Алюминий и его сплавы

Алюминий и его сплавы

Алюминий (Aluminium) - химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается латинскими буквами Al . Это серебристо-белый металл, легкий (r = 2,7 г/см3) , легкоплавкий (tпл = 660,4 °С ), пластичный, легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2,3 раза больше чем у меди)

Алюминий находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al2O3) составляет основу глинозема. Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы:

· боксит - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)3 и оксидов других металлов - алюминиевая руда;

· алунит - (Na,K)2SO4 * Al2(SO4)3 * 4Al(OH)3 ;

· нефелин - (Na,K)2O * Al2O3 * 2SiO2 ;

· корунд - Al2O3 - прозрачные кристаллы;

· полевой шпат (ортоклаз) - K2O * Al2O3 * 6SiO2 ;

· каолинит - Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O - важнейшая составляющая часть глины

и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.

И хотя содержание его в земной коре 8,8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4,65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.

Немецкий химик Ф. Вёлер в 1827 получил алюминий при нагревании хлорида алюминия AlCl3 со щелочными металлами калием (K) и натрием (Na) без доступа воздуха.

AlCl3 + 3K ® 3KCl + Al

(Реакция протекает с выделением тепла).

Для промышленного применения этот способ неприменим из-за его экономической невыгодности, поэтому был разработан способ добычи алюминия из бокситов путем электролиза. Это весьма энергоемкое производство, поэтому заводы, производящие алюминий, как правило, располагаются недалеко от электростанций.

Алюминий отличается также своей химической активностью. Порошкообразный алюминий энергично сгорает на воздухе. Если поверхность алюминия потереть солью ртути (HgCl2) , то произойдет следующая реакция

2Al + 3HgCl2 ® 2AlCl3 + 3Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий с образованием сплава алюминия с ртутью - амальгаму, которая не удерживается на поверхности алюминия, поэтому, если результат этого опыта поместить в воду, то мы увидим бурную реакцию

2Al +6HOH ® 2Al(OH)3¯ + 3H3­

Эта реакция говорит об очень высокой химической активности чистого алюминия.

Остается удивляться как посуда из алюминия не растворяется прямо у нас на глазах когда мы наливаем в неё воду.

Секрет подобного поведения алюминия прост - он настолько активен, что именно благодаря этой своей способности столь интенсивно окисляться постоянно покрыт плотной окисной пленкой Al2O3 которая и препятствует его дальнейшему окислению.

Инертность оксида алюминия настолько велика, что покрытый им алюминий практически не реагирует с концентрированной и разбавленной азотной кислотой (HNO3), с трудом взаимодействует с концентрированной и разбавленной серной кислотой (H2SO4), не растворяется в ортофосфорной кислоте (H3PO4). Хотя, даже при обычной температуре, реагирует с хлором (Cl2 ) и бромом (Br2) а при нагревании с фтором (F2 ) , йодом (I2 ) , серой (S ) , углеродом (C ) , азотом (N2 ) , растворяется в растворах щелочей.

Оксид алюминия используют для получения некоторых марок цемента, для обработки поверхностей, так как он обладает высокой твердостью (разновидность оксида - корунд).

Оксид алюминия (глинозем) существует в нескольких кристаллических модификациях из которых устойчивы a-форма и g-форма. Но даже только одна форма a-Al2O3 в природе очень многолика - это и рубин и сапфир, лейкосапфир и др. - все это разновидности минерала корунд.

g-Форма более химически активна, может существовать и аморфном состоянии но при 900 °С необратимо переходит в a-форму.

Температура плавления оксида алюминия 2053 °С (а кипения вообще больше 3000 °С ). Для сравнения - температура плавления самого алюминия 660,4 °С. Поэтому и возникали трудности с добычей алюминия, несмотря на его широкое распространение.

Оксид алюминия Al2O3 получают либо сжиганием алюминия путем вдувания порошка алюминия в пламя горелки,

4Al + 3O2 ® 2Al2O3

либо превращением по схеме

Чистый алюминий добывается методом электролиза раствора глинозема в расплавленном криолите (6-8% Al2O3 и 94-92% Na3AlF6) или электролизом AlCl3.

Гидрооксид алюминия Al(OH)3 используется для крашения тканей, для изготовления керамики и как нейтрализующий агент[1].

На практике очень широкое применение получил так называемый термит - смесь оксида железа Fe3O4 с алюминием. При поджоге данной смеси с помощью магниевой ленты происходит бурная реакция с обильным выделением тепла.

8Al + 3Fe3O4 ® 4Al2O3 + 9Fe

Данный процесс используют при сварке. Иногда для получения некоторых чистых металлов в свободном виде.

Есть также иное использование данной реакции - если обратить внимание на соединение железа до реакции и его состояние после реакции, то можно заметить, что до начала реакции это был оксид железа - а именно - ржавчина, а после реакции - чистое восстановленное железо. Этот эффект используют для химической защиты и удаления ржавчины.

Поэтому алюминий очень широко используется в технике не только как основа легких сплавов, но и как раскислитель сталей, для восстановления металлов из оксидов (алюмотермия - см. пример выше), в электротехнике.

Алюминий в технике также используют для насыщения поверхности стальных и чугунных изделий с целью защиты этих изделий от коррозии - этот процесс называется алитирование.

Тонкая алюминиевая фольга используется как упаковочный материал для продуктов питания (например шоколада), более толстая - для изготовления банок для напитков.

Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (2,5 - 3,0 г/см3) в сочетании с достаточно хорошими механическими свойствами и удовлетворительной устойчивостью к окислению. По своим прочностным характеристикам и по износостойкости они уступают сталям, некоторые из них также не обладают хорошей свариваемостью, но многие из них обладают характеристиками, превосходящими чистый алюминий.

Особо выделяются алюминиевые сплавы с повышенной пластичностью, содержащие до 2,8% Mg и до 2,5% Mn - они обладают большей, чем чистый алюминий прочностью, легко поддаются вытяжке, близки по коррозионной стойкости к алюминию.