Алюминий

Материал из Циклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Алюминий

Химический элемент
Мягкий, лёгкий и пластичный металл серебристо-белого цвета
Символ, номер Al, 13
Атомная масса 26,9815386(8) а. е. м.
Электронная конфигурация [Ne] 3s2 3p1
Электроотрицательность 1,61 по шкале Поллинга
Степени окисления 3
Плотность 2,6989 г/см³
Температура плавления 660 °C
Температура кипения 2518,82 °C
Структура кристаллической решетки кубическая гранецентрированая
Теплопроводность (300 K) 237 Вт/(м·К)
Химия 22. Элемент алюминий — Академия занимательных наук

Алюминий (англ. aluminium, нем. Aluminium) — химический элемент III группы периодической системы, его атомный номер — 13, относительная атомная масса — 26,9815. В природе существует единственный стабильный изотоп 27Al. Третий по содержанию элемент (и самый распространенный металл) земной коры (после кислорода и кремния), что составляет примерно 8 % от ее массы.[1]

Содержание

[править] История

Статуя Антерос на площади Пиккадилли в Лондоне, изготовленная в 1893 и является одной из первых статуй, отлитых из алюминия

Название алюминий происходит от слова alumen (квасцы), которое в свою очередь произошло за Исидором (VII в. до н. э.), в связи с применением этого вещества в качестве протравы для краски: «Alumen vocatur a lumin e, quod lumen coloribus praestat tingendis».[2] Плиний описывает квасцы и их соединения и находит память о них еще в трудах Геродота (V в. до н. э.) под названием σττπτηρία. Однако в то время квасцы не отличали от соединений с аналогичным действием, например железного купороса. В чистом виде квасцы были получены, очевидно, алхимиками. Земля, которая была в основе квасцов, то есть оксид алюминия, была впервые получена в 1754 году Маргграф, и позже получила название глинозем.

Хэмфри Дэви в 1808 году определил существование металла основы квасцов, и назвал его алюмиум, а позже алюминум. В течение 1808—1810 годов он пытался электролитически выделить этот металл из глинозема, однако это ему не удалось.

Впервые получить металлический алюминий удалось датскому физику Гансу Кристиану Эрстеду в 1825 году, термическим восстановлением безводного хлорида алюминия амальгамой калия.

Этот способ был усовершенствован Фридрихом Велером, который вместо амальгамы применил чистый калий в 1827 году. Веллеру также принадлежит первое примерно точное описание свойств металла.

В 1854 году Анри Сент-Клер Девиль усовершенствовал метод Веллера и наладил промышленное производство алюминия. Девиль в процессе получения алюминия заменил калий дешевым натрием, а также хлорид алюминия смесью AlCl3 с NaCl, за счет чего компоненты смеси находились в расплавленном состоянии. Опыты на заводе Жавеля завершились успешно и 18 июля 1855 года были получены первые слитки металла массой 6-8 кг, которые были показаны на Всемирной выставке в Париже.[3] В то время алюминий был настолько дорогим, что на выставке он был выставлен рядом с сокровищами из государственной казны, а император Наполеон III использовал посуду из алюминия на государственных приемах.

В 1865 году русский ученый Николай Бекетов применил реакцию взаимодействия между криолитом и магнием для получения алюминия. Его способ мало чем отличался от способа Девилля, но был проще. В немецком городе Гмелингеми в 1885 году был построен завод, который работал по методу Бекетова, где за пять лет было получено 58 т алюминия — более 1/4 всего мирового производства алюминия в течение 1854—1890 годов.[4]

Добыча алюминия химическим способом не могла обеспечить промышленность дешевым металлом, поэтому исследователям пришлось искать другие способы производства алюминия.

Еще в 1854 году Бунзену удалось получить алюминий электролитическим путем, а именно электролизом двойного хлорида натрия и алюминия.

В 1886 году Пауль Эру в Франции и Чарльз Гол в США почти одновременно, независимо друг от друга предложили добывать алюминий электролизом глинозема, расплавлением в криолите, чем начали современный способ получения алюминия. Мировое производство алюминия быстро росло и в 1893 году превысило 1 тыс. тонн в год.

В России первые 8 кг алюминия были получены 27 марта 1929 года в Ленинграде на заводе «Красный избиратель». В 1932 г. вступил в строй первый в СССР Волховский алюминиевый завод, а на следующий год — Днепровский в Запорожье (первый алюминиевый завод на Украине).[5]

[править] Распространение в природе

Алюминий по распространению в земной коре занимает третье место. Его содержание в литосфере согласно А. П. Виноградову 8,05 %. Глобальные запасы алюминия на Земле (в пределах ноосферы) составляют по данным US Geological Survey 2,9 · 1010 т (2012 г.).[6]

В природе встречается исключительно в виде соединений, входит в состав 270 минералов. Наиболее распространенными из них являются двойные силикаты (полевые шпаты, слюды и др.) и продукты их выветривания — глины. С двойных силикатов важнейшие: калиевый полевой шпат или ортоклаз, натриевый полевой шпат или альбит, кальциевый полевой шпат или анортит, плагиоклаз (изоморфные смеси кальциевого и натриевого полевого шпата: олигоклаз, андезин, лабрадорит); слюды: биотит, мусковит, цинвальдит и лепидолит. Близки к полевому шпату нефелин и лейцит. Известны двойные силикаты кальция и алюминия — цоизит, эпидот и везувиан, двойной силикат магния и алюминия — кордиерит. Силикат алюминия встречается в виде минералов: кианита, силлиманита и андалузита. Из алюмосиликатов, содержащих фтор, можно отметить топаз.

[править] Физические свойства

Физические свойства алюминия

Алюминий — серебристо-белый легкий металл, хороший проводник тепла и электричества, пластичен, легко поддается механической обработке.

[править] Кристаллическая структура и атомный радиус

Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (пространственная группа Fm3m). Ближайшее расстояние между двумя атомами составляет 2,863Å. Период кристаллической решетки алюминия a = 4,0414 Å при комнатной температуре[7]. Кристаллическая решетка стабильна при температурах от 4К и до температуры плавления 933К. Параметр решетки очень слабо меняется от наличия примесей.

Атомный радиус алюминия определяется как половина расстояния между ближайшими атомами-соседями в кристаллической структуре и равен 1,43Å. В кристаллической структуре алюминия металлическая связь.

[править] Плотность

Теоретическая плотность алюминия рассчитана по параметрам его кристаллической решетки составляет 2,69872 г / см³. Экспериментальные данные плотности для поликристаллического алюминия 99,996 % чистоты составляют 2,6989 (20 °C) г / см, а для монокристаллов — на 0,34 % выше.

Так, плотность расплавленного алюминия чистотой 99,996 % на 6,6 % меньше, чем у твердого металла, и при температуре 973 К составляет 2357 кг / м³ и почти линейно снижается до 2304 кг / м³ при температуре 1173 К.

[править] Термическое расширение

Коэффициент термического расширения α отожженного алюминия чистотой 99,99 % при температуре 293 К составляет 23 · 10−6 и практически линейно возрастает до 37,3 · 10−6 К−1 при температуре 900 К.

Теплопроводность Теплопроводность полностью отожженного алюминия в твердом состоянии снижается с ростом температуры от 2,37 (298 К) до 2,08 Вт · см−1 · К−1 (933,5 К) и при температурах выше 100 К она малочувствительна к чистоте металла.

При нагревании алюминия и переходе его из твердого состояния в жидкое у него резко уменьшается теплопроводность: с 2,08 до 0,907 Вт · см−1 · К−1, а дальше с ростом температуры она увеличивается и при температуре 1000 ° C составляет уже 1, 01 Вт · см−1 · К−1.

[править] Электропроводность

Удельное сопротивление алюминия высокой чистоты (99,99 %) при температуре 20 °C составляет 2,6548 · 10−8. Проводимость алюминия сильно зависит от его чистоты, причем влияние различных примесей зависит не только от концентрации этой примеси, но и от того она находится в твердом растворе или вне его. Наиболее сильно повышают сопротивление алюминия примеси хрома, лития, марганца, магния, титана и ванадия. Удельное сопротивление ρ (мкОм · м) отожженной алюминиевой проволоки в зависимости от содержания примесей (%) можно приблизительно определить по следующей формуле:

  • ρ = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04 (Ti + V + Cr + Mn)

При температуре 1,175 ± 0,001 К алюминий переходит в сверхпроводящее состояние.

Удельное сопротивление алюминия при переходе из твердого состояния в жидкое скачком возрастает с 11 до 24 мкОм · см.

[править] Плавление и кристаллизация

Температура плавления алюминия очень чувствительна к чистоте металла и для высокочистого алюминия (99,996 %) составляет 933,4 К (660,3 °C), а температура начала кристаллизации алюминия по Шкале температур Кельвина (1968 г.) считается равной 660,37 °C и используется на протяжении десятков лет для калибровки термопар. Повышение внешнего давления увеличивает температуру плавления алюминия, и она достигает 700 °C при давлении около 100 МПа.

Температура кипения алюминия составляет примерно 2452 ° C, скрытая теплота плавления чистого алюминия — 397 Дж · ч−1, а скрытая теплота испарения 9462 Дж · ч−1.

Удельная теплоемкость Ср алюминия при 0 °C составляет 0,90 Дж · ч−1 · К−1, с увеличением температуры вони растет и определяется уравнением:

  • Ср = С0 + bT,

где С0 — теплоемкость при температуре 0 °C; b = 2,96 · 10−3; T — температура (в К).

[править] Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение σ имеет максимальное значение при температуре плавления и с ростом температуры он снижается:

  • σ = 868 — 0,152 (t — tп),

где σ — поверхностное натяжение, Н / м; t — температура, ° C; tп — температура плавления алюминия, °C.

[править] Вязкость

Вязкость алюминия при температуре плавления составляет 0,012 Па · с и увеличивается при наличии даже небольшого содержания твердых включений, например, оксида алюминия и нерастворимых примесей. С ростом температуры вязкость снижается. Легирующие добавки Ti, Fe, Cu увеличивают, а Si и Mg снижают вязкость сплава.

[править] Химические свойства

Алюминий — химически активный элемент. В электрохимическом ряду напряжений он стоит рядом с щелочными и щелочноземельными элементами. Его стандартный электродный потенциал равен −1,67 В.

При обычных условиях алюминий легко взаимодействует с кислородом воздуха и покрывается тонкой (2 · 10 −5 см), но прочной оксидной пленкой Al2О3 (пассивация), которая защищает его от дальнейшего окисления, обуславливая этим высокую коррозионную стойкость, придает ему матового вида и сероватого цвета. Однако при содержании в алюминия или окружающей среде ртути, натрия, магния, кальция, кремния, меди и других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

При 25 °C алюминий реагирует с хлором, бромом, йодом образуя соответственно хлорид алюминия, бромид алюминия, йодид алюминия, при 600 °C — с фтором, образуя фторид алюминия.

Порошкообразный алюминий при температуре выше 800 °C образует с азотом нитрид алюминия. При взаимодействии атомарного водорода с парами алюминия при −196 °C образуется гидрид (AlH) x (x = 1, 2). Выше 200 °C алюминий реагирует с серой, образуя сульфид алюминия. С фосфором при 500 ° C образует фосфид AlP. При 1200 °C алюминий реагирует с углеродом, образуя карбид алюминия. В присутствии расплавленных солей (криолит и др.) эта реакция протекает при меньшей температуре — 1000 °C

Выше 800 °C могут образоваться соединения одновалентного алюминия, например

  • [math]\mathrm{Al_2X_3 + 4\ Al \rightarrow 3\ Al_2X \;\;(X \in \{O, S, Se\})}[/math]

С рядом металлов и неметаллов алюминий образует сплавы, в которых содержатся интерметаллические соединения — алюминиды, обычно достаточно тугоплавкие и обладают высокой твердостью и жаростойкостью.

Благодаря образованию оксидной пленки алюминий довольно устойчив не только в отношении воздуха, но и воды . С водой алюминий не взаимодействует даже при нагревании. Но когда оксидную пленку разрушить, алюминий энергично взаимодействует с водой, вытесняя водород :

  • [math]\mathrm{2\ Al + 6\ H_2O \rightarrow 2\ Al(OH)_3 + 3\ H_2\uparrow \;}[/math]

Алюминий обладает амфотерными свойствами, он реагирует с кислотами и щелочами .

Он легко взаимодействует с разбавленными азотной и серной кислотами:

  • [math]\mathrm{2\ Al + 6\ HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + 3\ NO_2\uparrow + 3H_2O}[/math]
  • [math]\mathrm{2\ Al + 3\ H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3\ H_2\uparrow}[/math]

Очень разбавленные, а также очень крепкие HNO 3 и H 2 SO 4 на алюминий почти не действуют. В отношении ортофосфорной и уксусной кислот алюминий устойчив. Чистый металл также устойчив к соляной кислотакислоте, но обычный технический в ней растворяется.

В растворах сильных щелочей (NaOH, KOH) алюминий растворяется с выделением водорода и образованием алюминатов:

  • [math]\mathrm{2\ Al + 2\ NaOH + 6\ H_2O \rightarrow 2\ Na[Al(OH)_4] + 3\ H_2\uparrow}[/math]

Достаточно энергично он разъедается также раствором NH4OH.

[править] Получение

Получение алюминия

Алюминий получают электролизом раствора глинозема (техн. Al2O3) в расплавленном криолите Na3[AlF6] при 950—960 °C. Состав электролита 75-90 % по массе Na3[AlF6], 5-12 % AlF3, 2-10 % CaF2, 1-10 % Al2O3, молярное отношение NaF / AlF3 = 2,20-2 85.

Промышленный комплекс по получению алюминия включает производство глинозема из алюминиевых руд, криолита и других фторидов, углеродистых анодных и футеровочных материалов и собственно электролитическое получение алюминия.

Электролиз проводят в аппаратах катодом в которых служит дно ванны, анодом — предварительно обожженные угольные блоки или электроды, помещенные в расплавленный электролит.

Расплавленный алюминий при температуре электролиза тяжелее, чем электролит, поэтому накапливается на дне ванны. На аноде выделяется O2, который взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя СО и СО2.

Плотность тока на аноде 0,7-0,9 А / см, на катоде — 0,4-0,5 А / см, для различных типов электролизеров сила тока составляет 100—250 кА, рабочая напряжение 4,2-4,5 В.

Для получения 1 т чернового алюминия расходуется 14500-17500 кВт · ч электроэнергии, 1925—1930 кг глинозема, 500—600 кг анодного материала, 50-70 кг фтористых солей. Суточная производительность одной ванны средней мощности — от 550 до 1200 кг алюминия. Алюминий отбирают из электролизера один раз в 1-2 суток.

Алюминий высокой чистоты (не более 0,05 % примесей) получают электролитическим рафинированием чернового алюминия, содержащий до 1 % примесей. В качестве электролита чаще всего используют расплав Na3[AlF6], BaCl2 (до 60 %) NaCl (до 4 %). Для получения алюминия особой чистоты (не более 0,001 % примесей) применяют зонную плавку.

Алюминий разливают в слитки, которые затем перерабатывают в листы, фольгу, профили, проволока. Он хорошо сваривается, поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению и прессованию, а также обрабатывается методами порошковой металлургии.

[править] Применение

Благодаря таким свойствам, как малая плотность, высокая тепло- и электропроводность, высокая пластичность и коррозионная стойкость, достаточно высокие прочностные свойства (особенно в сплавах) и многим другим ценным качествам, алюминий получил исключительно широкое распространение в различных областях современной техники и играет важнейшую роль среди цветных металлов. Его широкому распространению способствует низкая стоимость среди всех цветных металлов.

Важной особенностью применения алюминия в технике является то, что он достаточно сложно поддается пайке и лужению. Химически стойкая оксидная пленка, создаваемая на его поверхности, трудно удаляется с помощью обычных флюсов В связи с этим, начиная с конца 1930-х годов, ведется поиск новых методов пайки, специально предназначенных для алюминия и его сплавов, одним из которых является ультразвуковая пайка с применением мягких припоев.[8][9]

Чистый алюминий применяется в производстве фольги, которая широко используется для производства электролитических конденсаторов и упаковочных материалов для пищевых продуктов. Благодаря дешевизне и высокой проводимости, меньшей плотности алюминий почти полностью вытеснил медь по производству проводниковой продукции (провода, кабели, шинопроводы и др.) Также алюминий применяют в изготовлении корпусов и охладителей диодов, специальной химической аппаратуры.

Покрытие из алюминия наносят на стальные изделия для повышения их коррозионной стойкости. Способы нанесения: распыление (для защиты стальных изделий, эксплуатируемых в приморских зонах, на химических предприятиях); погружения в расплав (для получения алюминированного стальных лент); вакуумное напыление (для алюминирования лент из стали, тканей, бумаги и пластмасс, инструментальных зеркал); электрохимический способ (для получения материалов и изделий с защитно-декоративными свойствами).

[править] Алюминий в электротехнике

Одним из важнейших потребителей алюминия является электротехническая промышленность.

Основное количество проводниковой продукции — голые, обмоточные и изолированные провода, кабели в одно и многожилковом исполнении производят по двухстадийной технологии: сначала на алюминиевых заводах из жидкого сплава получают заготовку диаметром 9-10 мм, а затем на кабельных заводах волочением ее доводят до нужного диаметра.

Электрическая проводимость отожженного алюминия чистотой 99,6 % составляет 62 % проводимости отожженной меди, предел прочности равна 0,84-2,04 МН / м² в зависимости от степени отжига. При необходимости высших прочностных характеристик используют сплавы с повышенным содержанием легирующих элементов. Для высоковольтных линий электропередачи используют алюминиевые провода, укреплены стальной проволокой или со стальным сердечником.

Шинопровода производят из различных алюминиевых сплавов или из алюминия марки АЕ. Сечения шин достигают больших размеров — их ширина и толщина равны соответственно 800 и 450 мм, а их стоимость составляет лишь треть от стоимости эквивалентных медных шин.

Алюминий в виде фольги толщиной 0,00635 мм используют в сильноточных статических конденсаторах для улучшения коэффициента мощности, а также для телефонных кабелей, радиаторов для охлаждения больших полупроводниковых выпрямителей и во многих других изделиях.

[править] Алюминий в упаковке

Алюминиевая фольга широко используется для упаковки:

  • пищевых продуктов: молочные продукты (йогурт, плавленый сыр, масло), сладости (плитки шоколада, мороженое), кофе, чай, детское питание, сухие продукты (супы, картофельное пюре)
  • напитков: безалкогольные напитки, соки, молоко
  • готовых блюд
  • кормов для животных
  • фармацевтики: таблетки, мази, трансдермальные терапевтические системы
  • косметики: тубы зубных паст, влажные салфетки
  • промышленных товаров: клеи, чернила картриджей, химикаты

[править] Алюминиевые сплавы

Главное применение алюминия — производство сплавов на его основе. Алюминий — основа легких сплавов. Легирующие добавки (медь, кремний, магний, цинк, марганец) вводят в алюминий главным образом для повышения его прочности. Широко распространены дуралюмины, содержащие медь и магний, силумины, в которых основными добавками являются кремний, магналий (сплав алюминия с 9,5-11,5 % магния). Главными преимуществами всех сплавов алюминия является их малая плотность (2,5-2,8 г / см³), высокая прочность (в пересчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии по сравнению дешевизна и легкость получения и обработки. Алюминиевые сплавы используют в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении и во многих других отраслях промышленности. Раньше использовали для производства посуды. По частоте использования сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

[править] Порошки алюминия

Большое практическое значение имеют алюминиевые порошки и частицы. Размер частиц составляет от 0,015 до 17000 мкм, а размер порошков — от 1 до 1000 мкм. Форма может быть сферической, в виде тонких чешуек и частиц неправильной формы.

Порошки производятся по разным технологиям и отличаются размерами и физико-химическими свойствами. Получают порошки распылением в струе воздуха или воды, методом центробежного литья, гранулированием через вибрирующее сито с последующим охлаждением водой, размола в мельницах, охлаждением алюминия из газовой фазы и др.

Алюминиевые порошки используются в металлургии в качестве легирующих добавок, в алюмотермии (для термитной сварки и восстановления соединений Cr, Mn, W, Ca). Порошки применяются в химической промышленности для синтеза алюмоорганичних соединений и в качестве катализатора, а также для получения ряда соединений алюминия.

Алюминиевые порошки применяют как компонент взрывчатых веществ, пиротехнических смесей и твердого ракетного топлива. Вследствие реакции окисления алюминия выделяется большое количество энергии, поэтому летучие вещества, которые входят в состав ВР или топлива нагреваются до высокой температуры.

Алюминиевая пудра и паста используются как пигменты лакокрасочных материалов. Пудра также применяется как газообразователь в производстве ячеистых бетонов.

Также из алюминиевых порошков изготавливают различные детали методами порошковой металлургии. Это позволяет снизить отходы металла к минимуму, а также детали из испеченных порошков обладают уникальными характеристиками и в ряде случаев заменяют такие металлы как титан и высокопрочные марки стали.

[править] Биологическая роль

Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих обнаружено от 10 −3 до 10 −5 % алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения — от 4 мг (мёд) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (говядина). В дневном рационе человека содержание алюминия достигает 35-40 мг. Известны организмы — концентраторы алюминия, например плауны (Lycopodiaceae), которые содержат в золе до 5,3 % алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2-0,8 % Алюминия.

Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).

[править] Источники

  1. Bassam Z. Shakhashiri. Chemical of the Week: Aluminum. Science is Fun
  2. Ludwig Darmstaedter; René Du Bois-Reymond, D. Carl Schaefer (1908). Handbuch zur geschichte der naturwissenschaften und der technik: In chronologischer darstellung. J. Springer. с. 43.
  3. Сент-Клер Девиль
  4. Колодин Э. А.; Свердлин В. А., Свобода Р. В. (1980). Производство обожженных анодов алюминиевых электролизеров. М.: Металлургия. с. 84.
  5. Кравчук П. А. Рекорды природы. — Любешов: Эрудит, 1993, 216 с.
  6. http://www.cmmarket.ru/markets/alworld.htm
  7. George E. Totten, D. Scott Mackenzie (2003). Handbook of Aluminum: Physical metallurgy and processes (англ.). CRC Press. с. 38.
  8. Клубович, Владимир Владимирович; Тявловский, Михаил Доминикович; Ланин, Владимир Леонидович (1985). Ультразвуковая пайка в радио- и приборостроении. Минск: Наука и техника.
  9. Виноградов Н. В. (1970). Производство электрических машин. Москва: Энергия. с. 244—246.

[править] Литература

  • Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3

[править] Ссылки

Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты