Алюминий и его сплавы (стр. 1 из 2)
Реферат по химии
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий (Aluminium)- химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается латинскими буквами Al.Это серебристо-белый металл, легкий (= 2,7 г/см3) , легкоплавкий (tпл = 660,4 °С ), пластичный, легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu)(в 2,3 раза больше чем у меди)
Алюминий находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al2O3)составляет основу глинозема.Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы:
· боксит - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)3и оксидов других металлов - алюминиевая руда;
· алунит - (Na,K)2SO4 *Al2(SO4)3 *4Al(OH)3;
· нефелин - (Na,K)2O * Al2O3 * 2SiO2 ;
· корунд - Al2O3- прозрачные кристаллы;
· полевой шпат (ортоклаз) - K2O * Al2O3 * 6SiO2 ;
· каолинит - Al2O3* 2SiO2* 2H2O- важнейшая составляющая часть глины
и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.
И хотя содержание его в земной коре 8,8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4,65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.
Немецкий химик Ф. Вёлер в 1827 получил алюминий при нагревании хлорида алюминия AlCl3со щелочными металлами калием (K) и натрием (Na) без доступа воздуха.
AlCl3 + 3K 3KCl + Al
(Реакция протекает с выделением тепла).
Для промышленного применения этот способ неприменим из-за его экономической невыгодности, поэтому был разработан способ добычи алюминия из бокситов путем электролиза. Это весьма энергоемкое производство, поэтому заводы, производящие алюминий, как правило, располагаются недалеко от электростанций.
 |
| Это весьма энергоемкое производство, поэтому заводы, производящие алюминий, как правило, располагаются недалеко от электростанций. |
Алюминий отличается также своей химической активностью. Порошкообразный алюминий энергично сгорает на воздухе. Если поверхность алюминия потереть солью ртути (HgCl2) , то произойдет следующая реакция
2Al + 3HgCl2 2AlCl3 + 3Hg
Выделившаяся ртуть растворяет алюминий с образованием сплава алюминия с ртутью - амальгаму, которая не удерживается на поверхности алюминия, поэтому, если результат этого опыта поместить в воду, то мы увидим бурную реакцию
2Al +6HOH 2Al(OH)3 + 3H3
Эта реакция говорит об очень высокой химической активности чистого алюминия.
Остается удивляться как посуда из алюминия не растворяется прямо у нас на глазах когда мы наливаем в неё воду.
Секрет подобного поведения алюминия прост - он настолько активен, что именно благодаря этой своей способности столь интенсивно окисляться постоянно покрыт плотной окисной пленкой Al2O3которая и препятствует его дальнейшему окислению.
Инертность оксида алюминия настолько велика, что покрытый им алюминий практически не реагирует с концентрированной и разбавленной азотной кислотой (HNO3), с трудом взаимодействует с концентрированной и разбавленной серной кислотой (H2SO4), не растворяется в ортофосфорной кислоте (H3PO4). Хотя, даже при обычной температуре, реагирует с хлором (Cl2) и бромом (Br2) а при нагревании с фтором (F2) , йодом(I2) , серой(S) , углеродом(C) , азотом(N2) , растворяется в растворах щелочей.
Оксид алюминия используют для получения некоторых марок цемента, для обработки поверхностей, так как он обладает высокой твердостью (разновидность оксида - корунд).
Оксид алюминия (глинозем) существует в нескольких кристаллических модификациях из которых устойчивы -форма и -форма. Но даже только одна форма -Al2O3 в природе очень многолика - это и рубин и сапфир, лейкосапфир и др. - все это разновидности минерала корунд.
-Форма более химически активна, может существовать и аморфном состоянии но при 900 °С необратимо переходит в -форму.
Температура плавления оксида алюминия 2053 °С (а кипения вообще больше3000 °С ). Для сравнения - температура плавления самого алюминия 660,4 °С. Поэтому и возникали трудности с добычей алюминия, несмотря на его широкое распространение.
Оксид алюминия Al2O3 получают либо сжиганием алюминия путем вдувания порошка алюминия в пламя горелки,
4Al + 3O2 2Al2O3
либопревращением по схеме
| HCl или H2SO4 | NaOH или KOH | t °С | ||||
| Al | | соль | | Al(OH)3 | | Al2O3 |
Чистый алюминий добывается методом электролиза раствора глинозема в расплавленном криолите (6-8% Al2O3 и 94-92% Na3AlF6)или электролизом AlCl3.
Гидрооксид алюминия Al(OH)3используется для крашения тканей, для изготовления керамики и как нейтрализующий агент[1].
На практике очень широкое применение получил так называемый термит - смесь оксида железа Fe3O4с алюминием. При поджоге данной смеси с помощью магниевой ленты происходит бурная реакция с обильным выделением тепла.
8Al + 3Fe3O4 4Al2O3 + 9Fe
Данный процесс используют при сварке. Иногда для получения некоторых чистых металлов в свободном виде.
Есть также иное использование данной реакции - если обратить внимание на соединение железа до реакции и его состояние после реакции, то можно заметить, что до начала реакции это был оксид железа - а именно - ржавчина, а после реакции - чистое восстановленное железо. Этот эффект используют для химической защиты и удаления ржавчины.
Поэтому алюминий очень широко используется в технике не только как основа легких сплавов, но и как раскислитель сталей, для восстановления металлов из оксидов (алюмотермия - см. пример выше), в электротехнике.
Алюминий в технике также используют для насыщения поверхности стальных и чугунных изделий с целью защиты этих изделий от коррозии - этот процесс называется алитирование.
Тонкая алюминиевая фольга используется как упаковочный материал для продуктов питания (например шоколада), более толстая - для изготовления банок для напитков.
Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (2,5 - 3,0 г/см3) в сочетании с достаточно хорошими механическими свойствами и удовлетворительной устойчивостью к окислению. По своим прочностным характеристикам и по износостойкости они уступают сталям, некоторые из них также не обладают хорошей свариваемостью, но многие из них обладают характеристиками, превосходящими чистый алюминий.
 |
| Эти воздушные конструкции выполнены из сплавов алюминия |
Особо выделяются алюминиевые сплавы с повышенной пластичностью, содержащие до 2,8% Mgи до 2,5% Mn - они обладают большей, чем чистый алюминий прочностью, легко поддаются вытяжке, близки по коррозионной стойкости к алюминию.
Дуралюмины - от французского слова dur - твердый, трудный и aluminium- твердый алюминий. Дуралюмины - сплавы на основе алюминия, содержащие:
· 1,4-13% Cu,
· 0,4-2,8% Mg ,
· 0,2-1,0% Mn ,
· иногда 0,5-6,0% Si ,
· 5-7% Zn ,
· 0,8-1,8% Fe ,
· 0,02-0,35% Tiи др.
Дуралюмины - наиболее прочные и наименее коррозионно-стойкие из алюминиевых сплавов. Склонны к межкристаллической коррозии. Для защиты листового дуралюминия от коррозии его поверхность плакируют[2] чистым алюминием. Они не обладают хорошей свариваемостью, но благодаря своим остальным характеристикам применяются везде, где необходима прочность и легкость. Наибольшее применение нашли в авиастроении для изготовления некоторых деталей турбореактивных двигателей.
Магналии - названы так из-за большого содержания в них магния (Mg), сплавы на основе алюминия, содержащие:
* 5-13% Mg ,
* 0,2-1,6% Mn ,
* иногда 3,5-4,5% Zn ,
* 1,75-2,25% Ni ,
* до 0,15% Be ,
* до 0,2% Ti ,
 |
* до 0,2% Zrи др.
| Алюминиевые трубы |
Магналии отличаются высокой прочностью и устойчивостью к коррозии в пресной и даже морской воде. Магналии также хорошо устойчивы к воздействию азотной кислоты HNO3 , разбавленной серной кислоты H2SO4 , ортофосфорной кислоты H3PO4 , а также в средах, содержащих SO2 .
Применяютсякак конструкционный материал в :
* авиастроении;
* судостроении;
* машиностроении (сварные баки, заклепки, бензопроводы, маслопроводы);
* для изготовления арматуры строительных сооружений;
* для изготовления деталей холодильных установок;
* для изготовления декоративных бытовых предметов и др.
При содержании Mgвыше 6% магналии склонны к межкристаллической коррозии. Обладают более низкими литейными свойствами, чем силумины.