Реферат: Алюминий и его свойства
Алюминий - химический элемент третей группы периодической системы Д.И. Менделеева.
| Плотность, (кг/м3 ) | 2,7 |
| Температура плавления Тпл , ° С | 660 |
| Температура кипения Ткип , ° С | 2 327 |
| Скрытая теплота плавления, Дж/г | 393,6 |
| Теплопроводность l, Вт/м •град (при 20 ° С) | 228 |
| Теплоемкость Ср , Дж/(г · град) (при 0–100 ° С) | 0,88 |
| Коэффициент линейного расширения α × 106 , 1/° С (при° С) | 24,3 |
| Удельное электросопротивление ρ × 108 , Ом× м (при 20 ° С) | 2,7 |
| Предел прочности σ в , МПа | 40–60 |
| Относительное удлинение δ, % | 40–50 |
| Твердость по Бринеллю НВ | 25 |
| Модуль нормальной упругости E, ГПа | 70 |
Марки и химический состав (%) первичного алюминия (ГОСТ 11069–74)
| Обозначение марок |
Al, не менее | Примеси, не более | |||||
| Fe | Si | Cu | Zn | Ti | сумма | ||
| Алюминий особой чистоты | |||||||
| А999 | 99,999 | – | – | – | – | – | 0,001 |
| Алюминий высокой чистоты | |||||||
| А995 | 99,995 | 0,0015 | 0,0015 | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,005 |
| А99 | 99,99 | 0,003 | 0,003 | 0,003 | 0,003 | 0,002 | 0,010 |
| А97 | 99,97 | 0,015 | 0,015 | 0,005 | 0,003 | 0,002 | 0,03 |
| А95 | 99,95 | 0,025 | 0,020 | 0,010 | 0,005 | 0,002 | 0,05 |
| Алюминий технической чистоты | |||||||
| А85 | 99,85 | 0,08 | 0,06 | 0,01 | 0,02 | 0,008 | 0,15 |
| А8 | 99,8 | 0,12 | 0,10 | 0,01 | 0,04 | 0,01 | 0,20 |
| А7 | 99,7 | 0,16 | 0,15 | 0,01 | 0,04 | 0,01 | 0,30 |
| А7Е*** | 99,7 | 0,20 | 0,08 | 0,01 | 0,04 | 0,01* | 0,30 |
| А6 | 99,6 | 0,25 | 0,18 | 0,01 | 0,05 | 0,02 | 0,40 |
| А5Е | 99,5 | 0,35** | 0,10 | 0,02 | 0,04 | 0,015* | 0,50 |
| А5 | 99,5 | 0,30 | 0,25 | 0,02 | 0,06 | 0,02 | 0,50 |
| А0 | 99,0 | 0,50 | 0,5 | 0,02 | 0,08 | 0,02 | 1,0 |
*Для суммы титана, ванадия, хрома и марганца.
** Допускается массовая доля железа не менее 0,18 %.
***«Е» — в марках с гарантированными электрическими характеристиками.
Алюминий технической чистоты, применяемый для изготовления полуфабрикатов и изделий путем деформации, входит в ГОСТ 4784-74
Химический состав (%) технического алюминия
| Марка | Al,не менее | Примеси, не более | |||||||||
| Российская | Между–народная | Cu | Mg | Mn | Fe | Si | Zn | Ti | Cr | ||
| Буквенная | Цифровая | ||||||||||
| АД000 | – | 1080А | 99,80 | 0,03 | 0,02 | 0,02 | 0,15 | 0,15 | 0,06 | 0,02 | – |
| АД00 | 1010 | 1070А | 99,70 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,25 | 0,20 | 0,07 | 0,03 | – |
| АД00Е | 1010Е | 1370 | 99,70 | 0,02 | 0,02 | 0,01 | 0,25 | 0,10 | 0,04 | * | 0,01 |
| АД0 | 1011 | 1050 | 99,50 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,40 | 0,25 | 0,07 | 0,05 | – |
| АД0Е | 1011Е | 1350 | 99,50 | 0,05 | – | 0,01 | 0,40 | 0,10 | 0,05 | ** | 0,01 |
| АД1 | 1013 | 1230 | 99,30 | 0,05 | 0,05 | 0,025 | 0,30 | 0,30 | 0,10 | 0,15 | – |
| АД | 1015 | 1200 | 98,80 | 0,05 | – | 0,05 | Fe + Si: 1,0 | 0,10 | 0,05 | – | |
| АД1пл | – | – | 99,30 | 0,02 | 0,05 | 0,025 | 0,30 | 0,30 | 0,10 | 0,15 | – |
* B: 0,02 %; Ti + V: 0,02 %
**B: 0,05 %; Ti + V: 0,02 %
Гарантируемые механические характеристики (не менее) листов из АД0, АД1
| Состояние | Толщина листа, мм | σв , МПа | δ, % |
| М | 0,5 | 160 | 20 |
| От 0,6 до 0,9 | 160 | 25 | |
| От 1,0 до 10,0 | 160 | 28 | |
| Н* | От 0,5 до 0,8 | 145 | 3 |
| От 0,9 до 4,0 | 145 | 4 | |
| От 4,1 до 10,0 | 130 | 5 | |
| ГК | От 5,0 до 10,5 | 70 | 15 |
АЛЮМИНИЙ, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, относительная атомная масса 26,98. В природе представлен лишь одним стабильным нуклидом 27 Al. Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов алюминия, наиболее долгоживущий – 26 Al имеет период полураспада 720 тысяч лет.
Алюминий в природе. В земной коре алюминия очень много: 8,6% по массе. Он занимает первое место среди всех металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых! Как писал более 100 лет назад в своем классическом учебнике Основы химии Д.И. Менделеев, из всех металлов «алюминий есть самый распространенный в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине».
Важнейший минерал алюминия – боксит, смесь основного оксида AlO(OH) и гидроксида Al(OH)3 . Крупнейшие месторождения боксита находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; промышленная добыча ведется и в других странах. Богаты алюминием также алунит (квасцовый камень) (Na,K)2 SO4 ·Al2 (SO4 )3 ·4Al(OH)3 , нефелин (Na,K)2 O·Al2 O3 ·2SiO2 . Всего же известно более 250 минералов, в состав которых входит алюминий; большинство из них – алюмосиликаты, из которых и образована в основном земная кора. При их выветривании образуется глина, основу которой составляет минерал каолинит Al2 O3 ·2SiO2 ·2H2 O. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина – каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.
Изредка встречается исключительно твердый (уступает лишь алмазу) минерал корунд – кристаллический оксид Al2 O3 , часто окрашенный примесями в разные цвета. Его синяя разновидность (примесь титана и железа) называется сапфиром, красная (примесь хрома) – рубином. Разные примеси могут окрашивать так называемый благородный корунд также в зеленый, желтый, оранжевый, фиолетовый и другие цвета и оттенки.
Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978 в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий – в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. Известно, что при нагревании галогенидов алюминия – хлорида, бромида, фторида они могут с большей или меньшей легкостью испаряться (так, AlCl3 возгоняется уже при 180° C). При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть – восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl 2Al + AlCl3 . В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.
Название алюминия происходит от латинского alumen (род. падеж aluminis). Так называли квасцы, двойной сульфат калия-алюминия KAl(SO4 )2 ·12H2 O), которые использовали как протраву при крашении тканей. Латинское название, вероятно, восходит к греческому «халмэ» – рассол, соляной раствор. Любопытно, что в Англии алюминий – это aluminium, а в США – aluminum.
Во многих популярных книгах по химии приводится легенда о том, что некий изобретатель, имя которого история не сохранила, принес императору Тиберию, правившему Римом в 14–27 н.э., чашу из металла, напоминающего цветом серебро, но более легкого. Этот подарок стоил жизни мастеру: Тиберий приказал казнить его, а мастерскую уничтожить, поскольку боялся, что новый металл может обесценить серебро в императорской сокровищнице.
Эта легенда основана на рассказе Плиния Старшего, римского писателя и ученого, автора Естественной истории – энциклопедии естественнонаучных знаний античных времен. Согласно Плинию, новый металл был получен из «глинистой земли». А ведь глина действительно содержит алюминий.
Современные авторы почти всегда делают оговорку, что вся эта история – не более чем красивая сказка. И это не удивительно: алюминий в горных породах чрезвычайно прочно связан с кислородом, и для его выделения необходимо затратить очень много энергии. Однако в последнее время появились новые данные о принципиальной возможности получения металлического алюминия в древности. Как показал спектральный анализ, украшения на гробнице китайского полководца Чжоу-Чжу, умершего в начале III в. н.э., сделаны из сплава, на 85% состоящего из алюминия. Могли ли древние получить свободный алюминий? Все известные способы (электролиз, восстановление металлическим натрием или калием) отпадают автоматически. Могли ли в древности найти самородный алюминий, как, например, самородки золота, серебра, меди? Это тоже исключено: самородный алюминий – редчайший минерал, который встречается в ничтожных количествах, так что древние мастера никак не могли найти и собрать в нужном количестве такие самородки.
Однако возможно и другое объяснение рассказа Плиния. Алюминий можно восстановить из руд не только с помощью электричества и щелочных металлов. Существует доступный и широко используемый с древних времен восстановитель – это уголь, с помощью которого оксиды многих металлов при нагревании восстанавливаются до свободных металлов. В конце 1970-х немецкие химики решили проверить, могли ли в древности получить алюминий восстановлением углем. Они нагрели в глиняном тигле до красного каления смесь глины с угольным порошком и поваренной солью или поташом (карбонатом калия). Соль была получена из морской воды, а поташ – из золы растений, чтобы использовать только те вещества и методы, которые были доступны в древности. Через некоторое время на поверхности тигля всплыл шлак с шариками алюминия! Выход металла был мал, но не исключено, что именно этим путем древние металлурги могли получить «металл 20 века».
Свойства алюминия. По цвету чистый алюминий напоминает серебро, это очень легкий металл: его плотность всего 2,7 г/см3 . Легче алюминия только щелочные и щелочноземельные металлы (кроме бария), бериллий и магний. Плавится алюминий тоже легко – при 600° С (тонкую алюминиевую проволоку можно расплавить на обычной кухонной конфорке), зато кипит лишь при 2452°С. По электропроводности алюминий – на 4-м месте, уступая лишь серебру (оно на первом месте), меди и золоту, что при дешевизне алюминия имеет огромное практическое значение. В таком же порядке изменяется и теплопроводность металлов. В высокой теплопроводности алюминия легко убедиться, опустив алюминиевую ложечку в горячий чай. И еще одно замечательное свойство у этого металла: его ровная блестящая поверхность прекрасно отражает свет: от 80 до 93% в видимой области спектра в зависимости от длины волны. В ультрафиолетовой области алюминию в этом отношении вообще нет равных, и лишь в красной области он немного уступает серебру (в ультрафиолете серебро имеет очень низкую отражательную способность).
Чистый алюминий – довольно мягкий металл – почти втрое мягче меди, поэтому даже сравнительно толстые алюминиевые пластинки и стержни легко согнуть, но когда алюминий образует сплавы (их известно огромное множество), его твердость может возрасти в десятки раз.
Характерная степень окисления алюминия +3, но благодаря наличию незаполненных 3р - и 3d -орбиталей атомы алюминия могут образовывать дополнительные донорно-акцепторные связи. Поэтому ион Al3+ с небольшим радиусом весьма склонен к комплексообразованию, образуя разнообразные катионные и анионные комплексы: AlCl4 – , AlF6 3– , [Al(H2 O)6 ]3+ , Al(OH)4 – , Al(OH)6 3– , AlH4 – и многие другие. Известны комплексы и с органическими соединениями.
Химическая активность алюминия весьма высока; в ряду электродных потенциалов он стоит сразу за магнием. На первый взгляд такое утверждение может показаться странным: ведь алюминиевая кастрюля или ложка вполне устойчивы на воздухе, не разрушаются и в кипящей воде. Алюминий, в отличие от железа, не ржавеет. Оказывается, на воздухе металл покрывается бесцветной тонкой, но прочной «броней» из оксида, которая защищает металл от окисления. Так, если внести в пламя горелки толстую алюминиевую проволоку или пластинку толщиной 0,5–1 мм, то металл плавится, но алюминий не течет, так как остается в мешочке из его оксида. Если лишить алюминий защитной пленки или сделать ее рыхлой (например, погружением в раствор ртутных солей), алюминий тут же проявит свою истинную сущность: уже при комнатной температуре начнет энергично реагировать с водой с выделением водорода: 2Al + 6H2 O 2Al(OH)3 + 3H2 . На воздухе лишенный защитной пленки алюминий прямо на глазах превращается в рыхлый порошок оксида: 2Al + 3O2 2Al2 O3 . Особенно активен алюминий в мелкораздробленном состоянии; алюминиевая пыль при вдувании в пламя моментально сгорает. Если смешать на керамической пластинке алюминиевую пыль с пероксидом натрия и капнуть на смесь водой, алюминий также вспыхивает и сгорает белым пламенем.
Очень высокое сродство алюминия к кислороду позволяет ему «отнимать» кислород от оксидов ряда других металлов, восстанавливая их (метод алюминотермии). Самый известный пример – термитная смесь, при горении которой выделяется так много тепла, что полученное железо расплавляется: 8Al + 3Fe3 O4 4Al2 O3 + 9Fe. Эта реакция была открыта в 1856 Н.Н.Бекетовым. Таким способом можно восстановить до металлов Fe2 O3 , CoO, NiO, MoO3 , V2 O5 , SnO2 , CuO, ряд других оксидов. При восстановлении же алюминием Cr2 O3 , Nb2 O5 , Ta2 O5 , SiO2 , TiO2 , ZrO2 , B2 O3 теплоты реакции недостаточно для нагрева продуктов реакции выше их температуры плавления.
Алюминий легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах с образованием солей. Концентрированная азотная кислота, окисляя поверхность алюминия, способствует утолщению и упрочнению оксидной пленки (так называемая пассивация металла). Обработанный таким образом алюминий не реагирует даже с соляной кислотой. С помощью электрохимического анодного окисления (анодирования) на поверхности алюминия можно создать толстую пленку, которую нетрудно окрасить в разные цвета.
Вытеснение алюминием из растворов солей менее активных металлов часто затруднено защитной пленкой на поверхности алюминия. Эта пленка быстро разрушается хлоридом меди, поэтому легко идет реакция
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--