Алюминий, электронная формула — тайна или загадка?

Алюминий - поистине уникальный и загадочный металл. За внешней простотой скрываются удивительные свойства, которые до конца еще не разгаданы учеными.

История открытия алюминия

Алюминий был впервые выделен в чистом виде датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году. Для этого он восстановил хлорид алюминия при помощи амальгамы калия. Несколько позже немецкий химик Фридрих Велер усовершенствовал метод Эрстеда, используя для восстановления чистый металлический калий:

2AlCl3 + 3K → 3KCl + 2Al

Однако такие способы позволяли получать лишь небольшие количества алюминия. В 1854 году французский инженер Анри Сент-Клер Девиль, при поддержке Наполеона III, разработал первый промышленный метод производства этого металла с применением металлического натрия:

• Девиль заменил дорогой калий на более доступный натрий;
• За 36 лет его методом было произведено 200 тонн алюминия;
• Стоимость алюминия в то время превышала стоимость золота.

Переворот в металлургии алюминия произошел в 1886 году, когда американский инженер Чарльз Мартин Холл и французский ученый Поль Луи Туссен Эру независимо друг от друга изобрели промышленный электролиз расплавленной смеси глинозема Al2O3 и криолита Na3AlF6. Этот процесс получил название процесса Холла-Эру. Он позволил значительно удешевить производство алюминия за счет использования дешевого алюминиевого сырья - бокситов.

Электронная структура и формула алюминия

Алюминий относится к p-элементам, в его атоме на внешнем энергетическом уровне размещается 3 электрона. Электронная конфигурация основного состояния алюминия записывается как

[Ne] 3s23p1.

Однако при определенных условиях внешние электроны алюминия могут переходить на более высокие энергетические уровни, образуя возбужденные состояния. Например, одно из таких состояний имеет конфигурацию

[Ne] 3s13p13d1.

Знание закономерностей электронного строения позволяет глубже понять химические свойства алюминия и прогнозировать его поведение в различных химических реакциях и технологических процессах.

Химические и физические свойства алюминия

Свойства алюминия определяют его широчайшее применение в самых разных областях - от транспорта и электроэнергетики до упаковки и медицины.

Алюминий легко поддается обработке давлением, имеет высокую коррозионную стойкость благодаря защитной оксидной пленке на поверхности.

Основные физические константы чистого алюминия:

Благодаря этим свойствам алюминий и его сплавы применяют в самолетостроении, ракетостроении, автомобилестроении, судостроении, вагоностроении и многих других отраслях промышленности.

Химически алюминий - очень активный металл. Он взаимодействует с большинством неметаллов и образует разнообразные химические соединения, такие как:

• Оксид алюминия Al2O3;
• Фторид алюминия AlF3;
• Хлорид алюминия AlCl3;
• Сульфат алюминия Al2(SO4)3.

Быстрое образование защитной оксидной пленки позволяет алюминию сохранять коррозионную стойкость в атмосферных условиях и многих агрессивных средах. Оксид алюминия широко используется в производстве керамики, огнеупоров, абразивов.

Для улучшения механических и других свойств алюминий обычно легируют различными химическими элементами, получая прочные и легкие алюминиевые сплавы - дюралюмины, силумины и др.

Химические и физические свойства алюминия

Для расширения областей применения алюминия ученые проводят исследования, направленные на улучшение его свойств.

Модификация поверхности

Одним из перспективных направлений является модификация поверхности алюминия, например, создание специальных покрытий, которые улучшают адгезию к полимерам при производстве композитных материалов.

Легирование редкоземельными металлами

Добавление небольших количеств редкоземельных металлов позволяет упрочнить алюминиевые сплавы и улучшить их жаростойкость для применения в авиакосмической отрасли.

Исследование электронной структуры

Дальнейшее изучение электронной формулы алюминия в различных состояниях, в том числе возбужденных, даст новые знания для управления его реакционной способностью и технологическими свойствами.

Компьютерное моделирование

Современные методы компьютерного моделирования помогают точно рассчитать влияние легирующих элементов на электронную структуру и свойства алюминиевых сплавов.

Новые сплавы и композиты

Разработка принципиально новых алюминиевых и алюмоматричных композиционных материалов с заранее заданными характеристиками является важнейшей задачей современного материаловедения.

Таким образом, несмотря на двухвековую историю промышленного применения, алюминий продолжает хранить некоторые загадки своей электронной формулы и свойств. Их последовательное разгадывание открывает путь к получению новых передовых материалов.