Токсикация соединениями алюминия

Дата создания: 2015/02/10

С тех пор как человек существует на Земле, он непрерывно взаимодействует с окружающей его природой. К сожалению, человек никогда не находился в полной гармонии с природой и не довольствовался только лишь приспособлением к ней. Человек своей хозяйственной деятельностью постепенно изменял среду своего обитания, теперь эта среда изменяет человека: болезни, вызванные качественным изменением окружающей среды, рождение детей с многочисленными отклонениями и уродствами, - это последствия бездумного воздействия людей на воздух, воду, почву, а, значит, и на растения и животных. Очевидно, что теперь перед человечеством стоит задача улучшить окружающую среду, свести к минимуму негативное влияние человека на природу. Эти проблемы помогает решить социальная экология - научная дисциплина, рассматривающая соотношение общества с географической, социальной и культурной средами, т.е. со средой, окружающей человека.

В своей работе мы хотели бы затронуть проблему медленно развивающихся экологических катастроф, к которым относится антропогенная токсикация планеты. Токсикация происходит многими органическими и неорганическими веществами. Из неорганических – это 22 радионуклида и 13 химических элементов, токсичных в виде всех своих водо-, щёлоче- и кислотораствормых соединений: бериллий, алюминий, хром, мышьяк, селен, серебро, кадмий, олово, свинец, сурьма, барий, ртуть, таллий. Эти вещества попадают в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человека и надолго задерживаются в почвах, с водотоком и ветром распространяются на многие сотни и тысячи километров от места выброса, из почвы поступают в растительные организмы, с водой, воздухом и пищей попадают в организмы животных и человека, а результатом этого могут быть как острые отравления со смертельным исходом, так и проявляющиеся через годы хронические заболевания.

В своей работе мы рассмотрели один из экотоксинов – алюминий. Этот элемент относится к наиболее распространённым в земной коре, но в природе встречается в виде малорастворимых и практически нерастворимых соединений. Хозяйственная деятельность человека привела к тому, что алюминий стал переводиться в растворимые соединения, попадать в организмы людей и вызывать серьёзные нарушения здоровья. О токсичности соединений алюминия стало известно сравнительно недавно.

Оказалось, что главными источниками ионов алюминия в пище людей являются водопроводная вода, так как один из этапов очистки воды связан с обработкой солями алюминия, алюминиевая посуда, а также ряд лекарственных препаратов – антацидов. Токсикация солями алюминия наблюдается у растений, рыб и других животных. Исходя из этого, мы определили тему нашей работы: Токсикация соединениями алюминия объектов окружающей среды и людей.

Алюминий – третий по распространённости на Земле элемент. В земной коре алюминия много – кларк его равен 7,5. Растения усваивают алюминий в небольших количествах. В вулканических породах его 80 кг на 1 т породы, а в морской воде – 0,5 кг на 1 т. Обнаружен он и в метеоритах: в каменных метеоритах кремния примерно в 12 раз больше, чем алюминия, а в железных (которые являются, очевидно, осколками ядер разрушившихся планет) алюминия и кремния поровну. Спектроскопические данные показывают, что на Солнце и во Вселенной соотношение кремния к алюминию близко к 10:1 и приблизительно постоянно, тогда как в земной коре оно близко 3,5:1, т.е. алюминия в земной коре в 8 раз больше. «Лишний» алюминий на Земле берется из областей, расположенных под земной корой.

О составе внутренних областей Земли до сих пор можно судить по извергающейся магме, которая, как оказалось, представляет собой в основном гранит – механическую смесь кварца, слюды и полевого шпата. Последние две составляющие относятся к наиболее распространенным магматическим породам, содержащим алюминий, - алюмосиликатам. Для Земли и ее обитателей алюмосиликаты, возможно, имеют значение не только как алюминиевое сырье, но и как своего рода космический насос, который энергию из силовых полей Вселенной перекачивает в недра Земли, создавая постоянный фактор, определяющий форму планеты, участвующий в перемещении материков и даже магнитных полюсов планеты.

Академик Н.В. Белов обратил внимание, что силикаты, залегающие на поверхности земли, по своей структуре отличаются от силикатов, полученных из глубинных областей. Разница большая: в магматических, глубинных алюмосиликатах атом алюминия окружен четырьмя атомами кислорода на расстоянии ~1,7 Å; в поверхностных алюмосиликатах атом окружен уже шестью ионами кислорода со средним расстоянием ~1,9 Å. Увеличение расстояния Al – О означает, что алюмосиликаты на поверхности обладают гораздо большим запасом внутренней химической энергии. Каков источник этого избытка энергии? На поверхности Земли алюмосиликаты подвергаются действию суточных и годовых перепадов температур, ветра, солнечных лучей, космического излучения, силовых полей Вселенной и т.д. и накапливают их энергию, преобразуя ее в химическую энергию связей Al – О. Наконец, под действием химических факторов – воды и углекислоты – алюмосиликаты подвергаются еще и химическому «выветриванию» - превращаются в более простые минералы. Разрыв химических связей эквивалентен поглощению энергии – суммарная химическая энергия осколков больше энергии целого минерала. Следовательно, совокупность этих физических и химических процессов приведет к увеличению внутренней энергии алюмосиликатов. Суммарное увеличение энергии очень велико: ведь алюмосиликаты – основная составная часть земной коры.

Геологическим круговоротом с течением времени (а в геологическом смысле «течение времени» - это миллионы и миллиарды лет) поверхностные алюмосиликаты переместятся на большую глубину и там перейдут в низкоэнергетические магматические алюмосиликаты, отдав всю накопленную на поверхности энергию недрам Земли. Получается геохимический аккумулятор.

На поверхности планеты содержащие алюминий породы подвергаются механическому и химическому разрушению под влиянием ветра, суточных и годовых колебаний температуры, дождей, текучих вод, кислорода, углекислого газа (под действием которого выделяются кремниевые и алюмокремниевые кислоты) и т.д. В умеренном температурном поясе разрушение алюмосиликатов идет до каолина – Al2O3 · 2SiO2 ·2H2O. Это и есть глина – основное сырье керамической промышленности. Частицы каолина имеют пластинчатое строение и могут тесно прилегать друг к другу. Этим объясняются такие свойства глины, как водонепроницаемость и пластичность, причем эти свойства усиливаются с увеличением содержания каолина в глине. Чистый каолин – вещество белого цвета, окраску ему придают примеси песка, известняка, оксидов металлов (обычно бурый цвет глины связан с примесями оксидов железа и марганца). Глины, содержащие много песка, называют суглинками, а CaCO3 или MgCO3 – мергелями. Некоторые интенсивно окрашенные глины используются в качестве минеральных красок – охра, сиена и др.

В жарком и влажном климате разрушение алюмосиликатов идет глубже – каолин расщепляется на оксиды индивидуальных элементов – алюминия и кремния. При этом образуется боксит Al2O3· H2O. Основу природных бокситов составляют кристаллические модификации гидроксида алюминия и алюминиевые кислоты – минералы гидроаргеллит Al(OH)3, бемит AlO(OH), диаспор HAlO2, а также корунд – чистый оксид алюминия Al2O3. Цвет боксита зависит от содержания примесей и колеблется от грязно-белого до кирпично-красного.

Меньше распространен минерал нефелин – очень перспективное сырье для получения алюминия. Он, как и остальные кислородосодержащие минералы – продукт неполного разложения коренных алюмосиликатов (щелочные металлы не полностью замещены на элементы воды). Гораздо реже встречаются галоидные соли алюминия, среди которых наиболее распространен криолит Na3AlF6, имеющий важное значение в технологии получения алюминия, и калиево-алюминиевые квасцы KAl(SO4)2 · 12Н2О. Благодаря последним появилось древнее название – алюмин (так они названы в трудах Плиния). Это первое соединение алюминия, нашедшего практическое применение: еще в древности он использовался в качестве протравы для крашения, а позже – с легкой руки римского полководца Архелая – в качестве огнеупорного покрытия деревянных осадных башен для борьбы с «греческим огнем».

Изредка встречаются драгоценные «алюминиевые» камни: прозрачные кристаллы корунда, окрашенные небольшими примесями других веществ; рубин – окраска его меняется от почти бесцветной до кроваво-красной в зависимости от количества хрома; сапфир, синий цвет которого связан со следами железа и титана, и др. Сейчас эти драгоценные камни, нашедшие широкое применение в лазерной и других областях техники, предпочитают получать искусственно, они по своим свойствам превосходят природные. Для их получения в расплавленный Al2O3 вносят необходимое количество примесей, а затем расплав кристаллизуют, выращивая кристаллы.

Открытие, получение и применение алюминия

В 19 веке алюминий ценился намного дороже золота. На Всемирной выставке в Париже в 1855 г. 1 кг алюминия («серебро из глины» как его тогда называли) стоил более 1000 золотых рублей. Причина столь высокой цены – химическая устойчивость оксида алюминия, являющегося основной частью большинства природных соединений и связанные с этим трудности получения чистого металла.

Впервые предположение о существовании простого вещества – алюминия было высказано в конце 18 века крупнейшим французским химиком А. Лавуазье. В его книге «Методы химической номенклатуры» (Париж, 1787 г.) этот элемент фигурирует под названием alumina. Английский химик Гемфри Деви в 1807 г. попытался получить чистый металл электролитическим способом, но потерпел неудачу. В 1825 г. датскому ученому К.Х. Эрстеду удалось выделить небольшое количество алюминия восстановлением глинозема углем в атмосфере хлора с последующей обработкой получавшегося безводного хлорида алюминия амальгамой калия. Смесь, содержащая металл, энергично разлагала воду (что совсем несвойственно алюминию, всегда покрытому инертной пленкой оксида). Следовательно, алюминия было в этой смеси совсем немного. Однако методика оказалась в принципе удачной и после ее усовершенствования первые 30 г. не вызывающего сомнения алюминия были выделены Ф. Веллером в 1827 г. восстановлением хлорида алюминия металлическим калием:

Удачно разработанный принцип выделения элемента из соединений позволяет первооткрывателем алюминия считать К.Х. Эрстеда. Правда, дальнейшее усовершенствование этого метода существенного успеха не принесло: удавалось получать кусочки металла величиной лишь с булавочную головку.

В 1854 г. Роберт Бунзен и А. Сент-Клер Девиль предложили первый промышленный способ получения алюминия электролизом расплавленной двойной соли Na3AlCl6. В 1856 г. Девиль основал первый завод по производству алюминия электролизом расплавленного боксита, к которому добавляли криолит (Na3AlF6) для снижения температуры плавления. В 1866 г. независимо друг от друга американец Ч.М. Холл и француз П. Эру разработали современный электролитический способ получения алюминия, что резко снизило его стоимость и расширило практическое применение.

Около 100 лет назад Н.Г. Чернышевский сказал об алюминии, что этому металлу суждено великое будущее. Он оказался провидцем: в 20 веке элемент № 13 алюминий стал основой многих конструкционных материалов.

Любопытно проследить динамику производства алюминия за полтора столетия, прошедших с тех пор, как человек впервые взял в руки кусочек легкого серебристого металла.

За первые 30 лет, с 1825 по 1855 г., точных цифр нет. Промышленных способов получения алюминия не существовало, в лабораториях же его получали в лучшем случае килограммами, а скорее – граммами. Когда в 1855 г. на Всемирной парижской выставке впервые был выставлен алюминиевый слиток, на него смотрели как на редчайшую драгоценность. За 36 лет, с 1855 по 1890 г., способом Сент-Клер Девиля было получено 200 т металлического алюминия.

В последнее десятилетие 19 века (по новому способу) в мире получили уже 28 тыс. т алюминия. В 1930 г. мировая выплавка этого металла составила 300 тыс. т.

Поразительны перемены и в стоимости алюминия. В 1825 г. он стоил в 1500 раз дороже железа, в 70-80 гг. 20 века – лишь втрое.

Мировое производство алюминия постоянно растет. Сейчас оно составляет около 2% от производства стали, если считать по массе. А если по объему, то 5-6%, поскольку алюминий почти втрое легче стали. Алюминий уверенно оттеснил на третье и последующие места медь и все другие цветные металлы, стал вторым по важности металлом продолжающегося железного века.

Причин тому множество, главные из них – распространенность алюминия, с одной стороны, и великолепный комплекс свойств – легкость, пластичность, коррозионная стойкость, электропроводность, универсальность в полном смысле этого слова – с другой.

Алюминий поздно пришел в технику потому, что в природных соединениях он прочно связан с другими элементами, прежде всего с кислородом и через кислород с кремнием, и для разрушения этих соединений, высвобождения из них легкого серебристого металла нужно затратить много сил и энергии.

Первый промышленный способ получения алюминия, как уже упоминалось, был разработан лишь в 1855 г., а технически важным металлом алюминий стал лишь на рубеже 19-20 вв. Почему?

Самоочевидно, что далеко не всякое природное соединение можно рассматривать как алюминиевую руду. В середине и даже конце 19 в. в русской химической литературе алюминий часто называли глинием, его оксид до сих пор называют глиноземом. В этих терминах – прямое указание на присутствие элемента № 13 в повсеместно распространенной глине. Но глина – достаточно сложный конгломерат трех оксидов – глинозема, кремнезема и воды (плюс разные добавки); выделить из нее глинозем можно, но сделать это намного труднее, чем получить ту же окись алюминия из достаточно распространенной, обычно красно-бурого цвета горной породы, получившей свое название в честь местности Ле-Бо на юге Франции.

Эта порода – боксит содержит от 28 до 60% Al2O3. Главное ее достоинство в том, что глинозема в ней, по меньшей мере, вдвое больше, чем кремнезема. А кремнезем – самая вредная в этом случае примесь, от нее избавиться труднее всего. Кроме этих оксидов, боксит всегда содержит оксид железа Fe2O3, бывают в нем также оксиды титана, фосфора, магния, кальция и магния.

В годы второй мировой войны, когда многим воюющим странам не хватало алюминия, полученного из боксита, использовали по необходимости и другие виды сырья: Италия получала алюминий из лавы Везувия, США и Германия – из каолиновых глин, Япония – из глинистых сланцев и алунита. Но обходился этот алюминий в среднем впятеро дороже алюминия из боксита, и после войны, когда были обнаружены колоссальные запасы этой породы в Африке, Южной Америке, а позже и в Австралии, алюминиевая промышленность всего мира вернулась к традиционному бокситовому сырью.

В нашей стране существуют опробованные в заводских масштабах способы производства алюминия на основе нефелиносиенитовых и нефелиноапатитовых пород. Есть бокситы в Западной и Восточной Сибири, на северо-западе европейской части страны. На базе Тихвинского бокситового месторождения и энергии Волховской ГЭС начинал свою работу первенец отечественной алюминиевой промышленности - Волховский алюминиевый завод. Дешевая электроэнергия огромных сибирских ГЭС и ГРЭС стала важным «компонентом» развивающейся высокими темпами алюминиевой промышленности Сибири.

Алюминиевое производство энергоемко. Чистый оксид алюминия плавится при температуре 2050 градусов Цельсия и не растворяется в воде, а чтобы получить алюминий, его надо подвергнуть электролизу. Необходимо было найти способ как-то снизить температуру плавления глинозема до 1000 градусов; только при этом условии алюминий мог стать технически важным металлом. Эту задачу блестяще разрешил молодой американский ученый Чарльз Мартин Холл и почти одновременно с ним француз Поль Эру. Они выяснили, что глинозем хорошо растворяется в криолите 3NaF∙AlF3. Этот раствор и подвергают электролизу на алюминиевых заводах при температуре 950 градусов Цельсия.

Аппарат для электролиза представляет собой железную ванну, футерованную огнеупорным кирпичом с угольными блоками, которые выполняют роль катодов. На них выделяется расплавленный алюминий, а на анодах – кислород, реагирующий с материалом анодов (обычно – углем). Ванны работают с невысоким напряжением – 4,0-4,5 в, но при большой силе тока – до 150 тысяч Ампер.

Из электролитических ванн алюминий обычно извлекают с помощью вакуум-ковша и после продувки хлором (для удаления в основном неметаллических примесей) разливают в формы. В последние годы алюминиевые слитки все чаще отливают непрерывным методом. Получается технически чистый алюминий, в котором основного металла 99,7% (главные примеси: натрий, железо, кремний). Именно этот алюминий идет в большинство производств. Если же нужен более чистый металл, алюминий рафинируют. Электролитическое рафинирование с помощью органических электролитов позволяет получать алюминий чистотой 99,999%. Еще более чистый алюминий для нужд промышленности полупроводников получают зонной плавкой или дистилляцией через субфторид.

Алюминий, который надо очистить, нагревают в вакууме до 1000°С в присутствии AlF3. Эта соль возгоняется без плавления. Взаимодействие алюминия с фтористым алюминием приводит к образованию субфторида AlF, нестойкого вещества, в котором алюминий формально одновалентен. При температуре ниже 800°С субфторид распадается снова на фторид и чистый алюминий, а примеси в результате этих процессов переходят в состав фторида.

Повышение чистоты металла сказывается на его свойствах. Чем чище алюминий, тем он легче, хотя и не намного, тем выше его теплопроводность и электропроводность, отражательная способность, пластичность. Особенно заметен рост химической стойкости. Последнее объясняют большей целостностью защитной окисной пленки, которой на воздухе покрывается и сверхчистый, и обычный технический алюминий.

Все перечисленные достоинства сверхчистого алюминия в той или иной степени свойственны и обычному алюминию. Алюминий легок. Его плотность 2,7 г/см3 – почти в 3 раза меньше, чем у стали, и в 3,3 раза меньше, чем у меди. А электропроводность алюминия лишь на одну треть уступает электропроводности меди. Эти обстоятельства и тот факт, что алюминий стал значительно дешевле меди, послужили причиной массового использования алюминия в проводах и вообще в электротехнике.

Высокая теплопроводность в сочетании с более чем удовлетворительной химической стойкостью сделали алюминий перспективным материалом для теплообменников и других аппаратов химической промышленности, домашних холодильников, радиаторов автомобилей и тракторов. Высокая отражательная способность алюминии оказалась очень кстати при изготовлении на его основе мощных рефлекторов, больших телевизионных экранов, зеркал. Малый захват нейтронов сделал алюминий одним из важнейших металлов атомной техники.

Все эти многочисленные достоинства алюминия становятся еще более весомыми оттого, что этот металл в высшей степени технологичен. Он прекрасно обрабатывается давлением – прокаткой, прессованием, штамповкой, ковкой. В основе этого полезного свойства – кристаллическая структура алюминия. Его кристаллическая решетка составлена из кубов с центрированными гранями. Металлы, построенные таким образом, обычно хорошо воспринимают пластичную деформацию. Алюминий не стал исключением.

Но при этом алюминий непрочен. Предел прочности чистого алюминия – всего 6-8 кг/мм3, и если бы не его способность образовывать намного более прочные сплавы, вряд ли алюминий стал бы одним из важнейших металлов двадцатого века.[8, 172-178]