Где используется алюминий - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Где используется алюминий

Алюминий. Свойства алюминия. Применение алюминия

Алюминий в чистом виде впервые выделен Фридрихом Велером. Немецкий химик нагрел безводный хлорид элемента с металлическим калием. Произошло это во 2-ой половине 19-го века. До 20-го столетия кг алюминия стоил дороже золота .

Новый металл позволяли себе лишь богачи и государственные музеи . Причина высокой стоимости – сложность отделения алюминия от других веществ. Метод добычи элемента в промышленных масштабах предложил Чарльз Холл.

В 1886-ом году он растворил оксид алюминия в расплаве криолита. Немец заключил смесь в гранитный сосуд и подключил к нему электрический ток. На дно емкости осели бляшки чистого металла.

Химические и физические свойства алюминия

Какой алюминий? Серебристо-белый, блестящий. Поэтому, Фридрих Велер сравнивал полученные им гранулы металла с серебром . Но, была оговорка, — алюминий значительно легче.

Пластичность же приближена к драгоценным серебру и золоту . Алюминий – вещество, без проблем вытягивающееся в тонкую проволоку и листы. Достаточно вспомнить фольгу. Она делается на основе 13-го элемента.

Алюминий легок за счет небольшой плотности. Она втрое меньше, чем у меди и железа. При этом в прочности 13-ый элемент почти не уступает.

Такое сочетание сделало серебристый металл незаменимым в промышленности, к примеру, производстве деталей для автомобилей. Речь идет и о кустарном производстве, ведь сварка алюминия возможна даже в домашних условиях.

Формула алюминия позволяет активно отражать световые, но и тепловые лучи. Высока и электропроводность элемента. Главное, излишне не нагревать его. При 660-ти градусах расплавится. Поднимись температура чуть выше – сгорит.

Металл исчезнет, останется лишь оксид алюминия. Он образуется и в стандартных условиях, но лишь в виде поверхностной пленки. Она защищает металл. Поэтому, он неплохо противостоит коррозии, ведь доступ кислорода блокирован.

Оксидная пленка защищает металл и от воды. Если удалить с поверхности алюминия налет, запустится реакция с Н2О. Выделение газов водорода произойдет даже при комнатной температуре. Так что, алюминиевая лодка не превращается в дым лишь за счет оксидной пленки и защитной краски, нанесенной на корпус судна.

Наиболее активно взаимодействие алюминия с неметаллами. Реакции с бромом и хлором проходят даже при обычны условиях. В итоге, образуются соли алюминия. Соли водорода получаются, если соединить 13-ый элемент с растворами кислот. Реакция состоится и со щелочами, но лишь после удаления оксидной пленки. Выделится чистый водород.

Применение алюминия

Металл напыляют на зеркала. Пригождаются высокие показатели отражения света. Процесс проходит в условиях вакуума. Изготавливают не только стандартные зеркала, но предметы с зеркальными поверхностями. Таковыми становятся: керамическая плитка, бытовая техника, светильники.

Дуэт алюминий-медь – основа сплава дюралюминий. Попросту его называют дюраль. В качестве лигатуры добавляют магний . Состав прочнее чистого алюминия в 7 раз, поэтому, подходит для области машиностроения и авиаконструирования.

Медь придает 13-му элементу прочность, но не тяжесть. Дюраль остается в 3 раза легче железа. Небольшая масса алюминия – залог легкости авто, самолетов, кораблей. Это упрощает перевозку, эксплуатацию, снижает цену продукции.

Купить алюминий автопромышленники стремятся еще и потому, что на его сплавы легко наносятся защитные и декоративные составы. Краска ложится быстрее и ровнее, чем на сталь, пластик.

При этом, сплавы податливы, просто обрабатываются. Это ценно, учитывая массу изгибов и конструктивных переходов на современных моделях автомобилей.

13-ый элемент не только легко красится, но и сам может выступать в роли красителя. В текстильной промышленности закупается сульфат алюминия. Он же пригождается в печатном деле, где требуются нерастворимые пигменты.

Интересно, что раствор сульфата алюминия применяют еще и для очистки воды. В присутствии «агента» вредные примеси выпадают в осадок, нейтрализуются.

Нейтрализует 13-ый элемент и кислоты. Особенно хорошо с этой ролью справляется гидроксид алюминия. Его ценят в фармакологии, медицине, добавляя в лекарства от изжоги.

Выписывают гидроксид и при язвах, воспалительных процессах кишечного тракта. Так что в аптечных препарата тоже есть алюминий. Кислота в желудке – повод узнать о таких лекарствах побольше.

В СССР и бронзы с 11-процентной добавкой алюминия чеканили монеты . Достоинство знаков – 1, 2 и 5 копеек. Начали выпускать в 1926-ом, закончили в 1957-ом году. А вот производство алюминиевых банок для консервов не прекратили.

Тушенку, сайру и прочие завтраки туристов до си пор упаковывают в тару на основе 13-го элемента. Такие банки не вступают в реакцию с продуктами питания, при этом, легки и дешевы.

Порошок алюминия входит в состав многих взрывчатых смесей, в том числе и пиротехники. В промышленности применяют подрывные механизмы на основе тринитротолуола и измельченного 13-го элемента. Мощная взрывчатка получается и при добавлении к алюминию аммиачной селитры.

В нефтяной отрасли необходим хлорид алюминия. Он играет роль катализатора при разложении органики на фракции. У нефти есть свойство выделять газообразные, легкие углеводороды бензинового типа, взаимодействуя с хлоридом 13-го металла. Реагент должен быть безводным. После добавления хлорида, смесь прогревают до 280-ти градусов Цельсия.

В строительстве нередко смешиваю натрий и алюминий. Получается присадка к бетону. Алюминат натрия ускоряет его затвердение за счет убыстрения гидратации.

Повышается скорость микрокристаллизации, значит, увеличивается прочность и твердость бетона. К тому же, алюминат натрия спасает арматуру, уложенную в раствор, от коррозии.

Добыча алюминия

Металл замыкает тройку самых распространенных на земле. Это объясняет его доступность и широкое применение. Однако, в чистом виде природа элемент человеку не дает. Алюминий приходится выделять из различных соединений. Больше всего 13-го элемента в бокситах. Это глиноподобные породы, сосредоточенные, в основном, в тропическом поясе.

Бокситы дробят, потом сушат, снова дробят и перемалывают в присутствии небольшого объема воды. Получается густая масса. Ее нагревают паром. При этом большая часть кремния , коим бокситы тоже не бедны, испаряется. Остается оксид 13-го металла.

Его помещают в промышленные ванны. В них уже находится расплавленный криолит. Температура держится на отметке 950 градусов Цельсия. Нужен и электрический ток силой минимум в 400 кА. То есть, используется электролиз, как и 200 лет назад, когда элемент выделял Чарльз Холл.

Проходя через раскаленный раствор, ток разрывает связи между металлом и кислородом. В итоге, на дне ванн остается чистый алюминий. Реакции окончены. Завершает процесс отливание из осадка слитков и их отправка потребителю, или же, использование для формирования различных сплавов.

Основные производства алюминия находятся там же, где и залежи бокситов. В передовика – Гвинея. В ее недрах скрыто почти 8 000 000 тонн 13-го элемента. На 2-ом месте Австралия с показателем в 6 000 000. В Бразилии алюминия уже в 2 раза меньше. Общемировые же запасы оцениваются в 29 000 000 тонн.

Цена алюминия

За тонну алюминия просят почти 1 500 долларов США. Таковы данные бирж цветных металлов на 20 января 2016-го. Стоимость устанавливается, в основном, промышленниками. Точнее, на цену алюминия влияет их спрос на сырье. Влияет на запросы поставщиков и стоимость электроэнергии, ведь производство 13-го элемента энергоемко.

Иные цены установлены на лом алюминия. Он идет на переплавку. Стоимость оглашается за килограмм, причем, имеет значение характер сдаваемого материала.

Так, за электротехнический металл дают примерно 70 рублей. За пищевой алюминий можно получить на 5-10 рублей меньше. Столько же платят за моторный металл. Если сдается разносортица, ее цена – 50-55 рублей за килограмм.

Самый дешевый вид лома – стружка алюминия. За нее удается выручить лишь 15-20 рублей. Чуть больше дадут за банки из 13-го элемента. Имеется в виду тара из-под напитков, консервов.

Невысоко ценят и алюминиевые радиаторы. Цена за килограмм лома – около 30-ти рублей. Это усредненные показатели. В разных регионах, на разных точках алюминий принимают дороже, либо дешевле. Нередко стоимость материалов зависит от сдаваемых объемов.

Где используется алюминий

Владельцы сайта

  • Галина Пчёлкина

Урок №49. Алюминий. Положение алюминия в периодической системе и строение его атома. Нахождение в природе. Физические и химические свойства алюминия.

Главную подгруппу III группы периодической системы со­ставляют бор (В), алюминий (А l ), галлий ( Ga ), индий ( In ) и таллий (Т l ).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIX столетии.

Открытие металлов главной подгруппы III группы

Бор представляет собой неметалл. Алюминий — переход­ный металл, а галлий, индий и таллий — полноценные метал­лы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свой­ства простых веществ усиливаются.

В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

1. Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления.

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar ( Al ) = 27. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al 0 – 3 e – → Al +3

2. Физические свойства

Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Температура плавления 650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3 ) — при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл.

3. Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

Некоторые из них:

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)

4. Химические свойства алюминия и его соединений

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изучения химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).

I . Взаимодействие с простыми веществами

Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора – воды:

Читайте также:  Как обжечь алюминиевый кабель

2А l + 3 S = А l 2 S 3 (сульфид алюминия),

2А l + N2 = 2А lN (нитрид алюминия),

А l + Р = А l Р (фосфид алюминия),

4А l + 3С = А l 4 С3 (карбид алюминия).

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выде­ляя большое количество теплоты:

4А l + 3 O 2 = 2А l 2 О3 + 1676 кДж.

II . Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой :

без оксидной пленки

Взаимодействие с оксидами металлов:

Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов. Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.

Термитная смесь Fe3O4 и Al (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.

Взаимодействие с кислотами :

С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

Взаимодействие со щелочами .

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na [ Al ( OH )4 ] + 3 H 2

По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуя амальгаму .

Обнаружение ионов алюминия в растворах : ОПЫТ

5. Применение алюминия и его соединений

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминия является авиационная промышленность: самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода: при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.

Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты. Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражения тепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.

Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.

Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.

Соли алюминия сильно гидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.

Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.

6. Получение алюминия

1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na3AlF6 растворяет Al2O3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия – электролитом.

В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век – век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.

  • Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
  • В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
  • К 1855 году французский ученый Сен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством Наполеона III, императора Франции. В знак своей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
  • А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы. При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
  • При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета “Сатурн” сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?

№2. Закончите уравнения химических реакций :
Al + H2SO4 ( раствор ) ->
Al + CuCl2 ->
Al + HNO3( конц ) – t ->
Al + NaOH + H2O ->

№4. Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?

Алюминий

Алюминий(Al)
Атомный номер13
Внешний видмягкий, лёгкий,
серебристо-белый металл,
быстро окисляющийся
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
26,.981539 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома143 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
577,2(5,98) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация[Ne] 3s 2 3p 1
Химические свойства
Ковалентный радиус118 пм
Радиус иона51 (+3e) пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
1,61
Электродный потенциал-1,66 в
Степени окисления3
Термодинамические свойства
Плотность2,6989 г/см³
Удельная теплоёмкость0,900 Дж/(K·моль)
Теплопроводность237 Вт/(м·K)
Температура плавления933,5 K
Теплота плавления10,75 кДж/моль
Температура кипения2740 K
Теплота испарения284,1 кДж/моль
Молярный объём10,0 см³/моль
Кристаллическая решётка
Структура решёткикубическая гранецентрированая
Период решётки4,050 Å
Отношение c/an/a
Температура Дебая394,00 K

Алюми́ний (лат. Аluminium ) — химический символ Al, III группа периодической системы Менделеева, атомный номер 13, атомная масса 26,9815, мягкий, лёгкий, серебристо-белый металл, быстро окисляющийся, удельная плотность 2,7 г/ см³, температура плавления 660 °C. По распространённости в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов.

История Править

Впервые получен в чистом виде электролизом, в 1825 году.

История алюминия. В 1807 году английский химик Гэмфри Дэви открыл вещество под названием “alum” (“квасцы”), которое представляло собой соль неизвестного металла, этот металл был назван им “алюмиум”. Позднее, это название было преобразовано в “aluminium” (“алюминий”). Дэйви безуспешно пытался выделить этот металл с помощью электролиза (вещество практически не растворялось в воде). В 1825 году датскому физику Эрстеду удалось выделить алюминий, как отдельный элемент. Немецкий учёный Фридрих Вёлер в 1845 году провёл обширные исследования по изучению свойств этого металла, одно из которых была его необычайная лёгкость. Также он использовал новый способ получения алюминия. AlCl3 + 3K = 3KCl + Al

В 1886 году Поль Эру во Франции и Чарльз Холл из Огайо одновременно изобрели способ получения алюминия с помощью электролитического метода. Оба этих учёных родились в 1863 году и умерли в 1914 году в возрасте 51 года. Согласно этому методу расплаву подвергался не сам Al2O3, а его раствор в расплавленном криолите Na3AlF6. Данный процесс проводится в электрических печах при температуре 960°C. Способ, изобретённый двумя этими выдающимися учёными, используется и до сих пор.

Получение Править

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в ХХ веке.

Физические свойства Править

Серебристо-белый металл, плотность 2,7 г/см 3 , пластичный, высокая тепло- и электропроводность. Температура плавления 660 °C.

Нахождение в природе Править

  • Бокситы – Al2O3 • H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)
  • Нефелины – KNa3[AlSiO4]4
  • Алуниты – KAl(SO4)2 • 2Al(OH)3
  • Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах ).

Нефелин – (Na, K)2O × Al2O3 × 2SiO2

Алунит – ( Na, K )2 SO4 × Al2( SO4 )3 × 4Al( OH )3

Химические свойства Править

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной пленкой и потому не реагирует с простыми веществами: с H2O (t°); O2, HNO3 (без нагревания)). Al – активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

3) с другими неметаллами реагирует при нагревании:

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Со сложными веществами:

4) с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием):

5) со щелочами (с оброзованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

6) Легко растворяется в соляной и разбавленной серной киcлотах:

При нагревании растворяется в кислотах – окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

Применение Править

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевая фольга в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной плёнки его тяжело паять.

  • Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
  • В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
  • Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
  • Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
  • Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.
Читайте также:  Грунт для алюминиевых дисков

В качестве восстановителя Править

  • Как компонент термита, смесей для алюмотермии
  • Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Сплавы на основе алюминия Править

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.

  • Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов.
  • Алюминиево-марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым.
  • Алюминиево-медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками.
  • Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
  • Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
  • Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.

Алюминий как добавка в другие сплавы Править

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборов используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

Ювелирные изделия Править

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Стекловарение Править

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

Алюминий и его соединения в ракетной технике Править

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

  • Алюминий: горючее в ракетных топливах. Применяется в виде порошка и суспензий в углеводородах и др.
  • Гидрид алюминия.
  • Боранат алюминия.
  • Триметилалюминий.
  • Триэтилалюминий.
  • Трипропилалюминий.

Теоретические характеристики топлив, образованных гидридом алюминия с различными окислителями.

Свойства и назначение алюминия

Алюминий — этот важнейший представитель легких метал­лов, нашел себе исключительно широкое применение в самых разнообразных отраслях современной техники благодаря тому что обладает такими свойствами, как малый удельный вес, вы­сокая электропроводность, достаточная механическая проч­ность и большая коррозионная стойкость по отношению к ря­ду химических веществ.

Необходимо отметить, что алю­миний более теплопроводен, чем железо, а в отношении элек­тропроводности уступает только серебру и меди. Вместе с тем алюминий легко подвергается обработке давлением, т. е. про­катке, резанию, волочению, ковке.

Из химических свойств алюминия характерно его большое сродство к кислороду. Благодаря этому на воздухе и в воде поверхность алюминия покрывается тончайшей (толщиной, примерно, 0,00002 см), но плотной прозрачной окисной пленкой (А120з + А120зН20). Эта пленка, мгновенно образующаяся вновь при ее разрушении (например царапины), идеально смачивает по­верхность металла и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако сила сцепления с металлом в местах нахож­дения примесей (в виде отдельных кристаллов и атомарных включений) сильно понижается, и эти места уязвимы для протыкания электролитов. Поэтому, чем выше чистота алюминия, тем больше его коррозионная стойкость/ Однако в присутствии даже следов ртути на поверхности алюминия оксидная пленка вообще не имеет сцепления с металлом, и в этом случае алю­миний быстро окисляется кислрродом и влагой воздуха, цели­ком превращаясь в окись. Алюминий достаточно легко разру­шается растворами едких щелочей, соляной и серной кислот. По отношению же к концентрированной азотной кислоте, так же как и неорганическим кислотам, алюминий обнаруживает высокую стойкость.

Исключительно ценным является использование, алюминия в электротехнике для изготовления кабелей, шинопроводов, кон­денсаторов, выпрямителей. Малый вес алюминиевых проводов позволяет осуществлять их подвеску при значительном рассто­янии между опорами, не опасаясь обрыва проводов под вли­янием собственного веса,

Высокая коррозионная стойкость алюминия делает его в ря­де случаев незаменимым материалом в химическом машино­строении (например, при изготовлении .аппаратуры для произ­водства транспорта и хранения азотной кислоты, а также пи­щевых продуктов).

Большое значение имеет применение алюминия с целью пре­дохранения (плакирование, алюминиевая краска) металлических поверхностей, подверженных разрушающему действию различ­ных химических веществ и атмосферной коррозии.

Химической активностью алюминия пользуются для получе­ния трудновосстановимыхо металлов (например хрома, марганца, вольфрама и др.), вытесняя последние (алюминием из их кисло­родных соединений. Такого рода! процессы носят название алюминотермических и составляют особую область ме­таллургии. Алюминотермический процесс применяется также при сваривании железных и стальных деталей, как например, рельсов (термитная сварка). Важное значение имеет применение алюминия в черной металлургии для раскисления стали.

Разнообразное применение алюминий находит себе в пищевой промышленности (упаковка из фольги, консервные банки, укупорка бутылок и т. д.). Наконец, алюминий и его сплавы широко используются в быту (посуда, мебель т пр.) и для вся­кого рода художественных и декоративных целей.

В заключение следует особо отметить значение алюминия как стратегического металла.

Такие отрасли военной техники, как самолетостроение, авиа­строение, судостроение, танкостроение, артиллерия, производ­ство средств связи, а также взрывчатых веществ — требуют применения алюминия и его сплавов.

Во всех случаях, связанных с передвижением, применение легких алюминиевых сплавов как конструкционного материала позволяет достигнуть значительного снижения собственного ве­са самолетов, кораблей следовательно, повысить их скорость и маневренность – качества, имеющие решающее военнотактическое значение. В первую очередь это очевидно, относится к авиации. Применение же легких алюминиевых сплавов в военно-морском судостроении вместе с тем дает возможность, не увеличивая тоннажа судна, повысить насы­щенность его боевыми средствами.

В зажигательных (термитных) авиабомбах, снарядах и для осветительных целей (осветительные и сигнальные ракеты) ис­пользуется способность порошкообразного алюминия и его сплавов к быстрому воспламенению, что сопровождается ярким светом и выделением большого количества тепла.

Существенное значение применение алюминия и его сплавов имеет в саперном деле (для изготовления деталей понтонов, переносных мостков), а также в походном снаряжении армии (котелки, фляги, термосы).

Интересно отметить, что первые попытки технического при­менения алюминия в самом начале зарождения алюминиевой промышленности (в середине прошлого столетия) были уже свя­заны со стремлением использовать этот металл для военных це­лей. Однако желание Наполеона III применить для изготовле­ния снаряжения и вооружения французской армии алюминий, стоимость которого тогда почти достигала стоимости драгоцен­ного металла, было в то время, конечно, неосуществимо.

Только с созданием в конце прошлого столетия современного экономичного способа производства алюминия и изобретения его сплавов, обладающих высокими механическими ка­чествами, применение алюминия для военных нужд стало не только возможным, но и необходимым.

Где используется алюминий

По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов. По объему производства и масштабам применения он уступает только черным металлам.

Широкое использование алюминия обусловлено важнейшими свойствами:

– низкая плотность – 2,7 г/см 3 против 7,8 г/см 3 для железа и 8,94 г/см 3 для меди;

– температура плавления – 660 0 С

– высокая электро- и теплопроводность;

По электропроводности алюминий уступает только серебру, меди и золоту.

– высокая отражательная способность;

– кристаллическая решетка алюминия – гранецентрированная кубическая. Аллотропических превращений он не имеет.

– хорошая коррозионная стойкость в атмосфере и ряде агрессивных сред.

Алюминий устойчив против атмосферной коррозии благодаря образованию на его поверхности плотной оксидной пленки Al2O3. Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким.

Он не коррозирует в пресной воде, обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде, в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (уксусной, лимонной и др.).

невысокая прочность, высокая пластичность

Благодаря высокой пластичности алюминий хорошо обрабатывается давление как в холодном, так и в горячем состоянии. Алюминий хорошо сваривается, но имеет низкие литейные свойства и плохо обрабатывается резанием.

Алюминий широкого применяется в электронике для изготовления проводников тока. Благодаря хорошей коррозионной стойкости алюминий применяется в химической и пищевой промышленности. Он используется также в качестве раскислителя при производстве стали. Широко применяют алюминий также для защиты поверхности металлов от коррозии, при изготовлении полупроводниковых приборов, а также в ядерной технике. Из него изготавливают посуду, художественные и декоративные изделия и т.д.

Основная же масса алюминия расходуется на производство алюминиевых сплавов, которые благодаря малой плотности и достаточной прочности широко применяются в машиностроении, особенно в авиастроении и строительстве.

В природе алюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, каолинов.

Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы (гидрат глинозема Al2O3×nН2О в смеси c оксидами железа, кремния, титана и других элементов).

Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводимых этапов:

– электролитическое получение алюминия.

Блок-схема производства алюминия приведена на рисунке 1.

В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 200 0 С, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции:

Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит в раствор.

В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.

Рис. 1 Блок-схема производства алюминия

Смешивание бокситов с содой и получение алюмината натрия

Обработка углекислым газом

Сушка, прокаливание Al(ОН)3

Рафинирование

В общих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном оксиды и гидрооксиды Fe, Si и Тi. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

В полученный раствор при 125 0 С и давлении 5 атм. добавляют известь, что приводит к обескремниванию – CаSiО3 уходит в осадок, образуя белый шлам.

Полученный раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 0С, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема:

Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита – около 80%.

Читайте также:  Чем отличается алюминий от дюралюминия

Получение металлического Аl из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части – на алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (А1F3·3NaF или Na3АlF6).

Криолит, обладая особенностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 0С, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85% криолита и 15% глинозема равна 935 0С.

Схема электролиза глинозема достаточна проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии.

При электролизе 1т алюминия расходуется около 2т глинозема; 0,6т угольных электродов, служащих анодами; 0,1т криолита и от 17000 до 18000 кВт·ч электроэнергии.

Полученный при электролизе глинозема алюминий – сырец, содержит металлические примеси (Fe, Si, Тi, Na), растворенные газы, главным из которых является водород; кроме того, неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля, криолита. В таком состоянии алюминий непригоден для применения, т.к. имеет низкие свойства, поэтому его обязательно рафинируют. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30-45 мин при температуре 690-730 0 С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования получают торговые сорта алюминия.

Торговые сорта алюминия

Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации алюминия.

Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются Fe и Si. Обе они вредны.

Примеси понижают электро- и теплопроводность алюминия, коррозионную стойкость и пластичность, повышая его прочность и твердость.

В зависимости от содержания примесей алюминий первичный (ГОСТ 11069-2001) предназначен для изготовления чушек, слитков, катанки и т.д. бывает особой высокой и технической чистоты.

Марки первичного алюминия:

Алюминий особой чистоты – А999;

Алюминий высокой чистоты – А995, А99, А97, А95;

Алюминий технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, А0.

Контролируемыми примесями в алюминии являются Fe, Si, Сu и Ti. Алюминий всех марок содержит более 99% А1.

Количественное же превышение этой величины в сотых или десятых долях процента указывают в названии марки после начальной буквы А. Так в марке А85 содержится 99,85% А1. Исключение из этого принципа маркировки составляет марка АЕ, в которой содержание А1 такое же, как в марках А0 и А5, но другое соотношение входящих в состав примесей железа и кремния. Буква Е в марках А5Е, А7Е означает, что алюминий данной марки предназначается для производства электропроводов.

В зависимости от назначения алюминий можно производить в различном виде.

Алюминий всех марок, предназначенный для переплавки, отливают в виде чушек массой 5,15 и 1000 кг.

Форма чушек и их размеры оговорены ГОСТ 11070-74.

Если же алюминий предназначается для проката листа и ленты, то непрерывным или полунепрерывным методом отливают плоские слитки 17 размеров. Требования к форме и размерам по ГОСТ 9498-79.

Основным видом контроля алюминия как в чушках, так и в плоских слитках, является проверка химического состава и его соответствия марочному. К слиткам и чушкам, предназначенным для обработки давлением, предъявляют дополнительные требования, как отсутствие раковин, газовых пузырей, шлаков и других посторонних включений.

Прочность алюминия незначительная, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства. При легировании различными элементами повышается прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства.

Но могут происходить и нежелательные явления: снижается электропроводность; ухудшается коррозионная стойкость; почти всегда повышается относительная плотность.

По способу изготовления изделий из алюминиевых сплавов, их делят на две группы:

Применение сернокислого алюминия.

Сернокислый алюминий — это сложное неорганическое вещество, соль белого цвета с серым или голубым оттенком. Вещество может иметь розовый оттенок.

Соль Al₂(SO₄)₃ очень гигроскопична. Отличается быстрой растворимостью в воде. Вещество плавится при температуре +700 °C, плотность его равняется 1,62–2,67 г/см³.

Сернокислый алюминий — это самый распространенный коагулянт, применяемый для очистки воды от коллоидных частиц (наиболее мелких размеров). Это свойство сульфата алюминия связано с легкостью его получения и невысокой стоимостью.

Способы получения сульфата алюминия.

Соль выпускают 3 сортов. Продукт высшего сорта востребован в пищевой и фармацевтической промышленности, а соль 1 и 2 сорта подходит для технических целей. Сернокислый алюминий получают несколькими способами:

  1. Соль высшего сорта получают в результате реакции замещения между гидроксидом алюминия и серной кислотой высокой концентрации. В результате этого процесса алюминий, отличающийся большей активностью, занимает место водорода в составе кислоты. По окончании реакции получают 1 молекулу соли сульфата алюминия и 6 молекул воды. Полученный коагулянт имеет высокий процент чистоты с минимальной долей примесей.
  2. Получить соль технического качества можно в результате обработки серной кислотой бокситов или глиноземов. Этот метод также основан на реакции по замене молекул водорода алюминием. В результате метода получают соль 1–2 сорта. Высвобожденный водород поднимается в атмосферу. Этот метод является промежуточным процессом для получения чистого алюминия из бокситов.
  3. Еще один способ — это получить коагулянт из оксида, обработанного серной кислотой.

Получить соль алюминия в домашних условиях можно, используя серную кислоту и кусочек алюминиевой фольги. При проведении реакции следует быть очень осторожным и соблюдать правила безопасности по работе с кислотами. Проводить реакцию нужно в хорошо проветриваемом помещении. Серная кислота разной концентрации продается в хозяйственных магазинах.

Для получения кристаллов коагулянта ее нужно развести до 10% концентрации дистиллированной водой. Фольга растворяется в течение 7 дней. Полученный раствор фильтруют через бумажный фильтр. Остаток воды испаряется на открытом воздухе. Ускорить процесс можно выпариванием на электроплитке, перелив раствор в термостойкий стакан.

Очень важное замечание: при разведении серной кислоты и других кислот следует кислоту лить в воду, а не наоборот. Фольгу замачивают в растворе кислоты, накрывают салфеткой и оставляют для прохождения химической реакции.

Соль высшего качества имеет сыпучую консистенцию, производится в виде образований размером до 20 мм. Соль для технических целей выпускают крупными кристаллами-пластинами или большими кусками весом до 10 кг.

Попадание сернокислого алюминия в организм человека может нанести ему непоправимый ущерб. Вещество может привести к ожогу носоглотки. Попадание на кожу или в глаза вызывает покраснение, зуд, боль, ожог. Попадание в желудочно-кишечный тракт может вызывать болевые приступы в желудке, рвоту и диарею.

Первая помощь при отравлении химикатом:

  • промыть глаза и открытые участки кожи;
  • организовать доступ свежего воздуха или вывести пострадавшего на улицу;
  • напоить пострадавшего молоком и вызвать рвоту;
  • обратиться в медицинское учреждение.

Применение сульфата алюминия в очистке водопроводной воды.

Полученное из глиноземов или бокситов вещество применяют как сильный коагулянт для очистки воды от коллоидных частиц. Данные частицы обладают отрицательным электрическим зарядом. К коллоидным частицам присоединяются ионы из окружающего их раствора с положительным зарядом. Это создает на их поверхности двойной электрический слой. В результате коллоидные частицы начинают отталкиваться друг от друга. У них небольшой удельный вес, и они находятся во взвешенном состоянии.

Коагулянт (в данном случае — это сульфат алюминия) несет на себе положительный ион. Он сжимает двойной электрический слой и нейтрализует его. Частицы получают дестабилизированный вид. Они окружают коагулянт при установлении контакта с ним. Если смесь в этот момент быстро перемешать, то химическое вещество получит однородную дисперсию. Это позволит увеличить максимальный контакт между частицами.

Если перемешивать смесь несколько минут, то примеси коагулируют в более крупные хлопья. Крупные частицы, увеличиваясь в размерах и приобретая больший вес, начинают осаждаться под действием силы тяжести.

Очищенная вода теоретически должна быть чистой, без любых примесей. Но на практике коагулянт содержится в очищенной воде. Чем жестче вода, тем выше его концентрация. Это связано с тем, что в жесткой воде есть большое содержание гидроксида кальция и карбоната натрия, вступающих в реакцию с сульфатом алюминия и осаждающих алюминий в виде нерастворимого студенистого осадка гидроксида алюминия. Для измерения концентрации коагулирующего вещества в воде применяют концентратомеры, или солемеры. Хотя на самом деле концентратомерами называют приборы, определяющие концентрацию кислот и щелочей. Солемеры устанавливают для определения концентрации растворов солей.

Применение в пищевой и фармацевтической промышленности.

Сульфат алюминия известен как алюминиевые квасцы, или добавка E 520.

В пищевом производстве E 520 относится к стабилизаторам. Его получают из природных руд: боксита, алунита, глиноземов. Они подвергаются реакции с серной кислотой высокой концентрации при температурах +100…+250 °C. По окончании процесса получают соль с высоким коэффициентом чистоты.

  • порошок или пластинки белого цвета с серым, розовым или голубоватым оттенком;
  • без запаха;
  • отличается хорошей растворимостью в воде, плохо взаимодействует со спиртом;
  • концентрация — не меньше 99,5%.
  • вкус добавки — сладковатый и терпкий
  • очень гигроскопичное вещество, выветривается на воздухе.

Добавка E 520 отпускается в таре с дополнительными вставками, защищающими содержимое от влаги.

Сульфат алюминия применяют в рыбоперерабатывающей отрасли для сохранения товарного вида рыбы и предупреждения распада волокон. Стабилизатор используется при консервировании плодов и овощей. Добавка используется в кондитерской промышленности в производстве засахаренных и глазированных в сахаре фруктов.

Но основное применение добавки E 520 – для очистки питьевых и сточных вод. Вещество взаимодействует с примесями, которые выпадают в осадок. Он оседает на дно емкостей или водоемов. Вода пропускается поточным методом через систему специальных фильтров, где очищается и осветляется, после чего становится пригодной для питья и применения в производстве.

Другие области применения.

Сульфат алюминия также используется:

  • в косметической промышленности, входит в составы декоративной косметики;
  • при производстве бытовой химии — в составе антиперспирантов;
  • как компонент обезболивающих средств от укусов насекомых;
  • в сельском хозяйстве для обработки почв – входит в состав ядов и удобрений для борьбы с вредителями;
  • в текстильном производстве входит в состав красителей;
  • является компонентом нерастворимых пигментов в печатном деле.

Вещество применяется как гидроизолятор в бетонных конструкциях. Сульфат алюминия используется в производстве огнетушителей.

Им обрабатывают шерстяные ткани для удерживания красящих пигментов. Процесс называется протрава шерстяных волокон. В водном растворе образуется дисперсная гидроокись алюминия, которая поглощается и хорошо удерживается волокнами шерсти. Протравленные волокна приобретают способность поглощать красители за счет адсорбированной ими гидроокиси алюминия.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector