Алюминий является одним из самых распространенных элементов земной коры — его весовой кларк 7,45%.
Атомная масса алюминия 26,97, порядковый номер 13. Атом алюминия имеет электронную конфигурацию ls22s22p6 3s23p1 на внешнем уровне находятся три электрона: два на 3s-подуровне и один на 3р-подуровне.
Энергия ионизации первого 3р1 электрона составляет 574,5 кДж /моль, второго и третьего 3s2-электронов — соответственно 1800 и 2730 кДж/моль.
В обычных условиях металл трехвалентен, при высоких температурах устойчивы и одновалентные его соединения.
Что такое алюминий
Важнейшие физические свойства алюминия:
Температура плавления, °С 660,24
Температура кипения, °С 2497
Плотность твердого при 20 °С, г/см3 2,6996
Плотность жидкого при 1000 °С, г/см3 2,289
Теплота плавления, Дж/г 386
Теплота испарения, Дж/г 8360
Теплопроводность при 0— 100°С, Вт/(см ·°С) 2,17
Удельное электросопротивление при 20 °С, мкО · м 0,0265
Коэффициент линейного расширения 23 · 10-6
Электрохимический эквивалент, г/(А · ч) 0,3354
Стандартный электродный потенциал алюминия составляет —1,67 В, т. е. он является одним из электроотрицательных элементов.
Тем не менее алюминий не окисляется заметно на воздухе — он покрыт тонкой и прочной пленкой оксида (толщиной порядка 10-5 см), предохраняющей металл от окисления.
Чем чище алюминий, тем тоньше и прочнее пленка оксида и выше коррозионная стойкость металла.
От чистоты алюминия зависят также его пластические свойства — чем чище металл, тем легче он подвергается ковке, штамповке, прокатке и резанию.
Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах и в щелочах; в крепкой азотной кислоте и органических кислотах не растворяется.
Металл обладает значительным сродством к кислороду— теплота образования оксида Аl2О3 составляет 1670 кДж/моль.
Этим свойством пользуются в процессах алюминотермического восстановления металлов.
Химические свойства
Хлорид АlСl3 и фторид AlF3 алюминия образуются из элементов со значительным выделением тепла: 680 и 1385 кДж/моль соответственно.
Они обладают высокими давлениями насыщенного пара и склонностью к гидролизу.
При нагревании их с алюминием идут реакции образования летучих субхлорида АlСl и субфторида AlF алюминия.
При охлаждении субсоединения диспропорционируют (разлагаются) на галогенид и алюминий.
При 800 °С алюминий реагирует с азотом, образуя нитрид AlN. Нагревание алюминия в присутствии углерода дает карбид Аl4С3; реакция начинается с 1200 °С.
Если в месте контакта металла с углеродом присутствует расплавленная соль (криолит или другие соли) реакция заметно протекает и при более низких температурах (около 1000 °С).
Алюминий химически не реагирует с водородом, но заметно растворяет этот газ (0,2 см3 в 1 см3 алюминия при 1000 °С).
Замечательные свойства алюминия: малая плотность, высокая электропроводимость, коррозионная стойкость, достаточная механическая прочность в сочетании с высокой пластичностью обеспечили широкое применение как чистого металла, так и сплавов на его основе.
Применение
Чистый алюминий применяется в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, проводов (в том числе для линий электропередач), шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей и т. д.
Применение алюминия для этих целей более оправдано, чем меди, поскольку электропроводимость алюминия составляет по отношению к электропроводимости меди 65%.
Но алюминий легче ее в 3,3 раза, поэтому провода одинаковой электропроводимости из алюминия легче в 2,16 раза медных.
Алюминий высокой чистоты в силу большой коррозионной стойкости широко применяется в химическом машиностроении, для изготовления бытовых приборов и в пищевой промышленности для хранения пищевых продуктов (упаковочные материалы).
Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Первые содержат некоторые количества меди, магния, цинка, кремния и марганца.
Их отличительное свойство — способность к старению, т. е. к улучшению механических характеристик при медленном охлаждении, связанному с распадом твердых растворов.
Литейные сплавы — это силумины, т. е. сплавы алюминия с кремнием, в которые введены добавки меди, магния, марганца и других элементов, а также микродобавки натрия, существенно улучшающие структуру сплава (модификация).
Производство деформируемых сплавов составляет около 80%, литейных — 20% от всего производства алюминиевых сплавов.
Алюминиевые сплавы находят широкое применение в различных областях техники, главным образом в авиастроении, автомобильной промышленности, транспортном машиностроении.
Они применяются также в промышленном и гражданском строительстве.
В США для этих целей расходуется около четвертой части всего производимого алюминия.
Из алюминиевых сплавов изготавливают также контейнеры, с применением которых повышается производительность труда при погрузочно-разгрузочных работах на транспорте.
Большое значение приобретают в настоящее время спеченные алюминиевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС).
Помол порошка осуществляют в контролируемой атмосфере с таким расчетом, чтобы получить на поверхности частиц определенный слой оксида алюминия.
Затем пудру брикетируют и спекают; полученные заготовки можно обрабатывать так же, как и алюминиевые сплавы.
Наличие дисперсных частиц оксида алюминия приводит к упрочнению САП, причем высокие механические свойства их сохраняются до 500 °С.
Процесс электролиза алюминия
Электролиз криолито-глиноземных расплавов является доминирующим способом получения алюминия, хотя некоторое количество алюминиевых литейных сплавов получается электротермическим способом.
Получение алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите, было предложено одновременно в 1886 году французом П. Эру и американцем Ч. Холлом. С тех пор метод Эру — Холла не претерпел принципиальных изменений; сущность его состоит в следующем.
В плоских ваннах (электролизерах), футерованных углеродистыми материалами, находится на подине слой расплавленного алюминия, выше — слой электролита — криолито-глиноземного расплава.
Сверху в ванну опущен угольный анод, частично погруженный в электролит. Катодом служит расплавленный алюминий.
Электролит представляет собой расплавленный криолит с небольшим избытком Al3F, в котором растворен глинозем.
Температура процесса близка к температуре плавления этой смеси и составляет 950—960°С; концентрация глинозема в электролите от 1 до 8% (по массе).
Процесс состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите.
На жидком алюминиевом катоде выделяется алюминий, на аноде происходит окисление выделяющимся кислородом углерода с образованием смеси СО2 и СО.
Теоретически при электролизе должны расходоваться глинозем, углеродистый анод, а также электроэнергия.
Необходимая не только для осуществления электрохимического процесса, но и для поддержания высокой рабочей температуры.
На самом деле расходуется и некоторое количество фтористых солей, которые испаряются и впитываются в футеровку.
На 1 т получаемого металла расходуется, кг: глинозема 1925—1930, угольного анода 500—600, фтористых солей 50—70.
Расход электроэнергии (в переменном токе) составляет 14,5—17,5 МВт · ч на 1 т алюминия.
Производство алюминия является одним из самых энергоемких процессов, поэтому алюминиевые заводы строят вблизи источников энергии.
Все материалы, поступающие на электролиз, должны иметь минимальное содержание примесей более электроположительных, чем алюминий (железо, кремний, медь и др.).
Поскольку эти примеси при электролизе почти полностью переходят в металл.
Для производства алюминия применяют высшие сорта глинозема Г- 00 ÷ Г- 4 (по ГОСТ 6912—74), содержание примесей оксидов железа и кремния в которых составляет от 0,03 до 0,08% и от 0,02 до 0,20% соответственно.
Модификации глинозема
Технический глинозем содержит две модификации — α и γ.
Модификация α, или корунд отличается большой плотностью кристаллической решетки, высокой химической стойкостью и твердостью.
Модификация у имеет менее плотную решетку, очень гигроскопична, химически активна. При нагревании, начиная с 950°С, происходит превращение γ-модификации в α.
Глинозем, поступающий на электролиз, должен содержать 25—30% α-модификации; при большем содержании α-Аl2О3 затруднено растворение глинозема в криолите, при меньшем — глинозем содержит слишком большие количества поглощенной влаги.
Угольная анодная масса, из которой изготавливают аноды, также должна быть чистой: по ТУ 48—5-80-76 она должна иметь золы не более 0,5—1,0% (в зависимости от сорта).
История производства алюминия
В развитии теории и технологии электролитического способа производства алюминия значительный вклад внесли русские и советские ученые и инженеры.
Хотя в дореволюционной России не существовала алюминиевая промышленность, первые теоретические исследования по электролизу криолито-глиноземных расплавов принадлежали П. П. Федотьеву (1864—1934 гг.).
Который вместе с сотрудниками в 1910—1912 гг. исследовал в Петербургском политехническом институте ряд важных вопросов теории: плавкость электролита, растворимость алюминия в нем и предложил схему электродных процессов.
В конце 20-х годов эти теоретические исследования нашли практическое применение — П. П. Федотьев вместе с учениками провел полузаводские опыты по получению алюминия полностью из отечественного сырья.
С начала 30-х годов алюминиевая промышленность в нашей стране стала бурно развиваться.
Был создан в 1931 г. научно-исследовательский и проектный институт в Ленинграде — НИИС алюминия (теперь Всесоюзный алюминиево-магниевый институт — ВАМИ), в 1932 г. пущен первенец алюминиевой промышленности — Волховский завод.
Ряд обстоятельств способствовал и сейчас способствует развитию производства алюминия/
Большие запасы алюминиевых руд в земной коре, рост производства электроэнергии, все расширяющееся применение алюминия и сплавов на его. основе.
По масштабам производства алюминий уже давно занимает первое место среди всех цветных металлов.
Темпы роста также весьма значительны — мировое производство алюминия удваивается каждые 10 лет.
В настоящее время мощность алюминиевых заводов капиталистических и развивающихся стран составляет 14 млн. тонн в год.
Наша страна по темпам роста производства алюминия значительно опережает передовые капиталистические страны.
Статья на тему Свойства применение алюминия