Алюминий

Строение атома

Алюминий – это 13 элемент периодической таблицы. Он находится в третьем периоде, III группе, главной подгруппе.

Свойства и применение алюминия связаны с его электронным строением. Атом алюминия имеет положительно заряженное ядро (+13) и 13 отрицательно заряженных электронов, располагающихся на трёх энергетических уровнях. Электронная конфигурация атома – 1s22s22p63s23p1.

На внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с веществами алюминий переходит в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и другие активные металлы, алюминий является мощным восстановителем.

Рис. 1. Строение атома алюминия.

Алюминий – амфотерный металл, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. В зависимости от условий соединения проявляют кислотные или основные свойства.

Химические свойства

Алюминий — серебристо-белый легкий металл, технический состав плавится при температуре 658 градусов, чистый — при 660, а закипает он при 2518, 8. К физическим свойствам относится и пластичность. Она у вещества очень высокая: 35% и 50% у промышленного и природного сплава соответственно. Его можно раскатать до состояния фольги или тонкого листа.

Модуль Юнга у алюминия составляет 70 ГПа, коэффициент Пуассона — 0,34. Он отлично отражает свет, проводит тепло и электричество. Вещество может взаимодействовать практически со всеми металлами, образует сплавы с кремнием, магнием, медью.

В нормальных условиях алюминий покрыт прочной тонкой оксидной пленкой, поэтому на него не действуют обычные окислители. Но он реагирует на разбавленные серные растворы.

Но если пленка разрушилась — ее могут повредить соли аммония, горячие щелочи или амальгамирование, то вещество превращается в восстановитель. Галий, олово и индий не дают ей образоваться, при этом поверхность металла нужно покрыть легкоплавкими эвтектиками.

Перечень того, с чем реагирует алюминий:

кислородом;
галогенами;
неметаллами;
водой и ее парами;
щелочами;
соляной, азотной и серной кислотами.

При реакции с кислородом образуется оксид алюминия, его формула — 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Фторид вещества: 2Al + 3F2 = 2AlF3. Сульфид образуется при взаимодействии с серой:2Al + 3S = Al2S3, 2Al + N2 = 2AlN — это нитрид металла, 4Al + 3C = Al4C3 — карбид после реакции с углеродом.

Характерная степень окисления алюминия — плюс три, но его атомы могут образовывать дополнительные связи. При взаимодействии со щелочами образуется тетрагидроксоалюминат (или другие алюминаты): 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na (Al (OH)4) + 3H2. Металл можно растворить в разбавленной серной кислоте: 2Al + 3H2SO4 = Al2 (SO 4)3 + 3H2.

Интересна реакция алюминия с водой. Для нее необходимо удалить защитную пленку с помощью раствора горячей щелочи или амальгамы: 2Al + 6H2O = 2Al (OH3) + 3H2. При взаимодействии с окислителями происходит разложение вещества: 2Al + 6H2SO4 = Al2 (SO4)3 + 3SO2 + 6H2O — растворимые соли, уравнение реакций. Химические свойства алюминия включают восстановление металлов из оксидов, реакцию с парами воды.

Основные характеристики алюминия

33 3превышает аналогичный показатель

Благодаря своему составу, этот металл можно легко раскатать в тонкий лист или вытянуть в проволоку. При соприкосновении с воздухом на его поверхности образуется оксидная пленка (оксид алюминия), которая является защитой от окисления и обеспечивает его высокие антикоррозионные свойства. Тонкий алюминий, например, фольга или порошок этого металла мгновенно сгорают, если их нагреть до высоких температур и становятся оксидом алюминия.

Металл не особенно устойчив к агрессивным кислотам. К примеру, его можно растворить в серной или соляной кислотах даже, если они разбавленны, особенно, если их нагреть. Однако он не растворяется ни в разбавленной ни в концентрированной и при этом холодной азотной кислоте, благодаря оксидной пленке. Определенное воздействие на металл имеют водные растворы щелочей — оксидный слой растворяется и образуются соли, содержащие этот металл в составе аниона — алюминаты.

Известно, что алюминий является самым часто встречающимся металлом в природе, но впервые в чистом виде его смог получить ученый-физик из Дании Х. Эрстед еще в 1925 году XIX века. Этот металл занимает третье место по распространенности в природе среди элементов и является лидером среди металлов. 8,8% алюминия содержит земная кора. Его выявили в составе слюд, полевых шпатов, глин и минералов.

Что такое температура плавки металлов?

Итак, для расплавления металл нагревают извне до температуры плавки и продолжают нагревать для преодоления границы фазового перехода. Суть в том, что показатель температуры плавки означает температуру, при которой металл находится в фазовом равновесии, то есть между жидким и твердым телом. Другими словами существует одновременно, как в том, так и в другом состоянии. А для плавления нужно нагреть его больше пограничной температуры, чтобы процесс пошел в нужную сторону.

Стоит сказать о том, что только для чистых составов температура плавки постоянна. Если в составе металла находятся примеси, то это сместит границу фазового перехода, а, соответственно, и температура плавления будет другой. Это объясняется тем, что состав с примесями имеет иную кристаллическую структуру, в которой атомы взаимодейстуют между собой по-другому. Исходя из этого принципа, металлы можно разделить на:

легкого плавления, такие как ртуть и галлий, например, (температура плавки до 600°С)
среднеплавкие — это алюминий и медь (600-1600°С)
тугоплавкие — молибден , вольфрам (больше 1600°С).

Знание показателя температуры плавления необходимо, как при производстве сплавов для правильного расчета их параметров, так и при эксплуатации изделий из них, поскольку этот показатель определяет ограничения их использования. Уже давным давно для удобства ученые физики свели эти данные в одну таблицу. Существуют таблицы температур плавки как металлов, так и их сплавов.

Температура плавления алюминия

температура плавления влияет на выбор

Указанная температура относится к процессу расплавки чистого алюминия. Так как в чистом виде он применяется реже, а введение в его состав примесей меняет температуру плавления. Сплавы алюминия изготавливаются для того, чтобы изменить какие-либо его свойства, увеличить прочность, например, или жароустойчивость. В качестве добавок применяют:

цинк
медь
магний
кремний
марганец.

Обычно добавление других элементов в металл приводит к тому, что температура плавления сплава понижается, но не всегда. К примеру, добавление меди в объеме 5,7% приводит к понижению температуры плавления до 548ºС. Полученный сплав называют дюралюминием, его подвергают дальнейшей термической закалке. А алюминиево-магниевые составы плавятся при температуре 700 — 750ºС.

Во время процесса плавления необходим строгий контроль температуры расплава, а также присутствия газов в составе, которые выявляют через технологические пробы или способом вакуумной экстракции. На заключительной стадии производства сплавов алюминия проводят их модифицирование.

Литейные сплавы

Международная система обозначений литейных алюминиевых сплавов

Международная классификация и система обозначений литейных алюминиевых сплавов представлена в таблице 3.

Таблица 3 – Международная классификация и система обозначений литейных алюминиевых сплавов

Как и деформируемые сплавы литейные сплавы также подразделяются на:

термически неупрочняемые и
термически упрочняемые.

При выборе литейного сплава рассматривают следующие факторы:

тип литейной технологии
требования к механическим и другим свойствам
стоимость

Литейные сплавы, в которых главным легирующим элементом служит кремний, являются наиболее важными для применения в различных инженерных областях. Эти сплавы характеризуются высокой текучестью, так как по содержанию кремния они находятся вблизи эвтектического химического состава. Эти отливки имеют высокую стойкость к коррозии в сочетании с низким коэффициентом термического расширения и хорошей свариваемостью.

Цифра после точки в обозначении литейного алюминиевого сплава

Цифра, которая идет в обозначении литейного сплава после точки, указывает на форму продукции :

Цифра нуль (0) после точки указывает на само литое изделие (отливку)
Цифра один (1) после точки указывает пределы химического состава для слитка, который применяется для изготовления литого изделия ххх.0.
Цифра два (2) после точки указывает на слиток, который применяется для изготовления изделия ххх.0, но слиток другого химического состава (обычно более узкого), чем слиток ххх.1. Хотя и не всегда, ххх.1 часто указывает пределы химического состава для вторичного сплава, тогда как ХХХ.2 указывает пределы химического состава для первичного сплава.

Важно помнить, что «0» после точки указывает на литейное изделие, тогда как «1» или «2» указывают на химический состав слитков, который требуется для изготовления этого литейного изделия (отливки). Поскольку плавление и обработка расплава могут изменять химический состав сплава, который приготовлен для изготовления отливок, требования к химическому составу ххх.1 или ххх.2 всегда являются в определенной степени жестче, чем для требования к химическому составу ххх.0 для готовой отливки. Согласно принятой договоренности слитки ххх.2 всегда имеют более жесткие пределы по химическому составу, чем слитки ххх.1

Согласно принятой договоренности слитки ххх.2 всегда имеют более жесткие пределы по химическому составу, чем слитки ххх.1

Поскольку плавление и обработка расплава могут изменять химический состав сплава, который приготовлен для изготовления отливок, требования к химическому составу ххх.1 или ххх.2 всегда являются в определенной степени жестче, чем для требования к химическому составу ххх.0 для готовой отливки. Согласно принятой договоренности слитки ххх.2 всегда имеют более жесткие пределы по химическому составу, чем слитки ххх.1.

Не все сплавы имеют обе формы слитков – ххх.1 и ххх.2. Многие более традиционные сплавы для литья под высоким давлением будут имеют только слиток из вторичного металла ххх.1, а многие сплавы для литья высококачественных отливок имею только слиток ххх.2.

Буквы в обозначении литейного алюминиевого сплава

Перед цифровым обозначением литейного сплава может быть буква, например, А360.0. Буквы указывают некоторые отклонения от первоначально разработанного сплава, возможно версия с более низким содержанием примесей или дополнительным контролируемым элементом.

Температура плавления металлов

Металлы и неметаллы

Любой кусок металла, например, алюминия, содержит миллионы отдельных кристаллов, которые называются зернами. Каждое зерно имеет свою уникальную ориентацию атомной решетки, но все вместе зерна ориентированы внутри этого куска случайным образом. Такая структура называется поликристаллической.

Аморфные материалы, например, стекло, отличаются от кристаллических материалов, например, алюминия, по двум важным отличиям, которые связаны друг с другом:

отсутствие дальнего порядка молекулярной структуры
различия в характере плавления и термического расширения.

Различие молекулярной структуры можно видеть на рисунке 1. Слева показана плотно упакованная и упорядоченная кристаллическая структура. Аморфный материал показан справа: менее плотная структура со случайным расположением атомов.

Рисунок 1 – Структура кристаллических (а) и аморфных (б) материалов. Кристаллическая структура: упорядоченная, повторяющаяся и плотная, аморфная структура – более свободно упакованная с беспорядочным расположением атомов.

Плавление металлов

Это различие в структуре проявляется при плавлении металлов, в том числе, плавлении алюминия различной чистоты и его сплавов. Менее плотно упакованные атомы дают увеличение объема (снижение плотности) по сравнению с тем же металлом в твердом кристаллическом состоянии.

Металлы при плавлении испытывают увеличение объема. У чистых металлов это объемное изменение происходит весьма резко и при постоянной температуре – температуре плавления, как это показано на рисунке 2. Это изменение представляет собой разрыв между наклонными линиями по обе стороны от точки плавления. Обе эти наклонные линии характеризуют температурное расширение металла, которое обычно является различным в жидком и твердом состоянии.

Рисунок 2 – Характерное изменение объема чистого металла по сравнению с изменением объема аморфного материала : Tg – температура стеклования (перехода жидкого состояния в твердое); Tm – температура плавления

Теплота плавления

С этим резким увеличением объема при переходе металла из твердого состояния в жидкое связано определенное количество тепла, которое называется скрытой теплотой плавления. Это тепло заставляет атомы терять плотную и упорядоченное кристаллическую структуру. Этот процесс является обратимым, он работает в обоих направлениях – и при нагреве, и при охлаждении.

Равновесная температура плавления

Как было показано выше, чистые кристаллические вещества, например, чистые металлы, имеют характерную температуру плавления, которую часто называют «точкой плавления». При этой температуре это чистое твердое кристаллическое вещество плавится и становится жидкостью. Переход между твердым и жидким состоянием для малых образцов чистых металлов настолько мал, что может измеряться с точностью 0,1 ºС.

Жидкости имеют характерную температуру, при которой они превращаются в твердое вещество. Эту температуру называют температурой затвердевания или точкой затвердевания. Теоретически – в равновесных условиях – равновесная температура плавления твердого вещества является той же самой, что и равновесная температура его затвердевания. На практике можно наблюдать небольшие различия между этими величинами (рисунок 3).

Рисунок 3 – Кривые охлаждения и нагрева чистого металла. Видны явления переохлаждения при охлаждении и перегрева при нагреве. В начале затвердевания наблюдается впадина на кривой охлаждения, что объясняется замедленным началом кристаллизации

Температуры ликвидус и солидус

Температура начала плавления называется температурой солидус (или точкой солидус)
Температура окончания плавления – температурой ликвидус (или точкой ликвидус).

«Солидус» означает, понятно, твердый, а «ликвидус» – жидкий: при температуре солидуса весь сплав еще твердый, а при температуре ликвидуса – весь уже жидкий.

При затвердевании этого сплава из жидкого состояния температура начала кристаллизации (затвердевания) будет та же температурой ликвидус, а окончания кристаллизации – та же температура солидус. При температуре сплава между его температурами солидуса и ликвидуса он находится в полужидком-полутвердом, кашеобразном состоянии.

Происхождение

Аллюминий, агрегированный с коркой байерита на поверхности. Узбекистан, Навойская область, Учкудук

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико. Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл: полевые шпаты; бокситы; граниты; кремнезем; алюмосиликаты; базальты и прочие. В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.

Применение

Файл:Aluminum Metal.jpg

Кусок алюминия и американская монетка.

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевая фольга в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной плёнки его тяжело паять.

Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя

Как компонент термита, смесей для алюмотермии
Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.

Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов.
Алюминиево-марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым.
Алюминиево-медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками.
Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборов используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

Ювелирные изделия

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

Алюминий: горючее в ракетных топливах. Применяется в виде порошка и суспензий в углеводородах и др.
Гидрид алюминия.
Боранат алюминия.
Триметилалюминий.
Триэтилалюминий.
Трипропилалюминий.

Теоретические характеристики топлив, образованных гидридом алюминия с различными окислителями.

Окислитель	Удельная тяга(Р1,сек)	Температура сгорания °С	Плотность топлива г/см3	Прирост скорости, ΔVид,25, м/сек	Весовое содерж.горючего %
Фтор	348,4 сек	5009°С	1,504	5328 м/сек	25%
Тетрафторгидразин	327,4 сек	4758°С	1,193	4434 м/сек	19%
ClF₃	287,7 сек	4402°С	1,764	4762 м/сек	20%
ClF₅	303,7 сек	4604°С	1,691	4922 м/сек	20%
Перхлорилфторид	293,7 сек	3788°С	1,589	4617 м/сек	47%
Окись фтора	326,5 сек	4067°С	1,511	5004 м/сек	38,5%
Кислород	310,8 сек	4028°С	1,312	4428 м/сек	56%
Перекись водорода	318,4 сек	3561°С	1,466	4806 м/сек	52%
N₂O₄	300,5 сек	3906°С	1,467	4537 м/сек	47%
Азотная кислота	301,3 сек	3720°С	1,496	4595 м/сек	49%

Как был открыт

Бокситы и глинозем известны людям веками. С алюминием как металлом они познакомились только к середине XIX века.

Мировой опыт

История открытия – это опыты ученых-одиночек:

Первую попытку предпринял Парацельс (XVI век). Он выделил из квасцов «квасцовую землю», содержащую оксид неизвестного металла (алюминия).
Два века спустя процесс повторил немецкий химик Андреас Маргграф. Тоже получил оксид металла, которому присвоил название alumina («вяжущий»).
Первые миллиграммы металла выделил датчанин Ганс Эрстед. Физик-практик выбрал исходником хлорид алюминия. Нагревая и воздействуя калийной амальгамой, получил чистый металл.
Чистый калий, а не амальгаму использовал Фридрих Велер. Восстановив металл (получилось несколько крупинок), описал его свойства.
Еще дальше пошел француз Сент-Клер Девиль. Он изготовил слиток металла, использовав метод Велера. Но вместо калия взял натрий. Девиль предъявил слиток публике на Всемирной выставке в Париже (1855 год), сотворив сенсацию. Спустя год получил металл методом электролиза. Такой успех объясним: ученого спонсировал сам Наполеон III, рассчитывавший приспособить металл для военных нужд.

Получение металла промышленными партиями – заслуга американца Чарльза Холла и француза Поля Эру. Независимо друг от друга они к 1886 году разработали методику расплава глинозема в криолите электролизом.

Металл в России

С глиноземом экспериментировали и русские ученые. Метод, предложенный К.И.Байером, стал классическим для алюминиевой промышленности мира.

Первый алюминиевый завод – Волховский – ввели в строй во времена СССР (1932 год).

Производство сырья исчислялось тысячами тонн. Эта отрасль была на особом счету: ее продукт обеспечивал обороноспособность государства.

Новое «золото»

Первый алюминий был дороже золота:

Европейская знать использовала алюминиевые столовые приборы (гостям попроще выдавались серебряные или золотые). Моду задал своим указом император Франции Наполеон III.
Ювелиры изготавливали украшения класса люкс.
Бесценный подарок сделали англичане русскому гению Дмитрию Менделееву – весы с чашами из золота и алюминия.

Дешевый метод появился к началу ХХ века. В 1911 году во французском Дюрене выпустили первую партию металла. Его назвали в честь этого города. А алюминий перешел в разряд бижутерии.