Свойства алюминия

СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

АлюминийАлюминий — главный представитель группы легких металлов, входящей в третью группу Периодической системы Д. И. Менделеева. Нейтральный атом алюминия, имеющий радиус 1,43 Å, характеризуется внутренним заполненным К-слоем с двумя электронами на ls-орбите (1s2); заполненным L-слоем с двумя электронами на 2s-opбитe и 6 электронами на 2р-орбите (2s22p6); на внешнем (валентном) М -слое — три электрона: два на 3s-орбите и один — на 3р-орбите. Вследствие этого алюминий в основных соединениях трехвалентен и образует ион Аl3+. Для отрыва электрона, расположенного на 3р-орбите, требуется значительно меньше энергии, чем для отрыва других электронов, поэтому при определенных условиях могут образовываться одновалентные ионы алюминия Аl+ и соответствующие его соединения (AlF, АlСl).

Наиболее важное свойство алюминия — малая плотность (2,7 г/см3). Она почти в три раза меньше плотности железа. Другими важными свойствами алюминия, благодаря которым он нашел широкое применение в электротехнике и двигателестроении, являются его высокие электропроводность и теплопроводность.

Алюминий пластичен, химически стоек против азотной и органических кислот. Поверхность алюминия на воздухе быстро покрывается плотной и прочной пленкой окиси толщиной 2•10-5 см, которая препятствует дальнейшему проникновению кислорода к металлу и придает алюминию высокую коррозионную стойкость, однако против щелочей он не стоек. Установлено существование трех искусственных радиоактивных изотопов алюминия с периодами полураспада, равными нескольким секундам и минутам. Устойчивых изотопов у алюминия не обнаружено.

Расход тепла на расплавление алюминия вследствие значительной величины теплоты плавления и большой темплоемкости довольно велик, несмотря на относительно невысокую температуру плавления (660°С). Температура кипения близка к 2500°С.

Алюминий относится к хорошо деформируемым металлам, так как имеет подобно у-железу, никелю, меди, золоту и серебру кристаллическую решетку гранецентрированного куба. Отожженный алюминий непрочен, но его можно упрочнить, например, путем холодной прокатки.

Свойства алюминия зависят от его чистоты. Чем меньше введено в металл примесей и добавок, тем выше его коррозионная стойкость и электропроводность, однако добавками некоторых металлов можно значительно улучшить ряд свойств алюминия, например, прочностных и литейных. К таким металлам относятся магний, кремний, медь, цинк и марганец. В алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением, с целью повышения их механических свойств добавляют магний, медь и марганец. Так, сплавы алюминия с небольшими добавками меди, магния и марганца— дуралюмины, после старения имеют такую же прочность, как конструкционные углеродистые стали.

Литейные алюминиевые сплавы обычно содержат значительное количество кремния, который повышает их жидкотекучесть и уменьшает объемную усадку. Однако механические свойства таких сплавов хуже, чем сплавов, обрабатываемых давлением.

Если относить прочность не к одинаковому сечению, а к одинаковой массе то окажется, что алюминиевые сплавы прочнее мягкой стали и близки по прочности к высококачественной стали.

Алюминиевые сплавы хорошо переносят ударную нагрузку, так как поглощение энергии у них при ударе в три раза выше, чем у стали.

Вследствие указанных свойств алюминия важнейшим его потребителем стало самолетостроение. В последние десятилетия алюминиевые сплавы все шире применяют в автомобилестроении, и в транспортном машиностроении. Изготовление пассажирских вагонов дает возможность значительно сократить вес поезда и повысить безопасность движения за счет уменьшения пути торможения.

Применение алюминиевых сплавов в судостроении для палубных надстроек, дымовых труб, мачт, шлюпок и т. д. дает возможность увеличить грузоподъемность судов или уменьшить их осадку, что особенно важно для речных судов. Наряду с этим увеличивается остойчивость судов, так как с уменьшением массы палубных надстроек опускается центр тяжести.

После 1950 г. в США стали применять алюминий и его сплавы для несущих конструкций подъемно-транспортных сооружений (стрелы экскаваторов, фермы мостовых кранов), что позволило снизить массу этих конструкций на 50%, уменьшить установочные мощности и пути торможения, увеличить скорости перемещения груза и повысить производительность кранов. Соответственно снижается масса подкрановых путей, стоек, балок, эстакад, противовесов, а иногда и размеры фундаментов.

Алюминиевые сплавы стали основным материалом при изготовления всевозможных двигателей внутреннего сгорания, для которых важна не только легкость, но и высокая теплопроводность.

В электротехнике широко используют чистый алюминий и некоторые его сплавы для изготовления проводов, а также алюминиевых выпрямителей, конденсаторов и т. д.

Современное приборостроение немыслимо без алюминия. Кинофотоаппаратура, радиоаппаратура и другие отрасли приборо-строения используют алюминиевые сплавы как основной материал.

Благодаря большому сродству к кислороду алюминий восстанавливает большинство металлов из их окислов. На этой особенности алюминия основана целая отрасль металлургии — алюмо-термия, занимающаяся получением различных редких металлов из их окислов путем восстановления этих окислов порошкообразным алюминием. Алюмотермией получают чистый хром, ванадий, стронций, барий, литий и другие металлы.

Низкосортный алюминий используют для раскисления некоторых сталей. Из алюминия делают сосуды для хранения уксусной, олеиновой, стеариновой и других органических кислот, а также аппаратуру для производства борной кислоты, жиров, спиртов, масел, лаков, эфиров, глицерина и т. д.

В пищевой промышленности широко используют алюминиевую аппаратуру в молочном, кондитерском, пивоваренном, сахарном производствах. Поскольку соединения алюминия безвредны для человека, для упаковки пищевых продуктов служит алюминиевая фольга.

В послевоенные годы алюминий и его сплавы стали широко применять для изготовления мебели и других предметов домашнего обихода. Алюминиевую пудру применяют как краску. За рубежом значительно расширилось применение алюминия в строительстве, особенно для изготовления кровли, оконных рам, перил. Часть высотных зданий в США строится из алюминиевых блоков. В ювелирной промышленности алюминиевым сплавам путем анодирования придают цвет золота, серебра и другие оттенки, изготовляют корпуса часов и различные украшения. Наконец, корпуса ракет и многие части искусственных спутников земли изготовлены из алюминиевых сплавов.

В связи с многообразным применением производство алюминия быстро росло и в шестидесятых годах он прочно занял второе место среди металлов, применяемых в технике. В ряде областей техники используют различные соединения алюминия. Плавленую окись алюминия (Аl2О3)—корунд — используют для изготовления шлифовальных кругов, так как она является прекрасным абразивным материалом. Из чистой окиси алюминия изготовляют жаропрочные изделия, искусственные рубины, а также высококачественные зубные цементы. Безводный хлористый алюминий служит катализатором при переработке нефти и в органических синтезах. Сернокислый алюминий [Al2(SО4)3] применяют в качестве коагулятора при очистке воды от взвешенных частиц и бактерий. Широке известны алюминиевые квасцы [например, КАl(SO4)2 •12Н2O], применяющиеся в текстильной, кожевенной и бумажной промышленности.

 

Статья на тему Свойства алюминия