სამოქალაქო ინჟინერიის სტუდენტებთან ქიმიის ლაბორატორიული მეცადინეობების ჩატარებისას ამ სემესტრის ჯგუფი ყველაზე მეტად ალუმინით დაინტერესდა. არც გამკვირვებია, რადგან ინჟინრების ფავორიტი ლითონი გახლავთ.
ფაქტობრივად, ყველაზე გავრცელებული და გამოყენებადი ლითონია. ახლა, რომ ნოუთბუქზე ვბეჭდავ და თქვენც კომპიუტერის ან ტელეფონის საშუალებით კითხულობთ, მათი კორპუსებიც ამ მეტალის არის. აბა შეამოწმეთ… მსუბუქია ხომ? კი, ალუმინი ყოფილა.
ნახევრად ძვირფას ქვებშიც ალუმინია. მაგ. Al2O3 ალუმინის ოქსიდი მინერალი კორუნდია. მისი ფერი დამოკიდებულია მინარევებზე. წითელი ლალია, ლურჯი საფირონი (ზოგიერთი წარმოშობის საფირონი სილიციუმს შეიცავს). ტოპაზი კი ალუმინოსილიკატია ფორმულით Al2[SiO4](FOH)2. თიხა, რომელსაც უძველესი დროიდან მოვიხმართ, შეიცავს, როგორც ალუმინის ოქსიდს, ასევე სილიკატსაც Al2(OH)4Si2O5, რომელსაც კაოლინიტი ეწოდება. თიხას ძირითადად ჭურჭლისთვის იყენებენ. ალუმინის წარმოებისთვის კი უფრო მნიშვნელოვანი ბოქსიტი Al2O3·H20 და ალუნიტია KAl3(SO4)2(OH)6
ალუმინსილიკატებიდან აღსანიშნავია ცეოლითები, ორთოკლაზი, ალბიტი, ანორთიტი, კაოლინი (საფაიფურე თიხა, Al2O3 ·2SiO2·2H2O). დედამიწის ქერქში ალუმინის შემცველობა 8,8%-ია.
სითბოსა და ელექტროგამტარობის მიხედვით, ვერცხლის, სპილენძისა და ოქროს შემდეგ, ალუმინი მეოთხე ადგილზეა. თუმცა, გარე გაყვანილობებში სპილენძთან შედარებით სწორედ ალუმინის მავთულებს ანიჭებენ უპირატესობას. რატომ? ის კოროზიას არ განიცდის. ჰაერის ჟანგბადთან შეხებისას ალუმინის ზედაპირზე ოქსიდური ფენა წარმოიქმნება. ეს ფენა აბრკოლებს მეტალში აირებისა და სითხეების შეღწევას და იცავს მას შემდგომი დაჟანგვისგან. გამოდის, რომ ალუმინი თავისი თავის დამცველია.
ადრე ალუმინი ყველაზე ძვირფას ლითონად მიიჩნეოდა. თავისუფალი სახით მისი მიღება ძვირი ჯდებოდა. ამიტომ, ბევრმა წყალმა ჩაიარა მის გაიაფებამდე.
1808 წელს ჰამფრი დევი ელექტროლიზის მეშვეობით Al2O3-დან ალუმინის გამოყოფას ცდილობდა. მაშინ ეს მეტალი თავისუფალი სახით ჯერ არც არავის ენახა, დევი კი მის არსებობაში დარწმუნებული იყო. მან მხოლოდ ალუმინისა და რკინის შენადნობის მიღება მოახერხა, თუმცა სახელი სწორედ მან დაარქვა. წერდა, თუ ბედმა გამიღიმა და მივიღე ლითონი, რომელსაც ვეძებ, ალუმინს დავარქმევო.
ალუმინის მისაღებად ცდები ჰანს ერსტედმა გააგრძელა და 1825 წელს ალუმინის ქლორიდის მიღება შეძლო, მერე კალიუმთან შეალღო და ტყვიის მსგავსი მეტალი გამოყო. ამის შესახებ მან მაშინვე აცნობა ერთ-ერთ სამეცნიერო ჟურნალს და ექსპერიმენტები შეწყვიტა. საქმე ფრიდრიხ ველერმა გადაიბარა. 18-წლიანი მუშაობის შემდეგ მან სუფთა ალუმინის მიღება მოახერხა, ეს ძალიან ძვირი ჯდებოდა.
1854 წელს ფრანგმა ქიმიკოსმა სენ-კლერ დევილმა მეთოდი შედარებით გააიაფა – ალუმინის მიღების პროცესში ძვირად ღირებული აღმდგენი კალიუმი შედარებით იაფი ნატრიუმით შეცვალა – და თავისი მეთოდი 1855 წელს პარიზში, გამოფენაზე სახელწოდებით „ვერცხლი თიხისგან“ წარადგინა.
ლაბორატორიაში ინჟინრებთან ჩვენც ჩავატარეთ ცდა: ავიღეთ სინჯარა და ჩავყარეთ ალუმინის ქლორიდი, დავამატეთ ნატრიუმის ნაჭერი, დავაფარეთ აზბესტი და დავიწყეთ გაცხელება. ნივთიერებები გალღვა, დაიწყო რეაქცია და წარმოიქმნა მეტალური ალუმინი:
AlCl3+3Na=Al+3NaCl.
მეთოდი მეცხრამეტე საუკუნის დასასრულ გაიაფდა. პრობლემაზე ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად მუშაობდა ორი ქიმიკოსი – ამერიკელი სტუდენტი მარტინ ჰოლი და ფრანგი ინჟინერი პოლ ერუ. ისინი კრიოლიტში გახსნილი ალუმინის ოქსიდის ელექტროლიზს აწარმოებდნენ. შედეგი მშვენიერი იყო, მაგრამ ელექტროენერგიის დიდი დანახარჯი ახლდა თან. ქარხნის აგების შემდეგ ეს პრობლემა მოგვარდა. ქარხანა შვეიცარიაში ააგეს, რაინის ჩანჩქერის გვერდით. მარტინ ჰოლი იმ დროს 21 წლის იყო. მოგვიანებით მას არაერთი პრემია მიენიჭა. მეცნიერმა კოლეჯს თავისი მემკვიდრეობის დიდი ნაწილი – 5 მილიონი დოლარი დაუტოვა. იგი 54 წლისა ლეიკემიით გარდაიცვალა. მის მშობლიურ ქალაქში, კოლეჯის წინ კი მისი ძეგლი დგას, მის მიერვე მიღებული ელექტროლიზური ალუმინისგან ჩამოსხმული.
ალუმინი მსუბუქი მეტალია. მასზე უფრო მსუბუქი ტუტე და ტუტე მიწა მეტალებია. თუმცა, ამ მსუბუქ მეტალთაგან სამშენებლო საქმეში მხოლოდ ალუმინის გამოყენებაა შესაძლებელი. ჰო, კიდევ ბერილიუმიც შეიძლება გამოვიყენოთ და სხვადასხვა დეტალი დავამზადოთ, თუმცა ის ძალიან ძვირფასია და მისი მტვერი უაღრესად საზიანოა. ალუმინი მსუბუქიცაა, მაგნიუმივით იოლად არ იწვება, არც ტუტე მეტალებივით შედის წყალთან რეაქციაში და არც ბერილიუმივით ძვირი და საზიანოა. ჰოდა, ინჟინრების ფავორიტი მეტალი გახდა. ყველა საქმეში იყენებენ – მშენებლობიდან დაწყებული ტრანსპორტით დამთავრებული.
თუმცა, თავად სუფთა ალუმინი პლასტიკური და რბილია. აი, მისი შენადნობები სხვა საქმეა. თუ ალუმინს დავამატებთ სკანდიუმს Sc, მიღებული შენადნობი უფრო მტკიცე გახდება. ასეთივე სიმტკიცეს იძენს მაგნიუმთან. თუ კალციუმს დავამატებთ, ნაკლებად კოროზიული გახდება.
ალუმინის მავთულს თუ ცეცხლის ალში შევიტანთ, გალღვება, მაგრამ წვის რეაქციაში არ შევა, რადგან უკვე წარმოქმნილი ალუმინის (III) ოქსიდის ფენა დაიცავს. თუმცა, თუ ამავე ცეცხლის ალში წვრილდისპერსულ ალუმინის ფხვნილს შევიტანთ, ოქსიდის წარმოქმნით მკვეთრი ალით დაიწვება. ეს რეაქცია ბენგალურ ცეცხლშია გამოყენებული.
ზემოთ დავწერე, ალუმინის ოქსიდის ფენა ალუმინს სხვადასხვა რეაქციისგან იცავს მეთქი. სწორედ ამის გამო გახდა შესაძლებელი ალუმინის ჭურჭლის დამზადება. სხვაგვარად, ალუმინი მასში მომზადებულ წვნიანთანაც შევიდოდა რეაქციაში. რა მოხდება, თუ ალუმინის ქვაბს ამ ფენას მოვაცილებთ? მაგ. ფაიფურის ტიგელში მოვათავსოთ გალიუმის ნაჭერი და ალუმინის ფოლგა. გავაცხელოთ, რათა გალიუმი გალღვეს, შემდეგ ორი მეტალი წკირით ერთმანეთს შევურიოთ. მივიღებთ ორი მეტალისგან შემდგარ ნარევს. თუ მას წყლით სავსე ჭიქაში ჩავასხამთ, გალიუმი წყალთან არ იმოქმედებს, ალუმინი კი საკმაოდ აქტიურად შევა რეაქციაში. წარმოიქმნება ჰიდროქსიდი:
2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2.
სხვათა შორის, ალუმინის დამცავი ფენის მოცილება მერკურის ნიტრატითაც შეიძლება. თუმცა, მე არც გალიუმი მაქვს ლაბორატორიაში და არც ვერცხლისწყლის ნიტრატი. სამაგიეროდ, მაქვს სუფრის მარილი და სპილენძის სულფატი. ჰოდა, ახლავე საქმეს მივხედავ.
https://www.youtube.com/shorts/i-zbbTOs5Lk
ჯერ ნატრიუმის ქლორიდი და სპილენძის სულფატი ურთიერთქმედებს ერთმანეთთან და წარმოქმნის სპილენძის კომპლექსურ ნაერთს:
4NaCl+CuSO4=Na2[CuCl4]+Na2SO4.
შემდეგ, ეს კომპლექსური ნაერთი შლის ალუმინის ოქსიდის დამცავ ფენას და ალუმინი წყალთან შედის რეაქციაში. წარმოიქმნება ალუმინის ჰიდროქსიდი და ბუშტუკების სახით წყალბადი გამოიყოფა:
Na2[CuCl4]+Al2O3=2AlOCl+2NaCl+CuO
დღეს უკვე ალუმინის ჭურჭელი სულ უფრო იშვიათად გამოიყენება სამზარეულოში. აღმოჩნდა, რომ მომზადების პროცესში მჟავა გარემოს პროდუქტებთან შეუძლია რეაქციაში შესვლა. შედეგად, საკვების საშუალებით ალუმინი ჩვენს ორგანიზმში მოხვდება და დაგროვდება, დააზიანებს ნერვულ სისტემას.
ჰო, მაგრამ უამრავი ალკოჰოლური თუ გაზიანი სასმელიც ხომ ალუმინის ქილებშია. ჰოდა, ეს გაზიანი სასმელები, შეიცავენ კოფეინსაც და ფოსფორმჟავასაც.
ანუ? ალუმინი გროვდება ასეთ სასმელში?
ავიღოთ ნებისმიერი გაზიან-შაქრიანი სასმლის შემცველი ალუმინის ქილა და ჩაუშვათ განზავებულ გოგირდმჟავაში.
2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2
ერთი დღის შემდეგ ქილა შევამოწმოთ. ალუმინი აღარ იქნება, სამაგიეროდ საღი იქნება პოლიეთილენის პარკი, რომელშიც სასმელი ასხია.
ასეთი ექსპერიმენტების დროს ქილა უნდა გავხსნათ და სითხის ნაწილი გადავასხათ, რადგან რეაქცია ეგზოთერმულია და ქილა შეიძლება უბრალოდ გასკდეს.
ალუმინი რეაგირებს მარილმჟავასთანაც და ფოსფორმჟავასთანაც. კონცენტრირებულ გოგირდმჟავასთან გაცხელება სჭირდება. კონცენტრირებულ აზოტმჟავასთან გაცხელებითაც არ შედის რეაქციაში, განზავებულთან კი მოლეკულური აზოტი გამოიყოფა.
ახლა კიდევ ერთი ქილა ავიღოთ და ნატრიუმის ტუტის ხსნარში ჩავუშვათ. ტუტე ალუმინის ოქსიდსაც გახსნიდა:
Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[Al(OH)4].
ალუმინს კი უფრო მარტივად გახსნის:
2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2.
რა გამოვიდა? ალუმინი ამფოტერული ბუნებისაა.
ამფოტერულობა რას ნიშნავს, თავად გაიხსენეთ.
მე კი იმას შეგახსენებთ, რომ ის ინჟინრების ფავორიტი ლითონი გახლავთ.
