Занимательная геохимия. Химия земли: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Но, к счастью, алюминий встречается в природе не только в таком сложном составе, откуда извлечь его довольно трудно. Значительное количество алюминия мы находим именно в виде глинозема — природного соединения с кислородом. Это соединение встречается в очень разнообразных формах.

Безводную окись алюминия (Al₂O₃) мы встречаем в виде минерала корунда, отличающегося замечательной твердостью, а иногда и необычайной красотой. Прозрачные разности глинозема, где к алюминию и кислороду примешиваются лишь крошечные количества элементов-красителей — хрома, железа, титана, принадлежат к числу первоклассных красавцев-самоцветов. Какое разнообразие цветов и богатство красок создает в одном и том же глиноземе ничтожная примесь того или иного вещества! Это сверкающий яркими тонами красный рубин и синий сапфир, пленявшие человека с незапамятных времен. Сколько сказок связано с этими камнями! Издавна служат человеку и менее чистые, непрозрачные, окрашенные в бурые, серые, синеватые, красноватые цвета кристаллы корунда, по своей твердости уступающие лишь алмазу.

С их помощью мы обрабатываем разные твердые материалы, в том числе блестящую сталь инструментов, оружия, станков, машин.

Мелкие кристаллики того же корунда в смеси с магнетитом и другими минералами — так называемый наждак — хорошо известны каждому; вы, вероятно, не раз чистили наждаком свой перочинный ножик!

Корунд мог бы, конечно, служить легким источником получения металлического алюминия, но он слишком ценен сам по себе и его мало в природе.

С незапамятных времен, еще на заре человеческой культуры, с каменного века и до наших дней человек широко использовал граниты, базальты, порфиры, глины и другие породы из алюмосиликатов, строя из них целые города, создавая здания, произведения искусства, утварь, получая керамику, фаянс, фарфор.

Но в течение тысячелетий человек и не подозревал благородных и чудесных свойств алюминия — металла, который был скрыт в этих породах.

Алюминий никогда и нигде в природе не встречается в металлическом виде, он всегда находится в различных соединениях, совершенно отличных по свойствам и виду от металла алюминия.

И нужен был гений человека, его упорный труд, чтобы извлечь и вызвать к жизни этот чудесный металл.

Впервые удалось выделить небольшое количество блестящего серебристого металла около 125 лет назад. И никто тогда не думал, что он вообще будет играть какую-то роль в жизни человека, тем более что получение его было очень трудным. Но вот в начале прошлого века ряду ученых удалось путем электролиза выделить алюминий на катоде под коркой шлаков из расплавленных при высоких температурах соединений алюминия. Это был чистый серебристый металл — «серебро из глины», как говорили в то время.

Этот метод получения алюминия перешел на заводы, и металл быстро стал завоевывать себе широкое применение. Он имеет цвет, напоминающий серебро. А свойства его действительно оказались удивительными.

В настоящее время чистую окись алюминия добывают не из глины. В качестве удобной руды алюминия природа дает нам водную окись алюминия (гидрат глинозема) в виде минералов диаспора и гидраргиллита. Смешанные часто с окислами железа и кремнеземом, эти минералы образуют залежи глино— или камнеподобных пород — бокситов — преимущественно среди прибрежных осадочных отложений.

Боксит содержит очень большое количество окиси алюминия (50–70 %) и является основной промышленной рудой алюминия. Советскими химиками разработан и освоен новый процесс переработки хибинского минерала — нефелина (Na₂Al₂Si₂O₈) на окись алюминия. В последнее время пытаются также использовать дистеновые сланцы[49], содержащие 50–60 % окиси алюминия, и другие минералы: лейцит, алунит. Но ни один из этих минералов, кроме нефелина, еще не может заменить боксит.

Производство металлического алюминия основано на двух самостоятельных процессах. Прежде всего из боксита после довольно сложной обработки извлекается чистая безводная окись алюминия — глинозем. Затем окись алюминия подвергается электролизу в специальных ваннах, выложенных графитовыми плитами.

Порошок глинозема загружается в эти ванны в смеси с порошком криолита. При включении мощного электрического тока развивается высокая температура (около 1000°); криолит плавится и растворяет в себе глинозем, который в дальнейшем разлагается током на алюминий и кислород. Дно ванны служит при этом катодом (отрицательным полюсом), и на нем собирается расплавленный алюминий. Через особый кран его выпускают и разливают по формам, где он и застывает в виде блестящих серебристых брусков.

Сто лет тому назад получение этого легкого белого металла было очень трудной задачей, и фунт алюминия стоил сорок рублей золотом. А теперь могучая энергия рек, преобразованная в электрическую энергию, позволяет получать его в громадных количествах.

Кое-какие из свойств алюминия хорошо известны всем. Это очень легкий металл, почти в три раза легче железа. Он очень тягуч и при этом достаточно прочен: его можно вытягивать в проволоку, плющить в тончайшие листы. Не менее замечательны и его химические свойства. С одной стороны, он как будто не боится окисления; это мы знаем по поведению алюминиевой посуды, кастрюлек, сковородок, бидонов. А между тем сродство его с кислородом очень велико. Это кажущееся противоречие отметил еще наш великий химик Д. И. Менделеев. Дело в том, что серебряно-блестящий после выплавки алюминий на воздухе покрывается тусклой пленочкой окиси, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Не всякому металлу дана такая способность самозащиты. Окись железа, например, хорошо всем известная ржавчина, нисколько не мешает дальнейшему разрушению металла: она слишком рыхла и легко проницаема для воздуха и воды. Напротив, тоненькая пленочка окиси, одевающей алюминий, очень плотна, эластична и служит ему надежным покровом.

При нагревании алюминий жадно соединяется с кислородом, превращаясь в окись алюминия, и выделяет при этом огромное количество тепла. Это свойство алюминия выделять тепло при сгорании было использовано в технике для выплавки других металлов из их окисей путем смешения с порошком металлического алюминия. В этом процессе алюминотермии металлический алюминий отбирает кислород от окисей других металлов и восстанавливает их.

Если вы смешаете, например, порошок окиси железа с порошком алюминия и подожжете эту смесь лентой магния, на ваших глазах разовьется бурная реакция с выделением огромного количества тепла, и температура поднимется до 3000°. Вытесненное алюминием железо при этой температуре плавится, а образовавшаяся окись алюминия всплывает на его поверхность в виде шлака. Человек использовал эту активность алюминия для получения некоторых тугоплавких и технически ценных металлов.

Таким путем выплавляют металлический титан, ванадий, хром, марганец и другие металлы. Так как при алюминотермии развивается высокая температура, то смесь окиси железа с алюминием — так называемый термит — применяют для сварки стали. Каждый из вас видел, вероятно, как это делается, например, при сварке трамвайных рельсов. Расплавляемое при горении термита железо стекает на соединенные концы рельсов и сваривает их.

Вряд ли можно назвать много элементов, которые сделали бы столь быструю и блестящую карьеру, как алюминий!

Алюминий стал стремительно проникать в автомобильную, машиностроительную и другие области промышленности, во многих случаях заменяя сталь и железо. В военном судостроении его использование произвело переворот, позволив создать, например, «карманные линкоры» (суда размером с легкий крейсер и мощностью дредноута).

Человек научился получать это «серебро» из природных минералов в огромных масштабах. И «серебро из глины» позволило человеку окончательно покорить воздушную стихию.

Алюминий или его легкие сплавы как нельзя лучше подходят для постройки жестких аэростатов, фюзеляжей, крыльев или цельнометаллических самолетов.

Эта новая промышленность, которая так широко использовала алюминий, выросла с чудесной быстротой на наших глазах.

Когда мы видим летающий над нами самолет, вспомним, что 69 % его веса без мотора приходится на алюминий и его сплавы и что даже в авиационном моторе вес алюминия и магния — двух легчайших металлов — достигает 25 %.

Одновременно с грандиозным потреблением в тяжелой промышленности, с постройкой цельноалюминиевых поездов, с затратой алюминия на машиностроение и особенно на авиационную промышленность, сотни тысяч тонн алюминия расходуются на алюминиевые провода и детали для электрической промышленности.

Но и этим не исчерпывается применение этого металла.

Добавим еще отражательные зеркала прожекторов, ответственные части снарядов и пулеметных лент, осветительные ракеты, алюминиевый порошок в смеси с окисью железа — в зажигательных бомбах. Вспомним о колоссальном значении искусственного кристаллического глинозема (электрокорунда, алундума), получаемого в настоящее время из тех же бокситов и применяемого в так называемом абразивном деле, главным образом в обработке металлов.

Кристаллизуя чистую окись алюминия с добавкой красителей, мы получаем чудесные рубины и сапфиры, не уступающие природным ни по твердости, ни по красоте. Мы применяем их главным образом как не поддающиеся истиранию опорные камни в ответственных частях точных приборов: часовых механизмов, весов, электросчетчиков, гальванометров и тому подобном.

[49] На Кольском полуострове найдены крупнейшие на Земле запасы этого сырья, интенсивно разрабатывается технология извлечения металлического алюминия, главная проблема — высокие затраты энергии. — Науч. ред.