Властивості алюмінію

АЛЮМІНІЙ (Aluminium; від лат. Alumen (aluminis) – галун], Al – хім. Елемент III групи періодичної системи елементів; ат. Н. 13, ат. М. 26,98154. Сріблясто-білий метал, при звичайних умовах покритий тонкою окисної плівкою. У всіх сполуках А.трехвалентен, але при високих т-рах може бути одновалентним (утворюючи субсоедіненія) і, вначітельно рідше, двовалентних. Складається з стабільного ізотопу 27Al. Вперше А. у вільному вигляді виділив в 1825 датський вчений X. К. Ерстед. Перший пром. спосіб произова А. запропонував в 1854 франц. хімік А. Е. Сент-Клер Девіль.
За поширеністю в природі А. займає перше місце серед металів. Його вміст у земній корі становить 8,8%. У вільному стані в природі не зустрічається через високу хім. активності. Головна маса А. зосереджена в бокситах, нефелинів, алунітів, каолінах та ін. Найбільш цінна алюмінієва руда – боксити, де міститься близько 50% окису алюмінію. Кристалічна решітка А. гранеіентріровапная кубічна з періодом а = 4.0414А (т-ра 20 ° С), щільність (т-ра 20 ° С) 2,7 г / см³, tпл 660 ° С, tкип +2327 ° С, температурний коеф. лінійного розширення (т-ра 25 ° С) 24,3 X 10-6 град-1, питома теплопровідність (т-ра 20 ° С) 0,538 кал / см • сек • град, питома теплоємність (т-ра 20 ° С) 0,215 кал / г XX граду питомий електричний опір (т-ра 20 ° С) 2,66 • 10-6 ом • см, електричне сопротивле ня провідникового А. не більше 0,028 ом • мм2 / м, температурний ко-еф. електричного опору А.- 0,004 градˉ¹. А. слабо парамагнитен. Відрізняється пластичністю, легко піддається пресуванню, прокатці, куванні, штампуванню і волочіння.
Межа міцності на розтяг 8-10 кгс / мм2, межа текучості при розтягуванні 3 кгс / мм2, відносне подовження 35%, відносне звуження 80%, твердість по Брінеллю 25, модуль норм, пружності +7100 кгс / мм2, модуль зсуву +2600 кгс / мм2 . Після холодної прокатки межа міцності зростає до 18-25 кгс / мм2, твердість по Брінеллю – до 45 -60, відносне подовження зменшується до 3-5%. А. відрізняється високою електропровідністю (четверте місце серед металів – після срібла, міді і золота). Домішки і легуючі добавки знижують електропровідність А., особливо марганець, ванадій, хром і титан, меншою мірою – нікель, кремній, цинк, залізо і мідь. Так, електропровідність А. чистотою 99,997% становить 65,5% електропровідності міді, а електропровідність А. чистотою 99,5% знижується до 62,5%. А. відноситься до хімічно активних металів. На повітрі швидко покривається тонкою міцною окисної плівкою товщиною 50-100 А, що захищає від подальшого окислення.
Плівка має високу електр. опір (напруга пробою перевищує 500 в) і, на відміну від органічних ізоляторів, витримує високі т-ри. А. утворює сполуки майже з усіма елементами, розчиняється в к-тах і лугах. Однак він може успішно використовуватися в корозійних середовищах, в яких брало поверхнева захисна плівка окису А. нерастворима. А. відрізняється високою корозійною стійкістю у воді, в тому числі киплячій і морський. Він стійкий в оцтової, лимонної, винної та ін. Органічних к-тах. А. практично не взаємодіє з концентрованою азотною к-тій, мн. органічними речовинами і харчовими продуктами, Швидко розчиняється в розчинах їдких лугів (утворюючи алюмінати), соляної, плавикової і бромистоводневої к-тах. Слабо взаємодіє з борною к-тій. При звичайних т розчинах не взаємодіє з водою, парами води, окисом і двоокисом вуглецю; при досить високих т-рах здатний реагувати з ними. А. стійкий в розчинах сірчанокислих нейтральних солей магнію, натрію, а також гіпосульфіту. Мало впливають на А. сірчистий газ, аміак і сірководень.
Додавання до води лугів, солей, ртуті, міді та іонів хлору збільшує його корозію. Водо-род розчиняється у твердому А., з підвищенням т-ри розчинністьзбільшується (при т-рі 350 ° С вона становить 0,002 см3 / 100 г, а при т-рі 660 ° С – 0,036 см3 / 100 г). Компактний А. в середовищі азоту покривається тонкою плівкою нітриду. З галогенами, сіркою і фосфором А. взаємодіє при високих т-рах. З більш електропозитивні елементами утворює алюмініди. При нагріванні А. відновлює більшість окислів ін. Металів, що використовується в алюмотермії. Произ-во А. полягає в отриманні окису алюмінію з алюмінієвих руд лужним, кислотним, електротермічним або комбінованими способами, отриманні первинного металу електролізом окису алюмінію (в спец. Апаратах – електролізерах), розчиненої в розплавленому кріоліті при т-рі близько 950 ° С, і рафінуванні цього металу. Невеликі добавки фторидів кальцію, магнію і натрію покращують фізико-хім. св-ва електроліту, підвищуючи ефективність електролізерів. Макс, вміст окису алюмінію в електроліті – 6-8%.
У виробництві використовують електролізери з безперервними самообжігающіміся анодами і бічним або верхнім підведенням струму, електролізери з обпаленими анодами. Катодом служить подина ванни, анодом – занурені в електроліт вугільні обпалені блоки або набивні самообжігающіеся електроди. Ванну експлуатують при напрузі 4,0-4,5 в. Сила струму, що підводиться до електролізерів, – 130-160 ка. Щільність струму на аноді 0,7-0,8 а / см², на катоді 0,4-0,5а / см² .. Витрата електроенергії на произ-во 1mA. становить 14 000- 15000кВт-ч.Черновой А. містить домішки від яких брало його очищають продуванием розплаву хлором при т-рі 750-770 С протягом 10-15 хв, після чого розливають у чушки. Чистоті первинного А, 99,7-99,5%. Перспективний хлорідпий спосіб отримання А .. дозволяю щі і зменшити витрати енергії і злизати забруднення навколишнього середовища. Залежно від способу отримання та хім. складу розрізняють: А. особливої ​​чистоти, А. високої чистоти і А. технічної чистоти. А. особливої ​​чистоти (марки А999) містить не більше 0,001% домішок. Отримують його зонної плавкою і дистиляцією через субгалогеніди електролітично рафінованого металу. Для більш глибокого очищення ці способи комбінують. Застосовується для науково-дослідних цілей, в напівпровідниковій і ядерній техніці. А. високою чисто-т и (марок А995, А99, А97, А95) містить від 0,005 до 0,05% домішок.
Отримують цей метал з первинного металу технічної чистоти додатковим рафінуванням по трьох л о й ному способу, снижа юще-му вміст домішок заліза, кремнію, титану, міді та ін. Використовується в основному при произове спеціальної хім. апаратури, електр. конденсаторів і ін. А. технічної чистоти (марок А85, А8, А7, А6, А5, АТ, А і АЕ) містить від 0,15 до 1,00% домішок. А. марок А85 і А8 застосовують для произова алюмінієвого пуття та, А. ма рок А 7, А6 і А5 – для отримання алюмінієвих сплавів, фольги, произова кабельних і струмопровідних виробів, алюмінієвого порошку, для плакирования та ін. Для виготовлення сплавів на алюмінієвій та ін. основах, спец. лігатур, кабельних і струмопровідних виробі застосовують метал марки ДО, для підшити-товки алюмінієвих сплавів, виготовлення лігатур, в алюмотер-мні – метал марки А, для произова алюмінієвої катанки – метал марки АЕ. А. високої й технічної чистоти випускають в чушках масою 5; 15 і 1000 кг. Осн. види алюмінієвих напівфабрикатів – листи, дріт і смуги.
Поставляють напівфабрикати і вироби в гарячекатаному, нагартованной і отожженном стані. Мала щільність металу, висока електропровідність, достатня механічна міцність і висока корозійна стійкість по відношенню до деяких хім. реагентів, а також низька собівартість обумовлюють широке застосування А. в різних областях техніки. Щодо низький перетин поглинання теплових нейтронів, мала чутливість структури і хутро. св-в до радіаційного впливу, а також значна корозійна стійкість в деяких середовищах-теплоносіях дозволяють використовувати А. як конструкційний матеріал ядерних реакторів, гл. обр. з водяним охолодженням. А. застосовують також для виготовлення захисних оболонок тепловиділяючих елементів, трубопроводів. А. служить основою для алюмінію сплавів, легуючим елементом в магнієвих, цинкових, мідних, титанових та інших сплавах.
На основі А. методом порошкової металургії створені спечені алюмінієві сплави, що відрізняються високою жароміцністю. А. використовують для розкислення сталі, одержання деяких металів методом алюмотермії, вибухових речовин, а також в композиційних матеріалах на різній основі. Див. Також Алюмінієва бронза, Алюмінієва латунь. Алюмінієвий чавун, алюмо-нирование, Алітування.
Природний алюміній – це стабільний ізотоп 27Al
Кілька радіоактивних ізотопів алюмінію отримані штучно, з них … застосовується як мічений атом.
За поширеністю в літосфері алюміній займає перше місце серед металів і загальне третє місце (після кисню і кремнію). в наслідок великий хімічної активності він не зустрічається у вільному стані.
Важливі руди алюмінію – боксити Al2O3 · nH2O (що містить 32 – 60% Al2O3), алуніт K2SO4 · Al2 (SO4) 3 · 2Al2O3 · 6H2O, каолін Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O, нефелін Na2O · Al2O3 · 2SiO2, що залягає спільно з апетитом.
Алюміній входить також до складу численних польових шпатів: ортоклаза K [AlSiO8], альбіта Na [AlSi3O8], цеоліту, слюда та ін.
Складність отримання алюмінію обумовлюється тим, що оксид алюмінію не проводить електричний струм і відрізняється високою температурою плавлення +2050 ° C. Тому електролізу піддають розтоплену суміш, яка містить 6 – 8% Al2O3 і 92 – 94% кріоліту Na3 [AlF6]. Крім того, в розплав додають фториди кальцію, магнію або алюмінію для зниження температури плавлення електроліту і поліпшення ходу процесу. В результаті всього цього вдається вести процес при температурі 960 ° C. Дно електролізера, складене з блоків спресованого вугілля, що є катодом. Алюмінієві каркаси, розташовані зверху і заповнені вугільними брикетами, відіграють роль анодів:

Al2O3 ⇄ Al³⁺ + AlO3³ˉ

На катоді виділяється металевий алюміній:

Al³⁺ + 3eˉ = Al

а на аноді газоподібний кисень:

2AlO – 6e = ³ / 2O2 ↑ + Al2O3

У міру накопичення на дні електролізера розплавленого алюмінію його випускають, а розплав додають нові порції полутораокісі алюмінію. Вирізняється кисень взаємодіє з вугіллям анода, який вигоряє з виділенням окису і двоокису вуглецю.

Металеві властивості виражені у алюмінію набагато сильніше, ніж у бору, але хімічні зв’язки алюмінію з іншими металами ще в основному ковалентного характеру.
На відміну від бору атом алюмінію має вільні d- підрівні на зовнішньому електронному рівні.
Крім того, іон Al³⁺ відрізняється невеликою радіусом при досить високому заряді і тому є комплексоутворювачем з координаційними числами чотири (як у бору) і шість.
Хімічно чистий алюміній – сріблясто білий метал щільність 2,7 г / см³ c температурою плавлення 660,1 ° C, має гранецентрированную кубічну грати, відрізняється хорошою пластичністю в холодному і гарячому станах.
Алюміній – активний метал з великим спорідненістю до кисню. На повітрі швидко покривається захисною оксидною плівкою, а у воді – захисною плівкою гідроксиду. Руйнування захисної плівки (шляхом амальгамації) призводить до швидкої корозії алюмінію на повітрі і до активної взаємодії його з водою:

2Al + 6H2O = 2Al (OH) 3 + 3H2 ↑
Холодна концентрована азотна кислота пасивує алюміній, але в розбавлених сірчаної кислоті і соляній кислоті він легко розчиняється:

2Al + 3H2SO4 = Al2 (SO4) + 3H2 ↑

З водними розчинами лугів алюміній взаємодіє, утворюючи тетрагідроксодіаквааюмінат:

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

але можуть вийдуть і гідроксоалюмінат Na [Al (OH) 5] або Na3 [Al (OH) 6].
Взаємодія з галогенами при звичайній температурі, алюміній утворює Галогеніди – летючі і гігроскопічні речовини, що димлять на повітрі внаслідок гідролізу:

AlCl3 + H2O ⇄ AlOHHCl2 + HCl

Безпосередня реакція з неметалами, алюміній утворює нітрид AlN (при 800 ° C), сульфід Al2S3 (при 1000 ° C), карбід Al4C3 (при 2000 ° C). З воднем алюміній не реагує, а полімерний гідрид його (AlH3) n отримують непрямим шляхом.
Оксид Al2O3 – єдиний для алюмінію – може отримати при нагріванні на повітрі мелкораздробленного металу або алюмінієвої фольги:

2Al + ³ / 2 O2 = Al2O3

Це біле тугоплавкое, нерозчинна у воді речовина. Зустрічається у вигляді мінералу корунду, що займає по щільності 2 місце після алмазу. Прозорі кристали корунду бувають пофарбовані в червоний або синій колір (рубін і сапфір). В даний час рубіни отримують штучно для технічних цілей. Кристали рубінів набули значення як квантові підсилювачі (генератори) електромагнітних випромінювань; підсилювачами радіохвиль називають Мазер, а підсилювачами світлових хвиль – лазерами.
Непрозорі, що містять багато домішок кристали корунду, відомі як наждак, застосовуваний для шліфування та обробки металів.
Оксид алюмінію амфотерен. При сплаві його з їдкими лугами виходять солі мета алюмінієвої кислоти HAlO2 наприклад мета алюмінат калію:

Al2O3 + 2KOH = 2KAlO2 + H2O

Він взаємодіє і з кислотами:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O

Але дуже прожарений оксид алюмінію розчиняється ні в кислотах, ні в лугах.
Подрібнений і активоване метаалюмінатом натрію оксид алюмінію використовують як мінеральний ионообменник під назвою (окис алюмінію для хроматографії)
Гідроксид алюмінію Al (OH) 3 осаджують, діючи лугами на розчини солей:

AlCl3 + 3NaOH = Al (OH) 3 + 3NaCl

Білий осад гідроксиду алюмінію розчиняється в кислотах:

Al (OH) 3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O

Розчиняється в надлишку розчинів лугів:

Al (OH) 3 + NaOH = Na [Al (OH) 4]

тобто проявляє амфотерность.
Формула Na [Al (OH) 4] не цілком відповідає складу продукту реакції, насправді у алюмінію координаційне число дорівнює шести і виходить тетрагідрооксодіакваалюмінат натрію:

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

Але при сплавці з лугами гідроксид алюмінію утворює солі метаалюминиевой або ортоалюмініевой кислот:

Al (OH) 3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O

або ортоалмінат натрію:

Al (OH) 3 + 3NaOH = Na3AlO3 + 3H2O

У гідроксиду алюмінію основні і кислотні властивості виражені приблизно однаково.
Солі алюмінію добре розчинні у воді, легко гідролізуються і деякі з них (Al2S3) тобто на основу і кислоту.
Хлорид алюмінію AlCl3 відомий як каталізатор в органічному синтезі.
Сульфат алюмінію Al2 (SO4) 3 · 18H2O застосовується для очищення природних вод від колоїдних частинок, які захоплюються гідроксидом алюмінію, що утворюється при гідролізі солі.
Сульфат калію – алюмінію (алюмокалієві галун) KAl (SO4) 2 · 12H2O застосовується в шкіряної промисловості, служить протравов при фарбуванні бавовняних тканин.

Застосування
Мала щільність, пластичність і стійкість до корозії забезпечили алюминию застосування в авіа – і автопромисловості. Він входить до складу легких сплавів: дуралюмина (сплав алюмінію, міді, магнію і марганцю), силуміну (сплаву алюмінію і кремнію) і деяких інших. З алюмінієвих сплавів виготовляють корпусу штучних супутників Землі і космічних кораблів.
У електротехніці алюміній замінив мідь як матеріал для виготовлення проводів. Використовується як відновник при виплавці металів (Алюмінотермія):

Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3

Алюминотермии, відкрив Н.Н. Бекетовим в 1859 р застосовують і для зварювання металевих деталей. При цьому суміш порошкоподібних алюмінію та оксиду заліза (II, III) Fe3O4 звану термітом:

8Al + 3Fe3O4 = 9Fe + 4Al2O3

в результаті реакції досягається температура близько 3000 ° C, вийшло залізо плавиться, стікаючи вниз і зварює деталі.
Крім технічного алюміній має також велике біологічне значення. Низькі концентрації іонів алюмінію стимулюють деякі процеси життєдіяльності рослин, наприклад проростання насіння. Але більш високі концентрації (> 2 мг / л розчину), знижують інтенсивність фотосинтезу, порушують фосфорний обмін, затримують ріст кореневої системи.
Присутність катіонів Al в грунті почасти обумовлює шкідливу для рослин обмінну кислотність ґрунтового розчину. Іони алюмінію зазвичай поглинаються ґрунтовими колоїдами, але під дією нейтральних солей (наприклад, хлорид калію) вони витісняються з грунтового поглинаючого комплексу.
У результаті Катіонообменная процесу іониалюмінію переходять в грунтовий розчин. Отримана при цьому сіль гідролізується:

AlCl3 + H2O ⇄ HCl + Al (OH) Cl2

У результаті гідролізу відбувається небажане підвищення концентрації водневих іонів в грунтовому розчині (зниження величини pH).

Посилання на основну публікацію