Какво е алуминий: формула, реакции, свойства и приложения

Алуминият е елемент от третия период на периодичната таблица с атомно число 13. По отношение на неговото разпространение той е първият сред металите и третият сред химическите елементи на земната кора (след кислород и силиций). Нека разберем по-подробно какво е алуминий и какви свойства има.

Общи характеристики

И така, какво е алуминий? На първо място, това е лек парамагнитен метал с бяло-сребрист цвят, който е много ковък за обработка (леене, формоване, механична обработка и др.). Химичната формула на алуминия е позната на всички от училищния курс по химия - Ал. Има висока електрическа и топлинна проводимост, както и устойчивост на корозионни процеси. Последното свойство се дължи на способността на алуминия бързо да образува оксидни филми, които предпазват повърхността му.

Исторически фон

Световната общност е научила какво е алуминий през 1825 г., благодарение на датския физик Ханс Ерстед. Ученият проведе взаимодействието на калиева амалгама с алуминиев хлорид, последвано от извличане на живак. Химичният елемент е получил името си от латинската дума alumen, която се превежда като "стипца".

Преди да се открие промишления метод за производство на алуминий, този метал се оценява повече от златото. През 1889 г. иска да почете великолепния дар на Д.И. Ангелец Менделеев му подаде скала от злато и алуминий.

приемане

Металът образува силна връзка с кислород - двуалуминиев триоксид. В сравнение с други известни метали, възстановяването му от рудата е по-трудоемко. Причината за това се крие във високата реактивност и високата точка на топене на алуминия, и по-специално на рудите му. Методът на директно редуциране с въглерод не се използва, тъй като редукционната способност на този метал е по-висока от тази на въглерода. Възможно е непряко възстановяване. Той включва получаването на междинен продукт Al4C3, който се разлага при температура от около 2000 ° С до образуване на алуминий. Досега този метод е в процес на разработка, но вече е известно, че ще изисква по-малко енергия от метода на Хол-Еру.

Техниката на Хол-Еру, която днес е най-широко използвана, е разработена през 1886 г. паралелно от двама учени - американския Чарлз Хол и французина П. Еру. Неговата същност се състои в разтваряне на Al ₂ O ₃ (алуминиев оксид) в Na ₃ AlF ₆ (криолитна стопилка) и последваща електролиза с използване на анодни електроди (кокс или графит). Тъй като този метод е много скъп, той е широко използван едва през ХХ век.

Производството на един тон алуминий отнема 1.92 тона двуалуминиев триоксид, 0.6 тона електроди, 0.065 тона криолит, 0.035 тона алуминиев флуорид и около 61 GJ електроенергия.

Що се отнася до лабораторния метод за производство на алуминий, той е изобретен през 1827 г. от Friedrich Wohler. Същността на метода се състои в редукция на безводен алуминиев хлорид с калиев метал. Реакцията протича при нагряване, без достъп на въздух.

Място в природата

Масовата концентрация на това вещество в земната кора се оценява на 7,45-8,14%. Според този показател алуминият се нарежда на първо място сред металите и на трето място сред химическите елементи като цяло.

В природата, поради химическата активност на метала, той се среща главно под формата на съединения. Основните минерали на алуминия: боксит, корунд, нефелин, алуминий, алунит, фелдшпати, берил, каолинит и хризоберил. В отворите на вулканите, в които са създадени специфични редуциращи условия, са открити малки количества местен метал.

В естествените води алуминият е представен под формата на ниско-токсични съединения, например флуорид. Появата на катиона или аниона се влияе основно от киселинността на средата. В прясна вода концентрацията на алуминиевия разтвор може да бъде от 0.001 до 10 mg / l, а в солена вода - около 0.01 mg / l.

Съставът на естествения алуминий е доминиран от стабилния изотоп ²⁷ Al и има незначителни следи от ²⁶ Al.

Физични свойства

Основните физични свойства на материала:

1. Плътност - 2712 кг / м ³ .
2. Точка на кипене - 2500 ° С.
3. Точка на топене - 660 ° С.
4. Специфичен топлинен капацитет - 897 J / kg * K.
5. Твърдост по Бринел - от 24 до 32 kgf / mm².
6. Пластичност на чист материал - 50%.
7. Модул на младостта - 70 GPa.
8. Електрическа проводимост - 37 * 106 Cm / m.
9. Топлинна проводимост - 203.5 W / (m * K).

Алуминият може да образува сплави с почти всички метали. Най-широко се използват дюралуминия (сплав с мед и магнезий) и силимин (сплав със силиций).

Химични свойства

При нормални условия, този метал е покрит с тънък, но много издръжлив оксиден филм, което го прави устойчив на въздействието на стандартните окислители: вода, кислород, а също и азотни и сярни киселини. Алуминият реагира обаче солна киселина. Благодарение на тези свойства, металът не е податлив на корозия и е много популярен в промишлеността.

С разрушаването на филма, алуминият може да действа като активен редуциращ метал. За да се избегне образуването на филм, към него се добавя галий, калай или индий.

Разгледайте основните уравнения на алуминия.

С прости вещества този метал образува следните съединения:

1. С кислород - оксид. 4Al + 3O2 = 2Al2O3.
2. С халогени (с изключение на флуор) - хлорид, йодид и бромид. 2Al + 3Hal2 = 2AlHal3 (Hal = Cl, Br, I).
3. С флуор (при нагряване) - флуорид. 2Al + 3F2 = 2AlF3.
4. С сяра (при нагряване) - сулфид. 2Al + 3S = Al2S3.
5. С азот (при нагряване) - нитрид. 2Al + N2 = 2AlN.
6. С въглерод (при нагряване) - карбид. 4Al + 3C = Al4C3.

Сулфиди и. T алуминиеви карбиди може да бъде напълно хидролизиран.

Реакциите на алуминий със сложни вещества изглеждат така:

1. С вода - след отстраняване на защитния филм. 2Al + 6H20 = 2Al (OH) ₃ + 3H2.
2. С алкални форми - алуминати. 2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na [Al (OH) ₄ ] + 3H2.
3. С хлороводородна и разредена сярна киселина - се разтваря в тях. 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2.
4. С киселинно-окислителни агенти, които образуват разтворими соли - се разтварят в тях при нагряване. 8Al + 15H2S04 = 4Al2 (S04) ₃ + 3H2S + 12H2O.
5. С метални оксиди - възстановява металите от тях (алуминотермия). 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe.

производство

До края на 19-ти век алуминият не се произвежда в индустриален мащаб. Хенри Ст. Клер Девил, чиято работа е финансирана от Наполеон III (той се надяваше да използва материала за армията), изобретява първия метод за промишлено производство на метал едва през 1854 година. Същността на метода е да измести алуминия от двойния натриев алуминиев хлорид, използвайки метален натрий. През 1855 г. е произведен първият слитък, теглото на което е около 7 кг. През следващите 36 години този метод е произвел 200 тона алуминий. Това е въпреки факта, че още през 1856 г. същият учен разработи нов метод, основан на електролизата на стопилката на горния хлорид.

През 1885 г. в град Гмелингам (Германия) е построен завод за производство на алуминий по технологията на Николай Бекетов. Този метод не се различава много от това, което Девил бе развил, но беше малко по-опростен. Тя се основава на взаимодействието между криолит и магнезий. За пет години на експлоатация, заводът произвежда 58 тона алуминий - повече от 25% от световното производство за годините 1854-1890.

Методът Хол-Еру бележи началото на по-технологично и модерно металопроизводство. Оттогава с развитието на електротехниката се развиват технологии за производство на алуминий. Значителен принос за развитието на тази посока направиха и руски учени: Байер, Пеняков, Кузнецов, Жуковски, Яковкин и много други.

В Русия първият алуминиев завод е построен в град Волхов през 1932 година. През 1939 г. металургичната промишленост на СССР произвежда почти 50 хиляди тона този метал годишно.

Втората световна война стана стимул за освобождаването на много материали, включително алуминий. Така до 1943 г. световното производство възлиза на почти 2 милиона тона. Всяка година, дори и след края на войната, тази цифра се увеличи. През 1980 г. той възлиза на 16 милиона тона, през 1990 г. - 18 милиона тона, през 2008 г. - около 40 милиона тона, а през 2016 г. - почти 60 милиона тона.

Рейтингът на страните, които произвеждат алуминий в големи количества, е както следва:

1. Китай.
2. Русия.
3. Канада.
4. САЩ.
5. Австралия.

Световното предлагане на боксит е почти неограничено и несъизмеримо с динамиката на търсенето. В бъдеще много от линиите за производство на алуминий могат да бъдат преориентирани към производството, например на композитни материали. Цената на този метал на търга на световните стокови борси през последните десет години се колебае в рамките на 1250-3300 долара за тон.

Използване на

Алуминият се използва широко като конструктивен материал. Основните му предимства са лекота, устойчивост на корозия, спазване на щанцоване, висока топлина и здраве и безвредност. Последните имоти са направили материала много популярен в производството на кухненски прибори и филм. Благодарение на първите три свойства, алуминият се превърна в основна суровина за авиационната и авиационната промишленост. Основният недостатък на този конструктивен материал е неговата ниска якост. За втвърдяване обикновено се използва в сплави с малки количества мед и магнезий (дюрал).

Алуминият е 1.7 пъти по-нисък от медта в електрическата проводимост, но поради факта, че неговата плътност е 3.3 пъти по-малка, отнема половината от теглото, за да се получи приблизително еднаква съпротива. Освен това, алуминият е около 4 пъти по-евтин от медта. Това се дължи на широкото използване на този материал в електротехниката (производство и екраниране на проводници) и микроелектрониката (отлагане на проводници на повърхността на микросхемите). Основният недостатък на алуминия като материал за електротехниката е образуването на силен диелектричен филм по повърхността му. Това усложнява запояването и причинява нагряване на фугите, което намалява качеството на контакта и надеждността на изолацията. За изравняване на тази функция използвайте алуминиеви проводници с голямо напречно сечение.

Освен това алуминият се използва в такива направления:

1. Бижута. Разбира се, това е главно за времето, когато алуминият е бил много скъп. Днес тя се използва в бижута, а в Япония този материал замества среброто при производството на традиционните бижута.
2. Прибори за хранене. В тази посока алуминият е бил използван по времето на Наполеон 3-ти, но дори и сега е възможно да се намерят прибори за хранене, направени от него в заведения за хранене.
3. Производство на стъкло. В тази област се използват фосфат, флуорид и алуминиев оксид.
4. Хранителна промишленост. Този метал е регистриран като хранителна добавка E173.
5. Военна индустрия. Поради ниската си цена и ниската маса на алуминия, той се използва в производството на пистолети и автоматични машини.
6. Ракетна технология. Алуминият и неговите съединения са използвани като ракетно гориво в двукомпонентни ракетни горива.
7. Енергетиката. Алуминият се използва като вторичен енергиен носител.

Алуминият се използва като редуктор в следните области:

1. Като компонент на смеси за алуминиева течност.
2. Като редуктор на редки метали от техните оксиди и халогениди.
3. В пиротехниката.
4. С анодна защита, като защитник.

Използвайте сплави

Не е чист алуминий, а сплави на базата на него често се използват като строителен материал.

Алуминиево-магнезиеви сплави . Те се характеризират с комбинация от висока пластичност, задоволителна якост, устойчивост на корозия, добра заваряемост и висока вибрационна устойчивост. Най-често в промишлеността се използват сплави, в които съдържанието на магнезий се колебае в границите на 1-5%. Колкото по-висока е скоростта, толкова по-надеждна е сплавта. Всеки процент дава допълнителни 30 MPa крайната сила.

Сплави, съдържащи до 3% магнезий, са структурно стабилни при нормални и повишени температури, дори в закалено състояние. С увеличаване на съдържанието на магнезий, стабилността намалява. С увеличаване на неговото количество до 6% корозионната устойчивост на сплавта се влошава. Следователно за по-нататъшно подобряване на якостните характеристики, алуминиево-магнезиевите системи се допират с титан, манган, хром, ванадий или силиций. Проникването на мед и желязо в такива сплави е нежелателно. Това води до намаляване на устойчивостта на заваряване и корозия.

Алуминиево-манганови сплави . Те имат висока якост, еластичност, технологичност, устойчивост на корозия и заваряемост. В алуминиево-мангановите системи, желязото и силицийът са основните примеси. Тези елементи намаляват разтворимостта на мангана в алуминия. За да се получи финозърнеста структура, тези сплави се сплавят с титан. Достатъчно количество манган осигурява стабилна структура на твърдия метал при всяка температура.

Алуминиево-медни сплави . Според механичните си свойства в топлоустойчиво състояние, тази система може да прескочи нисковъглеродните стомани. Такива сплави са много технологични. Единственият им недостатък е ниската устойчивост на корозия. Този проблем се решава чрез използването на защитни покрития.

Като сплавни добавки се използват желязо, магнезий, манган и силиций. Най-вече магнезият влияе върху свойствата на сплавта, като значително увеличава границите на добива и якостта на системата. Силиконът увеличава способността на сплавта за изкуствено стареене, а желязото с никел - неговата устойчивост на топлина. Свързването на тези системи след закаляване ускорява изкуственото стареене, а също така увеличава устойчивостта и корозията им.

Сплави на алуминий-цинк-манган . Оценява се за висока якост и технологичност. Високата степен на втвърдяване се постига благодарение на добрата разтворимост на компонентите при повишени температури, което рязко намалява при охлаждане. Основният и много съществен недостатък на тези системи е ниската им корозионна устойчивост. За да се увеличи този показател, се използва медно допинг. Също така, през 60-те години на миналия век е установено, че наличието на литий в алуминиево-цинкови-манганови системи позволява да се забави естественото и ускоряване на изкуственото стареене. В допълнение, литий намалява теглото на сплавта и увеличава нейния модул на якост.

Siluminas (алуминиево-силициеви сплави) се използват и в промишлеността, от които се изливат корпуси от всички видове механизми и сложни сплави (дихателни пътища).

токсичност

Отговаряйки на въпроса какво е алуминий, си струва да споменем токсичността на този метал. Въпреки широкото си разпространение в природата, алуминият е мъртво вещество, т.е. не се използва от живите същества в обмяната на веществата. Сам по себе си металът има лек токсичен ефект, но много от неговите неорганични съединения, разтворими във вода, могат да имат пагубен ефект върху топлокръвните преживни животни и хората. За човек такива дози метални съединения (mg / kg телесно тегло) имат токсичен ефект:

1. Ацетат - 0.2-0.4.
2. Хидроксид - 3.7-7.3.
3. Алум - 2.9.

При поглъщане с вода алуминиевите съединения действат върху нервната система, което може да доведе до тежки нарушения. Положителен е фактът, че натрупването на метал в тялото предотвратява механизма на екскреция. До 15 mg от един елемент може да се екскретира с урината на ден. По този начин, отрицателният ефект на алуминиевите съединения може да засегне само хора, страдащи от нарушена бъбречна екскреторна функция.