АЛЮМІНІЙ ТА ЙОГО СПЛАВИ
Химия

АЛЮМІНІЙ ТА ЙОГО СПЛАВИ


clip_image002

Реферат з хімії

АЛЮМІНІЙ І ЙОГО СПЛАВИ

Алюміній (Aluminium) — Хімічний елемент третьої групи періодичної системи. Атомний номер 13, атомна вага 26,9815. Позначається латинськими літерами Al . Це сріблясто-білий метал, легкий (r = 2,7 г/см3) , легкоплавкий (tпл = 660,4 ° С ), пластичний, легко витягується у дріт та фольгу. Електропровідність алюмінію досить висока і поступається тільки сріблу (Ag) та міді (Cu) (у 2,3 рази більше ніж у міді)

Алюміній знаходиться практично скрізь на земній кулі, так як його оксид (Al2O3) становить основу глинозему. Алюміній у природі зустрічається у сполуках – його основні мінерали:

· боксит – суміш мінералів діаспора, беміту AlOOH, гідаргіліту Al(OH)3 та оксидів інших металів – алюмінієва руда;

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

· нефелін(Na,K)2O * Al2O3* 2SiO2 ;

· корундAl2O3 – прозорі кристали;

· польовий шпат (ортоклаз)K2O * Al2O3* 6SiO2 ;

· каолінітAl2O3* 2SiO2* 2H2O – найважливіша складова частина глини

та інші алюмосилікати, що входять до складу глин.

І хоча вміст його в земній корі 8,8% (для порівняння, наприклад, заліза в земній корі 4,65% – вдвічі менше), а за поширеністю посідає третє місце після кисню (O) кремнію (Si) у вільному стані вперше був отриманий в 1825 Х. К. Ерстедом.

Німецький хімік Ф. Велер у 1827 р. отримав алюміній при нагріванні хлориду алюмінію. AlCl3 з лужними металами калієм (K) і натрієм (Na) без доступу повітря.

AlCl3 + 3K ® 3KCl + Al

(Реакція протікає із виділенням тепла).

Для промислового застосування цей спосіб не застосовується через його економічну невигідність, тому був розроблений спосіб видобутку алюмінію з бокситів шляхом електролізу. Це дуже енергоємне виробництво, тому заводи, що виробляють алюміній, як правило, розташовані неподалік електростанцій.

clip_image004

Це дуже енергоємне виробництво, тому заводи, що виробляють алюміній, як правило, розташовані неподалік електростанцій.

Алюміній також відрізняється своєю хімічною активністю. Порошкоподібний алюміній активно згорає на повітрі. Якщо поверхню алюмінію потерти сіллю ртуті (HgCl2) , то відбудеться наступна реакція

2Al + 3HgCl2® 2AlCl3 + 3Hg

ртуть, Що Виділилася, розчиняє алюміній з утворенням сплаву алюмінію з ртуттю — амальгаму, яка не утримується на поверхні алюмінію, тому, якщо результат цього досвіду помістити у воду, то ми побачимо бурхливу реакцію

2Al +6HOH ® 2Al(OH)3¯ + 3H3­

Ця реакція говорить про дуже високу хімічну активність чистого алюмінію.

Залишається дивуватися як посуд з алюмінію не розчиняється прямо у нас на очах, коли ми наливаємо в неї воду.

Секрет подібної поведінки алюмінію простий – він настільки активний, що саме завдяки цій своїй здатності настільки інтенсивно окислюватися постійно покритий щільною окисною плівкою Al2O3 яка і перешкоджає його подальшому окиснення.

Інертність оксиду алюмінію настільки велика, що покритий ним алюміній практично не реагує з концентрованою та розведеною азотною кислотою (HNO3), насилу взаємодіє з концентрованою та розведеною сірчаною кислотою (H2SO4), не розчиняється в ортофосфорній кислоті (H3PO4). Хоча, навіть за нормальної температури, реагує з хлором (Cl2) та бромом (Br2) а при нагріванні з фтором (F2 ), йодом (I2 ) , сірої (S ) , вуглецем (C ) , азотом (N2 ), розчиняється в розчинах лугів.

Оксид алюмінію використовують для отримання деяких марок цементу, для обробки поверхонь, так як він має високу твердість (різновид оксиду – корунд).

Оксид алюмінію (глинозем) існує в декількох кристалічних модифікаціях, з яких стійкі a-форма і g-форма. Але навіть одна форма a-Al2O3 в природі дуже багатолика — це і рубін і сапфір, лейкосапфір та ін — все це різновиди мінералу корунд.

g-Форма більш хімічно активна, може існувати і аморфному стані, але при 900 °С незворотно переходить в a-форму.

Температура плавлення оксиду алюмінію 2053 ° С (а кипіння взагалі більше 3000 ° С). Для порівняння – температура плавлення самого алюмінію 660,4 °С. Тому й виникали проблеми зі здобиччю алюмінію, попри його широке поширення.

Оксид алюмінію Al2O3 отримують або спалюванням алюмінію шляхом вдування порошку алюмінію в полум’я пальника,

4Al + 3O2® 2Al2O3

або перетворенням за схемою

HCl або H2SO4

NaOH або KOH

t °С

Al

->

сіль

->

Al(OH)3

->

Al2O3

Чистий алюміній видобувається методом електролізу розчину глинозему у розплавленому кріоліті (6-8% Al2O3 та 94-92% Na3AlF6) або електролізом AlCl3.

Гідрооксид алюмінію Al(OH)3 використовується для фарбування тканин, для виготовлення кераміки та як нейтралізуючий агент[1].

На практиці дуже широке застосування отримав так званий терміт – суміш оксиду заліза Fe3O4 з алюмінієм. При підпалі цієї суміші за допомогою магнієвої стрічки відбувається бурхлива реакція з рясним виділенням тепла.

8Al + 3Fe3O4® 4Al2O3 + 9Fe

Цей процес використовують при зварюванні. Іноді для отримання деяких чистих металів у вільному вигляді.

Є також інше використання даної реакції — якщо звернути увагу на з’єднання заліза до реакції та його стан після реакції, то можна помітити, що до початку реакції це був оксид заліза — а саме — іржа, а після реакції – чисте відновлене залізо. Цей ефект використовують для хімічного захисту та видалення іржі.

Тому алюміній дуже широко використовується в техніці не тільки як основа легких сплавів, але і як розкислювач сталей для відновлення металів з оксидів (алюмотермія – див. приклад вище), в електротехніці.

Алюміній у техніці також використовують для насичення поверхні сталевих та чавунних виробів з метою захисту цих виробів від корозії – цей процес називається алітування.

Тонка алюмінієва фольга використовується як пакувальний матеріал для продуктів харчування (наприклад шоколаду), товстіша – для виготовлення банок для напоїв.

Алюмінієві сплави мають малу щільність (2,5 – 3,0 г/см3) у поєднанні з досить хорошими механічними властивостями та задовільною стійкістю до окислення. За своїми характеристиками міцності і по зносостійкості вони поступаються сталям, деякі з них також не мають хорошої зварюваності, але багато з них мають характеристики, що перевершують чистий алюміній.

clip_image006

Ці повітряні конструкції виконані зі сплавів алюмінію

Особливо виділяються алюмінієві сплави з підвищеною пластичністю, що містять до 2,8% Mg та до 2,5% Mn – вони мають більшу, ніж чистий алюміній міцність, легко піддаються витяжці, близькі по корозійній стійкості до алюмінію.

Дуралюміни – від французького слова dur – твердий, важкий та aluminium – твердий алюміній. Дуралюміни – сплави на основі алюмінію, що містять:

· 1,4-13% Cu,

· 0,4-2,8% Mg ,

· 0,2-1,0% Mn ,

· Іноді 0,5-6,0% Si ,

· 5-7% Zn ,

· 0,8-1,8% Fe ,

· 0,02-0,35% Ti та ін.

Дуралюміни – найбільш міцні та найменш корозійностійкі з алюмінієвих сплавів. Схильні до міжкристалічної корозії. Для захисту листового дуралюмінію від корозії його поверхню плакують[2] чистий алюміній. Вони не мають хорошої зварюваності, але завдяки своїм іншим характеристикам застосовуються скрізь, де необхідна міцність і легкість. Найбільше застосування знайшли в авіабудуванні виготовлення деяких деталей турбореактивних двигунів.

Магналії – названі так через великий вміст у них магнію (Mg), сплави на основі алюмінію, що містять:

· 5-13% Mg ,

· 0,2-1,6% Mn ,

· Іноді 3,5-4,5% Zn ,

· 1,75-2,25% Ni ,

· До 0,15% Be ,

· До 0,2% Ti ,

clip_image008

· До 0,2% Zr та ін.

Алюмінієві труби

Магналії відрізняються високою міцністю та стійкістю до корозії у прісній і навіть морській воді. Магналії також добре стійкі до дії азотної кислоти HNO3 , розведеної сірчаної кислоти H2SO4 ортофосфорної кислоти H3PO4 , а також у середовищах, що містять SO2 .

Застосовуються як конструкційний матеріал:

· авіабудуванні;

· Суднобудування;

· Машинобудування (зварні баки, заклепки, бензопроводи, маслопроводи);

· Для виготовлення арматури будівельних споруд;

· Для виготовлення деталей холодильних установок;

· Для виготовлення декоративних побутових предметів та ін.

При утриманні Mg вище 6% магналії схильні до міжкристалічної корозії. Мають нижчі ливарні властивості, ніж силуміни.

Силуміни — сплави на основі алюмінію з великим вмістом кремнію (Si).

До складу силумінів входять:

· 3-26% Si ,

· 1-4% Cu ,

· 0,2-1,3% Mg ,

· 0,2-0,9% Mn ,

· Іноді 2-4% Zn ,

· 0,8-2% Ni ,

· 0,1-0,4% Cr ,

· 0,05-0,3% Ti та ін.

При своїх відносно невисоких характеристиках міцності силуміни володіють найкращими з усіх алюмінієвих сплавів ливарними властивостями. Вони найчастіше використовуються там, де необхідно виготовити тонкостінні або складні форми деталі.

За корозійною стійкістю займають проміжне положення між дуралюмінами та магналіями.

Знайшли своє основне застосування в:

· авіабудуванні;

· Вагонобудуванні;

· Автомобілебудування та будівництво сільськогосподарських машин для виготовлення картерів, деталей коліс, корпусів та деталей приладів.

САП — сплави, що складаються з Al та 20-22% Al2O3 .

Отримують спіканням окисленого алюмінієвого порошку. Після спікання частки Al2O3 грають роль зміцнювача.

Міцність даного з’єднання при кімнатній температурі нижче, ніж у дуралюмінів і магналіїв, але при температурі 200 °С перевищує їх.

При цьому САП мають підвищену стійкість до окислення, тому вони незамінні там, де температура експлуатації перевищує 400 °С.


[1] Нейтралізуючий агент необхідний для нейтралізації соляної кислоти HCl при шлунково-кишкових захворюваннях.

[2] Плакування – (від французького plaquer – накладати) нанесення методом гарячої прокатки або пресування на поверхню металевих листів тонкого шару іншого металу чи сплаву.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *