Шта је алуминијум: формула, реакције, својства и примена

Алуминијум је елемент трећег периода периодне табеле са атомским бројем 13. По преваленцији, он је први међу металима и трећи међу хемијским елементима земљине коре (после кисеоника и силиција). Хајде да детаљније сазнамо шта је алуминијум и које су његове особине.

Опште карактеристике

Шта је алуминијум? Пре свега, то је светло парамагнетски метал бело-сребрне боје, који је веома савитљив за обраду (ливење, калупљење, машинска обрада, итд.). Хемијска формула алуминијума је позната свима из школског курса хемије - Ал. Има високу електричну и топлотну проводљивост, као и отпорност на корозивне процесе. Ово последње својство је узроковано способношћу алуминијума да брзо формира оксидне филмове који штите његову површину.

Хисторицал бацкгроунд

Свјетска заједница је 1825. године научила шта је алуминиј, захваљујући данском физичару Хансу Оерстеду. Научник је спровео интеракцију калијумовог амалгама са алуминијум хлоридом, након чега је уследила екстракција живе. Хемијски елемент добио је име од латинске ријечи алумен, која се преводи као "алум".

Пре него што је откривен индустријски метод производње алуминијума, овај метал је био вреднији од злата. Године 1889. желећи да поштује величанствени дар Д.И. Менделејев, Британци су му дали скалу од злата и алуминијума.

Геттинг

Метал формира јаку везу са кисеоником - алуминијум оксидом. У поређењу са другим познатим металима, његов опоравак од руде је тежи. Разлог за то лежи у високој реактивности и високој тачки топљења алуминијума, а посебно у његовим рудама. Метода директне редукције угљеником се не користи, јер је способност редукције овог метала већа од способности угљеника. Могући је индиректни опоравак. Он укључује припрему интермедијарног производа Ал4Ц3, који се разлаже на температури од око 2000 ° Ц да би се добио алуминијум. До сада је овај метод у развоју, али је већ познато да ће бити потребно мање енергије него Халл-Еру метода.

Техника Халл-Еру, која је данас најраспрострањенија, развијена је 1886. паралелно од стране два научника - америчког Цхарлеса Халла и Француза П. Ероуа. Његова суштина је у растварању Ал ₂ О ₃ (алуминијум оксид) у На ₃ АлФ ₆ (криолита талина) и каснијој електролизи уз помоћ анодних електрода (кокс или графит). Пошто је ова метода веома скупа, била је широко распрострањена тек у двадесетом веку.

Производња једне тоне нацрта алуминијума заузима 1,92 тоне глинице, 0,6 тона електрода, 0,065 тона криолита, 0,035 тона алуминијум флуорида и око 61 ГЈ струје.

Што се тиче лабораторијског метода производње алуминијума, он је 1827. године изумио Фриедрицх Вохлер. Суштина методе је редукција анхидрованог алуминијум хлорида калијум металом. Реакција се одвија када се загрева, без приступа ваздуху.

Место у природи

Масена концентрација ове супстанце у земљиној кори процењена је на 7,45-8,14%. Према овом индикатору, алуминијум се налази на првом месту међу металима и трећи међу хемијским елементима уопште.

У природи, због хемијске активности метала, јавља се углавном у облику једињења. Главни минерали алуминијума: боксит, корунд, нефелин, глиница, алунит, фелдспати, берил, каолинит и кризоберил. У отворима вулкана, у којима су створени специфични услови редукције, пронађене су мале количине природног метала.

У природним водама, алуминијум је представљен у облику нискотоксичних једињења, на пример флуорида. На изглед катиона или аниона углавном утиче киселост медија. У слаткој води, концентрација раствора алуминијума може бити од 0.001 до 10 мг / л, ау сланој води око 0.01 мг / л.

У саставу природног алуминијума доминира стабилан изотоп ²⁷ Ал и постоје незнатни трагови од ²⁶ Ал.

Пхисицал пропертиес

Главне физичке особине материјала:

1. Густина - 2712 кг / м ³ .
2. Тачка кључања - 2500 ° С.
3. Тачка топљења - 660 ° С.
4. Специфични топлотни капацитет - 897 Ј / кг * К.
5. Бринелова тврдоћа - од 24 до 32 кгф / мм².
6. Пластичност чистог материјала - 50%.
7. Иоунгов модул - 70 ГПа.
8. Електрична проводљивост - 37 * 10 ⁶ Цм / м.
9. Топлотна проводљивост - 203.5 В / (м * К).

Алуминијум може да формира легуре са скоро свим металима. Највише се користе дуралуминијум (легура са бакром и магнезијумом) и силумин (легура са силицијумом).

Хемијска својства

У нормалним условима, овај метал је обложен танким, али веома издржљивим оксидним филмом, што га чини отпорним на дејство стандардних оксидационих средстава: воде, кисеоника, као и азотне и сумпорне киселине. Међутим, алуминијум реагује хлороводонична киселина. Због ових својстава метал није подложан корозији и веома је популаран у индустрији.

Уништавањем филма, алуминијум може да делује као активни метал за редуковање. Да би се избегло стварање филма, додаје се галијум, калај или индијум.

Размотримо основне једначине алуминијума.

Са једноставним супстанцама, овај метал формира следећа једињења:

1. Са кисеоником - оксидом. 4Ал + 3О2 = 2Ал2О3.
2. Са халогенима (осим флуора) - хлоридом, јодидом и бромидом. 2Ал + 3Хал2 = 2АлХал3 (Хал = Цл, Бр, И).
3. Са флуором (када се загрева) - флуорид. 2Ал + 3Ф ₂ = 2АлФ ₃ .
4. Са сумпором (када се загрева) - сулфид. 2Ал + 3С = Ал2С3.
5. Са азотом (када се загрева) - нитрид. 2Ал + Н2 = 2АлН.
6. Са угљеником (када се загрева) - карбидом. 4Ал + 3Ц = Ал4Ц3.

Сулфиди и алуминијум карбиди може бити потпуно хидролизован.

Реакције алуминијума са комплексним супстанцама изгледају овако:

1. Са водом - након уклањања заштитног филма. 2Ал + 6Х20 = 2Ал (ОХ) ₃ + 3Х2.
2. Са алкалијама - формира се алуминат. 2Ал + 2НаОХ + 6Х2О = 2На [Ал (ОХ) ₄ ] + 3Х2.
3. Са хлороводоничном и разблаженом сумпорном киселином - раствара се у њима. 2Ал + 6ХЦл = 2АлЦл3 + 3Х2.
4. Код киселина-оксидирајућих агенаса који формирају топљиве соли - раствара се у њима када се загреје. 8Ал + 15Х2С04 = 4Ал2 (СО4) ₃ + 3Х2С + 12Х2О.
5. Са металним оксидима - враћа метале из њих (алуминотермија). 8Ал + 3Фе3О4 = 4Ал2О3 + 9Фе.

Производња

До краја 19. века алуминијум се није производио у индустријским размерама. Хенри Ст. Цлаир Девилле, чији је рад финансирао Наполеон ИИИ (надао се да ће користити материјал за војску), изумио је прву методу индустријске производње метала тек 1854. године. Суштина методе била је да замени алуминијум из двоструког натријум-алуминијум хлорида употребом металног натријума. Године 1855. произведен је први ингот, чија је тежина износила око 7 кг. У наредних 36 година ова метода је произвела 200 тона алуминијума. Ово је упркос чињеници да је већ 1856. године исти научник развио нови метод заснован на електролизи растопине ​​горњег хлорида.

Године 1885. изграђена је фабрика за производњу алуминијума технологијом Николаја Бекетова у граду Гмелингхаму (Њемачка). Овај метод се није много разликовао од онога што је Девилле развио, али је било нешто једноставније. Била је заснована на интеракцији између криолита и магнезијума. У пет година рада фабрика је произвела 58 тона алуминијума - више од 25% свјетске производње за године 1854-1890.

Метод Халл - Еру означио је почетак технолошки напредније и модерније производње метала. Од тада, са развојем електротехнике, развиле су се технологије производње алуминијума. Значајан допринос развоју овог правца дали су и руски научници: Баиер, Пениаков, Кузнетсов, Жуковски, Иаковкин и многи други.

У Русији је прва фабрика алуминијума изграђена у граду Волкхову 1932. године. 1939. године металуршка индустрија СССР-а произвела је скоро 50 хиљада тона овог метала годишње.

Други светски рат постао је подстицај за ослобађање многих материјала, укључујући и алуминијум. Тако је до 1943. светска производња износила скоро 2 милиона тона. Сваке године, чак и након завршетка рата, ова бројка се повећала. Године 1980. износила је 16 милиона тона, 1990. - 18 милиона тона, у 2008. - око 40 милиона тона, ау 2016. - скоро 60 милиона тона.

Рејтинг земаља које производе алуминијум у великим количинама је следећи:

1. Кина
2. Русија
3. Канада
4. Унитед Статес.
5. Аустралија

Светска понуда боксита је готово неограничена и несразмерна динамици потражње. У будућности, многе линије за производњу алуминијума могу се преоријентисати на производњу, на пример, композитних материјала. Цена овог метала на аукцији светских робних берзи у последњих десет година кретала се у распону од 1250 до 3300 долара по тони.

Усе оф

Алуминијум се широко користи као конструкциони материјал. Његове главне предности су лакоћа, отпорност на корозију, поштовање при пробијању, висока топлота и здравље и нешкодљивост. Најновија својства учинила су материјал веома популарним у производњи кухињског прибора и фолије. Захваљујући прва три својства, алуминијум је постао главна сировина за ваздухопловну и ваздухопловну индустрију. Главни недостатак овог конструкционог материјала је његова ниска чврстоћа. За каљење се обично користи у легурама са малим количинама бакра и магнезијума (дуралуминијум).

Алуминијум је 1,7 пута слабији од бакра у електричној проводљивости, али због чињенице да је његова густина 3,3 пута мања, потребно је пола тежине да се добије приближно једнак отпор. Осим тога, алуминијум је око 4 пута јефтинији од бакра. Разлог томе је широко распрострањена употреба овог материјала у електротехници (производња и заштита проводника) и микроелектронике (таложење проводника на површини микроконтролера). Главни недостатак алуминијума као материјала за електротехнику је формирање јаке диелектричне фолије на њеној површини. То компликује лемљење и изазива загревање на спојевима, што смањује квалитет контакта и поузданост изолације. За изједначавање ове функције користите алуминијске проводнике великог попречног пресјека.

Осим тога, алуминијум се користи у таквим правцима:

1. Накит Наравно, ово је углавном време када је алуминијум био веома скуп. Данас се користи у накиту, ау Јапану овај материјал замењује сребро у производњи традиционалног накита.
2. Цутлери. У том правцу, алуминијум је коришћен у доба Наполеона трећег, али чак и сада је могуће наћи прибор за јело направљен од њега у угоститељским објектима.
3. Израда стакла. Фосфати, флуориди и глинице се користе у овој области.
4. Прехрамбена индустрија. Овај метал је регистрован као прехрамбени адитив Е173.
5. Војна индустрија. Због своје ниске цене и мале масе алуминијума, користи се у производњи пиштоља и аутоматских машина.
6. Ракетна технологија. Алуминијум и његова једињења се користе као ракетно гориво у двокомпонентним ракетним горивима.
7. Енергија. Алуминијум се користи као секундарни носач енергије.

Алуминијум се користи као редукционо средство у следећим областима:

1. Као компонента смеша за алуминотерму.
2. Као редуктант ретких метала из њихових оксида и халида.
3. Ин пиротецхницс.
4. Са анодном заштитом, као заштитник.

Користите легуре

Нечисти алуминијум, али легуре на њему, често се користе као грађевински материјал.

Алуминијум-магнезијум легуре . Карактерише их комбинација високе пластичности, задовољавајуће чврстоће, отпорности на корозију, добре заварљивости и високе отпорности на вибрације. У индустрији се најчешће користе легуре у којима садржај магнезијума варира у границама 1-5%. Што је виша стопа, то је легура поузданија. Сваки проценат даје додатних 30 МПа ултимате стренгтх.

Легуре које садрже до 3% магнезијума су структурно стабилне на нормалним и повишеним температурама, чак иу отврднутом стању. Са повећањем садржаја магнезијума, стабилност се смањује. Са повећањем његове количине на 6%, корозијска отпорност легуре се погоршава. Због тога, да би се додатно побољшале карактеристике чврстоће, алуминијум-магнезијум системи су допирани са титаном, манганом, хромом, ванадијем или силицијумом. Улазак бакра и гвожђа у такве легуре је непожељан. То доводи до смањења заварљивости и отпорности на корозију.

Алуминијум-манганске легуре . Имају високу чврстоћу, дуктилност, могућност обраде, отпорност на корозију и заварљивост. У системима алуминиј-манган, гвожђе и силициј су главне нечистоће. Ови елементи смањују растворљивост мангана у алуминијуму. Да би се добила ситнозрна структура, такве легуре се легирају са титаном. Довољна количина мангана осигурава стабилну структуру тврдог метала на било којој температури.

Алуминијум-бакарне легуре . Према својим механичким својствима у стању појачаног топлоте, овај систем може заобићи ниско-угљеничне челике. Такве легуре су веома технолошке. Њихов једини недостатак је ниска отпорност на корозију. Овај проблем се рјешава употребом заштитних премаза.

Жељезо, магнезијум, манган и силициј се користе као адитиви за легирање. Магнезијум највише утиче на особине легуре, знатно повећавајући границе приноса и чврстоће система. Силицијум повећава способност легуре да вештачки остари, а гвожђе никлом - отпорност на топлоту. Повезивање ових система након гашења убрзава вештачко старење, а повећава и отпорност на корозију и чврстоћу.

Легуре алуминиј-цинк-манган . Вреднује се због високе чврстоће и производности. Високо отврдњавање се постиже захваљујући доброј растворљивости компоненти на повишеним температурама, што нагло опада при хлађењу. Главни и веома значајан недостатак таквих система је њихова ниска отпорност на корозију. Да би се овај индикатор повећао, користи се бакар. Такође, још у шездесетим годинама прошлог века утврђено је да присуство литијума у ​​системима алуминијум-цинк-манган омогућава успоравање природног и убрзавање вештачког старења. Поред тога, литијум смањује тежину легуре и повећава њен модул чврстоће.

Силуминас (алуминијум-силиконске легуре) се такође користе у индустрији, од којих се лијевају кућишта свих врста механизама, и сложене легуре (дишни путеви).

Токсичност

Одговарајући на питање шта је алуминијум, вреди поменути токсичност овог метала. Упркос широкој распрострањености у природи, алуминијум је мртва супстанца, тј. Не користе га жива бића у метаболизму. Сам метал има мали токсични ефекат, међутим, многа његова неорганска једињења, растворљива у води, могу имати штетан утицај на топлокрвне преживаре и људе. За особу, такве дозе једињења метала (мг / кг телесне тежине) имају токсично дејство:

1. Ацетат - 0,2-0,4.
2. Хидроксид - 3.7-7.3.
3. Алум - 2.9.

Када се унесу у воду, алуминијумска једињења делују на нервни систем, што може довести до озбиљних поремећаја. Позитивна је чињеница да накупљање метала у организму спречава механизам излучивања. До 15 мг елемента може се излучити урином дневно. Према томе, негативни ефекти једињења алуминијума могу утицати само на особе које пате од оштећене функције бубрега.