла вообще не о металле («не выиграл, а проиграл, и не в лотерею, а в карты»):

«Рассказывают, что при принцепсе Тиберии был придуман такой состав стекла, что оно было гибким, и тогда мастерская этого мастера полностью была уничтожена, чтобы не понизились цены на металлы, медь, серебро, золото, однако слух этот был скорее упорным, чем верным».

Так что даже если и было что, то гибкое стекло, полученное неким добавлением глинозема в шихту, а не алюминий. А человечество по-прежнему использовало алюм – то бишь, квасцы, которые в эпоху крестовых походов стали объектом торговли.

В 1530 году Парацельс отделил квасцы от «простых» сульфатов («витриолей» в алхимии), назвав их «солью земли». В 1595 году немецкий врач и химик Андреас Либавий показал, что синий и зеленый «витриоли» и квасцы образованы одной и той же кислотой (серной), но разными землями.

Напомним, что «земли» – это не планеты у других звезд, а оксиды металлов. Нетрудно догадаться, что синий витриоль – это медный купорос, а зеленый – железный. Для неоткрытой «земли», которая образует «алюм», Либавий придумал термин «алюмина».

Андреас Либавий

И только в конце XVIII века Лавуазье показал, что «алюмина» представляет собой оксид неизвестного металла. Но его еще предстояло открыть. Попытки выделить алюминий из алюмины продолжались 40 лет. Только в 1824 году датский физик и химик Ганс Христиан, но не Андерсен, а Эрстед сумел получить сравнительно чистый алюминий реакцией безводного хлорида алюминия с амальгамой калия.

Ганс Христиан Эрстед

Дальше эстафету подхватил Фридрих Вёлер, который всесторонне исследовал новый металл.

Однако, казалось бы – человечество получило прекрасный легкий металл, который мог бы быть отличной заменой железу. Сырья для металла – огромное количество, ведь глина есть почти везде. Но при этом алюминий оставался безумно дорогим металлом: уж очень затратным оказалось его получение.

В литературе встречается легенда о том, что император Наполеон на свои пиры заказывал ложки из алюминия. К сожалению, Бонапарт не мог этого делать, поскольку скончался на Острове святой Елены за три года до экспериментов Эрстеда. Тем не менее, на обедах у Наполеона – только Наполеона III – действительно была посуда из алюминия, который был тогда дороже золота.

Кстати, именно Наполеон III и спонсировал исследования Анри Сент-Клер Девиля, которые позволили бы дешево получать алюминий в промышленных масштабах. Император планировал применять алюминий в армии.

С дороговизной алюминия связана и легенда про Дмитрия Ивановича Менделеева, которая гласит, что англичане, решив почтить его заслуги в химии, подарили ему аналитические весы с чашами из чистого алюминия, которые были гораздо дороже золота. Но вот незадача – известность Менделеев получил уже в 1870-х (мы же все помним, когда праздновался юбилей таблицы Менделеева?), а с 1855 до 1859 год стоимость алюминия упала с $500 до $40 за фунт. Конечно, еще дорого, но уже не дороже золота (которое почти весь XIX век стоило чуть дороже 20 долларов за тройскую унцию – то есть под 300 долларов за фунт). Впрочем, кто знает, может быть, весы действительно дарили.

Любопытный факт: в знаменитом энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона было ДВЕ статьи об алюминии. На совершенно разные буквы. И на букву «Г» статья была даже чуть побольше. Дело в том, что на рубеже XIX-XX веков для названия «металла, не найденного до сих пор в природе в свободном состоянии» в русском языке было целых два слова: собственно, «алюминий» и «глиний».

Динамо-машина Грамма позволила получать алюминий дешево и массово

Тем не менее, к массовому использованию алюминий был еще непригоден. Конечно, еще в 1854 году создатель знаменитой горелки Роберт Бунзен получил его электрохимически. Но до изобретения динамоэлектрической машины французом Зенобом Теофилом Граммом и трехфазного тока нашим соотечественником Михаилом Доливо-Добровольским алюминиевой промышленности «ловить» было нечего. Так что в 1890-х годах процесс пошел.

Процитируем справочник: «Главное применение алюминия – конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений».

Впрочем, до 1940-х годов, когда массово начали строить цельнометаллические самолеты из дюралюминия (для упрочнения алюминий стали сплавлять с медью и магнием), настолько массовым производство еще не было, а с 1940 годов оно растет в геометрической прогрессии – при этом сырья хватает. На первом месте по производству находится Китай, на втором – Россия.

Мировое производство алюминия

Если говорить о химии алюминия, то она тоже довольно богата. Помимо многочисленных соединений трехвалентного алюминия, химики умудряются наблюдать экзотические соединения алюминия со степенью окисления (I) и (II). Галогениды алюминия типа AlI существуют в газовой фазе, а оксид AlO фиксируют при взрывах.

Кстати, о взрывах – металлический алюминий способен восстанавливать металлы из их оксидов, причем процесс этот идет с выделением огромного количества теплоты: температура реакционной смеси может превышать 3000 градусов. Этот метод используется и для получения металлов, и в других целях. Зажигательные снаряды – дело страшное. Они горят без кислорода, их не потушить водой. Впрочем, термитная сварка – дело вполне себе мирное.

Первым использовать алюминий для восстановления металлов предложил российский химик Николай Николаевич Бекетов. Метод получил название алюминотермии. Алюминий также используется в качестве горючего в самораспространяющемся высокотемпературном синтезе.

Горение термитной смеси

Ну и напоследок расскажем об очень необычной химической рифме. Помните, некогда алюминий стоил дороже золота? Так вот, сейчас ученые научились делать буквально – золотой алюминий. Причем для этого не нужен философский камень или краска. Достаточно направить на поверхность алюминия в жидкости мощный лазер на парах меди. При этом происходит процесс абляции – частички металла уносятся с поверхности, образуя на ней наногрибочки. Поскольку такие образования имеют размер, сопоставимый с длиной волны – цвет металла меняется на золотистый. Но дело не только в окраске. Как показали эксперименты, проведенные в Институте общей физики РАН им. А.М. Прохорова, такой металл еще и меняет коэффициент смачивания, становится гидрофобным. Какой от этого толк? Если обработать таким образом корпус самолета, то он никогда не будет обледеневать.

Текст: Алексей Паевский

Литература:

Plinius. Hist. Nat. XXXVI. 66, 195; Плиний Старший. Естествознание. Об искусстве / пер. с лат. Г.А. Тароняна. М., 1994. С. 146

Материал подготовлен ИОНХ РАН для проекта «Виртуальный музей химии: продолжение осмотра» при грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий». Проект выполняется в рамках Десятилетия науки и технологий

Следите за нашими публикациями в наших пабликах в VK, Телеграм, Дзен и ЖЖ.