Историческая справка. Соединения А. были известны с древнейших времён. Так, уже в V в. до н. э. в Египте добывались квасцы - сульфат А. и калия KAl(SО₄)₂^.12Н₂О, которые применяли как вяжущее и дубящее средство. Древние римляне обозначали квасцы словом alumen (родительный падеж aluminis), откуда и произошло название «алюминий». В 1754 г. немецкий химик А. С. Маргграф выделил из квасцов бесцветную «землю» (так назывались в то время порошкообразные, неплавкие, нерастворимые в воде вещества), которую назвал квасцовой. Позднее она получила название «глинозём», так как была обнаружена в глине. Уже в 1789 г. А. Л. Лавуазье высказал предположение, что глинозём - окисел ещё неизвестного металла.

Но получить металл удалось только в 1825 г. датскому физику Г. X. Эрстеду. Действуя амальгамой калия на хлорид А1С1₃, он приготовил амальгаму А.; после отгонки ртути остался А. в виде серого порошка.

В 1854 г. французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль предложил более удобный способ получения А. - нагреванием натрия с двойным хлоридом натрия и А.:

Na₃[AlCl₆] + 3Na = 6NaCI + Al

Уже в 1855 г. на Всемирной выставке в Париже демонст­рировались слиточки А. (общим весом около 1 кг), выплавленного по способу Девиля. Но вследствие высокой стоимости и низких механических свойств А. применялся только для изготовления украшений и столовой посуды.

В 1886 г., почти одновременно и независимо друг от друга, Ч.М. Холл в США и П. Э. Эру во Франции открыли способ выплавки А. электролизом криолито-глинозёмных расплавов. (Интересное совпадение: оба изобретателя родились в 1863 г., а умерли в 1914 г.)

Уже в конце XIX - начале XX вв. электрохимическое производство А. возникло во Франции, США, Швейцарии, Германии и других странах. Важно отметить, что производство А. электролизом смогло стать реальностью только после изобретения динамо-машины (так называли тогда генератор постоянного тока) и внедрения её в промышленность. Ведь до этого единственным и крайне дорогим источником электроэнергии были гальванические элементы. Расширению спроса на А. способствовало развитие авто- и авиастроения, для которых требовались прочные и лёгкие конструкционные материалы. Ими явились алюминиевые сплавы.

Как это ни удивительно, но производство А. электролизом, созданное методом «проб и ошибок», долгое время не имело научной основы. Её дал П. П. Федотьев с сотрудниками (в работах, продолжавшихся свыше 20 лет, с 1910 по 1932 г.) в Петербургском (Ленинградском) политехническом институте.

В России вопрос об организации собственного производства А. возник уже во время русско-японской войны 1904 - 1905 гг. Однако он на долгие годы безнадёжно утонул в дебрях министерских канцелярий. Считалось, что месторождений бокситов в стране нет, а электрическая энергия стоила очень дорого. В действи­тельности же поисками бокситов никто серьёзно не занимался, а о строительстве гидроэлектростанций даже и не помышляли. Поэтому царское правительство предпочитало ввозить А., его сплавы и изделия из них из-за границы.

Во время войны 1914 - 1918 гг. Россия оказалась вынужденной покупать у стран Антанты А., необходимый для военной техники. Только в 1916 г. в районе Тихвина было открыто первое отечественное месторождение бокситов. Но производство А. смогло возникнуть в нашей стране только после Октябрьской революции.

Решающее значение для создания советского производства А. имел разработанный в 1920 г. по указаниям В. И. Ленина план электрификации нашей страны. Без больших количеств дешёвой электроэнергии производство А. совершенно невозможно. Первая крупная гидроэлектростанция сооружена в 1926 г. на реке Волхове. 14 мая 1932 г. Волховский алюминиевый комбинат дал первый промышленный А. Вскоре (1933 г.) состоялся пуск Днепровского алюминиевого завода, работающего на энергии Днепрогэса имени В. И. Ленина. С течением времени удалось значительно расширить сырьевую базу советского производства А. Наша алюминиевая промышленность, начатая, как принято говорить, «с нуля», заняла одно из первых мест в мире и полностью обеспечивает потребность страны  в  этом металле.

Распространённость в природе. Земная кора содержит 8,05% А. по массе. По распространению в природе он занимает третье место среди всех элементов (после О и Si) и первое среди металлов. Вследствие своей высокой химической активности А. встречается только в виде соединений. Известны сотни содержащих А. минералов. Из них наиболее распространены алюмосиликаты - составная часть изверженных горных пород - гранита, базальта, порфира, сиенита и др. Из алюмосиликатов назовём хотя бы полевые шпаты: калиевый (ортоклаз) K[AlSi₃O₈], натриевый (альбит) Na[AlSi₃O₈], кальциевый (анортит) Са[Al₂Si₂О₈]. При их разрушении под действием воды и атмосферы образуется каолин - главная составная часть глин. С процессами выветривания горных пород, содержащих алюмосиликаты, связано также образование бокситов. Они состоят из смеси гидроокисей А. А1(ОН)₃ и А1О(ОН), окиси железа Fe₂О₃ и примесей (SiO₂, Ti0₂ и др.). Бокситы - главное сырьё для производства А. Их крупные месторождения находятся у нас на Урале, в Сибири.

В СССР разработаны и методы получения А. из новых видов сырья: алунита (квасцового камня) примерного состава KAl₃[SО₄]₂(OH)₆ и в особенности нефелина Na[AlSiO₄]. Большие залежи этого минерала были обнаружены в 1920-х годах на Кольском полуострове экспедицией под руководством академика А. Е. Ферс­мана. А в 1957 г. за промышленный способ переработки Кольского нефелина на глинозём, соду и цемент группе учёных и инженеров была присуждена Ленинская премия. По их способу вот уже много лет вырабатываются огромные коли­чества названных продуктов.

Физические свойства. А. - серебристо-белый лёгкий металл. Плотность 2,699 г/см³, t_пл=660,24 °С, t_кип ≈ 2500 °С. Металл очень пластичен (легко протягивается в проволоку и прокатывается в фольгу толщиной около 0,005 мм); обладает невысокими твёрдостью и прочностью. А.- прекрасный проводник электричества (его электропроводность составляет около 65% от электропроводности меди). Поверхность А. всегда покрыта плотным, тончайшим слоем А1₂О₃. Эта плёнка прозрачна. Поэто­му покрытый ею А. отражает около 90% падающих на него световых лучей.

Химические свойства. Внешняя электронная оболочка атома А. содержит три электрона (конфигурация 3s²3p¹). Поэтому для А. обычна степень окисления +3 (валентность III). В некоторых соединениях он имеет степени окисления +2 и +1.

По положению А. в ряду напряжений следовало бы ожидать, что он дол­жен окисляться гораздо легче, чем, железо. В действительности же наблюдается нечто совсем обратное. Обратите внимание на изделия из А., применяемые в домашнем быту: они не изменяются на воздухе и в воде. Химическая стойкость А. объясняется тем, что окисная плёнка на его поверхности защищает металл от воздействия воздуха, воды, некоторых кислот.

Плёнку окиси на А. можно нарастить искусственно - электролизом. Для этого изделие из А., погружённое в электролит, делают анодом. Выделяющийся на аноде кислород в виде иона О^2-окисляет А. Такой процесс (анодирование) позволяет получать на поверхности А. плёнки толщиной до 500 микрон. Это самый распространённый способ защиты А. и его спла­вов от коррозии. На окисную плёнку, полученную таким путём, очень удобно наносить краски и лаки, придающие изделиям красивый внешний вид.

Весьма существенно, что если удалить каким-либо острым предметом естественную плёнку А1₂О₃, она тут же возобновляется на воздухе. Но если поставить А. в условия, при которых сплошная окисная плёнка образоваться не сможет, истинная химическая активность А. станет очевидной. Так, если порошкообразный А. поджечь, то он сгорает с ослепительной вспышкой. Убедиться в активности А. можно и на дру­гом, более сложном, но очень интересном опыте.

Погрузим полоску листового А. в 10%-ный раствор NaOH. Он удалит плёнку А1₂О₃. Когда начнётся выделение водорода, вынем полоску, быстро отмоем щёлочь водой и потрём поверхность металла ваткой, смоченной в 1%-ном растворе сулемы HgCl₂. При этом А. вытесняет Hg, которая образует с ним рыхлую амальгаму. На полоске амальгамированного А. при действии влаги воздуха прямо на глазах вырастает толстый налёт гидроокиси А., а если опустить полоску в воду, выделяется Н₂.

А. непосредственно соединяется с галогенами, образуя галогениды типа А1Х₃ (X - это F, С1, Вг, I). При сильном нагревании А. взаимодействует с серой, углеродом, азотом. При этом получаются соответственно сульфид A1₂S₃, карбид А1₄С₃ и нитрид A1N. Вода разлагает эти соеди­нения с образованием соответственно H₂S, СН₄, NH₃ и А1(ОН)₃.

Соляная кислота всех концентраций легко растворяет А.:

2А1 + 6НС1 = 2А1С1₃ + ЗН₂

Серная и азотная кислоты очень высоких концентраций (H₂SО₄ - свыше 90%, HNО₃ - свы­ше 68%) на холоду на А. не действуют. При нагревании А. реагирует с ними, образуя с H₂SО₄ сульфат A1₂(SО₄)₃ и SО₂, а с HNO₃, - нитрат Al(N0₃)₃ и окислы азота. В тех же кислотах, разбавленных водой, А., особенно при нагревании, растворяется, выделяя соответственно Н₂ и окись азота:

2А1+ 3H₂SO ₄ = A1₂(SО₄)₃ + 3Н₂

Al + 4HNО₃ = Al(NО₃)₃ + NO + 2H₂О

Растворы гидроокисей и карбонатов щелочных металлов активно взаимодействуют с А., причём выделяется Н₂ и образуются алюминаты. Эти соединения рассматриваются как соли очень слабых кислот, ортоалюминиевой Н₃А1О₃ и метаалюминиевой НА1О₂.

Соли А. в растворе гидролизованы и показывают кислую реакцию. Примером служит обратимое взаимодействие с водой хлорида А.:

AICI₃ + 3H₂О ↔ А1(ОН)₃ + ЗНС1

или в ионной форме:

А1³⁺+ЗОН^- ↔ А1(ОН)₃

Интересна в химическом отношении гидроокись А. Она образуется при действии гидроокисей и карбонатов щелочных металлов на растворы алюминиевых солей. А1(ОН)₃ выпадает в виде белого студенистого осадка:

А1С1₃ + 3NaOH = Al(ОН)₃ + 3NaCl

2А1С1₃ + 3Na₂CО₃ + 3H₂О = 2А1(ОН)₃ + 6NaCl + ЗСO₂

Гидроокись А. амфотерна (греческое «амфотербс» - и тот и другой) - она растворяется и в кислотах и в щелочах (но не вводном растворе NH₃). По отношению к сильным основаниям А1(ОН)₃ ведёт себя как слабая кислота, образующая соли - алюминаты.

Из галогенидов А. практически очень важны фторид, хлорид и двойной фторид натрия и А. - криолит. В промышленности A1F₃ приготовляют действием HF на Al(ОН)₃ или NaF на растворы алюминиевых солей:

А1(ОН)₃ + 3HF = A1F₃ + 3Н₂O

А1С1₃ получают, пропуская С1₂ над смесью А1₂O₃ с углём при 1000°С:

А1₂O₃ +  3С + 3С1₂ = 2А1С1₃ + 3СО

Криолит - комплексное соединение Na₃[AlF₆] - играет важную роль в производстве А. В виде минерала криолит встречается в основном в Гренландии. Аборигены издавна считали его льдом (греческое «крйос» - холод, лёд), спрессованным настолько, что он уже потерял способность таять. Обычно же криолит готовят искусственно, прибавляя NaF к раствору сульфата A1₂(SO₄)₃:

Al₂ (S0₄)₃ + 12NaF = 2Na₃[AlF₆] + 3Na₂SO₄

Из других распространённых соединений 3-валентного А. большой интерес представляют сульфат и квасцы.

Из соединений А. низших валентностей наи­более известны так называемые субгалогениды (от латинского sub - под). Субфторид A1F и субхлорид А1С1 образуются при взаимодействии А. с A1F₃ или А1С1₃ при высоких температурах по обратимой реакции:

A1F₃ + 2A1↔ 3A1F

Оба субгалогенида могут существовать только в газообразном состоянии. При охлаждении реакция идёт справа налево, т. е. A1F разлагается на А1 и A1F₃, а А1С1 - на А1 и А1Cl₃. Эти реакции предложены для очистки А. от примесей.

Получение. Исходным материалом для производства А. служит его окись, получаемая путём сложной химической переработки бокситов. Разложить чистую А1₂O₃ электролизом невозможно, так как в твёрдом состоянии она не пропускает тока, а её точка плавления очень высока (2050 °С). Поэтому окись А. растворяют в расплавленном криолите. Температура плавления смеси сравнительно невелика (962 °С при 10% А1₂O₃). Процесс ведут в электролизёре.

Получающийся металл (в технике говорят - первичный А.) содержит около 99,7% А1 (остальное - примеси Fe и Si). Более чистый металл (99,997% А1) получают электролитиче­ским рафинированием первичного.

Применение. В технике А. служит преимущественно для производства сплавов. Однако и у чистого А. есть области применения. По сравнению с алюминиевыми сплавами чистый А. значительно более устойчив против коррозии. Объясняется это тем, что в нечистом А. и в его сплавах примеси присутствуют в виде включений, которые не покрываются защитной плён­кой А1₂O₃. При попадании влаги и особенно растворов электролитов такие включения образуют с А. гальванические микроэлементы, в которых более электроположительный А. служит растворимым электродом и поэтому усиленно разъедается. Поэтому изделия из алюминиевых сплавов иногда покрывают (плакируют) А. чистотой не менее 99,95%.

Тончайший порошок А. применяется как составная часть серебристых красок, а также как горючее для вспышек при фотосъёмках. Тонкий листовой А. (алюминиевая фольга) служит превосходной обёрткой для конфет, шоколада, сыра, заменившей остродефицитное олово. Благодаря низкому удельному электро-сопротивлению чистый А.- хороший материал для проводов (при равной электропроводности алюминиевый провод примерно вдвое легче медного). Но механическая прочность А. невелика. Поэтому на линиях электропередач нередко прокладывают стале-алюминиевые кабели. В таких кабелях сердечник из оцинкованных стальных проволок обвит  проволоками   из  А.

Высокая отражательная способность А. используется для изготовления зеркал: тонкий слой А. (порядка не более 0,12 микрон) наносят на поверхность стекла катодным распылением или (чаще) испарением в вакууме. Такие зеркала успешно заменяют серебряные.

При высокой температуре А. восстанавливает окислы многих металлов и неметаллов. Поэтому его применяют для получения тугоплавких металлов из окислов. При этих процессах, называемых алюминотермией (от греч. «термос» - горячий), в короткое время выделяется такое количество тепла, что реакция идёт без внешнего подогрева и все продукты получаются в жидком состоянии. Этим способом получают многие тугоплавкие металлы, например хром и марганец:

Сг₂O₃ + 2А1 = А1₂O₃ + 2Сг

3Мn₃O₄ + 8А1 = 9Мn + 4А1₂O₃

а также некоторые ферросплавы.

Применяют в технике и соли А. Так, А1С1₃ служит катализатором во многих органических синтезах. Сульфатом A. A1₂(SO₄)₃ ^. 18Н₂O осветляют мутную воду на водопроводных станциях. Хлопья А1 (ОН)₃, образующиеся при гидролизе по обратимой реакции:

A1₂(SO₄)₃ + 6Н₂O ↔ 2Аl(ОН)₃ + 3H₂SO₄

увлекают взвешенные в воде мелкие частицы, опускаются с ними на дно резервуара, и вода становится прозрачной. Сульфат А. применяется также при крашении тканей, дублении кожи, в производстве бумаги.

Алюминиевая промышленность - одна из наиболее энергоёмких отраслей народного хозяйства. На получение 1 т А. расходуется около 18000 квт ^. ч электроэнергии. Не случайно, что крупные алюминиевые заводы всегда вырастают там, где мощные ГЭС дают дешёвую электроэнергию. В Сибири на базе крупных ГЭС сооружены и продолжают расширяться гиганты алюминиевой промышленности - Иркутский, Красноярский, Братский.