Дэлхийн царцдас дахь элбэг дэлбэг байдлын хувьд хөнгөн цагаан нь металлын дунд нэгдүгээрт, бүх элементүүдийн дунд гуравдугаарт (хүчилтөрөгч (O) ба цахиурын (Si) дараа) ордог бөгөөд дэлхийн царцдасын массын 8.8 орчим хувийг эзэлдэг. Хөнгөн цагаан нь маш олон тооны ашигт малтмал, голчлон хөнгөн цагаан цахиур, чулуулагт байдаг. Хөнгөн цагааны нэгдлүүд нь боржин чулуу, базальт, шавар, хээрийн жонш гэх мэтийг агуулдаг. Гэхдээ энд парадокс байна: хөнгөн цагаан агуулсан асар олон тооны ашигт малтмал, чулуулгийн хувьд хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн үндсэн түүхий эд болох бокситын ордууд маш ховор байдаг. ОХУ-д Сибирь, Уралд бокситын ордууд байдаг. Алунит ба нефелин нь мөн үйлдвэрлэлийн ач холбогдолтой. Ул мөр элементийн хувьд хөнгөн цагаан нь ургамал, амьтны эд эсэд байдаг. Тэдний эрхтэнд хөнгөн цагаан хуримтлагддаг төвлөрсөн организмууд байдаг - зарим клубын хөвд, нялцгай биетүүд.

Баримт

Аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэл: Аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэлд бокситыг эхлээд химийн боловсруулалт хийж, цахиур (Si), төмрийн (Fe) болон бусад элементүүдийн ислийн хольцыг зайлуулдаг. Ийм боловсруулалтын үр дүнд цэвэр хөнгөн цагаан исэл Al 2 O 3 -ийг электролизийн аргаар металл үйлдвэрлэх үндсэн түүхий эдийг олж авдаг. Гэсэн хэдий ч Al 2 O 3 хайлах температур маш өндөр (2000 ° C-аас дээш) тул түүний хайлалтыг электролиз хийхэд ашиглах боломжгүй юм.

Эрдэмтэд, инженерүүд дараах байдлаар шийдлийг олжээ. Электролизийн ваннд эхлээд криолит Na 3 AlF 6 хайлуулна (хайлмалын температур 1000 хэмээс бага зэрэг). Жишээлбэл, Кола хойгоос нефелин боловсруулах замаар криолит авч болно. Дараа нь дараагийн процессын нөхцлийг сайжруулахын тулд бага зэрэг Al 2 O 3 (жингийн 10% хүртэл) болон бусад зарим бодисыг энэ хайлмалд нэмнэ. Энэ хайлмалын электролизийн явцад хөнгөн цагаан исэл задарч, хайлмалд криолит үлдэж, катод дээр хайлсан хөнгөн цагаан үүснэ.

2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2.

Бал чулуу нь электролизийн үед анодын үүрэг гүйцэтгэдэг тул анод дээр ялгарах хүчилтөрөгч (O) бал чулуутай урвалд орж, нүүрстөрөгчийн давхар исэл CO 2 үүсдэг.

Электролиз нь 99.7% орчим хөнгөн цагааны агууламжтай металлыг үйлдвэрлэдэг. Технологийн хувьд илүү цэвэр хөнгөн цагааныг ашигладаг бөгөөд энэ элементийн агууламж 99.999% ба түүнээс дээш байдаг.

Өргөдөл

Хэрэглээний цар хүрээний хувьд хөнгөн цагаан ба түүний хайлш нь төмөр (Fe) ба түүний хайлшийн дараа хоёрдугаар байр эзэлдэг. Технологийн болон өдөр тутмын амьдралын янз бүрийн салбарт хөнгөн цагааны өргөн хэрэглээ нь түүний физик, механик, химийн шинж чанаруудын хослолтой холбоотой юм: нягтрал багатай, агаар мандлын агаар дахь зэврэлтэнд тэсвэртэй, өндөр дулаан, цахилгаан дамжуулалт, уян хатан чанар, харьцангуй өндөр хүч чадал. Хөнгөн цагааныг янз бүрийн аргаар амархан боловсруулдаг - хуурамчаар үйлдэх, тамгалах, өнхрүүлэх гэх мэт. Цэвэр хөнгөн цагаанаар утас хийдэг (хөнгөн цагааны цахилгаан дамжуулах чанар нь зэсийн цахилгаан дамжуулах чанарын 65.5%, харин хөнгөн цагаан нь зэсээс 3 дахин хөнгөн, Тиймээс хөнгөн цагаан нь ихэвчлэн цахилгаан инженерийн зэсийг орлуулдаг) болон савлагааны материал болгон ашигладаг тугалган цаас. Хайлуулсан хөнгөн цагааны үндсэн хэсгийг төрөл бүрийн хайлш үйлдвэрлэхэд зарцуулдаг. Хөнгөн цагааны хайлш нь бага нягтралтай, нэмэгдсэн (цэвэр хөнгөн цагаантай харьцуулахад) зэврэлтэнд тэсвэртэй, өндөр технологийн шинж чанараар тодорхойлогддог: өндөр дулаан, цахилгаан дамжуулалт, дулаан эсэргүүцэл, хүч чадал, уян хатан чанар. Хөнгөн цагааны хайлшийн гадаргуу дээр хамгаалалтын болон гоёл чимэглэлийн бүрээсийг хялбархан хэрэглэдэг.

Хөнгөн цагааны хайлшийн олон янзын шинж чанар нь хөнгөн цагаанд янз бүрийн нэмэлтүүд орж, хатуу уусмал эсвэл металл хоорондын нэгдлүүдийг үүсгэдэгтэй холбоотой юм. Хөнгөн цагааны ихэнх хэсгийг хөнгөн хайлш үйлдвэрлэхэд ашигладаг - дуралюминий (94% - хөнгөн цагаан, 4% зэс (Cu), 0.5% магни (Mg), манган (Mn), төмөр (Fe), цахиур (Si)), силумин. (85-90% - хөнгөн цагаан, 10-14% цахиур (Si), 0.1% натри (Na)) гэх мэт. Металлургийн салбарт хөнгөн цагааныг зөвхөн хайлшийн суурь болгохоос гадна өргөн хэрэглэгддэг хайлшийн нэг болгон ашигладаг. зэс (Cu), магни (Mg), төмөр (Fe), >никель (Ni) гэх мэт үндсэн дээр суурилсан хайлш дахь нэмэлтүүд.

Хөнгөн цагаан хайлшийг өдөр тутмын амьдрал, барилга, архитектур, автомашины үйлдвэрлэл, хөлөг онгоцны үйлдвэрлэл, нисэх онгоц, сансрын технологид өргөн ашигладаг. Тодруулбал, дэлхийн анхны хиймэл дагуулыг хөнгөн цагааны хайлшаар хийсэн. Цөмийн реакторын барилгын ажилд хөнгөн цагаан ба циркони (Zr) - циркалойн хайлш өргөн хэрэглэгддэг. Хөнгөн цагааныг тэсрэх бодис үйлдвэрлэхэд ашигладаг.

Цахилгаан химийн аргаар олж авсан металл хөнгөн цагааны гадаргуу дээрх хөнгөн цагаан ислийн өнгөт хальснууд онцгой анхаарал татаж байна. Ийм хальсаар бүрсэн металл хөнгөн цагааныг аноджуулсан хөнгөн цагаан гэж нэрлэдэг. Төрөл бүрийн гоёл чимэглэлийг аноджуулсан хөнгөн цагаанаар хийсэн бөгөөд энэ нь гадаад төрхөөрөө алт (Au) -тай төстэй.

Өдөр тутмын амьдралд хөнгөн цагаантай харьцахдаа зөвхөн төвийг сахисан (хүчиллэг) шингэнийг халааж, хөнгөн цагаан саванд (жишээлбэл, буцалгах ус) хадгалах боломжтой гэдгийг санах хэрэгтэй. Жишээлбэл, та хөнгөн цагаан хайруулын тавган дээр исгэлэн байцаатай шөл хийвэл хөнгөн цагаан нь хоолонд орж, тааламжгүй "металл" амтыг олж авдаг. Оксидын хальс нь өдөр тутмын амьдралд маш амархан гэмтдэг тул хөнгөн цагаан аяга таваг ашиглах нь зохисгүй хэвээр байна.

Дэлхийн царцдасын хөнгөн цагаан маш их байдаг: жингийн 8.6%. Энэ нь бүх металлын дунд нэгдүгээрт, бусад элементүүдийн дунд гуравдугаарт (хүчилтөрөгч, цахиурын дараа) ордог. Хөнгөн цагаан төмрөөс хоёр дахин их, зэс, цайр, хром, цагаан тугалга, хар тугалга нийлээд 350 дахин их байна! Тэр 100 гаруй жилийн өмнө сонгодог сурах бичигтээ бичсэн шиг Химийн үндэсД.И.Менделеев, бүх металлын "хөнгөн цагаан нь байгальд хамгийн түгээмэл байдаг; Энэ нь дэлхийн царцдас дахь хөнгөн цагааны бүх нийтийн тархалтыг тодорхой болгохын тулд шаврын нэг хэсэг гэдгийг тэмдэглэхэд хангалттай. Хөнгөн цагаан буюу хөнгөн цагааны металлыг (аlumen) шаварт байдаг тул шавар гэж нэрлэдэг."

Хөнгөн цагааны хамгийн чухал эрдэс бол боксит, үндсэн исэл AlO(OH) ба гидроксид Al(OH)3-ийн холимог юм. Бокситын хамгийн том ордууд нь Австрали, Бразил, Гвиней, Ямайкад байрладаг; бусад оронд ч аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэл явуулдаг. Алунит (шалтан чулуу) (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH) 3 ба нефелин (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 нь хөнгөн цагаанаар баялаг. Нийтдээ хөнгөн цагаан агуулсан 250 гаруй эрдэс бодисыг мэддэг; Тэдгээрийн ихэнх нь дэлхийн царцдас үндсэндээ үүсдэг алюминосиликатууд юм. Цаг агаар өөрчлөгдөхөд шавар үүсдэг бөгөөд үүний үндэс нь каолинит Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O юм. Төмрийн хольц нь шаврыг ихэвчлэн бор өнгөтэй болгодог, гэхдээ бас цагаан шавар байдаг - каолин, үүнийг хийхэд ашигладаг. шаазан, вааран эдлэл.

Заримдаа онцгой хатуу (алмазаас хойш хоёр дахь) эрдэс корунд олддог - талст оксид Al 2 O 3, ихэвчлэн янз бүрийн өнгөт хольцоор буддаг. Түүний цэнхэр сортыг (титан ба төмрийн хольц) индранил, улааныг (хромын хольц) бадмаараг гэж нэрлэдэг. Янз бүрийн хольцууд нь эрхэм корунд гэж нэрлэгддэг ногоон, шар, улбар шар, нил ягаан болон бусад өнгө, сүүдэртэй байж болно.

Саяхныг хүртэл хөнгөн цагаан нь маш идэвхтэй металлын хувьд байгальд чөлөөт төлөвт агуулагдах боломжгүй гэж үздэг байсан боловч 1978 онд уугуул хөнгөн цагааныг Сибирийн платформын чулуулагаас зөвхөн утас хэлбэртэй талст хэлбэрээр илрүүлсэн. 0.5 мм урт (хэд хэдэн микрометрийн утас зузаантай). Хямрал ба элбэг дэлбэг тэнгисийн бүс нутгаас дэлхийд авчирсан сарны хөрсөнөөс уугуул хөнгөн цагааныг мөн илрүүлжээ. Хийн конденсацаар хөнгөн цагаан металл үүсч болно гэж үздэг. Хөнгөн цагааны галогенид - хлорид, бромид, фторыг халаахад тэдгээр нь илүү их эсвэл бага хэмжээгээр ууршдаг (жишээлбэл, AlCl 3 нь 180 ° C-д аль хэдийн сублиз болдог) гэдгийг мэддэг. Температурын хүчтэй өсөлтөөр хөнгөн цагаан галогенид задарч, металлын валент багатай төлөвт хувирдаг, жишээлбэл, AlCl. Ийм нэгдэл нь температур буурч, хүчилтөрөгч байхгүй үед конденсацлах үед хатуу үе шатанд диспропорциональ урвал явагдана: хөнгөн цагаан атомуудын зарим нь исэлдэж, ердийн гурвалсан төлөвт шилждэг, зарим нь багасдаг. Монивалент хөнгөн цагааныг зөвхөн металл болгон бууруулж болно: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . Энэхүү таамаглалыг уугуул хөнгөн цагааны талстуудын утас шиг хэлбэр нь бас баталж байна. Ерөнхийдөө энэ бүтцийн талстууд нь хийн фазын хурдацтай өсөлтөөс болж үүсдэг. Сарны хөрсөн дэх хөнгөн цагааны бичил биетүүд ижил төстэй байдлаар үүссэн байх магадлалтай.

Хөнгөн цагааны нэр нь Латин alumen (хөнгөн цагааны төрөл) гэсэн үгнээс гаралтай. Энэ нь даавууг будахад чиглүүлэгч болгон ашигладаг хөнгөн цагааны давхар кали-хөнгөн цагаан сульфат KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O)-ийн нэр байв. Латин нэр нь Грекийн "халме" - давсны уусмал, давсны уусмалаас гаралтай байх магадлалтай. Англид хөнгөн цагаан нь хөнгөн цагаан, АНУ-д хөнгөн цагаан байдаг нь сонин юм.

Химийн олон алдартай номонд нэр нь түүхэнд хадгалагдаагүй нэгэн зохион бүтээгч МЭ 14-27 онд Ромыг захирч байсан эзэн хаан Тибериусд мөнгөн өнгөтэй төстэй металл аяга авчирсан тухай домог байдаг. хөнгөн. Энэхүү бэлэг нь эзэнд амь насаа алдсан: Тибериус шинэ металл нь эзэн хааны эрдэнэсийн сан дахь мөнгөний үнэ цэнийг бууруулж магадгүй гэж айж байсан тул түүнийг цаазалж, цехийг устгахыг тушаажээ.

Энэхүү домог нь Ромын зохиолч, эрдэмтэн, зохиолч Плиний Ахлагчийн түүхээс сэдэвлэсэн болно Байгалийн түүх- эртний үеийн байгалийн шинжлэх ухааны мэдлэгийн нэвтэрхий толь бичиг. Плиний хэлснээр шинэ металлыг "шаварлаг шорооноос" гаргаж авсан. Гэхдээ шавар нь хөнгөн цагааныг агуулдаг.

Орчин үеийн зохиолчид энэ түүхийг бүхэлд нь үзэсгэлэнтэй үлгэрээс өөр юу ч биш гэж бараг үргэлж тэмдэглэдэг. Энэ нь гайхмаар зүйл биш юм: чулуулаг дахь хөнгөн цагаан нь хүчилтөрөгчтэй маш нягт холбоотой байдаг тул түүнийг ялгаруулахын тулд маш их энерги зарцуулдаг. Гэсэн хэдий ч саяхан металл хөнгөн цагааныг эртний үед олж авах үндсэн боломжийн талаар шинэ мэдээлэл гарч ирэв. Спектрийн шинжилгээгээр 3-р зууны эхээр нас барсан Хятадын командлагч Жоу-Жугийн булшны чимэглэлийг харуулсан. AD, 85% хөнгөн цагаанаас бүрдэх хайлшаар хийгдсэн. Эртний хүмүүс үнэ төлбөргүй хөнгөн цагаан авч чадсан уу? Бүх мэдэгдэж буй аргууд (электролиз, металл натри эсвэл калигаар багасгах) автоматаар арилдаг. Алт, мөнгө, зэс гэх мэт уугуул хөнгөн цагааныг эрт дээр үеэс олж болох уу? Үүнийг мөн хассан: уугуул хөнгөн цагаан бол ховор ашигт малтмал бөгөөд бага хэмжээгээр олддог тул эртний гар урчууд ийм бөөмийг шаардлагатай хэмжээгээр олж цуглуулж чадаагүй юм.

Гэсэн хэдий ч Плиний түүхийг өөр тайлбар хийх боломжтой. Хөнгөн цагааныг зөвхөн цахилгаан болон шүлтлэг металлын тусламжтайгаар хүдрээс гаргаж авах боломжтой. Бууруулах бодис байдаг бөгөөд эрт дээр үеэс өргөн хэрэглэгддэг нүүрс байдаг бөгөөд түүний тусламжтайгаар олон металлын исэл нь халах үед чөлөөт металл болж буурдаг. 1970-аад оны сүүлээр Германы химич нар эрт дээр үед нүүрсээр ангижруулж хөнгөн цагаан гаргаж авах боломжтой эсэхийг шалгахаар шийджээ. Тэд нүүрсний нунтаг, ширээний давс эсвэл калийн (калийн карбонат) шавартай холилдсон шаварыг улаан халуунд халаадаг. Зөвхөн эрт дээр үед байсан бодис, аргыг ашиглахын тулд давсыг далайн уснаас, калийг ургамлын үнснээс гаргаж авдаг байв. Хэсэг хугацааны дараа хөнгөн цагаан бөмбөлөг бүхий шаар нь тигелийн гадаргуу дээр хөвөв! Металлын гарц бага байсан ч эртний төмөрлөгчид ийм аргаар "20-р зууны металл"-ыг олж авсан байж магадгүй юм.

Хөнгөн цагааны шинж чанар.

Цэвэр хөнгөн цагааны өнгө нь мөнгөтэй төстэй бөгөөд энэ нь маш хөнгөн металл юм: түүний нягт нь ердөө 2.7 г / см 3. Хөнгөн цагаанаас хөнгөн металууд бол шүлтлэг ба шүлтлэг шороон металууд (бариас бусад), берилли, магни юм. Хөнгөн цагаан нь бас амархан хайлдаг - 600 ° C-д (нимгэн хөнгөн цагаан утсыг ердийн гал тогооны зууханд хайлж болно), гэхдээ энэ нь зөвхөн 2452 ° C-т буцалгана. Цахилгаан дамжуулах чанарын хувьд хөнгөн цагаан нь 4-р байранд, мөнгөнөөс хойш хоёрдугаарт ордог (энэ нь). нэгдүгээрт ордог) зэс, алт нь хөнгөн цагааны хямд байдлыг харгалзан практик ач холбогдолтой юм. Металлын дулаан дамжилтын илтгэлцүүр ижил дарааллаар өөрчлөгддөг. Хөнгөн цагааны өндөр дулаан дамжуулалтыг хөнгөн цагаан халбагаар халуун цайнд дүрж шалгахад хялбар байдаг. Мөн энэ металлын бас нэг гайхалтай шинж чанар: түүний гөлгөр, гялалзсан гадаргуу нь гэрлийг төгс тусгадаг: долгионы уртаас хамааран спектрийн харагдах хэсэгт 80-аас 93% хүртэл байдаг. Хэт ягаан туяаны бүсэд хөнгөн цагаан нь энэ талаар ижил төстэй байдаггүй бөгөөд зөвхөн улаан бүсэд мөнгөнөөс арай доогуур байдаг (хэт ягаан туяанд мөнгө нь маш бага тусгалтай байдаг).

Цэвэр хөнгөн цагаан бол нэлээд зөөлөн металл бөгөөд зэсээс бараг гурав дахин зөөлөн байдаг тул харьцангуй зузаан хөнгөн цагаан хавтан, саваа ч нугалахад хялбар байдаг, гэхдээ хөнгөн цагаан хайлш үүсгэх үед (тэдгээрийн тоо асар их байдаг) хатуулаг нь арав дахин нэмэгдэх боломжтой.

Хөнгөн цагааны исэлдэлтийн шинж чанар нь +3, гэхдээ дүүргэгдээгүй 3 байгаатай холбоотой Р- ба 3 г-орбиталууд, хөнгөн цагааны атомууд нэмэлт донор-хүлээн авагчийн холбоо үүсгэж болно. Тиймээс жижиг радиустай Al 3+ ион нь олон төрлийн катион ба анион цогцолбор үүсгэдэг: AlCl 4 –, AlF 6 3–, 3+, Al(OH) 4 –, Al(OH) 6 3–, AlH 4 – болон бусад олон. Органик нэгдлүүдтэй цогцолборууд бас мэдэгдэж байна.

Хөнгөн цагааны химийн идэвхжил маш өндөр; электродын потенциалын цувралд энэ нь магнийн ард шууд байрладаг. Эхлээд харахад ийм мэдэгдэл нь хачирхалтай мэт санагдаж магадгүй юм: эцсийн эцэст хөнгөн цагаан тогоо эсвэл халбага нь агаарт нэлээд тогтвортой бөгөөд буцалж буй усанд нурж унахгүй. Хөнгөн цагаан нь төмрөөс ялгаатай нь зэвэрдэггүй. Агаарт өртөх үед метал нь исэлдэлтээс хамгаалдаг өнгөгүй, нимгэн боловч удаан эдэлгээтэй ислийн "хуяг" -аар бүрхэгдсэн байдаг. Тиймээс, хэрэв та 0.5-1 мм зузаантай зузаан хөнгөн цагаан утас эсвэл хавтанг шатаагчны дөл рүү оруулбал метал хайлдаг боловч хөнгөн цагаан нь ислийн уутанд үлддэг тул урсдаггүй. Хэрэв та хөнгөн цагааны хамгаалалтын хальсыг хасч эсвэл сул болговол (жишээлбэл, мөнгөн усны давсны уусмалд дүрвэл) хөнгөн цагаан нь түүний жинхэнэ мөн чанарыг нэн даруй илчлэх болно: өрөөний температурт энэ нь устай хүчтэй урвалд орж, устөрөгчийг ялгаруулна. : 2Al + 6H 2 O ® 2Al(OH) 3 + 3H 2. Агаарт хамгаалалтын хальсыг нь хуулж авсан хөнгөн цагаан нь бидний нүдний өмнө сул ислийн нунтаг болж хувирдаг: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 . Хөнгөн цагаан нь ялангуяа нарийн буталсан төлөвт идэвхтэй байдаг; Галд хийсэхэд хөнгөн цагаан тоос шууд шатдаг. Хэрэв та вааран тавган дээр хөнгөн цагаан тоосыг натрийн хэт исэлтэй хольж, хольц дээр ус дусаах юм бол хөнгөн цагаан нь мөн шатаж, цагаан дөлөөр шатдаг.

Хүчилтөрөгчтэй хөнгөн цагааны маш өндөр хамаарал нь бусад олон металлын исэлээс хүчилтөрөгчийг "зайлж", тэдгээрийг багасгах боломжийг олгодог (алюминотермийн арга). Хамгийн алдартай жишээ бол термитийн хольц бөгөөд шатаах үед маш их дулаан ялгаруулдаг тул үүссэн төмөр хайлдаг: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Энэ урвалыг 1856 онд Н.Н Бекетов нээсэн. Ийм аргаар Fe 2 O 3, CoO, NiO, MoO 3, V 2 O 5, SnO 2, CuO болон бусад хэд хэдэн ислийг металл болгон бууруулж болно. Cr 2 O 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, B 2 O 3-ийг хөнгөн цагаанаар багасгахад урвалын дулаан нь урвалын бүтээгдэхүүнийг хайлах цэгээс дээш халаахад хангалттай биш юм.

Хөнгөн цагаан нь шингэрүүлсэн эрдэс хүчилд амархан уусч, давс үүсгэдэг. Хөнгөн цагааны гадаргууг исэлдүүлдэг төвлөрсөн азотын хүчил нь оксидын хальсыг нягтруулах, бэхжүүлэхэд тусалдаг (металлыг идэвхгүйжүүлэх гэж нэрлэдэг). Ийм аргаар боловсруулсан хөнгөн цагаан нь давсны хүчилтэй ч урвалд ордоггүй. Цахилгаан химийн анод исэлдүүлэх (аноджуулах) ашиглан хөнгөн цагааны гадаргуу дээр зузаан хальс үүсгэж, янз бүрийн өнгөөр ​​амархан будаж болно.

Давсны уусмалаас бага идэвхтэй металлыг хөнгөн цагаанаар нүүлгэн шилжүүлэхэд хөнгөн цагааны гадаргуу дээрх хамгаалалтын хальс нь ихэвчлэн саад болдог. Энэ хальс нь зэс хлоридоор хурдан устдаг тул 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu урвал амархан явагддаг бөгөөд энэ нь хүчтэй халаалт дагалддаг. Хүчтэй шүлтийн уусмалд хөнгөн цагаан нь устөрөгч ялгаруулж амархан уусдаг: 2Al + 6NaOH + 6H 2 O ® 2Na 3 + 3H 2 (бусад анионик гидроксо цогцолборууд бас үүсдэг). Хөнгөн цагааны нэгдлүүдийн амфотер шинж чанар нь түүний шинэхэн тунадасжсан исэл ба гидроксидыг шүлтлэгт амархан уусгах замаар илэрдэг. Кристал исэл (корунд) нь хүчил, шүлтлэгт маш тэсвэртэй. Шүлттэй холилдоход усгүй алюминатууд үүсдэг: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. Магнийн алюминат Mg(AlO 2) 2 нь ихэвчлэн олон төрлийн өнгөт хольцоор будагдсан хагас үнэт нугасны чулуу юм. .

Хөнгөн цагааны галогентэй урвал хурдан явагддаг. Хэрэв нимгэн хөнгөн цагаан утсыг 1 мл бромтой туршилтын хоолойд оруулбал богино хугацааны дараа хөнгөн цагаан нь гал авалцаж, тод дөлөөр шатдаг. Хөнгөн цагаан ба иодын нунтаг холимгийн урвал нь усны дусалаар эхэлдэг (иодтой ус нь ислийн хальсыг устгадаг хүчил үүсгэдэг), үүний дараа нил ягаан иодын уурын үүлтэй тод дөл гарч ирдэг. Усан уусмал дахь хөнгөн цагаан галид нь гидролизийн улмаас хүчиллэг урвалтай байдаг: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Хөнгөн цагааны азотын урвал нь зөвхөн 800 хэмээс дээш температурт AlN нитрид, хүхэртэй - 200 хэмд (сульфид Al 2 S 3 үүсдэг), фосфортой - 500 хэмд (фосфид AlP үүсдэг). Борыг хайлсан хөнгөн цагаанд нэмэхэд AlB 2 ба AlB 12 найрлагатай боридууд үүсдэг - хүчилд тэсвэртэй галд тэсвэртэй нэгдлүүд. Гидрид (AlH) x (x = 1.2) нь зөвхөн вакуумд бага температурт атомын устөрөгчийг хөнгөн цагааны ууртай урвалд оруулдаг. Өрөөний температурт чийггүй үед тогтвортой AlH 3 гидридийг усгүй эфирийн уусмалаас гаргаж авдаг: AlCl 3 + LiH ® AlH 3 + 3LiCl. LiH илүүдэлтэй бол давстай төстэй литийн хөнгөн цагаан гидрид LiAlH 4 үүсдэг - органик синтезд ашигладаг маш хүчтэй бууруулагч бодис. Энэ нь усаар шууд задардаг: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al(OH) 3 + 4H 2.

Хөнгөн цагааны үйлдвэрлэл.

Хөнгөн цагааны баримтжуулсан нээлт 1825 онд болсон. Энэ металлыг анх Данийн физикч Ханс Кристиан Эрстед калийн амальгамыг усгүй хөнгөн цагаан хлорид (хлорийг хөнгөн цагаан исэл, нүүрсний халуун хольцоор дамжуулж гаргаж авсан) ялгаж авахдаа олж авсан. ). Мөнгөн усыг нэрж аваад Оерстед хольцоор бохирдсон ч хөнгөн цагаан гаргаж авсан. 1827 онд Германы химич Фридрих Вёлер гексафтороалюминатыг калигаар багасгаж нунтаг хэлбэрээр хөнгөн цагаан гаргаж авсан:

Na 3 AlF 6 + 3K ® Al + 3NaF + 3KF. Хожим нь тэрээр гялалзсан металл бөмбөлөг хэлбэрээр хөнгөн цагааныг олж авч чадсан. 1854 онд Францын химич Анри Этьен Сен-Клэйр Девилл хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх анхны үйлдвэрлэлийн аргыг боловсруулсан - тетрахлоралюминатыг натритай хайлуулж: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Гэсэн хэдий ч хөнгөн цагаан нь маш ховор, үнэтэй металл хэвээр байв; алтнаас хамаагүй хямд, төмрөөс 1500 дахин үнэтэй байсан (одоо ердөө гурав дахин). Францын эзэн хаан III Наполеоны хүүд зориулж 1850-иад оны үед алт, хөнгөн цагаан, үнэт чулуугаар шажигнуур хийж байжээ. 1855 онд Парист болсон дэлхийн үзэсгэлэнд шинэ аргаар үйлдвэрлэсэн хөнгөн цагааны том ембүүг үзүүлэхэд яг л эрдэнийн чулуу мэт харагдсан. АНУ-ын нийслэл дэх Вашингтоны хөшөөний дээд хэсгийг (пирамид хэлбэрээр) үнэт хөнгөн цагаанаар хийсэн. Тэр үед хөнгөн цагаан нь мөнгөнөөс хамаагүй хямд байсан: жишээлбэл, АНУ-д 1856 онд нэг фунт (454 гр), мөнгө 15 доллараар зарагдаж байсан 1890 онд хэвлэгдсэн Брокхаусын нэвтэрхий толь бичигт Эфрон "хөнгөн цагааныг голчлон тансаг зэрэглэлийн бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэхэд ашигладаг хэвээр байна" гэж бичжээ. Тэр үед дэлхий даяар жилд ердөө 2.5 тонн металл олборлодог байв. Зөвхөн 19-р зууны төгсгөлд хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх электролитийн аргыг боловсруулж байх үед түүний жилийн үйлдвэрлэл хэдэн мянган тонн болж эхэлсэн бөгөөд 20-р зуунд. – сая тонн. Энэ нь хөнгөн цагааныг хагас үнэт металлаас өргөн тархсан металл болгон өөрчилсөн.

Хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх орчин үеийн аргыг 1886 онд Америкийн залуу судлаач Чарльз Мартин Холл нээжээ. Тэрээр багаасаа химийн хичээлд сонирхолтой болсон. Аавынхаа хуучин химийн сурах бичгийг олоод түүнийг хичээнгүйлэн судалж, туршилт хийж эхэлсэн бөгөөд оройн хоолны ширээний бүтээлгийг гэмтээсэн гэж ээжээсээ зэмлүүлж байсан удаатай. Тэгээд 10 жилийн дараа тэрээр гайхалтай нээлт хийсэн нь түүнийг дэлхий даяар алдаршуулсан юм.

16 настайдаа оюутан байхдаа Холл өөрийн багш Ф.Ф.Жеветтээс хэрэв хэн нэгэн хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх хямд аргыг хөгжүүлж чадвал тэр хүн хүн төрөлхтөнд агуу их үйлс бүтээгээд зогсохгүй асар их хөрөнгөтэй болно гэдгийг сонссон. Жэветт түүний юу хэлж байгаагаа мэдэж байсан: тэрээр өмнө нь Германд сургаж, Вёлертэй ажиллаж байсан бөгөөд түүнтэй хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх асуудлын талаар ярилцаж байсан. Мөн Жэветт Америкт ховор металлын дээж авчирч, шавь нартаа үзүүлжээ. Гэнэт Холл олон нийтэд зарлав: "Би энэ металлыг авах болно!"

Зургаан жилийн шаргуу хөдөлмөр үргэлжилсэн. Холл янз бүрийн аргаар хөнгөн цагааныг авахыг оролдсон боловч амжилтанд хүрсэнгүй. Эцэст нь тэрээр энэ металлыг электролизийн аргаар гаргаж авахыг оролдсон. Тэр үед нүүрс, цайр, азот, хүхрийн хүчлээс гар хийцийн том батерей ашиглан цахилгаан станцууд байхгүй байв. Холл амбаарт ажиллаж, жижиг лаборатори байгуулжээ. Түүнд дүүгийнхээ туршилтыг маш их сонирхож байсан эгч Жулиа тусалсан. Тэрээр түүний бүх захидал, ажлын тэмдэглэлийг хадгалсан бөгөөд энэ нь нээлтийн түүхийг өдөр бүр шууд хянах боломжийг олгодог. Ингээд түүний дурсамжаас хэсэгчлэн хүргэе.

"Чарльз үргэлж сайхан сэтгэлтэй байсан бөгөөд хамгийн муу өдрүүдэд ч азгүй зохион бүтээгчдийн хувь заяаг шоолж чаддаг байв. Бүтэлгүйтсэн үед тэр манай хуучин төгөлдөр хуураар тайтгарлыг олсон. Гэрийнхээ лабораторид тэрээр олон цагаар завсарлагагүй ажилласан; Тэгээд тэр тавилтаас хэсэг хугацаанд гарч чадахаараа манай урт байшинг дайран гүйж бага зэрэг тоглох болно... Ийм сэтгэл татам, мэдрэмжтэй тоглож байхдаа ажлынхаа тухай байнга боддог байсныг би мэдэж байсан. Хөгжим түүнд үүнд тусалсан."

Хамгийн хэцүү зүйл бол электролитийг сонгох, хөнгөн цагааныг исэлдэлтээс хамгаалах явдал байв. Зургаан сарын турш ядарсан хөдөлмөрийн дараа эцэст нь тигелд хэд хэдэн жижиг мөнгөн бөмбөлөг гарч ирэв. Холл тэр даруй хуучин багш руугаа гүйж очоод амжилтынхаа тухай ярив. "Профессор, би ойлголоо!" Гэж тэр гараа сунган: түүний алган дээр хэдэн арван жижиг хөнгөн цагаан бөмбөлөг хэвтэж байна. Энэ нь 1886 оны 2-р сарын 23-нд болсон. Яг хоёр сарын дараа буюу тэр оны 4-р сарын 23-нд Францын иргэн Пол Херу ижил төстэй бүтээлийн патентыг бие даан, бараг нэгэн зэрэг хийсэн (өөр хоёр давхцал бас гайхалтай: Холл ба Херо хоёр хоёулаа 1863 онд төрж, 1914 онд нас баржээ).

Одоо Холлын үйлдвэрлэсэн хөнгөн цагааны анхны бөмбөлгүүдийг үндэсний дурсгал болгон Питтсбург дахь Америкийн хөнгөн цагаан компанид хадгалдаг бөгөөд түүний коллежид хөнгөн цагаанаар цутгасан Холлын хөшөө байдаг. Дараа нь Жэветт бичжээ: "Миний хамгийн чухал нээлт бол хүнийг нээсэн явдал юм. Чарльз М.Холл 21 настайдаа хүдрээс хөнгөн цагааныг ангижруулах аргыг нээсэн бөгөөд ингэснээр одоо дэлхий даяар өргөн хэрэглэгдэж байгаа гайхамшигт металлыг хөнгөн цагаан болгосон юм." Жэветтийн зөгнөл биелсэн: Холл өргөнөөр хүлээн зөвшөөрөгдөж, олон шинжлэх ухааны нийгэмлэгийн хүндэт гишүүн болжээ. Гэвч түүний хувийн амьдрал бүтэлгүйтсэн: сүйт залуу нь бүх цагаа лабораторид өнгөрөөдөгтэй эвлэрэхийг хүсээгүй тул сүй тавьсан байна. Холл насан туршдаа ажилласан төрөлх коллеждоо тайвширсан. Чарльзын ахын бичсэнчлэн, "Коллеж бол түүний эхнэр, хүүхдүүд, бусад бүх зүйл, түүний бүх амьдрал байсан." Холл өөрийн өвийн ихэнх хэсгийг коллежид гэрээсэлсэн - Холл 51 насандаа цусны хорт хавдраар нас баржээ.

Холлын арга нь цахилгаан эрчим хүчийг ашиглан харьцангуй хямд хөнгөн цагааныг их хэмжээгээр үйлдвэрлэх боломжийг олгосон. Хэрэв 1855-1890 онуудад ердөө 200 тонн хөнгөн цагаан гаргаж авсан бол дараагийн арван жилд Холлын аргыг ашиглан дэлхий даяар 28,000 тонн энэ металлыг аль хэдийн олж авсан! 1930 он гэхэд дэлхийн хөнгөн цагааны жилийн үйлдвэрлэл 300 мянган тоннд хүрчээ. Одоо жилд 15 сая гаруй тонн хөнгөн цагаан үйлдвэрлэдэг. 960-970 хэмийн температурт тусгай ваннд хэсэгчлэн ашигт малтмал хэлбэрээр олборлож, хэсэгчлэн тусгайлан нийлэгжүүлсэн хайлсан криолит Na 3 AlF 6 дахь хөнгөн цагаан ислийн уусмал (техникийн Al 2 O 3) хийнэ. электролиз хийх. Шингэн хөнгөн цагаан нь ванны ёроолд (катод) хуримтлагддаг, хүчилтөрөгч нь нүүрстөрөгчийн анод дээр ялгарч, аажмаар шатдаг. Бага хүчдэлд (ойролцоогоор 4.5 В) электролизерүүд асар их гүйдэл хэрэглэдэг - 250,000 А хүртэл! Нэг электролизер өдөрт нэг тонн орчим хөнгөн цагаан үйлдвэрлэдэг. Үйлдвэрлэл нь маш их цахилгаан эрчим хүч шаарддаг: 1 тонн металл үйлдвэрлэхэд 15,000 киловатт-цаг цахилгаан зарцуулдаг. Ийм хэмжээний цахилгааныг 150 айлын орон сууцны том барилга бүтэн сар зарцуулдаг. Агаар мандлын агаар нь дэгдэмхий фторын нэгдлээр бохирдсон тул хөнгөн цагааны үйлдвэрлэл нь байгаль орчинд аюултай.

Хөнгөн цагааны хэрэглээ.

Д.И.Менделеев хүртэл "хөнгөн, хүч чадал ихтэй, агаарт бага хэлбэлзэлтэй металл хөнгөн цагаан нь зарим бүтээгдэхүүнд маш тохиромжтой" гэж бичжээ. Хөнгөн цагаан бол хамгийн түгээмэл бөгөөд хамгийн хямд металлуудын нэг юм. Үүнгүйгээр орчин үеийн амьдралыг төсөөлөхөд хэцүү байдаг. Хөнгөн цагааныг 20-р зууны металл гэж нэрлэдэг нь гайхах зүйл биш юм. Энэ нь боловсруулахад сайнаар нөлөөлдөг: хуурамчаар үйлдэх, тамгалах, өнхрөх, зурах, дарах. Цэвэр хөнгөн цагаан бол нэлээд зөөлөн металл юм; Энэ нь цахилгааны утас, бүтцийн эд анги, хүнсний тугалган цаас, гал тогооны хэрэгсэл, "мөнгө" будаг хийхэд хэрэглэгддэг. Энэхүү үзэсгэлэнтэй, хөнгөн металлыг барилга, нисэхийн технологид өргөн ашигладаг. Хөнгөн цагаан нь гэрлийг маш сайн тусгадаг. Иймээс вакуумд металл тунаах аргыг ашиглан толь хийхэд ашигладаг.

Нисэх онгоц, механик инженерчлэл, барилгын бүтэц үйлдвэрлэхэд илүү хатуу хөнгөн цагаан хайлшийг ашигладаг. Хамгийн алдартай нь зэс, магнитай хөнгөн цагааны хайлш юм (дуралюминий буюу зүгээр л "дуралюминий"; нэр нь Германы Дюрен хотоос гаралтай). Хатуу болсны дараа энэ хайлш нь тусгай хатуулаг олж авдаг бөгөөд цэвэр хөнгөн цагаанаас ойролцоогоор 7 дахин хүчтэй болдог. Үүний зэрэгцээ төмрөөс бараг гурав дахин хөнгөн байдаг. Зэс, магни, манган, цахиур, төмрийг бага зэрэг нэмсэн хөнгөн цагааны хайлшаар гаргаж авдаг. Силуминыг өргөн ашигладаг - хөнгөн цагаан, цахиурын хайлшийг цутгах. Өндөр бат бэх, криоген (хүйтэн тэсвэртэй), халуунд тэсвэртэй хайлшийг бас үйлдвэрлэдэг. Хөнгөн цагааны хайлшаар хийсэн бүтээгдэхүүнд хамгаалалтын болон гоёл чимэглэлийн бүрээсийг хялбархан хэрэглэдэг. Хөнгөн цагааны хайлшийн хөнгөн, бат бөх чанар нь нисэхийн технологид онцгой ач холбогдолтой юм. Жишээлбэл, нисдэг тэрэгний роторыг хөнгөн цагаан, магни, цахиурын хайлшаар хийдэг. Харьцангуй хямд хөнгөн цагаан хүрэл (11% Al) өндөр механик шинж чанартай, далайн ус, тэр ч байтугай шингэрүүлсэн давсны хүчилд тогтвортой байдаг. 1926-1957 онуудад ЗСБНХУ-д хөнгөн цагаан хүрэлээр 1, 2, 3, 5 копейкийн зоос цутгаж байжээ.

Одоогийн байдлаар нийт хөнгөн цагааны дөрөвний нэгийг барилгын хэрэгцээнд ашиглаж байгаа бол үүнтэй тэнцэх хэмжээний тээврийн хэрэгсэл, 17 орчим хувийг сав баглаа боодлын материал, лааз, 10 хувийг цахилгаан инженерчлэлд зарцуулж байна.

Олон тооны шатамхай болон тэсрэх бодисууд нь хөнгөн цагааныг агуулдаг. Тринитротолуол болон хөнгөн цагааны нунтагаас цутгамал хольц болох Alumotol нь үйлдвэрлэлийн хамгийн хүчирхэг тэсрэх бодисуудын нэг юм. Аммональ нь аммонийн нитрат, тринитротолуол, хөнгөн цагаан нунтаг зэргээс бүрдсэн тэсрэх бодис юм. Шатаах найрлага нь хөнгөн цагаан, исэлдүүлэгч бодис - нитрат, перхлорат агуулдаг. Звездочка пиротехникийн найрлагад мөн нунтаг хөнгөн цагаан байдаг.

Хөнгөн цагааны нунтагыг металлын исэл (термит) -тэй хольж тодорхой металл, хайлш үйлдвэрлэх, төмөр зам гагнах, гал асаах суманд ашигладаг.

Хөнгөн цагаан нь пуужингийн түлш болгон практик хэрэглээг олсон. 1 кг хөнгөн цагааныг бүрэн шатаахад 1 кг керосинтэй харьцуулахад бараг дөрөв дахин бага хүчилтөрөгч шаардагдана. Үүнээс гадна хөнгөн цагааныг зөвхөн чөлөөт хүчилтөрөгчөөр исэлдүүлэхээс гадна ус эсвэл нүүрстөрөгчийн давхар ислийн нэг хэсэг болох холбогдсон хүчилтөрөгчөөр исэлдэж болно. Хөнгөн цагааныг усанд "шатаах" үед 1 кг бүтээгдэхүүн тутамд 8800 кЖ ялгардаг; Энэ нь металыг цэвэр хүчилтөрөгчөөр шатаах үеийнхээс 1.8 дахин бага, харин агаарт шатаах үеийнхээс 1.3 дахин их байна. Энэ нь аюултай, үнэтэй нэгдлүүдийн оронд энгийн усыг ийм түлшний исэлдүүлэгч болгон ашиглаж болно гэсэн үг юм. Хөнгөн цагааныг түлш болгон ашиглах санааг 1924 онд дотоодын эрдэмтэн, зохион бүтээгч Ф.А.Цандэр дэвшүүлсэн. Түүний төлөвлөгөөний дагуу сансрын хөлгийн хөнгөн цагаан элементүүдийг нэмэлт түлш болгон ашиглах боломжтой гэнэ. Энэхүү зоримог төсөл бодитоор хэрэгжээгүй байгаа ч одоогоор мэдэгдэж байгаа хатуу пуужингийн түлшний ихэнх нь нарийн нунтаг хэлбэрээр металл хөнгөн цагаан агуулдаг. Түлшэнд 15% хөнгөн цагаан нэмэх нь шаталтын бүтээгдэхүүний температурыг мянган градусаар (2200-аас 3200 К хүртэл) нэмэгдүүлэх боломжтой; Хөдөлгүүрийн цоргоноос шаталтын бүтээгдэхүүний урсгалын хурд мэдэгдэхүйц нэмэгддэг - пуужингийн түлшний үр ашгийг тодорхойлдог эрчим хүчний гол үзүүлэлт. Үүнтэй холбоотойгоор зөвхөн лити, бериллий, магни нь хөнгөн цагаантай өрсөлдөх чадвартай боловч бүгд хөнгөн цагаанаас хамаагүй үнэтэй байдаг.

Хөнгөн цагааны нэгдлүүдийг мөн өргөнөөр ашигладаг. Хөнгөн цагааны исэл нь галд тэсвэртэй, зүлгүүрийн (эмери) материал бөгөөд керамик үйлдвэрлэх түүхий эд юм. Мөн лазер материал, цагны холхивч, үнэт эдлэлийн чулуу (хиймэл бадмаараг) хийхэд ашигладаг. Кальцинжуулсан хөнгөн цагаан исэл нь хий, шингэнийг цэвэршүүлэх шингээгч, олон тооны органик урвалын катализатор юм. Усгүй хөнгөн цагаан хлорид нь органик синтезийн катализатор (Фридел-Крафтс урвал) бөгөөд өндөр цэвэршилттэй хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх эхлэлийн материал юм. Хөнгөн цагааны сульфатыг ус цэвэршүүлэхэд ашигладаг; кальцийн бикарбонаттай урвалд ороход дараахь зүйлийг агуулна.

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O исэл-гидроксидын ширхэгийг үүсгэдэг бөгөөд тэдгээр нь шингэж, шингээж, гадаргуу дээр шингэдэг. түдгэлзүүлсэн хольц, тэр ч байтугай усанд бичил биетэн. Үүнээс гадна хөнгөн цагааны сульфат нь даавууг будах, арьс идээлэх, модыг хадгалах, цаасны хэмжээ тогтооход ашигладаг. Кальцийн алюминат нь цементэн материал, түүний дотор портланд цементийн бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Итриум хөнгөн цагаан анар (YAG) YAlO 3 нь лазер материал юм. Хөнгөн цагаан нитрид нь цахилгаан зууханд зориулсан галд тэсвэртэй материал юм. Синтетик цеолитууд (тэдгээр нь алюминосиликатад хамаардаг) нь хроматограф, катализаторын шингээгч юм. Хөнгөн цагааны органик нэгдлүүд (жишээлбэл, триэтилалюминий) нь полимер, түүний дотор өндөр чанарын синтетик резинийг нийлэгжүүлэхэд ашигладаг Зиглер-Натта катализаторын бүрэлдэхүүн хэсэг юм.

Илья Линсон

Уран зохиол:

Тихонов В.Н. Хөнгөн цагааны аналитик хими. М., "Шинжлэх ухаан", 1971
Химийн элементүүдийн алдартай номын сан. М., "Шинжлэх ухаан", 1983
Craig N.C. Чарльз Мартин Холл ба түүний металл. J.Chem.Educ. 1986, боть. 63, дугаар 7
Кумар В., Милевски Л. Чарльз Мартин Холл ба хөнгөн цагааны агуу хувьсгал. J.Chem.Educ., 1987, боть. 64, дугаар 8

• Тэмдэглэл - Al (Хөнгөн цагаан);
• Үе - III;
• Бүлэг - 13 (IIIa);
• Атомын масс - 26.981538;
• Атомын дугаар - 13;
• Атомын радиус = 143 pm;
• Ковалентын радиус = 121 pm;
• Электрон тархалт - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 ;
• хайлах температур = 660 ° C;
• буцлах цэг = 2518 ° C;
• Цахилгаан сөрөг чанар (Паулингын дагуу / Альпред, Рочовын дагуу) = 1.61 / 1.47;
• Исэлдэлтийн төлөв: +3.0;
• Нягт (үгүй) = 2.7 г / см3;
• Молийн хэмжээ = 10.0 см 3 / моль.

Хөнгөн цагааныг анх 1825 онд Дани Г.К. Урстед олж авчээ. Эхэндээ үйлдвэрлэлийн аргыг нээхээс өмнө хөнгөн цагаан нь алтнаас илүү үнэтэй байсан.

Хөнгөн цагаан бол дэлхийн царцдас дахь хамгийн элбэг (массын эзлэх хувь 7-8%) металл бөгөөд хүчилтөрөгч, цахиурын дараа бүх элементүүдийн гуравт ордог. Хөнгөн цагаан нь чөлөөт хэлбэрээр проирод олддоггүй.

Хамгийн чухал байгалийн хөнгөн цагааны нэгдлүүд:

• aluminosilicates - Na 2 O Al 2 O 3 2SiO 2; K 2 O Al 2 O 3 2SiO 2
• боксит - Al 2 O 3 · n H2O
• корунд - Al 2 O 3
• криолит - 3NaF AlF 3

Цагаан будаа. Хөнгөн цагааны атомын бүтэц.

Хөнгөн цагаан нь химийн идэвхтэй металл бөгөөд түүний гаднах электрон түвшинд хөнгөн цагаан нь бусад химийн элементүүдтэй харьцах үед ковалент холбоо үүсэхэд оролцдог гурван электрон байдаг (Ковалентын холбоог үзнэ үү). Хөнгөн цагаан нь хүчтэй бууруулагч бодис бөгөөд бүх нэгдлүүдэд +3 исэлдэлтийн төлөвийг харуулдаг.

Өрөөний температурт хөнгөн цагаан нь агаар мандлын агаарт агуулагдах хүчилтөрөгчтэй урвалд орж хүчтэй исэлдүүлэх хальс үүсгэдэг бөгөөд энэ нь металын цаашдын исэлдэлт (зэврэлт) үүсэхээс найдвартай сэргийлж, улмаар хөнгөн цагааны химийн идэвхжил буурдаг.

Исэл хальсны ачаар хөнгөн цагаан нь тасалгааны температурт азотын хүчилтэй урвалд ордоггүй тул хөнгөн цагаан аяга нь азотын хүчлийг хадгалах, тээвэрлэх найдвартай сав юм.

Хөнгөн цагааны физик шинж чанар:

• мөнгөн цагаан металл;
• хатуу;
• удаан үргэлжлэх;
• хялбар;
• хуванцар (нимгэн утас, тугалган цаас болгон сунгасан);
• өндөр цахилгаан ба дулаан дамжуулалттай;
• хайлах цэг 660 ° C
• байгалийн хөнгөн цагаан нь нэг изотопоос бүрддэг 27 13 Al

Хөнгөн цагааны химийн шинж чанар:

• оксидын хальсыг арилгахад хөнгөн цагаан нь устай урвалд ордог.
  2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2;
• өрөөний температурт бром, хлортой урвалд орж давс үүсгэдэг.
  2Al + 3Br 2 = 2AlCl 3;
• өндөр температурт хөнгөн цагаан нь хүчилтөрөгч, хүхэртэй урвалд ордог (урвал нь их хэмжээний дулаан ялгаруулдаг):
  4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 + Q;
  2Al + 3S = Al 2 S 3 + Q;
• t=800°C-д азоттой урвалд орно:
  2Al + N 2 = 2AlN;
• t=2000°C-д нүүрстөрөгчтэй урвалд орно:
  2Al + 3C = Al 4 C 3;
• олон металыг исэлээс нь бууруулдаг - алюминотерми(3000 ° C хүртэл температурт) вольфрам, ванади, титан, кальци, хром, төмөр, манганыг үйлдвэрийн аргаар үйлдвэрлэдэг.
  8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe;
• Устөрөгчийг ялгаруулахын тулд давсны болон шингэрүүлсэн хүхрийн хүчилтэй урвалд ордог:
  2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2;
  2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2;
• өндөр температурт төвлөрсөн хүхрийн хүчилтэй урвалд ордог:
  2Al + 6H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O;
• устөрөгч ялгаруулж, нарийн төвөгтэй давс үүсэх замаар шүлттэй урвалд ордог - урвал нь хэд хэдэн үе шаттайгаар явагддаг: хөнгөн цагааныг шүлтийн уусмалд дүрэх үед металлын гадаргуу дээр байрлах бат бөх хамгаалалтын ислийн хальс уусдаг; хальсыг уусгасны дараа хөнгөн цагаан нь идэвхтэй металлын хувьд устай урвалд орж хөнгөн цагааны гидроксид үүсгэдэг бөгөөд энэ нь шүлттэй амфотерийн гидроксид хэлбэрээр урвалд ордог.
  • Al 2 O 3 +2NaOH = 2NaAlO 2 +H 2 O - оксидын хальсыг уусгах;
  • 2Al+6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 - хөнгөн цагааны устай харилцан үйлчлэхэд хөнгөн цагааны гидроксид үүсэх;
  • NaOH+Al(OH) 3 = NaAlO 2 + 2H 2 O - хөнгөн цагааны гидроксидын шүлттэй харилцан үйлчлэл
  • 2Al+2NaOH+2H 2 O = 2NaAlO 2 +3H 2 - хөнгөн цагааны шүлттэй урвалын ерөнхий тэгшитгэл.

Хөнгөн цагааны холболтууд

Al 2 O 3 (хөнгөн цагааны исэл)

Хөнгөн цагааны исэл Al 2 O 3 нь цагаан, маш галд тэсвэртэй, хатуу бодис юм (байгаль дээр зөвхөн алмаз, карборунд, боразон илүү хатуу байдаг).

Хөнгөн цагааны шинж чанар:

• усанд уусдаггүй, түүнтэй урвалд ордог;
• хүчил ба шүлттэй урвалд ордог амфотер бодис юм.
  Al 2 O 3 + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O;
  Al 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O = 2Na 3;
• Амфотерийн исэл нь металлын исэл ба давстай холилдож, алюминат үүсгэдэг:
  Al 2 O 3 + K 2 O = 2KAlO 2.

Аж үйлдвэрт хөнгөн цагааны ислийг бокситоос гаргаж авдаг. Лабораторийн нөхцөлд хөнгөн цагааныг хүчилтөрөгчөөр шатаах замаар хөнгөн цагааны исэл авч болно.
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3.

Хөнгөн цагааны ислийн хэрэглээ:

• хөнгөн цагаан, цахилгаан керамик үйлдвэрлэх;
• зүлгүүрийн болон галд тэсвэртэй материал болгон;
• органик синтезийн урвалын катализатор болгон.

Al(OH) 3

Хөнгөн цагааны гидроксид Al(OH) 3 нь цагаан талст хатуу бодис бөгөөд хөнгөн цагааны гидроксидын уусмалаас солилцооны урвалын үр дүнд үүсдэг - энэ нь цаг хугацааны явцад талстждаг цагаан желатин тунадас хэлбэрээр тунадаг. Энэхүү амфотер нэгдэл нь усанд бараг уусдаггүй:
Al(OH) 3 + 3NaOH = Na 3;
Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O.

• Al(OH) 3-ийн хүчилтэй харилцан үйлчлэл:
  Al(OH) 3 +3H + Cl = Al 3+ Cl 3 +3H 2 O
• Al(OH) 3-ийн шүлттэй харилцан үйлчлэл:
  Al(OH) 3 +NaOH - = NaAlO 2 - +2H 2 O

Хөнгөн цагааны гидроксидыг хөнгөн цагааны давсны уусмал дээр шүлтийн үйлчлэлээр олж авдаг.
AlCl 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 + 3NaCl.

Хөнгөн цагааны үйлдвэрлэл, ашиглалт

Хөнгөн цагааныг байгалийн нэгдлээс химийн аргаар тусгаарлах нь нэлээд хэцүү байдаг бөгөөд энэ нь хөнгөн цагааны исэлд агуулагдах холболтын өндөр бат бэхтэй холбоотой тул хөнгөн цагааныг үйлдвэрлэлийн зориулалтаар хайлсан криолит Na 3 дахь хөнгөн цагааны Al 2 O 3 уусмалыг электролизээр тайлбарладаг; AlF 6 ашиглаж байна. Процессын үр дүнд хөнгөн цагаан нь катод дээр, хүчилтөрөгч нь анод дээр ялгардаг.

2Al 2 O 3 → 4Al + 3O 2

Эхлэх түүхий эд нь боксит юм. Электролиз нь 1000 ° C-ийн температурт явагддаг: хөнгөн цагаан ислийн хайлах цэг нь 2500 ° C - энэ температурт электролиз хийх боломжгүй тул хөнгөн цагааны ислийг хайлсан криолитод уусгаж, зөвхөн дараа нь үүссэн электролитийг ашигладаг. хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх электролизийн .

Хөнгөн цагааны хэрэглээ:

• хөнгөн цагааны хайлшийг автомашин, нисэх онгоц, усан онгоцны үйлдвэрлэлд бүтцийн материал болгон өргөн ашигладаг: дуралюминий, силумин, хөнгөн цагаан хүрэл;
• химийн үйлдвэрт бууруулах бодис болгон;
• хүнсний үйлдвэрт тугалган цаас, ширээний хэрэгсэл, сав баглаа боодлын материал үйлдвэрлэх;
• утас хийх гэх мэт.

Ойролцоогоор 1807 онд хөнгөн цагааны ислийн электролиз хийх гэж оролдсон Дэви түүнийг агуулсан металлыг Хөнгөн цагаан гэж нэрлэжээ. Хөнгөн цагааныг анх 1825 онд Ханс Оерстед калийн амальгамыг хөнгөн цагаан хлорид, дараа нь мөнгөн усыг нэрэх замаар гаргаж авсан. 1827 онд Wöhler хөнгөн цагаан металлыг илүү үр дүнтэй аргаар - усгүй хөнгөн цагаан хлоридыг калийн металлаар халаах замаар тусгаарласан.

Байгальд байх, хүлээн авах:

Байгальд тархалтын хувьд металлын хувьд 1-р, элементүүдийн хувьд хүчилтөрөгч, цахиурын дараа 3-р байранд ордог. Дэлхийн царцдас дахь хөнгөн цагааны агууламж янз бүрийн судлаачдын үзэж байгаагаар дэлхийн царцдасын массын 7.45% -аас 8.14% хооронд хэлбэлздэг. Байгальд хөнгөн цагаан нь зөвхөн нэгдлүүдэд (эрдэс) байдаг.
Корунд: Al 2 O 3 - энгийн ислийн ангилалд багтдаг бөгөөд заримдаа ил тод үнэт талстууд - индранил, хром нэмсэн бадмаараг үүсгэдэг. Шороонуудад хуримтлагддаг.
Боксит: Al 2 O 3 *nH 2 O - тунамал хөнгөн цагааны хүдэр. Хортой хольц агуулсан - SiO 2. Боксит нь хөнгөн цагаан, түүнчлэн будаг, зүлгүүрийн үйлдвэрлэлийн чухал түүхий эд болдог.
Каолинит: Al 2 O 3 *2SiO 2 *2H 2 O нь цагаан, галд тэсвэртэй, шаазан шаврын үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг болох давхаргат силикат дэд ангийн эрдэс юм.
Хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх орчин үеийн аргыг Америкийн Чарльз Холл, Францын Пол Хероулт нар бие даан боловсруулсан. Энэ нь хөнгөн цагааны исэл Al 2 O 3-ийг криолит Na 3 AlF 3 хайлмалд уусгаад бал чулуу электрод ашиглан электролиз хийхээс бүрдэнэ. Энэхүү үйлдвэрлэлийн арга нь маш их цахилгаан эрчим хүч шаарддаг тул зөвхөн 20-р зуунд алдартай болсон. 1 тонн хөнгөн цагаан үйлдвэрлэхэд 1.9 тонн хөнгөн цагаан исэл, 18 мянган кВт.цаг цахилгаан эрчим хүч шаардлагатай.

Физик шинж чанарууд:

Металл нь мөнгөлөг цагаан, цайвар, нягт нь 2.7 г/см 3, хайлах цэг 660°С, буцлах цэг 2500°С. Өндөр уян хатан чанар, нимгэн хуудас, тэр ч байтугай тугалган цаас болгон өнхрүүлсэн. Хөнгөн цагаан нь цахилгаан, дулаан дамжуулалт сайтай, гэрэл тусгал сайтай байдаг. Хөнгөн цагаан нь бараг бүх металлтай хайлш үүсгэдэг.

Химийн шинж чанар:

Хэвийн нөхцөлд хөнгөн цагаан нь нимгэн, удаан эдэлгээтэй оксидын хальсаар хучигдсан байдаг тул сонгодог исэлдүүлэгч бодисуудтай урвалд ордоггүй: H 2 O (t ° 2, HNO 3) (халаалтгүй); Үүний ачаар хөнгөн цагаан нь зэврэлтэнд өртдөггүй тул орчин үеийн үйлдвэрлэлд ихээхэн эрэлт хэрэгцээтэй байдаг. Гэсэн хэдий ч исэл хальсыг устгах үед (жишээлбэл, аммонийн давс NH 4 +, халуун шүлтлэг эсвэл нэгдлийн үр дүнд) хөнгөн цагаан нь идэвхтэй бууруулагч металлын үүрэг гүйцэтгэдэг. Энгийн бодисуудтай амархан урвалд ордог: хүчилтөрөгч, галоген: 2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3
Хөнгөн цагаан нь халах үед бусад металл бустай урвалд ордог.
2Al + 3S = Al 2 S 3 2Al + N 2 = 2AlN
Хөнгөн цагаан нь зөвхөн устөрөгчийг уусгах чадвартай боловч түүнтэй урвалд ордоггүй.
Нарийн төвөгтэй бодисуудтай: хөнгөн цагаан нь шүлттэй урвалд ордог (тетрагидоксиалюминатыг үүсгэдэг):
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
Шингэрүүлсэн болон төвлөрсөн хүхрийн хүчилд амархан уусдаг.
2Al + 3H 2 SO 4 (дил) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 2Al + 6H 2 SO 4 (conc) = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Хөнгөн цагаан нь металыг исэлээс нь бууруулдаг (алюминотерми): 8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe

Хамгийн чухал холболтууд:

Хөнгөн цагааны исэл, Al 2 O 3: хатуу, галд тэсвэртэй цагаан бодис. Кристалл Al 2 O 3 нь химийн идэвхгүй, аморф нь илүү идэвхтэй байдаг. Уусмал дахь хүчил ба шүлтүүдтэй удаан урвалд орж, амфотер шинж чанарыг харуулдаг.
Al 2 O 3 + 6HCl (конц.) = 2AlCl 3 + ZH 2 O Al 2 O 3 + 2NaOH (конц.) + 3H 2 O = 2Na
(NaAlO 2 нь шүлтийн хайлмалд үүсдэг).
Хөнгөн цагааны гидроксид, Al(OH) 3: цагаан аморф (гель хэлбэртэй) эсвэл талст. Усанд бараг уусдаггүй. Халах үед энэ нь алхам алхмаар задардаг. Энэ нь амфотерик, хүчиллэг ба үндсэн шинж чанарыг ижил илэрхийлдэг. NaOH-тай уусвал NaAlO 2 үүснэ. Al (OH) 3 тунадасыг олж авахын тулд шүлтийг ихэвчлэн ашигладаггүй (тунадас нь уусмал руу шилжихэд хялбар байдаг тул) аммиакийн уусмалаар хөнгөн цагааны давс дээр ажилладаг - Al (OH) 3 нь өрөөний температурт үүсдэг.
Хөнгөн цагааны давс. Хөнгөн цагааны давс, хүчтэй хүчил нь усанд маш сайн уусдаг бөгөөд катионын гидролизд ихээхэн өртөж, магни, цайр зэрэг металууд уусдаг хүчтэй хүчиллэг орчинг бүрдүүлдэг: Al 3+ + H 2 O = AlOH 2+ + H +
AlF 3 фтор ба AlPO 4 ортофосфат нь усанд уусдаггүй бөгөөд маш сул хүчлүүдийн давс, жишээ нь H 2 CO 3 нь усан уусмалаас хур тунадасны улмаас огт үүсдэггүй.
Давхар хөнгөн цагаан давсыг мэддэг - alumнайрлага MAl(SO 4) 2 *12H 2 O (M=Na +, K +, Rb +, Cs +, TI +, NH 4 +), тэдгээрийн хамгийн түгээмэл нь калийн алим KAl(SO 4) 2 *12H юм. 2 О.
Амфотерийн гидроксидыг шүлтлэг уусмалд уусгах нь үүсэх процесс гэж тооцогддог гидроксо давс(гидрокси цогцолборууд). [Al(OH) 4 (H 2 O) 2] -, [Al(OH) 6] 3-, [Al(OH) 5 (H 2 O)] 2- гидроксокомплекс байгаа нь туршилтаар батлагдсан; Эдгээрээс эхнийх нь хамгийн бат бөх. Эдгээр цогцолбор дахь хөнгөн цагааны зохицуулалтын тоо нь 6, i.e. хөнгөн цагаан нь зургаан зохицуулалттай.
Хоёртын хөнгөн цагааны нэгдлүүдГолдуу ковалент холбоо бүхий нэгдлүүд, жишээлбэл Al 2 S 3 сульфид ба Al 4 C 3 карбид нь усаар бүрэн задардаг.
Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4

Хэрэглээ:

Барилгын материал болгон өргөн ашигладаг. Энэ чанарын хөнгөн цагааны гол давуу тал нь хөнгөн, штамп хийхэд уян хатан чанар, зэврэлтэнд тэсвэртэй, өндөр дулаан дамжуулалт юм. Хөнгөн цагаан нь олон хайлшийн чухал бүрэлдэхүүн хэсэг юм (зэс - хөнгөн цагаан хүрэл, магни гэх мэт).
Энэ нь цахилгааны инженерчлэлд утас үйлдвэрлэх, тэдгээрийг хамгаалахад ашиглагддаг.
Хөнгөн цагааныг дулааны төхөөрөмж болон криоген технологид өргөн ашигладаг.
Өндөр тусгалтай, хямд өртөгтэй, амархан шингээх чадвартай хослуулан хөнгөн цагааныг толь хийхэд тохиромжтой материал болгодог.
Хөнгөн цагаан ба түүний нэгдлүүдийг пуужингийн технологид пуужингийн түлш болгон ашигладаг. Барилгын материалын үйлдвэрлэлд хий үүсгэгч бодис болгон .

Аллаяров Дамир
ЭМС Тюмений улсын их сургууль, 561 бүлэг.

ТОДОРХОЙЛОЛТ

Хөнгөн цагаан– IIIА бүлгийн 3-р үеийн химийн элемент. Серийн дугаар – 13. Металл. Хөнгөн цагаан нь p-гэр бүлийн элементүүдэд хамаардаг. Тэмдэглэгээ - Ал.

Атомын масс - 27 аму. Гадаад энергийн түвшний цахим тохиргоо нь 3s 2 3p 1 байна. Түүний нэгдлүүдэд хөнгөн цагаан нь "+3" исэлдэлтийн төлөвийг харуулдаг.

Хөнгөн цагааны химийн шинж чанар

Хөнгөн цагаан нь урвалыг багасгах шинж чанарыг харуулдаг. Агаарт өртөх үед гадаргуу дээр оксидын хальс үүсдэг тул бусад бодисуудтай харилцан үйлчлэхэд тэсвэртэй байдаг. Жишээлбэл, хөнгөн цагааныг ус, концентрацитай азотын хүчил, калийн бихромат уусмалд идэвхгүйжүүлдэг. Гэсэн хэдий ч оксидын хальсыг гадаргуугаас нь салгасны дараа энгийн бодисуудтай харьцах чадвартай байдаг. Ихэнх урвалууд нь халах үед тохиолддог:

2Al нунтаг +3/2O 2 = Al 2 O 3;

2Al + 3F 2 = 2AlF 3 (t);

2Al нунтаг + 3Hal 2 = 2AlHal 3 (t = 25C);

2Al + N 2 = 2AlN (t);

2Al +3S = Al 2 S 3 (t);

4Al + 3C бал чулуу = Al 4 C 3 (t);

4Al + P 4 = 4AlP (t, H 2 агаар мандалд).

Түүнчлэн, оксидын хальсыг гадаргуугаас нь арилгасны дараа хөнгөн цагаан нь устай харилцан үйлчилж, гидроксид үүсгэдэг.

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2.

Хөнгөн цагаан нь амфотер шинж чанартай тул хүчил ба шүлтийн шингэрүүлсэн уусмалд уусдаг.

2Al + 3H 2 SO 4 (шингэрүүлсэн) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2;

2Al + 6HCl шингэрүүлсэн = 2AlCl 3 + 3 H 2;

8Al + 30HNO 3 (шингэрүүлсэн) = 8Al(NO 3) 3 + 3N 2 O + 15H 2 O;

2Al +2NaOH +3H 2 O = 2Na + 3H 2;

2Al + 2(NaOH×H 2 O) = 2NaAlO 2 + 3 H 2.

Алюминотерми нь эдгээр металлыг хөнгөн цагаанаар ангижруулахад үндэслэсэн ислээс метал гаргаж авах арга юм.

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe;

2Al + Cr 2 O 3 = Al 2 O 3 + 2Cr.

Хөнгөн цагааны физик шинж чанар

Хөнгөн цагаан бол мөнгөлөг цагаан өнгөтэй. Хөнгөн цагааны үндсэн физик шинж чанар нь хөнгөн, өндөр дулаан, цахилгаан дамжуулалт юм. Чөлөөт төлөвт, агаарт өртөх үед хөнгөн цагаан нь Al 2 O 3 оксидын бат бөх хальсаар хучигдсан байдаг бөгөөд энэ нь түүнийг төвлөрсөн хүчлийн нөлөөнд тэсвэртэй болгодог. Хайлах цэг – 660.37С, буцлах цэг – 2500С.

Хөнгөн цагааны үйлдвэрлэл, ашиглалт

Хөнгөн цагааныг энэ элементийн хайлсан ислийн электролизээр гаргаж авдаг.

2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2

Гэсэн хэдий ч бүтээгдэхүүний гарц багатай тул Na 3 ба Al 2 O 3 хольцыг электролизээр хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх аргыг ихэвчлэн ашигладаг. Урвал нь 960С хүртэл халааж, катализатор - фторидууд (AlF 3, CaF 2 гэх мэт) байх үед үүсдэг бол хөнгөн цагаан ялгаралт катодод, хүчилтөрөгч нь анод дээр гардаг.

Аж үйлдвэрт хөнгөн цагааны өргөн хэрэглээг олж авсан хөнгөн цагааны хайлш нь нисэх онгоц, хөлөг онгоцны үйлдвэрлэлийн гол бүтцийн материал юм.

Асуудлыг шийдвэрлэх жишээ

ЖИШЭЭ 1