АЛЮМІНІЙ І ЙОГО СПЛАВИ
Алюміній (Aluminium) - хімічний елемент третьої групи періодичної системи. Атомний номер 13, атомна маса 26,9815. Позначається латинськими літерами Al. Це сріблясто-білий метал, легкий (r = 2,7 г/см3), легкоплавкий (tпл = 660,4 ° С), пластичний, легко витягується в дріт і фольгу. Електропровідність алюмінію досить висока і поступається тільки сріблу (Ag) та міді (Cu) (в 2,3 рази більше ніж у міді)
Алюміній знаходиться практично скрізь на земній кулі так як його оксид (Al2O3) складає основу глинозему. Алюміній у природі зустрічається в сполуках - його основні мінерали:
. боксит - суміш мінералів діаспора, беміт AlOOH, гідраргілліта
Al (OH) 3 і оксидів інших металів - алюмінієва руда;
. Алуніт - (Na, K) 2 SO 4 * Al 2 (SO4) 3 * 4Al (OH) 3;
. Нефелін - (Na, K) 2O * Al2O3 * 2SiO2;
. корунд - Al2O3 - прозорі кристали;
. польовий шпат (ортоклаз) - K2O * Al2O3 * 6SiO2;
. каолініт - Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O - найважливіша складова частина глини та інші алюмосилікати, що входять до складу глин.
І хоча зміст його в земній корі 8,8% (для порівняння, наприклад, заліза в земній корі 4,65% - у два рази менше), а за поширеністю займає третє місце після кисню (O) кремнію (Si) у вільному стані вперше був отриманий в 1825 році Х. К. Ерстед.
Німецький хімік Ф. Велер в 1827 отримав алюміній при нагріванні хлориду алюмінію AlCl3 з лужними металами калієм (K) і натрієм (Na) без доступу повітря.
AlCl 3 + 3 K ® 3 KCl + Al
(Реакція протікає з виділенням тепла).
Для промислового застосування цей спосіб непридатний через його економічної невигідності, тому був розроблений спосіб видобутку алюмінію з бокситів шляхом електролізу. Це вельми енергоємне виробництво, тому заводи, що виробляють алюміній, як правило, розташовуються недалеко від електростанцій.
Це вельми енергоємне виробництво, тому заводи, що виробляють алюміній, як правило, розташовуються недалеко від електростанцій.
Алюміній відрізняється також своєю хімічною активністю.
Порошкоподібний алюміній енергійно згорає на повітрі. Якщо поверхня алюмінію потерти сіллю ртуті (HgCl2), то відбудеться наступна реакція
2 Al + 3 HgCl 2 ® 2 AlCl 3 + 3 Hg
Виділилася ртуть 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 +6 HOH ® 2Al (OH) 3I + 3H3
Ця реакція говорить про дуже високу хімічної активності чистого алюмінію.
Залишається дивуватися як посуд з алюмінію не розчиняється прямо у нас на очах коли ми наливаємо в неї воду.
Секрет такої поведінки алюмінію простий - він настільки активний, що саме завдяки цій своїй здатності настільки інтенсивно окислюватися постійно покритий щільною окисной плівкою Al2O3 яка і перешкоджає його подальшому окислювання.
Інертність оксиду алюмінію настільки велика, що покритий їм алюміній практично не реагує з концентрованою і розведеної азотної кислотою (HNO3), насилу взаємодіє з концентрованою і розведеної сірчаної кислотою (H2SO4), не розчиняється в ортофосфорної кислоти (H3PO4). Хоча, навіть при звичайній температурі, реагує з хлором (Cl2) та бромом (Br2) а при нагріванні з фтором (F2), йодом (I2), сіркою (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 тільки одна форма a-Al2O3 в природі дуже багатолика - це і рубін і сапфір, лейкосапфір тощо - все це різновиди мінералу корунд.
g-Форма більш хімічно активна, може існувати і аморфному стані але при 900 ° С необоротно 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 труднощі з видобутком алюмінію, незважаючи на його широке поширення.
Оксид алюмінію Al2O3 отримують або спалюванням алюмінію шляхом вдування порошку алюмінію в полум'я пальника,
4 Al + 3 O 2 ® 2 Al 2 O 3
або перетворенням за схемою
| | HCl або | | NaOH або | | t ° С | |
| | H2SO4 | | KOH | | | |
| Al |----> | сіль |----> | Al (OH) 3 |----> | Al2O3 |
Чистий алюміній видобувається методом електролізу розчину глинозему в розплавленому кріоліті (6-8% Al2O3 і 94-92% Na3AlF6) або електролізом AlCl3.
Гідрооксид алюмінію Al (OH) 3 використовується для фарбування тканин, для виготовлення кераміки і як нейтралізуючий агент [1].
На практиці дуже широке застосування отримав так званий терміт - суміш оксиду заліза Fe3O4 з алюмінієм. При підпалі даної суміші за допомогою магнієвої стрічки відбувається бурхлива реакція з виділенням тепла.
8 Al + 3 Fe 3 O 4 ® 4 Al 2 O 3 + 9 Fe
Даний 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 і 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), більш товста - для виготовлення банок для напоїв.
Алюмінієві сплави мають малу щільністю (2,5 - 3,0 г/см3) у поєднанні з достатньо хорошими механічними властивостями і задовільною стійкістю до окислення. За своїми характеристиками міцності і по зносостійкості вони поступаються сталям, деякі з них також не мають гарну зварюваність, але багато з них мають характеристики, що перевершують чистий алюміній.
Ці повітряні конструкції виконані зі сплавів алюмінію.
Особливо виділяються алюмінієві сплави з підвищеною пластичністю, що містять до 2,8% Mg і до 2,5% Mn - вони мають більшої, ніж чистий алюміній міцністю, легко піддаються витяжці, близькі по корозійній стійкості до алюмінію.
Дуралюмина - від французького слова dur - твердий, важкий і aluminium - твердий алюміній. Дуралюмина - 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 і ін
Дуралюмина - найбільш міцні і найменш корозійно-стійкі з алюмінієвих сплавів. Схильні до межкристаллической корозії. Для захисту листового дуралюминий від корозії його поверхню плакіруют [2] чистим алюмінієм. Вони не мають гарну зварюваність, але завдяки своїм іншим характеристикам застосовуються скрізь, де необхідна міцність і легкість. Найбільше застосування знайшли в авіабудуванні для 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,
до 0,2% Zr і ін
Алюмінієві труби
Магналії відрізняються високою міцністю і стійкістю до корозії в прісній і навіть морській воді. Магналії також добре стійкі до впливу азотної кислоти HNO3, розведеної сірчаної кислоти H2SO4, ортофосфорної кислоти H3PO4, а також у середовищах, що містять SO2.
Застосовуються як конструкційний матеріал у:
авіабудуванні;
суднобудуванні;
машинобудуванні (зварені баки, заклепки, бензопроводи, мастилопроводи);
для виготовлення арматури будівельних споруд;
для виготовлення деталей холодильних установок;
для виготовлення декоративних побутових предметів і ін
При змісті Mg вище 6% магналії схильні до межкристаллической корозії. Мають більш низькі ливарні властивості, чим силуміни.
Силуміни - сплави на основі алюмінію з великим змістом 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 і ін
При своїх щодо невисоких міцності силуміни мають найкращі з всіх алюмінієвих сплавів ливарні властивості. Вони найбільше часто використовуються там, де необхідно виготовити тонкостінні чи складні за формою деталі.
По корозійній стійкості займають проміжне положення між дюралюмінами і магналіями.
Знайшли своє основне застосування в:
авіабудуванні;
вагонобудуванні;
автомобілебудуванні і будівництві сільськогосподарських машин для виготовлення картерів, деталей коліс, корпусів і деталей приладів.
САП - сплави, що складаються з Al і 20-22% Al2O3.
Отримують спіканням окисленого алюмінієвого порошку. Після спікання частки Al2O3 грають роль упрочнителя.
Міцність даного з'єднання при кімнатній температурі нижче, ніж у дюралюмінами і магналіями, але при температурі перевищує 200 ° С перевершує їх.
При цьому САП мають підвищену стійкість до окислення, тому вони незамінні там, де температура експлуатації перевищує 400 ° С.
Нейтралізуючий агент необхідний для нейтралізації соляної кислоти
HCl при шлунково-кишкових захворюваннях.
Плакування - (від французького plaquer - накладати) нанесення методом гарячої прокатки або пресування на поверхню металевих аркушів тонкого шару іншого металу або сплаву.