Алюминий

Алюминий это химический элемент, простое вещество, имеет формулу Al, считается одним из самых востребованных металлов.

Который используется в быту, промышленности, в сельском хозяйстве, ядерной, космической промышленности и т.д.

Основные минералы для его получения боксит, нефелин, алунит, каолин и др.

Что такое алюминий

(Aluminium; от лат. alumen (aluminis) — квасцы], Al — химический элемент 13-й группы, по устаревшей III группы периодической системы элементов.

Атомный номер 13, атомная масса 26,98154.

Серебристо-белый металл, при обычных условиях покрыт тонкой окисной пленкой.

Во всех  устойчивых   соединениях   алюминий трехвалентен, но при высоких т-рах может быть одновалентным (образуя субсоединения) и значительно реже, двухвалентным.

Состоит из стабильного изотопа ²⁷Al.

Впервые алюминий в свободном виде выделил в 1825 датский ученый X. К. Эрстед. Первый промышленным способ произ-ва Al предложил в 1854 франц. химик А. Э. Сент-Клер Девиль.

Распространение в природе

По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов. Его содержание в земной коре составляет 8,8%.

В свободном состоянии в природе не встречается из-за высокой химической активности. Главная масса алюминия сосредоточена в боксит, нефелин, алунит, каолин и др.

Наиболее ценная алюминиевая руда — бокситы, где содержится около 50% окиси алюминия.

Физические свойства

Кристаллическая решетка алюминия гранецентрированная кубическая с периодом а = 4.0414А (т-ра 20° С).

Плотность (т-ра 20° С) 2,7 г/см³, t_пл 660° С, t_кип 2327° С, температурный коэфф. линейного расширения (т-ра 25° С) 24,3 X  10^-6 град^-1

Удельная теплопроводность (т-ра 20° С) 0,538 кал/см • сек • град, удельная теплоемкость (т-ра 20° С) 0,215 кал/г.

Удельное электрическое сопротивление (т-ра 20° С) 2,66•10^-6 ом • см, электрическое сопротивление проводникового алюминия не более 0,028 ом • мм²/м.

Температурный коэффицент электрического сопротивления А.— 0,004 градˉ¹. Алюминий слабо парамагнитен.

Отличается пластичностью, легко поддается прессованию, прокатке, ковке, штампованию и волочению.

Предел прочности на растяжение 8—10 кгс/мм², предел текучести при растяжении 3 кгс/мм².

Относительное удлинение 35 %, относительное сужение 80 %, твердость по Бринеллю 25, модуль норм, упругости 7100 кгс/мм², модуль сдвига 2600 кгс/мм².

После холодной прокатки предел прочности возрастает до 18—25 кгс/мм², твердость по Бринеллю — до 45 —60, относительное удлинение уменьшается до 3—5%.

Алюминий отличается высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов — после серебра, меди и золота).

Полная электронная формула атома алюминия:
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹

Сокращенная электронная конфигурация Al:
[Ne] 3s² 3p¹

Электропроводность

Примеси и легирующие добавки снижают электропроводность алюминия, особенно марганец, ванадий, хром и титан, в меньшей степени — никель, кремний, цинк, железо и медь.

Так, электропроводность алюминия чистотой 99,997% составляет 65,5% электропроводности меди, а электропроводность алюминия чистотой 99,5% снижается до 62,5%.

Алюминий относится к химически активным металлам.

На воздухе быстро покрывается тонкой прочной окисной пленкой толщиной 50—100 А, защищающей   от   дальнейшего   окисления.

Пленка имеет высокое электро сопротивление   (напряжение   пробоя превышает 500 в) и, в отличие от органических изоляторов, выдерживает высокие т-ры.

Алюминий образует соединения почти со всеми элементами, растворяется  в к-тах и щелочах.

Однако он может успешно использоваться в коррозионных средах,  в к-рых поверхностная защитная пленка окиси алюминия нерастворима.

Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью в воде, в том числе кипящей и морской.

Он устойчив в уксусной, лимонной, винной и др. органических к-тах.

Химические свойства алюминия

Металлические свойства выражены у алюминия гораздо сильнее , чем у бора , но химические связи алюминия с другими металлами ещё в основном ковалентного характера .

В отличие от бора атом алюминия имеет свободные d— подуровни на внешнем электронном уровне .

Кроме того, ион Al³⁺  отличается небольшим радиусом при довольно высоком заряде и поэтому является комплексообразователем с координационными числами четыре (как у бора) и шесть .

Химически чистый алюминий — серебристо белый металл плотность 2,7 г/см³ c температурой плавления 660,1°C.

Имеет гранецентрированную кубическую решетку, отличается хорошей пластичностью в холодном и горячем состояниях .

Алюминий — активный металл с большим сродством к кислороду. На воздухе быстро покрывается защитной оксидной плёнкой, а в воде — защитной плёнкой гидроксида.

Разрушение защитной плёнки (путём амальгамации) приводит к быстрой коррозии алюминия на воздухе и к активному взаимодействию его с водой:

2Al + 6H₂O = 2Al( OH )₃ +3H₂↑

Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, но в разбавленных серной кислоте и соляной кислоте он легко растворяется:

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂( SO₄ )  + 3H₂↑

С водными растворами щелочей алюминий взаимодействует, образуя тетрагидроксодиаквааюминат :

2Al + 2NaOH + 10H₂O = 2Na[Al( OH )₄( H₂O )₂] + 3H₂↑

но могут получатся и гидроксоалюминаты Na[Al( OH )₅] или Na₃[Al( OH )₆].

Взаимодействие с галогенами при обычной температуре, алюминий образует галиды — летучие и гигроскопичные вещества , дымящие на воздухе вследствие гидролиза:

AlCl₃ + H₂O ⇄  AlOHHCl₂ + HCl

Непосредственная реакция с неметаллами, алюминий образует нитрид AlN (при 800°C), сульфид Al₂S₃ ( при 1000°C ), карбид Al₄C₃ ( при 2000°C ).

С водородом алюминий не реагирует, а полимерный гидрид его (AlH₃)n получают косвенным путём.

Оксид алюминия

Оксид Al₂O₃ — единственный для алюминия — может получен при нагревании на воздухе мелкораздробленного металла или алюминиевой фольги:

2Al +³/₂ O₂ = Al₂O₃

Это белое тугоплавкое, нерастворимое в воде вещество.

Встречается в виде минерала корунда, занимающего по плотности 2 место после алмаза.

Прозрачные кристаллы корунда бывают окрашены в красный или синий цвет (рубин и сапфир).

В настоящее время рубины получают искусственно для технических целей.

Кристаллы рубинов приобрели значение как квантовые усилители (генераторы) электромагнитных излучений; усилителями радиоволн называют мазерами, а усилителями световых волн — лазерами.

Непрозрачные, содержащие много примесей кристаллы корунда, известны как наждак, применяемый для шлифовки и обработки металлов.

Оксид алюминия амфотерен.

При сплавлении его с едкими щелочами получаются соли мета алюминиевой кислоты HAlO₂  например мета алюминат калия:

Al₂O₃ + 2KOH = 2KAlO₂ + H₂O

Он взаимодействует и с кислотами:

Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O

Но сильно прокаленный оксид алюминия не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах.

Измельченный и активированный метаалюминатом натрия оксид алюминия используют как минеральный ионообменник под названием (окись алюминия для хроматографии).

Гидроксид алюминия

Гидроксид алюминия Al(OH)₃ осаждают, действуя щелочами на растворы солей:

AlCl₃ + 3NaOH = Al(OH)₃ + 3NaCl

Белый студенистый осадок гидроксида алюминия растворяется в кислотах:

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl3 + 3H₂O

Растворяется в избытке растворов щелочей:

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

то есть проявляет амфотерность.

Формула Na[Al(OH)₄] не вполне соответствует составу продукта реакции, в действительности у алюминия координационное число равно шести и получается тетрагидрооксодиакваалюминат натрия:

Al(OH)₃ + OH⁻ + 2H₂O = [Al(OH)₄(H₂O)₂]⁻

Но при сплавлении со щелочами гидроксид алюминия образует соли метаалюминиевой или ортоалюминиевой кислот:

Al(OH)₃ + NaOH = NaAlO₂ + 2H₂O

или ортоалминат натрия :

Al(OH)₃ + 3NaOH = Na₃AlO₃ + 3H₂O

У гидроксида алюминия основные и кислотные свойства выражены приблизительно одинаково.

Соли алюминия хорошо растворимы в воде , легко гидролизуются и некоторые из них (Al₂S₃) то есть на основание и кислоту.

Хлорид алюминия AlCl₃ известен как катализатор в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O применяется для очистки природных вод от коллоидных частиц, которые захватываются гидроксидом алюминия , образующимся при гидролизе соли .

Сульфат калия — алюминия (алюмокалиевые квасцы) KAl(SO₄)₂ · 12H₂O применяется в кожевенной промышленности, служит протравой при крашении хлопчатобумажных тканей.

Растворимость в кислотах и других веществах

Алюминий практически не взаимодействует с концентрированной азотной к-той, мн. органическими веществами и пищевыми  продуктами.

Быстро растворяется в растворах едких щелочей (образуя алюминаты), соляной, плавиковой и бромистоводородной к-тах. Слабо взаимодействует с борной к-той.

При обычных т-рах не взаимодействует с водой, парами воды, окисью и двуокисью углерода; при достаточно высоких т-рах способен реагировать с ними.

Алюминий устойчив в растворах сернокислых нейтральных солей магния, натрия, а также гипосульфита. Мало влияют на металл сернистый газ, аммиак и сероводород.

Взаимодействие с веществами

Добавление к воде щелочей, солей, ртути, меди и ионов хлора увеличивает его  коррозию.

Водород растворяется в твердом алюминии, с повышением    т-ры   растворимость увеличивается (при т-ре 350° С она составляет 0,002   см³/100 г, а при т-ре 660° С — 0,036 см³/100 г).

Компактный в среде азота покрывается тонкой пленкой нитрида.

С галогенами, серой и фосфором взаимодействует при высоких т-рах. С более электроположительными элементами образует алюминиды.

При нагревании алюминий восстанавливает большинство   окислов    др.   металлов, что используется в  алюмотермии.

Производство алюминия заключается в получении окиси алюминия из алюминиевых   руд   щелочным, кислотным, электротермическим или комбинированными способами.

Получение первичного металла электролизом окиси алюминия (в спец. аппаратах — электролизерах),    растворенной   в расплавленном криолите при т-ре около 950° С, и рафинировании этого металла.

Небольшие добавки фторидов кальция, магния и   натрия улучшают физико-хим. св-ва электролита,    повышая    эффективность электролизеров.

Макс, содержание окиси алюминия в электролите — 6—8%.

Получение алюминия

В производстве используют электролизеры с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым или верхним подводом тока, электролизеры с обожженными анодами.

Катодом служит подина ванны, анодом — погруженные   в   электролит угольные  обожженные  блоки или набивные самообжигающиеся электроды.

Ванну эксплуатируют  при напряжении 4,0—4,5 в. Сила тока, подводимая   к   электролизерам,— 130—160 ка.

Плотность тока на аноде 0,7—0,8  а/см², на катоде 0,4—0,5а/см². Расход электроэнергии на произ-во 1mA. составляет 14 000— 15000квт-ч.

Черновой алюминий содержит примеси от к-рых его очищают продуванием расплава хлором при т-ре 750—770 С в течение 10—15 мин, после чего разливают в чушки.

Получение чистого алюминия

Чистота первичного Al 99,7—99,5%. Перспективен хлоридный способ получения алюминия позволяющий уменьшить затраты энергии и слизать загрязнение окружающей среды.

В зависимости от способа получения и хим. состава различают:

1. Алюминий особой чистоты,
2. Алюминий высокой чистоты,
3. Алюминий технической чистоты.

Алюминий особой чистоты (марки А999) содержит не более 0,001% примесей.

Получают его зонной плавкой и дистилляцией через субгалогениды электролитически рафинированного металла.

Для более глубокой очистки эти способы   комбинируют.

Применяется для научно-исследовательских целей, в полупроводниковой и ядерной технике.

Алюминий высокой  чисто-т ы (марок А995, А99, А97, А95) содержит от 0,005 до 0,05% примесей.

Сложность получения алюминия

Сложность получения алюминия обусловливается тем , что оксид алюминия не проводит электрический ток и отличается высокой температурой плавления 2050°C .

Поэтому электролизу подвергают расплавленную смесь , содержащую 6 — 8% Al₂O₃ и 92 — 94%  криолита Na₃[AlF₆] .

Кроме того, в расплав добавляют фториды кальция, магния или алюминия для понижения температуры плавления электролита и улучшения хода процесса.

В результате всего этого удаётся вести процесс при температуре 960°C. Дно электролизёра, собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом.

Алюминиевые каркасы, расположенные сверху и заполненные угольными брикетами, играют роль анодов:

Al₂O₃ ⇄ Al³⁺+ AlO₃³ˉ

На катоде выделяется металлический алюминий:

Al³⁺+ 3eˉ = Al

а на аноде газообразный кислород:

2AlO — 6e = ³/₂O₂↑+ Al₂O₃

По мере накопления на дне электролизёра расплавленного алюминия его выпускают, а расплав добавляют новые порции полутораокиси алюминия.

Выделяющийся кислород взаимодействует с углём анода, который выгорает с выделением окиси и двуокиси углерода.

Применение алюминия

Полученный из первичного металла технической чистоты дополнительным рафинированием по трехелойному способу, снижающему содержание примесей железа, кремния, титана, меди и др.

Используется в основном при произ-ве специальной хим. аппаратуры, электр. конденсаторов и др.

Алюминий технической  чистоты    (марок А85, А8, А7, А6, А5, АО, А и АЕ) содержит от 0,15 до 1,00% примесей.

Марок А85 и А8 применяют для  произ-ва   алюминиевого проката, марок А 7, А6 и А5 — для получения алюминиевых:

1. Сплавов.
2. Фольги.
3. Произ-ва кабельных  и токопроводящих  изделий.
4. Алюминиевого порошка.
5. Для плакирования и пр.

Сплавы

Для изготовления сплавов на алюминиевой и др. основах, спец. лигатур, кабельных и токопроводящих изделии применяют металл марки ДО.

Для подшихтовки алюминиевых сплавов, изготовления лигатур, в алюмотермни — металл марки А.

Для произ-ва алюминиевой катанки — металл марки АЕ.

Металл высокой и технической чистоты выпускают в чушках массой 5; 15 и 1000 кг. Осн. виды алюминиевых полуфабрикатов — листы, проволока и полосы.

Поставляют полуфабрикаты и изделия в горячекатаном,   нагартованном   и отожженном состоянии.

Малая плотность металла, высокая электропроводность, достаточная механическая прочность и высокая коррозионная стойкость по отношению к некоторым химическим реагентам, а также низкая   себестоимость   обусловливают широкое применение в различных областях техники.

Применение в атомной промышленности

Относительно низкое сечение поглощения тепловых нейтронов, малая чувствительность структуры и мех. св-в к радиационному воздействию.

А также значительная коррозионная стойкость в некоторых    средах-теплоносителях позволяют использовать как конструкционный материал ядерных реакторов, гл. обр. с водяным охлаждением.

Применяют также для изготовления защитных оболочек тепловыделяющих элементов, трубопроводов.

Алюминий служит основой для алюминия сплавов, легирующим элементом в магниевых, цинковых, медных, титановых и других сплавах.

Малая плотность, пластичность и устойчивость к коррозии обеспечили алюминию применение в авиа — и автопромышленности.

Он входит в состав лёгких сплавов:

1. Дуралюмина (сплав алюминия, меди, магния и марганца).
2. Силумина (сплава алюминия и кремния) и некоторых других.

Из алюминиевых сплавов изготовляют корпуса искусственных спутников Земли и космических кораблей.

В электротехнике алюминий заменил медь как материал для изготовления проводов.

Используется как восстановитель при выплавке металлов (алюминотермия):

Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃

Алюминотермию, открыл Н.Н. Бекетовым в 1859 г. применяют и для сварки металлических деталей.

При этом смесь порошкообразных алюминия и оксида железа ( II , III ) Fe₃O₄ называемую термитом:

8Al + 3Fe₃O₄ = 9Fe + 4Al₂O₃

в результате реакции развивается температура около 3000°C, получившееся железо плавится, стекая вниз и сваривает детали.

Биологическое значение

Помимо технического алюминий имеет также большое биологическое значение.

Низкие концентрации ионов алюминия стимулируют некоторые процессы жизнедеятельности растений, например прорастание семян.

Но более высокие концентрации (> 2 мг/л раствора), снижают интенсивность фотосинтеза, нарушают фосфорный обмен, задерживают рост корневой системы.

Присутствие катионов Al в почве отчасти обусловливает вредную для растений обменную кислотность почвенного раствора.

Ионы алюминия обычно поглощаются почвенными коллоидами, но под действием нейтральных солей (например, хлорид калия) они вытесняются из почвенного поглощающего комплекса.

В результате катионообменного процесса ионы алюминия переходят в почвенный раствор.

Получившаяся при этом соль гидролизуется:

AlCl₃ + H₂O ⇄ HCl + Al( OH )Cl₂

В результате гидролиза происходит нежелательное повышение концентрации водородных ионов в почвенном растворе ( понижение величины pH ).

Другое применение

На основе алюминия методом порошковой металлургии созданы спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся высокой жаропрочностью.

Используют для раскисления стали, получения некоторых металлов  методом алюмотермии, взрывчатых веществ.

А также в композиционных материалах на различной основе.

Изотопы алюминия

Природный алюминий, это стабильный изотоп  ²⁷Al

Несколько радиоактивных изотопов алюминия получены искусственно, из них применяется как меченый атом.

Имеет 22 известных изотопа от ²²Al до ⁴³Al и 4 известных изомера.

Распространение

По распространённости в литосфере алюминий занимает первое место среди металлов и общее третье место (после кислорода и кремния).

В следствие большой химической активности он не встречается в свободном состоянии.

Важные руды алюминия:

1. Бокситы Al₂O₃ · nH₂O (содержащего 32 — 60% Al₂O₃).
2. Алунит K₂SO₄ · Al₂( SO₄ )₃  · 2Al₂O₃ · 6H₂O.
3. Каолин Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O.
4. Нефелин Na₂O · Al₂O₃ · 2SiO₂ , залегающий совместно с апатитом.

Алюминий входит также в состав многочисленных полевых шпатов : ортоклаза K[AlSiO₈] , альбита Na[AlSi₃O₈] , цеолита , слюда и др.

Часто задоваемые вопросы ответы о алюминие?

При какой температуре плавится алюминий?

Температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C. удельная теплота плавления — 390 кДж/кг. температура кипения — 2518,8 °C.

Какая молярная масса алюминия?

Молярная масса (в кг/моль) = Mr[Al] : 1000 = 26.9815386 : 1000 = 0.02698 кг/моль.

Какова плотность алюминия?

Плотность — 2712 кг/м³. температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C. удельная теплота плавления — 390 кДж/кг.

Как понять алюминий металл или неметалл?

Алюминий – химически активный металл и проявляет себя как восстановитель. Однако его активность снижает оксидная пленка, которая образуется на его поверхности.

Что делают из алюминия?

С помощью алюминия делают металлические конструкции, провода, профлисты; Алюминий зачастую используется в производстве автомобильных устройств и производстве деталей для машин.