>> Химия: Алюминий

Строение и свойства атомов. Алюминий Аl - элемент главной подгруппы III группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Атом алюминия содержит на внешнем энергетическом уровне три электрона, которые он легко отдает при химических взаимодействиях. У родоначальника подгруппы и верхнего соседа алюминия - бора радиус атома меньше (у бора он равен 0,080 нм, у алюминия - 0,143 нм). Кроме того, у атома алюминия появляется один промежуточный восьмиэлектрон-ный слой (2е-; 8е-; Зе-), который препятствует притяжению внешних электронов к ядру. Поэтому у атомов алюминия восстановительные свойства выражены гораздо сильнее, чем у атомов бора, который проявляет неметаллические свойства.

Почти во всех своих соединениях алюминий имеет степень окисления +3.

Алюминий - простое вещество. Серебристо-белый легкий металл. Плавится при 660 °С. Очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в фольгу толщиной 0,01 мм. Обладает очень большой электрической проводимостью и теплопроводностью. Образует с другими металлами легкие и прочные сплавы.

Какую химическую реакцию положил в основу рассказа «Бенгальские огни» его автор Н. Носов?

На каких физических и химических свойствах основано применение в технике алюминия и его сплавов?

Напишите в ионном виде уравнения реакций между растворами сульфата алюминия и гидроксида калия при недостатке и избытке последнего.

Напишите уравнения реакций следующих превращений: Аl -> АlСl3 -> Аl(0Н)3 -> Аl2O3 -> NаАl02 -> Аl2(SO4)3 -> Аl(ОН)3 ->АlСl3 ->NаАlO2

Реакции, идущие с участием электролитов, запишите в ионной форме. Первую реакцию рассмотрите как окислительно-восстановительный процесс.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Алюми́ний - элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов, третьего периода, с атомным номером 13. Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий - лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белогоцвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- иэлектропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Современный метод получения, процесс Холла-Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых илиграфитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

Лабораторный способ получения алюминия: восстановлением металлическим калием безводного хлорида алюминия (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность - 2,7 г/см³, температура плавления у технического алюминия - 658 °C, у алюминия высокой чистоты - 660 °C, высокая пластичность: у технического - 35 %, у чистого - 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу. Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·106 См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 %, обладает высокой светоотражательной способностью.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием(силумин).

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре по данным различных исследователей оценивается от 7,45 до 8,14 %. В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений.

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al с ничтожными следами 26Al, наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при расщеплении ядер аргона 40Ar протонами космических лучей с высокими энергиями.

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°), O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Не допустить образования оксидной пленки можно, добавляя к алюминию такие металлы как галлий,индий или олово. При этом поверхность алюминия смачивают легкоплавкие эвтектики на основе этих металлов.

Легко реагирует с простыми веществами:

с кислородом, образуя оксид алюминия:

с галогенами (кроме фтора), образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:

с другими неметаллами реагирует при нагревании:

со фтором, образуя фторид алюминия:

с серой, образуя сульфид алюминия:

с азотом, образуя нитрид алюминия:

с углеродом, образуя карбид алюминия:

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Со сложными веществами:

с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

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

восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

44.Соединения алюминия, их амфотерные свойства

Электронная конфигурация внешнего уровня алюминия … 3s23p1.

В возбужденном состоянии один из s-электронов переходит на свободную ячейку p-подуровня, такое состояние отвечает валентности III и степени окисления +3. Во внешнем электронном слое атома алюминия существуют свободные d-подуровни.

Важнейшие природные соединения – алюмосиликаты:

белая глина Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O, полевой шпат K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2, слюда K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2 ∙ H2O

Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют бокситы А12Оз ∙ nН2О, минералы корунд А12Оз и криолит А1Fз ∙3NaF.

Легкий, серебристо-белый, пластичный металл, хорошо проводит электрический ток и тепло.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид.

Оксид алюминия А12О3

Белое твердое вещество, нерастворимое в воде, температура плавления 20500С.

Природный А12О3 - минерал корунд. Прозрачные окрашенные кристаллы корунда - красный рубин – содержит примесь хрома - и синий сапфир - примесь титана и железа - драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п.

Химические свойства

Оксид алюминия проявляет амфотерные свойства

1. взаимодействие с кислотами

А12О3 +6HCl = 2AlCl3 + 3H2O

2. взаимодействие со щелочами

А12О3 + 2NaOH – 2NaAlO2 + H2O

Al2O3 + 2NaOH + 5H2O = 2Na

3. при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Мп, V, W и др.) в свободном состоянии

2А1 + WO3 = А12Оз + W

4. взаимодействие с солями, имеющими сильнощелочную среду, вследствие гидролиза

Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2

Гидроксид алюминия А1(ОН)3

А1(ОН)3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер.

Получают гидроксид алюминия реакцией обмена растворимых солей алюминия со щелочами

AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl

Al3+ + 3OH- = Al(OH)3↓

Данную реакцию можно использовать как качественную на ион Al3+

Химические свойства

1. взаимодействие с кислотами

Al(OH)3 +3HCl = 2AlCl3 + 3H2O

2. при взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + А1(ОН)з = Na

3. термическое разложение

2Al(OH)3 = Al2О3 + 3H2O

Соли алюминияподвергаются гидролизу по катиону, среда кислая (рН < 7)

Al3+ + Н+ОН- ↔ AlОН2+ + Н+

Al(NO3)3 + H2O↔ AlOH(NO3)2 + HNO3

Растворимые соли алюминия и слабых кислот подвергаются полному (необратимому гидролизу)

Al2S3+ 3H2O = 2Al(OH)3 +3H2S

Оксид алюминия Al2O3 – входит в состав некоторых антацидных средств (например, Almagel), используется при повышенной кислотности желудочного сока.

КAl(SO4)3 12H2О – алюмокалиевые квасцы применяются в медицине для лечения кожных заболеваний, как кровоостанавливающие средство. А также используют как дубильное вещество в кожевенной промышленности.

(CH3COO)3Al - Жидкость Бурова- 8% раствор ацетата алюминия оказывает вяжущее и противовоспалительное действие, в больших концентрациях обладает умеренными антисептическими свойствами. Применяется в разведенном виде для полоскания, примочек, при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек.

AlCl3 - применяется в качестве катализатора в органическом синтезе.

Al2(SO4)3 · 18 H20 – применяется при очистки воды.

Алюминий

Алюминий - химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное - оксид Al 2 O 3 .

Алюминий - серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 °C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой - оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na .

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH) 3 + NaOH = Na.

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

2Al + 2NaOH +6H 2 O = 2Na + 3H 2 .

Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH) 3 - белое, полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый - среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия - боксит содержит 28-60% глинозема - оксида алюминия Al 2 O 3 .

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.

Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al 2 O 3 в расплаве криолита NaAlF 4 при температуре 950 °C.

Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Плотность алюминия, удельный вес и другие характеристики.

Плотность - 2,7*10 3 кг/м 3 ;
Удельный вес - 2,7 г /cм 3 ;
Удельная теплоемкость при 20°C - 0,21 кал/град;
Температура плавления - 658,7°C ;
Удельная теплоемкость плавления - 76,8 кал/град;
Температура кипения - 2000°C ;
Относительное изменение объема при плавлении (ΔV/V) - 6,6%;
Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20°C) : - 22,9 *10 6 (1/град);
Коэффициент теплопроводности алюминия - 180 ккал/м*час*град;

Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

Отражение света алюминием

Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

ОКСИД АЛЮМИНИЯ Al 2 O 3

Оксид алюминия Al 2 O 3 , называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни - рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3 , применяют а качестве квантовых генераторов - лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей - наждак, применяются как абразивные материалы.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al 2 O 3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al 2 O 3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al 2 O 3 получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 °C), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 o C. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите - минерале состава AlF 3 . 3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 °C на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na 3 и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al 2 O 3 , плавится при 960 °C и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF 3 , CaF 2 и MgF 2 . Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 °C.

Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO 2 .

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ

Сплавы , повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин - легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Магналии - сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).

Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см 3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий - одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.

Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) - насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.

Природный алюминий состоит из одного нуклида 27Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).

Радиус нейтрального атома алюминия 0,143 нм, радиус иона Al3+ 0,057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5,984, 18,828, 28,44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1,5.

Простое вещество алюминий -- мягкий легкий серебристо-белый металл.

Свойства

Алюминий -- типичный металл, кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около 2450°C, плотность 2,6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2,5·10-5 К-1 Стандартный электродный потенциал Al 3+/ Al -- 1,663В.

Химически алюминий -- довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al 2 О 3 , которая препятствует дальнейшему доступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминий активно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl 3 + 3H 2 ,

3Н 2 SO 4 + 2Al = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 .

Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:

Al 2 О 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na.

Затем протекают реакции:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 ,

NaOH + Al(OH) 3 = Na,

или суммарно:

2Al + 6H 2 O + 2NaOH = Na + 3Н 2 ,

и в результате образуются алюминаты: Na -- алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминат натрия), К -- алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие:

Na и К.

При нагревании алюминий реагирует с галогенами:

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 ,

2Al + 3 Br 2 = 2AlBr 3 .

Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода (I) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:

2Al + 3I 2 = 2AlI 3 .

Взаимодействие алюминия с серой (S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al 2 S 3 ,

который легко разлагается водой:

Al 2 S 3 + 6Н 2 О = 2Al(ОН) 3 + 3Н 2 S.

С водородом (H) алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН 3) х -- сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al 2 О 3 .

Высокая прочность связи в Al 2 О 3 обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

3Fe 3 O 4 + 8Al = 4Al 2 O 3 + 9Fe и даже

3СаО + 2Al = Al 2 О 3 + 3Са.

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.

Амфотерному оксиду Al 2 О 3 соответствует амфотерный гидроксид -- аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl 2 O 3 ·yH 2 O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH) 3 .

В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:

Al 2 (SO 4) 3 + 6NaOH = 2Al(OH) 3 + 3Na 2 SO 4 ,

или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:

2AlCl 3 + 3Na 2 CO 3 + 3H 2 O = 2Al(OH) 3 + 6NaCl + 3CO 2 ,

а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:

AlCl 3 + 3NH 3 ·H2O = Al(OH) 3 + 3H 2 O + 3NH 4 Cl.

Название и история открытия: латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия (K) KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному -- оксид алюминия) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия (K) со ртутью (Hg)) хлорид алюминия AlCl 3 , который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути (Hg) выделил серый порошок алюминия.

Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.

Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20-ом веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.

Характеристика алюминия

алюминий металл качество промышленность

Алюминий - самый распространенный металл в земной коре. Его содержание оценивают в 7.45% (больше, чем железа, которого только 4.2%). Алюминий как элемент открыт недавно-в 1825 г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения относится к концу прошлого столетия. Толчком к этому послужила разработка в 1886 г. способа его получения путем электролиза глинозема, растворенного в криолите. Принцип способа лежит в основе современного промышленного извлечения алюминия из глинозема во всех странах мира.

По внешнему виду алюминий представляет собой блестящий серебристый белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой матовой пленкой AlO. Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким.

Алюминий достаточно легко разрушается растворами едких щелочей, соляной и серной кислот. В концентрированной азотной кислоте и органических кислотах он обладает высокой стойкостью.

Наиболее характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная плотность, равная 2.7, а также сравнительно высокие тепло- и электропроводность. При 0C удельная электропроводность алюминия, т.е. электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм и длиной 1 м равна 37 1 ом.

Коррозионная стойкость и особенно электропроводность алюминия тем выше, чем он чище, чем меньше в нем примесей.

Температура плавления алюминия невысокая, она равна приблизительно 660C. Однако скрытая теплота плавления его очень большая - около 100 кал г, поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход тепла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди, у которой температура плавления 1083 C, скрытая теплота плавления 43 кал г.

Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая прочность. Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм, а твердость НВ25, =80% и =35%.

Кристаллическая решетка алюминия представляет собой гранецентрированный куб, имеющий при 20 C параметр (размер стороны) 4.04. Аллотропических превращений алюминий не имеет.

В природе алюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.

Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводимых этапов-сначала производят глинозем (AlO), а затем из него получают алюминий.

Известные в настоящее время методы получения глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили щелочные методы.

В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

Al O + Na CO = Al O Na O + CO

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.

В обоих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию - CaSiO уходит в осадок, образуя белый шлам. Очищенный от кремния раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

AlONaO + 3H2O + CO = 2Al(OH) + Na CO.

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

2Al(OH) = AlO + 3H2O.

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

Получение металлического алюминия из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части - на алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF 3NaF). Криолит, обладая способностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 C, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85% криолита и 15% глинозема, равна 935 C.

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

В поду ванны с хорошей теплоизоляцией 1 и угольной набивкой 2 заложены катодные шины 3, соединенные с отрицательным полюсом источника электрического тока. К анодной шине 4 присоединены электроды 5. Перед началом электролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электроды опускают до соприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная набивка накалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя расплавленного криолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета 15% к количеству криолита. Процесс происходит при 950-1000 C.

Под действием электрического тока глинозем разлагается алюминий и кислород. Жидкий алюминий 6 скапливается на угольной подине (дно угольной ванны), являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом анодов, постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Глинозем периодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей части постепенно опускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через определенные промежутки времени выпускают в ковш 8.

При электролизе на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, 0.6 т угольных электродов, служащих анодами, 0.1 т криолита и от 17000 до 18000 квт ч электроэнергии.

Полученный при электролизе глинозема алюминий-сырец содержит металлические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоянии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэтому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами.

После рафинирования получают 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 железо и кремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не растворяется в алюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения FeAl и Fe2Al. С кремнием алюминий образует эвтектическую механическую смесь при 11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной температуре очень мала (0.05%), то даже при его незначительном количестве он образует эвтектику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800) хрупких кристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия. При совместном присутствии кремния и железа образуется тройное химическое соединение и тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность.

Контролируемыми примесями в алюминии являются железо, кремний, медь и титан.

Алюминий всех марок содержит более 99% Al. 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% Al. Исключение из этого принципа маркировки составляют марки А АЕ, в которых содержание алюминия такое же, как в марках А0 и А5, но другое соотношение входящих в состав примесей железа и кремния.

Буква Е в марке АЕ означает, что алюминий данной марки предназначается для производства электропроводов. Дополнительным требованием к свойствам алюминия является низкое электросопротивление, которое для проволоки, изготовленной из него, должно быть не более 0.0280 ом мм м при 20 C.

Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе, свойства которых требуют большой степени его чистоты.

В зависимости от назначения алюминий можно производить в различном виде. Алюминий всех марок (высокой и технической чистоты), предназначенный для переплавки, отливают в виде чушек массой 5; 15 и 1000 кг. Их предельные величины следующие: высота от 60 до 600 мм, ширина от 93 до 800 мм и длина от 415 до 1000 мм.

Если же алюминий предназначается для проката листа и ленты, то непрерывным или полунепрерывным методом отливают плоские слитки семнадцати размеров. Толщина их колеблется в пределах от 140 до 400 мм, ширина-от 560 до 2025 мм, а масса 1 м длины слитка-от 210 до 2190 кг. Длину слитка согласовывают с заказчиком.

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

Для раскисления стали в процессе ее выплавки, а также для производства ферросплавов и для алюмотермии можно применять более дешевый алюминий меньшей чистоты, чем это указано таблице «Чистота алюминия разных марок». Для этой цели промышленность выпускает шесть марок алюминия в чушках массой от 3 до 16.5 кг, содержащих от 98.0 до 87.0% Al. В них содержание железа достигает 2.5%, а кремния и меди до 5% каждого.

Применение алюминия обусловлено особенностью его свойств. Сочетание легкости с достаточно высокой электропроводностью позволяет применять алюминий как проводник электрического тока, заменяя им более дорогую медь. Разницу в электропроводности меди (631 ом) и алюминия (371 ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевого провода. Малая масса алюминиевых проводов делает возможным осуществлять их подвеску при значительно большем, чем в случае медных проводов, расстоянии между опорами, не опасаясь обрыва проводов под влиянием собственного веса. Из него изготовляют также кабели, шины, конденсаторы, выпрямители. Высокая коррозионная стойкость алюминия делает его в ряде случаев незаменимым материалом в химическом машиностроении, например для изготовления аппаратуры, применяющейся при производстве, хранении и перевозке азотной кислоты и ее производных.

Широко его применяют также в пищевой промышленности-из него изготовляют разнообразную посуду для приготовления пищи. При этом используют не только его стойкость к действию органических кислот, но также и высокую теплопроводность.

Высокая пластичность позволяет раскатывать алюминий в фольгу, которая в настоящее время полностью заменила применявшуюся ранее более дорогую оловянную фольгу. Фольга служит упаковкой для самых разнообразных пищевых продуктов: чая, шоколада, табака, сыра и др.

Алюминий применяют так же, как антикоррозионное покрытие других металлов и сплавов. Его можно наносить плакированием, диффузионной металлизацией и другими способами, включая покраску алюминий содержащими красками и лаками. Особенно сильно распространено плакирование алюминием плоского проката из менее коррозионно устойчивых алюминиевых сплавов.

Химическую активность алюминия по отношению к кислороду используют для раскисления при производстве полуспокойной и спокойной стали и для получения трудно восстановимых металлов путем вытеснения алюминием из их кислородных соединений.

Алюминий применяют как легирующий элемент в самых различных сталях и сплавах. Он придает им специфические свойства. Так например, он повышает жаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых других металлов.

Можно назвать и иные области применения алюминия различной степени чистоты, но самое большое его количество расходуют на получение различных легких сплавов на его основе. Сведения о главных из них приведены ниже.

В целом применение алюминия в различных отраслях хозяйства на примере развитых капстран оценивают следующими цифрами: транспортное машиностроение 20-23% (в том числе автомобилестроение 15%), строительство 17-18%, электротехника 10-12%, производство упаковочных материалов 9-10%, производство потребительских товаров длительного пользования 9-10%, общее машиностроение 8-10%.

Алюминий завоевывает все новые области применения, несмотря на конкуренцию других материалов и особенно пластмасс.

Основными промышленными рудами, содержащими алюминий, являются боксит, нефелин, алунит и каолин.

Качество этих руд оценивают по содержанию в них глинозема Al O, который содержит 53% Al. Из других показателей качества алюминиевых руд наиболее важным является состав примесей, вредность и полезность которых определяются применением руды.

Боксит является лучшим и во всем мире основным сырьем для получения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По химическому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема AlO nH2O с окислами железа, кремния, титана и других элементов. Наиболее распространенными гидратами глинозема, входящими в состав бокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидраргеллит. Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении колеблется в очень широких пределах-от 35 до 70%.

Входящие в состав боксита минералы образуют очень тонкую смесь, что затрудняет обогащение. В промышленности в основном применяют сырую руду. Процесс извлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и состоит из двух стадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него получают алюминий.

Предметом мировой торговли является как сам боксит, так и извлеченный из него или других руд глинозем.

На территории СНГ залежи бокситов распределены неравномерно, и бокситы разных месторождений неравноценны по качеству. Месторождения наиболее высококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы бокситов имеются также в Европейской части СНГ и в Западном Казахстане.

Из индустриально развитых стран ныне практически обеспечена лишь Франция, где впервые началась его разработка. Его достоверные и вероятные запасы в этой группе государств в 1975 г. оценивались в 4.8 млрд. т (в том числе в Австралии 4.6 млрд. т), тогда как в развивающихся странах в 12.5 млрд. т, в основном в Африке и Латинской Америке (самые богатые-Гвинея, Камерун, Бразилия, Ямайка).

За послевоенное время резко расширился круг стран, где ведется добыча боксита и производится первичный алюминий. В 1950 г. боксит добывали лишь в 11 странах, не считая СССР, в том числе в трех в количестве свыше 1 млн. т (Суринам, Гайяна, США) и в четырех более по 0.1 млн. т (Франция, Индонезия, Италия, Гана). К 1977 г. объем добычи возрос в 12 раз и резко изменилась ее география (более половины добычи капиталистического мира приходилось на развивающиеся страны).

В отличие от развивающихся стран, богатая топливом Австралия большую часть добываемых бокситов (в основном на полуострове Иорк-в крупнейшем бокситовом месторождении мира) перерабатывает в глинозем, играя решающую роль в его мировом экспорте. Не пример ей, страны бассейна Карибского моря и западноафриканские вывозят преимущественно боксит. В этом сказывается как причины политического характера (мировым алюминиевым монополиям предпочтительнее производство глинозема за пределами бокситодобывающих, зависимых от них стран), так и чисто экономические: бокситы, в отличие от руд тяжелых цветных металлов, транспортабельны (содержат 35-65% двуокиси алюминия), а глиноземное производство требует значительных удельных расходов, которым не располагает подавляющая часть бокситодобывающих стран.

Стремясь противостоять диктату мировых алюминиевых монополий бокситоэкспортирующие страны в 1973 г. создали организацию «Международная ассоциация бокситодобывающих стран» (МАБС). В нее вошли Австралия, Гвинея, Гайана, Ямайка, а также Югославия; позднее к ней присоединились Доминиканская республика, Гаити, Гана, Сьерра-Леоне, Суринам, а Греция и Индия стали странами-наблюдателями. На год создания на долю этих государств приходилось примерно 85% добычи бокситов в несоциалистических государствах.

Для алюминиевой промышленности характерен территориальный разрыв как между добычей боксита и производством глинозема, так и между последним и выплавкой первичного алюминия. Крупнейшие производства глинозема (до 1-1.3 млн. т год) локализованы как при алюминиевых заводах (например, при канадском заводе в Арвида в Квебеке, занимающем по производственной мощности-0.4 млн. т алюминия в год), так и в бокситоэкспортирующих портах (например, Паранам в Суринаме), а также на путях следования боксита от вторых к первым - например в США на побережье Мексиканского залива (Корпус-Кристи, Пойнт-Комфорт).

У нас в стране все добываемые бокситы разделены на десять марок. Основное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента-глинозема и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема (AlO SiO). Кремниевый модуль является очень важным показателем качества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и технология переработки.

Содержание влаги в бокситах любых марок установлено в зависимости от их месторождения: наименьшая влажность (не более 7%) установлена для бокситов южно-уральских месторождений, а для северо-уральских, каменск-уральских и тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%. Показатель влажности не является браковочным признаком и служит только для расчетов с потребителем.

Боксит поставляют в кусках размером не более 500 мм. Перевозят его навалом на платформах или в гондолах.