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

alexxlab | 01.09.2019 | 0 | Разное

Содержание

Алюминий — свойства, харакретистики, обзорная статья

Алюминий – это пластичный и лёгкий металл белого цвета, покрытый серебристой матовой оксидной плёнкой. В периодической системе Д. И. Менделеева этот химический элемент обозначается, как Al (Aluminium) и находится в главной подгруппе III группы, третьего периода, под атомным номером 13. Купить алюминий вы можете на нашем сайте.

История открытия

В 16 веке знаменитый Парацельс сделал первый шаг к добыче алюминия. Из квасцов он выделил «квасцовую землю», которая содержала оксид неизвестного тогда металла. В 18 веке к этому эксперименту вернулся немецкий химик Андреас Маргграф. Оксид алюминия он назвал «alumina», что на латинском языке означает «вяжущий». На тот момент металл не пользовался популярностью, так как не был найден в чистом виде.
Долгие годы выделить чистый алюминий пытались английские, датские и немецкие учёные. В 1855 году в Париже на Всемирной выставке металл алюминий произвёл фурор. Из него делали только предметы роскоши и ювелирные украшения, так как металл был достаточно дорогим. В конце 19 века появился более современный и дешёвый метод получения алюминия. В 1911 году в Дюрене выпустили первую партию дюралюминия, названного в честь города. В 1919 из этого материала был создан первый самолёт.

Физические свойства

Металл алюминий характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, стойкостью к коррозии и морозу, пластичностью. Он хорошо поддаётся штамповке, ковке, волочению, прокатке. Алюминий хорошо сваривается различными видами сварки. Важным свойством является малая плотность около 2,7 г/см³. Температура плавления составляет около 660°С.
Механические, физико-химические и технологические свойства алюминия зависят от наличия и количества примесей, которые ухудшают свойства чистого металла. Основные естественные примеси – это кремний, железо, цинк, титан и медь.

По степени очистки различают алюминий высокой и технической чистоты.  Практическое различие заключается в отличии коррозионной устойчивости к некоторым средам. Чем чище металл, тем он дороже. Технический алюминий используется для изготовления сплавов, проката и кабельно-проводниковой продукции. Металл высокой чистоты применяют в специальных целях.
По показателю электропроводности алюминий уступает только золоту, серебру и меди. А сочетание малой плотности и высокой электропроводности позволяет конкурировать в сфере кабельно-проводниковой продукции с медью. Длительный отжиг улучшает электропроводность, а нагартовка ухудшает.

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением чистоты металла. Примеси марганца, магния и меди снижают это свойство. По показателю теплопроводности алюминий проигрывает только меди и серебру. Благодаря этому свойству металл применяется в теплообменниках и радиаторах охлаждения.
Алюминий обладает высокой удельной теплоёмкостью и теплотой плавления. Эти показатели значительно больше, чем у большинства металлов. Чем выше степень чистоты алюминия, тем больше он способен отражать свет от поверхности. Металл хорошо полируется и анодируется.

Алюминий имеет большое сродство к кислороду и покрывается на воздухе тонкой прочной плёнкой оксида алюминия. Эта плёнка защищает металл от последующего окисления и обеспечивает его хорошие антикоррозионные свойства. Алюминий обладает стойкостью к атмосферной коррозии, морской и пресной воде, практически не вступает во взаимодействия с органическими кислотами, концентрированной или разбавленной азотной кислотой.

Химические свойства

Алюминий - это достаточно активный амфотерный металл. При обычных условиях прочная оксидная плёнка определяет его стойкость. Если разрушить оксидную плёнку, алюминий выступает как активный металл-восстановитель. В мелкораздробленном состоянии и при высокой температуре металл взаимодействует с кислородом. При нагревании происходят реакции с серой, фосфором, азотом, углеродом, йодом. При обычных условиях металл взаимодействует с хлором и бромом. С водородом реакции не происходит. С металлами алюминий образует сплавы, содержащие интерметаллические соединения – алюминиды.

При условии очищения от оксидной пленки, происходит энергичное взаимодействие с водой. Легко протекают реакции с разбавленными кислотами. Реакции с концентрированной азотной и серной кислотой происходят при нагревании. Алюминий легко реагирует со щелочами. Практическое применение в металлургии нашло свойство восстанавливать металлы из оксидов и солей – реакции алюминотермии.

Получение

Алюминий находится на первом месте среди металлов и на третьем среди всех элементов по распространённости в земной коре. Приблизительно 8% массы земной коры составляет именно этот металл. Алюминий содержится в тканях животных и растений в качестве микроэлемента. В природе он встречается в связанном виде в форме горных пород, минералов.  Каменная оболочка земли, находящаяся в основе континентов, формируется именно алюмосиликатами и силикатами.

Алюмосиликаты – это минералы, образовавшиеся в результате вулканических процессов в соответствующих условиях высоких температур. При разрушении алюмосиликатов первичного происхождения (полевые шпаты) сформировались разнообразные вторичные породы с более высоким содержанием алюминия (алуниты, каолины, бокситы, нефелины). В состав вторичных пород алюминий входит в виде гидроокисей или гидросиликатов. Однако не каждая алюминийсодержащая порода может быть сырьём для глинозёма – продукта, из которого при помощи метода электролиза получают алюминий.

Наиболее часто алюминий получают из бокситов. Залежи этого минерала распространены в странах тропического и субтропического пояса. В России также применяются нефелиновые руды, месторождения которых располагаются в Кемеровской области и на Кольском полуострове. При добыче алюминия из нефелинов попутно также получают поташ, кальцинированную соду, цемент и удобрения.

В бокситах содержится 40-60% глинозёма. Также в составе имеются оксид железа, диоксид титана, кремнезём. Для выделения чистого глинозёма используют процесс Байера. В автоклаве руду нагревают с едким натром, охлаждают, отделяют от жидкости «красный шлам» (твёрдый осадок). После осаждают гидроокись алюминия из полученного раствора и прокаливают её для получения чистого глинозёма. Глинозём должен соответствовать высоким стандартам по чистоте и размеру частиц.

Из добытой и обогащённой руды извлекают глинозём (оксид алюминия). Затем методом электролиза глинозём превращают в алюминий. Заключительным этапом является восстановление процессом Холла-Эру. Процесс заключается в следующем: при электролизе раствора глинозёма в расплавленном криолите происходит выделение алюминия. Катодом служит дно электролизной ванны, а анодом – угольные бруски, находящиеся в криолите. Расплавленный алюминий осаждается под раствором криолита с 3-5% глинозёма. Температура процесса поднимается до 950°С, что намного превышает температуру плавления самого алюминия (660°С). Глубокую очистку алюминия проводят зонной плавкой или дистилляцией его через субфторид.

Применение

Алюминий применяется в металлургии в качестве основы для сплавов (дуралюмин, силумин) и легирующего элемента (сплавы на основе меди, железа, магния, никеля). Сплавы алюминия используются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении и автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Алюминий применяется при производстве взрывчатых веществ. Анодированный алюминий (покрытый окрашенными плёнками из оксида алюминия) применяют для изготовления бижутерии. Также металл используется в электротехнике.

Рассмотрим, как используют различные изделия из алюминия.

Алюминиевая лента представляет собой тонкую алюминиевую полосу толщиной 0,3-2 мм, шириной 50-1250 мм, которая поставляется в рулонах. Используется лента в пищевой, лёгкой, холодильной промышленности для изготовления охлаждающих элементов и радиаторов.

Круглая алюминиевая проволока применяется для изготовления кабелей и проводов для электротехнических целей, а прямоугольная для обмоточных проводов.

Алюминиевые трубы отличаются долговечностью и стойкостью в условиях сельских и городских промышленных районов. Применяются они в отделочных работах, дорожном строительстве, конструкции автомобилей, самолётов и судов, производстве радиаторов, трубопроводов и бензобаков, монтаже систем отопления, магистральных трубопроводов, газопроводов, водопроводов.

Алюминиевые втулки характеризуются простотой в обработке, монтаже и эксплуатации. Используются они для концевого соединения металлических тросов.

Алюминиевый круг - это сплошной профиль круглого сечения. Используется это изделие для изготовления различных конструкций.

Алюминиевый пруток применяется для изготовления гаек, болтов, валов, крепежных элементов и шпинделей.
Около 3 мг алюминия каждый день поступает в организм человека с продуктами питания. Больше всего металла в овсянке, горохе, пшенице, рисе. Учёными установлено, что он способствует процессам регенерации, стимулирует развитие и рост тканей, оказывает влияние на активность пищеварительных желёз и ферментов.

Алюминиевый лист

Алюминиевая плита

Алюминиевые чушки

Алюминиевые уголки

Алюминиевая проволока

При использовании алюминиевой посуды в быту необходимо помнить, что хранить и нагревать в ней можно исключительно нейтральные жидкости. Если же в такой посуде готовить, к примеру, кислые щи, то алюминий поступит в еду, и она будет иметь неприятный «металлический» привкус.

Алюминий входит в состав лекарственных препаратов, используемых при заболеваниях почек и желудочно-кишечного тракта.

cu-prum.ru

Физические свойства алюминия | Всё о красках

Алюминий принадлежит основной группе III периодической системы, его атомное число 13, а атомный вес 26.9815. Алюминий характеризуется гранецентрированной кубической структурой кристалла. Основные физические свойства очищенного алюминия показаны в таблице.

Физические свойства алюминия

(Если иное не указано отдельно, все данные приведены для очищенного алюминия (чистота 99.99%) при температуре 20°C)

Химический символAl 
Атомное число13 
Относительная атомная масса (атомный вес)26.98154
 
Атомный объем9.996 106м3/моль
Конфигурация электрона (квантовое состояние)Модель БораK shell 2eL shell 8eM shell 3eОсновная модель1s22s22p63s23p1
Кристаллическая решеткаfссСтруктура типа A1
Плотность упаковки74% 
Координационное число12 
Постоянная кристаллической решетки0.40496нм
Энергия дефекта упаковки200 107Дж/см2
Минимальное межатомное расстояние0.28635нм
Плотность2.6989г/cm3 или кг/дм3
Изменение объема при переходе из жидкого состояния в твердое (усадка)6.5%
Линейная усадка при литье при температуре от 660°C (933 K) до 20°C (293 K)1.85%
Средний линейный коэффициент расширения при температуре от 20°C (293K) до 100°C (373K)236 1061/K
модуль Юнга66.6ГПа или кН/мм2
модуль сдвига25.0ГПа или кН/мм2
коэффициент Пуассона0.35 
Сжимаемость13.3мм2/MN
Точка плавления660.2°C
Латентная теплота плавления390кДж/кг
Точка кипения-2500°C
Латентная теплота испарения11 4МДж/кг
Давление пара при 660°C (933 K) при 1200°C (1473 K)- 108-109~102мБармБар
Удельная теплота при постоянном давлении0.89кДж/кг K
Постоянная температуры (дебаевская температура)440K
Энергия активации самодиффузии120кДж/моль
Электропроводность37.67= 64.95%м/W мм2% IACS
Электрическое удельное сопротивление26.55нW м
Температурный коэффициент электрического удельного сопротивления+ 0.115нW м/K
температура (фазового) перехода суперпроводимости1.2K
теплопроводность235Ватт/м K
Число Лоренца2.1 108(Ватт W)/K2
Удельная магнитная восприимчивость (определенная рационально)7.7 109м3/кг
Термоэлектрическая сила по отношению к платине4Дж В/K
Постоянная Холла-35   1012м3/C
Поверхностное натяжение при температуре 660°C (933K)0.86Н/м
Динамическая вязкость при температуре 700°C (973K)1.1мН с/м2
Теплота сгорания31МДж/кг
Стандартный потенциал электрода-1.67В
Стандартный потенциал электрода в NaCI-H202 по отношению к электроду из каломели 0,1N0.87В
Электрохимический эквивалент AI3+9.32 105г/С
Сечение захвата медленных нейтронов (2200м/сек)0.20 1024см2/атом

Большинство данных свойств являются постоянными (например, атомный вес). Некоторые свойства зависят от внешних условий, например температуры (плотность и удельная теплота), многие свойства зависят от легирующих добавок и структурных изменений (например, теплопроводность). Рассмотрим более подробно те свойства, для которых такая зависимость имеет решающее значение.

Алюминий играет важную роль во многих отраслях промышленности именно благодаря его физическим свойствам. Одним из важнейших свойств является низкий уровень плотности, который делает алюминий наиболее подходящим материалом, который является экономичным и экологически чистым. Плотность серийно выпускаемых материалов на базе алюминия составляет от 2.6 до 2.8г/см3 (2.7г/см3 – беспримесный алюминий), это всего лишь третья часть плотности стали. Алюминий при этом еще более выигрывает по сравнению с тяжелыми металлами. Алюминий принадлежит к так называемым легким металлам, максимальная плотность которых составляет 4.5г/см3. К легким металлам относятся также магний (1,7г/см3), бериллий (1.85г/см3) и титан (4.5г/см3).

Низкая плотность позволяет значительно сократить вес оборудования для грузоперевозок, например, транспортных средств для наземных, морских и воздушных перевозок, контейнеров, которые постоянно используются для организации перевозок. В механическом машиностроении уменьшение веса приводит к значительному сокращению потребления энергии, а также затрат на организацию производства и технического обслуживания. Даже в стационарном оборудовании сокращение веса позволяет уменьшить требования к фундаменту и несущим структурам.

Плотность зависит от температуры, уменьшаясь при повышении температуры благодаря термическом расширению. При затвердении имеет место явление усадки в размере 6.5%, которое также вызывает повышение плотности от 2.37г/см3 в жидком состоянии при температуре 660°C до 2.55г/см3 в твердом состоянии при той же температуре. Усадка приводит к образованию пустот при затвердении алюминиевых литейных форм.

 Коэффициент термического расширения очищенного алюминия (AI99.99) для различных диапазонов температур

Температурный диапазон, °CСредний линейный коэффициент термического расширения 106 1/K
200- 20180
150-20199
100-20210
50-20218
20-100236
20-200245
20-300255
20-400264
20-500274
20   - 600285

vseokraskah.net

Свойства алюминия

Физические  свойства алюминия

Основные физические  свойства алюминия и алюминиевых сплавов, которые являются полезными для применения:

Эти свойства алюминия представлены ниже в таблицах [1]. Они могут рассматриваться только как основание для сравнения сплавов и их состояний и не должны применяться для инженерных расчетов. Они не являются гарантированными величинами, поскольку в большинстве случаев являются осредненными значениями для изделий с различными размерами, формами и методами изготовления. Поэтому они не могут быть в точности репрезентативными для изделий любых размеров и форм.

Номинальные величины плотности популярных алюминиевых сплавов представлены для отожженного состояния (О). Различия в плотности связаны с тем, что сплавы имеют различные легирующие элементы и в разных количествах: кремний и магний легче алюминия (2,33 и 1,74  г/см3), а железо, марганец, медь и цинк – тяжелее (7,87; 7,40; 8,96 и 7,13 г/см3).

О влиянии физических свойств алюминия и, в частности, его плотности, на конструкционные характеристики алюминиевых сплавов см. здесь.

Алюминий как химический элемент

  • Алюминий является третьим по распространенности – после кислорода и кремния – среди около 90 химических элементов, который обнаружены в земной коре.
  • Среди элементов-металлов – он первый.
  • Этот металл обладает многими полезными свойствами, физическими, механическими, технологическими — благодаря которым он широко применяется во всех сферах человеческой деятельности.
  • Алюминий – это ковкий металл, который имеет серебристо-белый цвет и легко обрабатывается большинством методов обработки металлов давлением: прокаткой, волочением, экструзией (прессованием), ковкой.
  • Его плотность – удельный вес – составляет около 2,70 граммов на кубический сантиметр.
  • Чистый алюминий плавится при температуре 660 градусов Цельсия.
  • Алюминий имеет относительно высокие коэффициенты теплопроводности и электропроводности.
  • В присутствии кислорода всегда покрыт тонкой, невидимой пленкой оксида. Эта пленка является в значительной степени непроницаемой и имеет довольно высокие защитные свойства. Поэтому алюминий обычно демонстрирует стабильность и длительный срок службы при нормальных атмосферных условиях.

Комбинация свойств алюминия и его сплавов

Алюминий и его сплавы обладают уникальными комбинациями физических и других свойств. Это сделало алюминий одним из наиболее разносторонних, экономически выгодных и привлекательных конструкционных и потребительских материалов. Алюминий находит применение в очень широком диапазоне – от мягкой, очень пластичной упаковочной фольги до самых ответственных космических проектов. Алюминий по праву является вторым после стали среди многочисленных конструкционных материалов.

Низкая плотность

Алюминий – это один из самых легких промышленных конструкционных. Плотность алюминия приблизительно в три раза ниже, чем у стали или меди. Это физическое свойство обеспечивает ему высокую удельную прочность – прочность на единицу массы. Поэтому алюминиевые сплавы широко применяют в транспортном машиностроении для увеличения грузоподъемности транспортных средств и экономии топлива.

  • Паромные катамараны,
  • нефтяные танкеры и
  • самолеты –

вот лучшие примеры применения алюминия в транспорте.


Рисунок 1 – Плотность алюминия в зависимости от его чистоты и температуры [2]

Коррозионная стойкость

Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость благодаря тонкому слою оксида алюминия на его поверхности. Эта оксидная пленка мгновенно образуется, как только свежая поверхность алюминия входит в контакт с воздухом (рисунок 2). Во многих случаях это свойство позволяет применение алюминия без какой-либо специальной обработки поверхности. Если требуется дополнительное защитное или декоративное покрытие, то применяют анодирование или окраску его поверхности.


Рисунок 2
а – естественное оксидное покрытие на сверхчистом алюминии;
б – коррозия алюминия чистотой 99,5 % с естественным оксидным покрытием
в коорозионно агрессивной среде [2]

Прочность

Прочностные свойства чистого алюминия являются довольно низкими (рисунок 3). Однако эти механические свойства могут возрастать очень сильно, если в алюминий добавляют легирующие элементы и, кроме того, его подвергают термическому (рисунок 4) или деформационному (рисунок 5) упрочнению.

Типичными легирующими элементами являются:

  • марганец,
  • кремний,
  • медь,
  • магний
  • и цинк.


Рисунок 3 – Влияние чистоты алюминия на его прочность и твердость [2]


Рисунок 4 – Прочностные свойства высокочистых деформируемых
алюминиево-медных сплавов в различных состояниях [2]
(О – отожженный, W – сразу после закалки, Т4 – естественно состаренный, Т6 – искусственно состаренный)

Рисунок 5 — Механические свойства алюминия 99,50 %
в зависимости от степени полученной холодной деформации [2]

Прочность при низких температурах

Известно, что сталь становится хрупкой при низких температурах. Алюминий же, напротив, при низких температурах повышает свою прочность и сохраняет высокую вязкость. Именно это физическое свойство дало возможность его применения в космических аппаратах, которые работают в условиях космического холода.

Рисунок — Изменение механические свойства алюминиевого сплава 6061
с понижением температуры

Теплопроводность

Алюминий проводит тепло в три раза быстрее, чем сталь. Это физическое свойство является очень важным в теплообменных аппаратах для нагрева или охлаждения рабочей среды. Отсюда — широкое применение алюминия и его сплавов в кухонной посуде, кондиционерах воздуха, примышленных и автомобильных теплообменниках.

Отражательная способность

Алюминий является отличным отражателем лучистой энергии во всем интервале длин волн. Это физическое свойство позволяет применять его в приборах, которые работают от ультрафиолетового спектра через видимый спектр до инфракрасного спектра и тепловых волн, а также таких электромагнитных волн, как радиоволны и радарные волны [1].

Алюминий имеет способность отражать более 80 % световых волн, что обеспечивает ему широкое применение в осветительных приборах (рисунок 6). Благодаря этому физическому свойству он находит применение в теплоизоляционных материалах. Например, алюминиевая кровля отражает большую долю солнечного излучения, что обеспечивает в помещениях прохладную атмосферу летом и, в то же время, сохраняет тепло помещения зимой.


Рисунок 6 – Отражательные свойства алюминия [2]

Электрические свойства

  • Алюминий является одним из двух доступных металлов, которые имеют достаточно высокую электрическую проводимость, чтобы применять их в качестве электрических проводников.
  • Электрическая проводимость «электрической» марки алюминия 1350 составляет около 62 % от международного стандарта IACS – электрической проводимости отожженной меди.
  • Однако удельный вес алюминия составляет только треть от удельного веса меди. Это означает, что он проводит в два раза больше электричества, чем медь того же веса. Это физическое свойство обеспечивает алюминию широкое применение в высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП), трансформаторах, электрических шинах и цоколях электрических лампочек.

Магнитные свойства

Алюминий обладает свойством не намагничиваться в электромагнитных полях. Это делает его полезным при защите оборудования от воздействия электромагнитных полей. Другим применением этого свойства является компьютерные диски и параболические антенны.

Токсические свойства

Это свойство алюминия – отсутствие токсичности – было обнаружено еще в начале его промышленного освоения. Именно это свойство алюминия дало возможность  его применения для изготовления кухонной посуды и приборов без какого-либо вредного воздействия для тела человека. Алюминий со своей гладкой поверхностью легко поддается чистке, что важно для обеспечения высокой гигиены при приготовлении пищи. Алюминиевая фольга и контейнеры широко и безопасно применяются при упаковке с прямым контактом с продуктами.

Звукоизоляционные свойства

Это свойство алюминия дает ему применение при выполнении звукоизоляции потолков.

Способность поглощать энергию удара

Алюминий имеет модуль упругости в три раза меньший, чем у стали. Это физическое свойство дает большое преимущество для изготовления автомобильных бамперов и других средств безопасности автомобилей.

Рисунок 7 — Автомобильные алюминиевые профили
для поглощения энергии удара при аварии

Пожаробезопасные свойства

Алюминиевые детали не образует искр при ударе друг о друга, а также другие цветные металлы. Это физическое свойство находит применение при повышенных мерах пожарной безопасности конструкций, например, на морских нефтяных вышках.

Технологические свойства

Легкость, с которой алюминий может быть переработан в любую форму — технологичность, является одним из наиболее важных его достоинств. Очень часто он может успешно конкурировать с более дешевыми материалами, которые намного труднее обрабатывать:

  • Этот металл может быть отлит любым методом, который известен металлургам-литейщикам.
  • Он может прокатан до любой толщины вплоть до фольги, которая тоньше листа бумаги.
  • Алюминиевые листы можно штамповать, вытягивать, высаживать и формовать всем известными методами обработки металлов давлением.
  • Алюминий можно ковать всеми методами ковки
  • Алюминиевая проволока, которую волочат из круглого прутка, может затем сплетаться в электрические кабели любого размера и типа.
  • Почти не существует ограничений формы профилей, в которые получают из этого металла методом экструзии (прессования).

Источники:

  1. Aluminium and Aluminium Alloys. — ASM International, 1993.
  2. A. Sverdlin Properties of Pure Aluminum // Handbook of Aluminum, Vol. 1 /ed. G.E. Totten, D.S. MacKenzie, 2003

aluminium-guide.ru

Алюминий: свойства, получение и применение

АЛЮМИНИЙ, Al (от лат. alumen — название квасцов, применявшихся в древности как протрава при крашении и дублении * а. aluminium; н. Aluminium; ф. aluminium; и. aluminio), — химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Состоит из одного стабильного изотопа с массовым числом 27. Открыт датским учёным Х. Эрстедом в 1825.

Физические свойства алюминия

Алюминий — серебристо-белый лёгкий металл. Решётка алюминия кубическая гранцентрированная с параметром а = 0,40413 нм (4,0413 Е). Алюминий высокой чистоты (99,996%) характеризуется следующими физическими свойствами: плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м3, t плавления 660,24°С, t кипения 2500°С, теплопроводность (при 190°С) 343 Вт/м • К, удельная теплоёмкость (при 100°С) 931,98 Дж/кг • К, электропроводность по отношению к меди (при 20°С) 65,5%, коэффициент термического расширения (от 20 до 100°С) 2,39 • 10-5 град-1. Алюминий обладает невысокими прочностью (предел прочности при растяжении 50-60 МПа) и твёрдостью (170 МПа, по Бринеллю), но высокой пластичностью (до 50%). Алюминий хорошо полируется, анодируется и имеет высокую отражательную способность (90%). Алюминий стоек к действию различных типов природных вод, азотной и органической кислот. На воздухе алюминий покрывается тонкой прочной плёнкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и коррозии.

Химические свойства алюминия

В обычных условиях алюминий проявляет степень окисления +3, при высоких температурах +1, редко +2.

Алюминий обладает большим сродством к кислороду, образуя окись Al2О3; в порошкообразном состоянии при накаливании в токе кислорода он сгорает, развивая температуру около 3000°С. Эту особенность алюминия используют в алюминотермии для восстановления некоторых металлов из их окислов. При высокой температуре алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AlN, карбид Al4С3 и сульфид Al2S3. С водородом алюминий не взаимодействует; гидрид (AlH3)х получают косвенным путём. Алюминий легко растворяется в щелочах с выделением водорода и образованием алюминатов. Большинство солей алюминия хорошо растворимо в воде.

Алюминий в природе

Алюминий — один из самых распространённых (после кислорода и кремния) элементов в породах земной коры — 8,8% (по массе). Максимальное содержание алюминия отмечено в осадочных породах — 10,45% (по массе), содержание в средних, основных, кислых и ультраосновных соответственно 8,85%, 8,76%, 7,7%, 0,45% (по массе). Известны сотни минералов, в которые он входит в виде главного или достаточно распространённого элемента. Основные носители алюминия — алюмосиликаты. Минералы с максимальным содержанием алюминия — корунд, гиббсит, бёмит, диаспор. Главный источник получения алюминия — бокситы. Кроме того, алюминий частично извлекают из высокоглинозёмистых щелочных пород (уртиты и др.) и алунитов.

Основной особенностью геохимического поведения алюминия в эндогенных процессах является его довольно равномерное распределение в кристаллизующихся алюмосиликатах — полевых шпатах, слюдах, амфиболах и пироксенах. Для постмагматических и гидротермальных образований он не характерен. Единственным своеобразным, но достаточно редким минералом алюминия, связанным с пегматитами, является криолит Na3AlF6. В экзогенных процессах алюминий — весьма слабый мигрант вследствие высокой гидролизуемости его солей с выпадением в осадок малорастворимой гидроокиси Al(OH)3, слабой растворимости его других соединений, высокой кристаллохимической устойчивости алюмокремнекислородных радикалов в алюмосиликатах. Главным концентратором алюминия в экзогенных процессах является каолин, образующийся как остаточный продукт в процессе выветривания кислых, средних и основных пород. Впоследствии при размыве и переотложении каолинитовых кор выветривания алюминий попадает в осадочные породы, главным образом глины. В особо контрастных условиях выветривания (влажные тропики, высокая температура среды) разложение в горных породах достигает стадии формирования остаточных (элювиальных) бокситов. Мало алюминия в живых организмах и гидросфере, хотя и известны отдельные организмы — концентраторы алюминия (плауны, некоторые виды моллюсков). Вместе с тем в почвах и в некоторых водах, богатых органическим веществом, отмечается определённая миграционная подвижность алюминия в виде органо-минеральных соединений. Особая подвижность алюминия устанавливается в некоторых вулканогенно- гидротермальных ультракислых и кислых растворах. Основные генетические типы месторождений и схемы обогащения см. в ст. Алюминиевые руды, Бокситы. 

Получение

Металлический алюминий в промышленности получают электролизом раствора глинозёма в расплавленном криолите или расплаве AlCl3; А. высокой чистоты (99,996%) вырабатывают электролитическим рафинированием с помощью т.н. трёхслойного способа. Принципиально та же технология, но с использованием органических электролитов позволяет доводить чистоту рафинируемого алюминия до 99,999%.

Применение

Благодаря лёгкости, достаточной прочности, способности сплавляться со многими другими металлами и хорошей электропроводности алюминий находит широкое применение в электротехнике, а также как конструкционный материал в машиностроении, авиастроении, строительстве и др. Чистый и сверхчистый алюминий применяют в полупроводниковой технике и для покрытия разного рода зеркал. Алюминий получил применение в ядерных реакторах в связи с относительно низким сечением поглощения нейтронов. В ёмкостях и таре из алюминия транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород), некоторые кислоты (азотную, уксусную), хранят пищевые продукты, воду, масла. Как легирующую добавку алюминий используют в сплавах Cu, Mg, Ti, Ni, Zn, Fe. В ряде случаев алюминий идёт на изготовление взрывчатых веществ (алюминал, алюмотол и др.).

www.mining-enc.ru

Физические свойства алюминия зависят от его чистоты

Основные свойства

Алюминий - химический элемент третей группы периодической системы Д.И. Менделеева.

Таблица физических свойств алюминия
Плотность , (кг/м3) 2,7
Температура плавления Тпл, °С 660
Температура кипения Ткип, °С 2 327
Скрытая теплота плавления, Дж/г 393,6
Теплопроводность l , Вт/м •град (при 20° С) 228
Теплоемкость Ср, Дж/(г · град) (при 0–100°С) 0,88
Коэффициент линейного расширения α × 10-6, 1/°С (пр°С) 24,3
Удельное электросопротивление ρ × 10-8, Ом× м (при 20°С) 2,7
Предел прочности σ в, МПа 40–60
Относительное удлинение δ , % 40–50
Твердость по Бринеллю НВ 25
Модуль нормальной упругости E , ГПа 70

Плотность алюминия

Плотность твердого и расплавленного алюминия снижается по мере увеличения его чистоты:

Плотность алюминия при 20°С
Степень чистоты, %   99,25 99,40 99,75 99.97 99,996 99.9998
Плотность при 20°С, г/см3  2,727 2,706 2,703 2,6996 2,6989 2,69808

Плотность расплавленного алюминия при 1000°С
Степень чистоты, % 99,25 99.40 99.75
Плотность, г/см3 2,311 2,291 2,289

Температура плавления и кипения.

В момент плавления алюминия возрастает объем металла: для алюминия чистотой 99,65 % — на 6,25%, для более чистого металла — на 6,60 %. По мере повышения степени чистоты алюминия температура его плавления возрастает:

Зависимисть температуры плавления алюминия от чистоты
Степень чистоты, % 99,2 99,5 99,6 99,97 99,996
Температура плавления, °С 657 658 659,7 659,8 660,24

Теплопроводность алюминия

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением степени его чистоты. Для технического алюминия (99,49 и 99,70%) теплопроводность при 200°С равна соответственно 209 и 222 Вт/(м×К). Для электро­литически рафинированного алюминия чистотой 99,9% теплопроводность при 190°С возрастает до 343 Вт/(м×К). Примеси меди, магния и марганца в алюминии снижают его теплопроводность. Например, добавка 2 % Mn к алюминию снижает теплопроводность с 209 до 126 Вт/(м×К).

Электропроводность алюминия

Алюминий отличается высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов — после серебра, меди и золота). Удельная электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 20°С равна 37,9 мкСм×м, что составляет 63,7% от электропроводности меди [59,5 мкСм×м]. Более чистый алюминий [99,999 %] обладает электропроводностью, равной 65,9% от электро­проводности меди.
На электропроводность алюминия влияет ряд факторов: степень деформации, режим термической обработки и т. д., решающую же роль играет природа примесей, присутствующих в алюминии. Примеси по их отрицательному влиянию на электропроводность алюминия можно расположить в следующий ряд: Cr, V, Mn, Ti, Mg, Ag, Сu, Zn, Si, Fe Ni.
Наиболее отрицательное влияние на электросопротивление алюминия оказывают примеси Сг, V, Мп и Ti . Поэтому в алюминии для электротехнической промышленности сумма Cr+V+Mn+Ti не должна превышать 0,015% (марка А5Е) и даже 0,01 % (А7Е) при содержании кремния соответственно 0,12 и 0,16 %.

Влияние примесей на электропроводность алюминия

Основными примесями в алюминии являются кремний, железо, медь, цинк и титан. При малых содержаниях кремния в алюминии (0,06%) величина Fe : Si (в пределах от 0,8 до 3,8) сравнительно мало влияет на его электросопротивление. При увеличении содержания кремния до 0,15—0,16% влияние Fe : Si возрастает. Ниже приведено влияние Fe : Si на электропроводность алюминия:

Влияние Fe : Si на электропроводность алюминия
Fe : Si    1,07 1,44 2,00 2,68 3,56
Удельное электросопротивление алюминия,
×10-2 мкОм·мм:
 
нагартованного 2,812 2,816 2,822 2,829 2,838
отожженного 2,769 2,771 2,778 2,783 2,788

Удельное электрическое сопротивление отожженной алюминиевой проволоки (ρ, мкОм·м) при 20°С в зависимости от содержания примесей можно приблизительно определить по следующей формуле: ρ=0,0264+0,007×(% Si)+0,0007×(% Fe) + 0,04×[% (Cr+V + Mn + Ti)].

Отражательная способность

С повышением степени чистоты алюминия возрастает его способность отражать свет от поверхности. Так, степень отражения белого света от прокатанных алюминиевых листов (фольги) в зависимости от чистоты металла, возрастает следующим образом: для Аl 99,2%—75%, Аl 99,5%—84% и для Аl 99,8%—86%. Поверхность листа, изготовленного из электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,996%, отражает 90% падающего на него белого света.

www.metmk.com.ua

Алюминий :: Физические свойства, Получение

  Al                    13
Алюминий  26.981539(5)
              2s22p63s23p1
АЛЮМИНИЙ — металл III группы второго периода в периодической системе эле¬ментов Д.И.Менделеева.
Алюминий в соединениях проявляет степень окисления +3, т.к. имеет на внешней электронной оболочке 3 электрона.

Алюминий впервые был открыт в 1825 г X. Эрстедом и выделен в чистом виде в 1827г. немецким химиком Ф.Вёлером.
По содержанию в земной коре (8.8%) алюминий занимает третье место после кислорода и кремния, с которыми алюминий в виде алюмосиликатов составляет больше 82% массы земной коры. В свободном виде алюминий не встречается.

Основные природные соединения алюминия:
1. Нефелины — (Na,K)2О • АlО3 • 2Si2.
2. Криолит — А1F3 • 3NaF
3. Бокситы — алюминиевая руда Аl2O3 • хH2O (встречается, как правило, с примесями оксидов кремния SiO2, железа Fe2О3, карбонатом кальция СаСО3).
4. Каолин — А12О3 • 2SiO2 • 2Н2О.
5. Глиноземы — смесь каолинов с песком SiO2, известняком СаСО3, магнезитом МgСО3.

Получение:
1. Впервые был получен восстановлением хлорида алюми¬ния металлическим калием или натрием без доступа воздуха:
АlС13 + ЗNа = Аl + 3NaСl
2. В промышленности получают электролизом раствора глинозема (техн. Аl2О3) в расплаве криолита Na3АlFб с добавкой СаF2. Криолит используется как растворитель оксида алюминия, а добавка СаF2 позволяет поддерживать температуру плавления в электролитической ванне не выше 10000 С.

Физические свойства:
Чистый алюминий — серебристо-белый легкий металл с температурой плавления 660°С. Пластичен, легко вытя¬гивается в проволоку и раскатывается в листы и фольгу. Является хорошим проводником электричества и тепла (после серебра и меди).
Сплавы алюминия с различными металлами обладают высокой прочностью и легкостью.

Продолжение

all-met.narod.ru

Алюминий и его свойства

Алюминий - химический элемент третей группы периодической системы Д.И. Менделеева.

Марки и химический состав (%) первичного алюминия (ГОСТ 11069–74)

*Для суммы титана, ванадия, хрома и марганца.

** Допускается массовая доля железа не менее 0,18 %.

***«Е» — в марках с гарантированными электрическими характеристиками.

Алюминий технической чистоты, применяемый для изготовления полуфабрикатов и изделий путем деформации, входит в ГОСТ 4784-74

Химический состав (%) технического алюминия

* B: 0,02 %; Ti + V: 0,02 %

**B: 0,05 %; Ti + V: 0,02 %

Гарантируемые механические характеристики (не менее) листов из АД0, АД1

АЛЮМИНИЙ, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, относительная атомная масса 26,98. В природе представлен лишь одним стабильным нуклидом 27 Al. Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов алюминия, наиболее долгоживущий – 26 Al имеет период полураспада 720 тысяч лет.

Алюминий в природе. В земной коре алюминия очень много: 8,6% по массе. Он занимает первое место среди всех металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых! Как писал более 100 лет назад в своем классическом учебнике Основы химии Д.И. Менделеев, из всех металлов «алюминий есть самый распространенный в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине».

Важнейший минерал алюминия – боксит, смесь основного оксида AlO(OH) и гидроксида Al(OH)3 . Крупнейшие месторождения боксита находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; промышленная добыча ведется и в других странах. Богаты алюминием также алунит (квасцовый камень) (Na,K)2 SO4 ·Al2 (SO4 )3 ·4Al(OH)3 , нефелин (Na,K)2 O·Al2 O3 ·2SiO2 . Всего же известно более 250 минералов, в состав которых входит алюминий; большинство из них – алюмосиликаты, из которых и образована в основном земная кора. При их выветривании образуется глина, основу которой составляет минерал каолинит Al2 O3 ·2SiO2 ·2H2 O. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина – каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.

Изредка встречается исключительно твердый (уступает лишь алмазу) минерал корунд – кристаллический оксид Al2 O3 , часто окрашенный примесями в разные цвета. Его синяя разновидность (примесь титана и железа) называется сапфиром, красная (примесь хрома) – рубином. Разные примеси могут окрашивать так называемый благородный корунд также в зеленый, желтый, оранжевый, фиолетовый и другие цвета и оттенки.

Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978 в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий – в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. Известно, что при нагревании галогенидов алюминия – хлорида, бромида, фторида они могут с большей или меньшей легкостью испаряться (так, AlCl3 возгоняется уже при 180° C). При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть – восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl  2Al + AlCl3 . В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.

Название алюминия происходит от латинского alumen (род. падеж aluminis). Так называли квасцы, двойной сульфат калия-алюминия KAl(SO4 )2 ·12H2 O), которые использовали как протраву при крашении тканей. Латинское название, вероятно, восходит к греческому «халмэ» – рассол, соляной раствор. Любопытно, что в Англии алюминий – это aluminium, а в США – aluminum.

Во многих популярных книгах по химии приводится легенда о том, что некий изобретатель, имя которого история не сохранила, принес императору Тиберию, правившему Римом в 14–27 н.э., чашу из металла, напоминающего цветом серебро, но более легкого. Этот подарок стоил жизни мастеру: Тиберий приказал казнить его, а мастерскую уничтожить, поскольку боялся, что новый металл может обесценить серебро в императорской сокровищнице.

Эта легенда основана на рассказе Плиния Старшего, римского писателя и ученого, автора Естественной истории – энциклопедии естественнонаучных знаний античных времен. Согласно Плинию, новый металл был получен из «глинистой земли». А ведь гл

mirznanii.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *