состав, структура, свойства, процесс плавления
Алюминий вошел в промышленное и бытовое применение относительно не так давно. На пересечении XIX – XX было освоено производство этого металла в промышленных масштабах. Все дело в том, что началось производство множества товаров, в которых алюминий широко применялся, например, при строительстве катеров, железнодорожных вагонов и пр. Кстати, именно тогда был показан широкой публике автомобиль с кузовом, выполненным из алюминия.
Анодированный алюминийСостав и структура алюминия
Алюминий – это самый распространенный в земной коре металл. Его относят к легким металлам. Он обладает небольшой плотностью и массой. Кроме того, у него довольно низкая температура плавления. В то же время он обладает высокой пластичностью и показывает хорошие тепло- и электропроводные характеристики.
- Кристаллическая решетка алюминия
- Структура алюминия
Предел прочности чистого алюминия составляет всего 90 МПа.
Но, если в расплав добавить некоторые вещества, например, медь и ряд других, то предел прочности резко вырастает до 700 МПа. Такого же результат можно достичь, применяя термическую обработку.
Алюминий, обладающий предельно высокой чистотой – 99,99% производят для использования в лабораторных целях. Для применения в промышленности применяют технически чистый алюминий. При получении алюминиевых сплавов применяют такие добавки, как – железо и кремний. Они не растворяются в расплаве алюминия, а из добавка снижает пластичность основного материала, но в то же время повышает его прочность.
Внешний вид простого вещества
Структура этого металла состоит из простейших ячеек, состоящих из четырех атомов. Такую структуру называют гранецентрической.
Проведенные расчеты показывают, что плотность чистого металла составляет 2,7 кг на метр кубический.
Свойства и характеристики
Алюминий – это металл с серебристо-белой поверхности. Как уже отмечалось, его плотность составляет 2,7 кг/м3.
Температура составляет 660°C.
Его электропроводность равняется 65% от меди и ее сплавов. Алюминий и бо́льшая часть сплавов из него стойко воспринимает воздействие коррозии. Это связано с тем, что на его поверхности образуется оксидная пленка, которая и защищает основной материал от воздействия атмосферного воздуха.
В необработанном состоянии его прочность равна 60 МПа, но после добавления определенных добавок она вырастает до 700 МПа. Твердость в этом состоянии достигает 250 по НВ.
Алюминий хорошо обрабатывается давлением. Для удаления наклепа и восстановления пластичности после обработки алюминиевые детали подвергают отжигу, при этом температура должна лежать в пределах 350°C.
Температура плавления алюминия
Получение алюминиевого расплава, как и многих других материалов, происходит после того, как к исходному металлу подвели тепловую энергию.
Она может быть подведена как непосредственно в него, так и снаружи.
Температура плавления алюминия напрямую зависит от уровня его чистоты:
- Сверхчистый алюминий плавится при температуре 660, 3°C.
- При количестве алюминия 99,5% температура плавления составляет 657°C.
- При содержании этого металла в 99% расплав можно получить при 643°C.
- Алюминиевый расплав
- Процесс получения алюминия
Алюминиевый сплав может включать в свой состав различные вещества, в том числе и легирующие. Их наличие приводит к снижению температуры плавления. Например, при наличии большого количества кремния, температура может понизиться до 500°C. На самом деле понятие температуры плавления относят к чистым металлам. Сплавы не обладают какой-то постоянной температурой плавления. Этот процесс происходит в определенном диапазоне нагрева.
В материаловедении существует понятие – температура солидус и ликвидус.
Первая температура обозначает ту точку, в которой начинается плавление алюминия, а вторая, показывает, при какой температуре, сплав будет окончательно расплавлен. В промежутке между ними сплав будет находиться в кашеобразном состоянии.
Уменьшение температуры
Перед тем как приступать к плавке металла, можно выполнить определенные операции, которые позволят снизить температуру плавления. Например, иногда расплаву подвергают алюминиевый порошок. В порошкообразном состоянии металл начинает плавиться несколько быстрее. Но при такой обработке возникает реальная опасность того, что при взаимодействии с кислородом, который содержится в атмосфере алюминиевый порошок, начнет окисляться с большим выделением тепла и образования оксидов металла, этот процесс происходит при температуре 2300 градусов. Главное, в этот момент плавления не допустить контакта расплава и воды. Это приведет к взрыву.
Процесс плавления в домашних условиях
Относительно низкая температура плавления алюминия позволяет проводить эту операцию в домашних условия.
Надо сразу отметить, что в качестве сырья в домашней мастерской использовать порошкообразную смесь слишком опасно. Поэтому в качестве сырья применяют или чушки, или нарезанную проволоку. Если к будущему изделию нет особых требований по качеству, то для плавления можно использовать все, что изготовленного из этого металла.
Плавка алюминия в самодельном горне
При этом не особо важно, будет сырье покрыто краской или нет. Когда происходит плавление алюминия, все посторонние вещества просто выгорят и будут удалены вместе со шлаком.
Для получения качественного результата плавки необходимо использовать материалы, которые называют флюсами. Они призваны решать задачу по связыванию и удалению из расплава посторонних примесей и загрязнений.
Средства защиты
Домашний мастер, решивший в домашних условиях выполнять плавление алюминия должен отдавать себе отчет в том, что это довольно опасный процесс.
И поэтому без применения средств защиты не обойтись. В частности, должны быть использованы перчатки, фартук, очки. Дело в том, что температура расплава лежит в пределах 600 градусов. Поэтому имеет смысл использовать средства защиты, которые применяют сварщики.
Использование средств защиты при плавке алюминия
Кстати, при плавлении алюминия и использовании очищающих химикатов необходимо защищать органы дыхания от продуктов их сгорания.
Выбор формы для литья
При выборе формы для отливки алюминия домашний мастер должен понимать, а для какой цели он обрабатывает алюминий. Если будущая отливка будет предназначена для использования в качестве припоя, то использовать, какие-то специальные формы, нет необходимости. Для этого можно использовать металлический лист, на котором можно остудить расплавленный металл.
Но если возникает необходимость получения даже простой детали, то мастер должен определиться с типом формы для литья.
com/embed/5uvOaxKmLOQ?feature=oembed» frameborder=»0″ allow=»autoplay; encrypted-media» allowfullscreen=»»/>
Форму можно изготовить из гипса. Для этого, гипс в жидком состоянии заливают в обработанную маслом форму. После того, как начнет застывать, в него устанавливают литейную модель. Для того, чтобы в форму можно было залить расплавленный металл необходимо сформировать литник. Для этого в форму устанавливают цилиндрическую деталь. Формы бывают разъемные и нет. Процесс изготовления разъемной формы усложняется тем, что модель будет находиться в двух полуформах. После застывания их разделяют, удаляют модель и соединяют снова. Форма готова к работе.
Кокиль для литья алюминия
Для получения качественных отливок целесообразно использовать металлические формы (кокили), но изготавливать их целесообразно только в заводских условиях.
описание металла, свойства, сферы применения и месторождения
Металл алюминий — мечта многих производств. Коррозия ему не страшна, он прекрасно проводит электрический ток, цветной металл легче железа почти в три раза, отличается прочностью.
Не магнитится, легко образует сплавы с металлами.
Второе имя алюминия — крылатый металл. Появление чистого алюминия открыло человеку дорогу в небо.
Как искали неизвестный алюминий
История открытия алюминия вяло тянулась с античности. Плиний пишет о квасцах (Alumen). Но под квасцами понимались разные вещества. Это антимоний, тартар, щелочь, гипс.
Лавуазье высказал здравую мысль: алюмина является окислом неизвестного металла. Тут химики оживились и стали пытаться «выцепить» незнакомца. Попыток было много, но только в 1825 году датчанин Эрстед извлек-таки неизвестный металл, напоминающий олово. Назвали его алюминием.
Свойства крылатого металла
Алюминий (Aluminium) имеет несчастливый 13 номер в периодической таблице Менделеева. Однако на счастливую судьбу металла это не повлияло.
Этот легкий серебристый металл послушно поддается механической обработке и литью, имеет большую тягучесть.
Редкая способность — быстро образовывать окисные пленки на поверхности чистого металла.
Но эти пленки не слишком хорошо защищают от коррозии. Надежнее химическое и электрохимическое оксидирование. Формула оксидной пленки А12Оз.
Химические и физические характеристики алюминия:
- плотность 2,7 г/см3;
- температура плавления 660°С;
- кипит цветной металл при температуре 2518°С;
- степени окисления 0; +3.
С помощью металлического алюминия (его взаимодействия с оксидами металлов) получают трудновосстанавливаемые металлы. Этот метод называется алюминотермия.
| Название, символ, номер | Алюминий / Aluminium (Al), 13 |
|---|---|
| Группа, период, блок | 13, 3, |
| Атомная масса (молярная масса) | 26,9815386(8)[1] а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Ne] 3s2 3p1 |
| Электроны по оболочкам | 2, 8, 3 |
| Радиус атома | 143 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 121 ± 4 пм |
| Радиус Ван-дер-Ваальса | 184 пм |
| Радиус иона | 51 (+3e) пм |
| Электроотрицательность | 1,61 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | −1,66 В |
| Степени окисления | 0; +3 |
| Энергия ионизации | 1‑я: 577,5 (5,984) кДж/моль (эВ) 2‑я: 1816,7 (18,828) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Термодинамическая фаза | Твёрдое вещество |
Плотность (при н. | 2,6989 г/см³ |
| Температура плавления | 660 °C, 933,5 K |
| Температура кипения | 2518,82 °C, 2792 K |
| Уд. теплота плавления | 10,75 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 284,1 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,35[2] 24,2[3] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 10,0 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая гранецентрированая |
| Параметры решётки | 4,050 Å |
| Температура Дебая | 394 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 237 Вт/(м·К) |
| Скорость звука | 5200 м/с |
| Номер CAS | 7429-90-5 |
Алюминий имеет один стабильный изотоп, 27Al.
Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %, размер видимого сектора около 55×37 мм
Неправда, но хорошо придумано
В печатных изданиях, а сейчас и в интернете гуляет история о крестьянине, который вел «крамольные беседы о полете на Луну».
Крестьянина (или мещанина), по одним сведениям Петрова, по другим Никифорова, сослали в киргизский поселок Байконур» Якобы известие о факте напечатано был в Московских губернских новостях», в 1848 году. Сейчас, когда с космодрома Байконура ушли в космос не один десяток спутников и станций, этот факт выглядит пророческим и мистическим.
Вот только это неправда. Дотошные читатели перерыли подшивки этой газеты, и заметки такой не обнаружили. Это просто красивая легенда.
Алюминиевые сплавы, плюсы и минусы
Кодовый символ, указывающий, что алюминий может быть вторично переработан
Чистый алюминий в строительных конструкциях применять нецелесообразно. Прочностные характеристики у него «так себе». А вот алюминиевые сплавы — другое дело. Сейчас известны и используются около 60 сплавов. Можно выбрать для любых нужд, на любой вкус.
Классификация сплавов проводится по составу, свойствам, по способности к термической обработке.
Добавки меди, магния и марганца, цинка существенно улучшают характеристики сплава в сравнении с чистым металлом. Этими металлами чаще всего легируют алюминий. Титан, литий, ванадий, церий, скандий, некоторые редкоземельные элементы для легирования применяются реже, но свойства этих сплавов также востребованы в промышленности.
Дюраль
Дюралюмины — сплавы алюминия с медью (4%), магнием (0,5%) и небольшого количества железа, марганца, кремния. Недостаток дюралей — подверженность коррозии; с ней справляются, применяя анодирование, плакировку, авиационную грунтовку, окрашивание.
Востребованные свойства сплава: хорошая статическая и усталостная прочность, высокая вязкость разрушения.
Широко применяется в деталях и конструкциях, где большую роль играет масса изделия. Главные потребители сплава — авиация, судостроение, космонавтика.
Для любознательных: дюралюминий придумали в 1909 году. «Папа» сплава — А.
Сплав 7075
Разрабатывался компанией Sumitomo Metal Corporation (Япония) в строжайшей тайне.
Представляет соединение алюминия с цинком (до 6%), магния (2-2,5%), меди (до 1,5%). В тот же сплав добавлены титан, кремний, марганец, хром, железо. Добавки эти составляют не более 0,5%, но свой вклад в свойства сплава вносят.
Сплав сравним по прочности со сталью, но легче ее в три раза.
Модификации сплава:
- 7075-0;
- 7075-06;
- 7075-Т651;
- 7075-Т7;
- 7075-АСР.
Сплавы устойчивы к коррозии, хорошо полируются.
Применяются в производстве винтовок для армии и граждан. Промышленности автомобильная, авиационная, морская активно используют сплав. Его минус — достаточно высокая цена.
Сплавов разных много
В России довольно много сплавов с разными свойствами:
- D1, D16, 1161, 1163 — алюминий, магний, медь;
- АМГ1 — АМГ6, сплав алюминия и магния;
- AD31, AD33, AD35, AB — алюминий, кремний, магний.
Список легко продолжить.
Список легко продолжить.Старость в радость
Не всегда старость — это плохо. Металл — как человек или вино; с возрастом свойства алюминия меняются; он становится лучше, крепче, сильнее.
Естественное старение металла происходит при нормальных условиях; можно сказать, что металл «дозревает».
Искусственное старение проходит при термообработке и пластическом деформировании.
Термическая обработка бывает разных видов. Выбор зависит от назначения будущего сплава.
| Вид термообработки | Что дает термообработка |
| Закалка с полным искусственным старением | Высокая прочность сплава, но некоторое снижение пластичности |
| Закалка со стабилизирующим старением | Хорошая прочность, довольно высокая стабильность структуры |
| Закалка с последующим смягчающим отпуском | Хорошая пластичность, но снижение прочности сплава |
| Искусственное старение | Повышает прочность сплава, улучшает возможность обработки резанием |
| Отжиг | Повышение пластичности, уменьшение остаточных напряжений металла |
| Закалка | Улучшает прочностные характеристики |
| Закалка и неполное искусственное старение | Повышает прочность при сохранении пластичности |
Минералы, месторождения…а самородный алюминий?
Запасы алюминия в природе огромны.
Среди металлов он держит первое место по распространенности. Но «общительность», активность элемента привела к тому, что в чистом виде металл практически отсутствует.
Производство алюминия в миллионах тонн
Минералов, содержащих алюминий, много:
- бокситы;
- глиноземы;
- полевые шпаты;
- нефелины;
- корунды.
Так что добыча алюминиевого сырья не составляет большого труда.
Если все запасы на Земле истощатся (что сомнительно), то алюминий можно добывать из морской воды. Там его содержание составляет 0,01 мг/л.
Кто захочет увидеть самородный алюминий, тому придется опускаться в жерла вулканов.
Происхождением такой металл из самых глубин нашей планеты.
Как производят крылатый металл
Производство металла можно разделить на две стадии.
- Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
- Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.
В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.
Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.
Бывает технический и сверхчистый
Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.
Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.
Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.
Интересно: до открытия промышленного способа получения алюминия он был редкостью и стоил дороже золота.
Нашего великого химика, Д.И. Менделеева, британцы почтили подарком. Это были аналитические весы (вещь, незаменимая для химика), у которых чашечки изготовили из золота и алюминия.
Металл для крыльев
Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.
Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.
Где применяется
Применение легкого и прочного металла необходимо не только в авиации.
Алюминиевый прокат
В пуленепробиваемых и бронированные стеклах, экранчиках смартфонов присутствует сапфир. У таких стекол высокая прочность на сжатие.
Познавательно: ученые продолжают разработку видов стекол, обладающих противопульной устойчивостью при меньших толщине и весе.
Перспективным направлением считается прозрачная броня на основе монокристалла сапфира.
Из алюминия делают фольгу, которую используют в электрических конденсаторов. Домохозяйки с удовольствием запекают в фольге вкусняшки для домашних. Кастрюли, сковородки, другие изделия для домашнего хозяйства производят из «крылатого металла».
Посуда из алюминия
Тонко молотый порошок металла используют для производства прочной краски.
Вы удивитесь, но алюминиевая кастрюлька в кухне, самолет и перстень с сапфиром — родня. В каждом есть наш герой.
Удивительно: железнодорожный транспорт на треть возит сам себя. Вес груженого товарного вагона на треть состоит из веса вагона. Про пассажирские вагоны и говорить нечего, вес людей в них всего 5%, остальное приходится на вагон.
Оксид алюминия — это корунд. А к ним относятся сапфиры, рубины, изумруды — все эти короли драгоценных камней содержат алюминий.
Сам корунд используют как наждак.
Купить металл
Стоимость металла на бирже 148 USD за тонну (на 05.05.2020).
Алюминий и его свойства
Цель: Рассмотреть строение, свойства, применение алюминия, используя современные технологии обучения.
Задачи:
- Образовательная – выявление и оценка степени овладения системой знаний и комплексом навыков и умений об амфотерных элементах на примере алюминия, готовности учащихся успешно применять полученные знания на практике, позволяющих обеспечить обратную связь и оперативную корректировку учебного процесса.
- Развивающая – развитие критического
мышления, самостоятельности и способности к
рефлексии, обеспечение системности учения, а так
же развитие терминологического мышления; умения
ставить и разрешать проблемы, анализировать,
сравнивать, обобщать и систематизировать.
- Воспитательная – воспитание положительной мотивации учения, правильной самооценки, чувства ответственности, уверенности и требовательности к себе.
Понятия: химический знак “Аl”, химический элемент, простое вещество, электронная оболочка, степень окисления, переходный элемент.
Оборудование: алюминий, пробирки, штатив пробирочный, спиртовка, спички, пробиркодержатель, горячая вода в стакане. (Презентация)
Ход урока
1. Организационный момент. Побуждение к изучению темы
Учитель: Мы продолжаем изучение большой и важной темы: “Металлы”.
Великие законы мирозданья
В сущности, наивны и просты.
И порой Вам не хватает знанья
Для разгадки этой простоты.
2. Формирование интереса к изучаемой теме
– Сегодня нам предстоит познакомиться с
металлом хорошо знакомым нам с детства.
Прослушав историческую справку, попробуйте определить о каком металле 3-й группы, сегодня пойдет речь.
Историческая справка. “Однажды к древнеримскому императору Тиберию правившему Римом в 14–27 гг. н. э., пришёл ремесленник и принёс чашу невиданной красоты, изготовленную из серебристого и на удивление лёгкого металла. На вопрос императора о названии чудесного металла ремесленник ответил, что металл получен им из …глины и пока не имеет названия. “Дальновидный” император, испугавшись, что новый металл, который можно получать из обыкновенной глины, обесценит серебро и подорвёт могущество Рима, повелел: чашу уничтожить, ремесленника обезглавить, а его мастерскую сравнять с землёй!”
Теперь, по прошествии тысячелетий, мы не можем
сказать, сколько правды лежит в основе этой
легенды, рассказанной римским историком Плинием
Старшим в своей “Естественной истории”, но
значительная доля правды в ней кроется.
Как вы думаете, о каком металле идет речь? (Алюминий.)
Учитель: Таким образом, тема нашего урока: “Алюминий и его свойства”. (Учащиеся записывают в тетрадь число, тему урока.)
3. Актуализация знаний об особенностях строения атома алюминия
Учитель: С чего мы начинаем изучение химического элемента? (С характеристики его положения в П.С. Д.И. Менделеева.)
Учитель: Сейчас вам предлагается осуществить данную задачу, а именно дать характеристику алюминия по его положению в П.С. Д.И. Менделеева.
I. Характеристика химического элемента (заголовок в тетрадь)
Учащимся предлагается самостоятельно выполнить данное задание в тетрадях. Данное задание может быть выполнено полностью самостоятельно и оценено высоким баллом, либо с использованием “помогалочки”.(см слайд)
- Порядковый номер13
- Атомная масса 27
- Период 3
- Группа 3(подгруппа А,)
- Строение атома (заряд ядра 13, число протонов13,
нейтронов14, электронов13, электронная формула. 1S22S22P63S23P1)
1S22S22P63S23P1)Рефлексия этапа работы.
После выполнения задания в классе разворачивается коллективное обсуждение по следующим вопросам:
- Сколько электронов находится на внешнем уровне атома алюминия? Ответ: три электрона.
- Какую степень окисления проявляет алюминий? Ответ: +3
- Алюминий будет отдавать или принимать электроны? Ответ: отдавать.
- Значит алюминий это… Ответ: металл.
- Какой же это металл: активный или неактивный?
Ответы могут быть разные: из своего
жизненного опыта ребята отвечают, что это
неактивный металл (алюминиевые провода не
реагируют с водой), другие делают предположение
об активности алюминия, так как он находится в
электрохимическом ряду напряжения металлов
сразу после активных металлов.
Учитель: Для решения вопроса об активности алюминия, что мы должны рассмотреть?
Учащийся: Физические и химические свойства алюминия, как простого вещества?
4. Формирование знаний о физических свойствах алюминия – простого вещества
Учитель: Используя свои наблюдения, выданные вам материалы, назовите физические свойства алюминия.
II. Физические свойства алюминия. (Записываем заголовок в тетрадь.)
Лабораторная работа по теме: “Физические свойства алюминия”.
Работу выполняют в группах. Работают по
инструктивным карточкам. Для более чётких и
быстрых ответов используются таблицы
“Относительная твёрдость металлов”,
“Плотность металлов”, “Температура плавления
металлов”, “Относительная теплопроводность и
электрическая проводимость металлов”, которые
находятся на каждой парте.
(Самостоятельная работа учащихся с образцами алюминия по инструктивной карточке.)
Рассмотрите алюминиевую пластинку, ответьте на вопросы:
- Каково агрегатное состояние алюминия? (1 группа)
- Каков цвет алюминия? (2 группа)
- Имеется ли блеск? (3 группа)
- Какова плотность алюминия? Как рассчитали? Каковы данные в таблице? (4 группа)
- Какова твердость алюминия? Как испытывали? Каковы справочные данные? (1 группа)
- Обладает ли алюминий пластичностью? Лёгкий ли это металл?( 2 группа)
- Прочный ли металл алюминий? (3 группа)
- Наблюдается ли растворение алюминия в воде? (4 группа)
- Обладает ли алюминий теплопроводностью? А электропроводностью? Каким металлам уступает алюминий? (1,3 группы)
- Обладает ли алюминий магнитными свойствами? (2 группа)
- По табличным данным, какова температура плавления у алюминия? (4 группа)
Учитель (обобщает). Алюминий легкий металл, серебристо – белого цвета, с металлическим блеском. Плотно
Алюминий — это… Что такое Алюминий?
| Внешний вид простого вещества | |
|---|---|
| Мягкий, лёгкий металл серебристо-белого цвета. | |
| Свойства атома | |
| Имя, символ, номер | Алюминий / Aluminium (Al), 13 |
| Группа, период, блок | 13, 3, |
| Атомная масса (молярная масса) | 26,981539 а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Ne] 3s2 3p1 |
| Электроны по оболочкам | 2, 8, 3 |
| Радиус атома | 143 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 118 пм |
| Радиус Ван-дер-Ваальса | 140 пм |
| Радиус иона | 51 (+3e) пм |
| Электроотрицательность | 1,61 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | -1,66 в |
| Степени окисления | 3 |
| Энергия ионизации | 1-я: 577,2 (5,98) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Термодинамическая фаза | Твёрдое |
| Плотность (при н. у.) | 2,6989 г/см³ |
| Температура плавления | 660 °C, 933,5 K |
| Температура кипения | 2518,82 °C, 2792 K |
| Теплота плавления | 10,75 кДж/моль |
| Теплота испарения | 284,1 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,35[1] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 10,0 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая гранецентрированая |
| Параметры решётки | 4,050 Å |
| Температура Дебая | 394 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 237 Вт/(м·К) |
| Скорость звука | 5200 м/с |
| 13 | Алюминий |
| 3s23p1 | |
Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).
Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.
История
Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от лат. aluminis — квасцы.
Получение
Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.
Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.[2]
В лабораторных условиях
Алюминий: свойства, получение и применение
АЛЮМИНИЙ, Al (от лат. alumen — название квасцов, применявшихся в древности как протрава при крашении и дублении * а. aluminium; н. Aluminium; ф. aluminium; и. aluminio), — химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Состоит из одного стабильного изотопа с массовым числом 27. Открыт датским учёным Х. Эрстедом в 1825.
Физические свойства алюминия
Алюминий — серебристо-белый лёгкий металл. Решётка алюминия кубическая гранцентрированная с параметром а = 0,40413 нм (4,0413 Е). Алюминий высокой чистоты (99,996%) характеризуется следующими физическими свойствами: плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м3, t плавления 660,24°С, t кипения 2500°С, теплопроводность (при 190°С) 343 Вт/м • К, удельная теплоёмкость (при 100°С) 931,98 Дж/кг • К, электропроводность по отношению к меди (при 20°С) 65,5%, коэффициент термического расширения (от 20 до 100°С) 2,39 • 10-5 град-1. Алюминий обладает невысокими прочностью (предел прочности при растяжении 50-60 МПа) и твёрдостью (170 МПа, по Бринеллю), но высокой пластичностью (до 50%). Алюминий хорошо полируется, анодируется и имеет высокую отражательную способность (90%). Алюминий стоек к действию различных типов природных вод, азотной и органической кислот. На воздухе алюминий покрывается тонкой прочной плёнкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и коррозии.
Химические свойства алюминия
В обычных условиях алюминий проявляет степень окисления +3, при высоких температурах +1, редко +2.
Алюминий обладает большим сродством к кислороду, образуя окись Al2О3; в порошкообразном состоянии при накаливании в токе кислорода он сгорает, развивая температуру около 3000°С. Эту особенность алюминия используют в алюминотермии для восстановления некоторых металлов из их окислов. При высокой температуре алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AlN, карбид Al4С3 и сульфид Al2S3. С водородом алюминий не взаимодействует; гидрид (AlH3)х получают косвенным путём. Алюминий легко растворяется в щелочах с выделением водорода и образованием алюминатов. Большинство солей алюминия хорошо растворимо в воде.
Алюминий в природе
Алюминий — один из самых распространённых (после кислорода и кремния) элементов в породах земной коры — 8,8% (по массе). Максимальное содержание алюминия отмечено в осадочных породах — 10,45% (по массе), содержание в средних, основных, кислых и ультраосновных соответственно 8,85%, 8,76%, 7,7%, 0,45% (по массе). Известны сотни минералов, в которые он входит в виде главного или достаточно распространённого элемента. Основные носители алюминия — алюмосиликаты. Минералы с максимальным содержанием алюминия — корунд, гиббсит, бёмит, диаспор. Главный источник получения алюминия — бокситы. Кроме того, алюминий частично извлекают из высокоглинозёмистых щелочных пород (уртиты и др.) и алунитов.
Основной особенностью геохимического поведения алюминия в эндогенных процессах является его довольно равномерное распределение в кристаллизующихся алюмосиликатах — полевых шпатах, слюдах, амфиболах и пироксенах. Для постмагматических и гидротермальных образований он не характерен. Единственным своеобразным, но достаточно редким минералом алюминия, связанным с пегматитами, является криолит Na3AlF6. В экзогенных процессах алюминий — весьма слабый мигрант вследствие высокой гидролизуемости его солей с выпадением в осадок малорастворимой гидроокиси Al(OH)3, слабой растворимости его других соединений, высокой кристаллохимической устойчивости алюмокремнекислородных радикалов в алюмосиликатах. Главным концентратором алюминия в экзогенных процессах является каолин, образующийся как остаточный продукт в процессе выветривания кислых, средних и основных пород. Впоследствии при размыве и переотложении каолинитовых кор выветривания алюминий попадает в осадочные породы, главным образом глины. В особо контрастных условиях выветривания (влажные тропики, высокая температура среды) разложение в горных породах достигает стадии формирования остаточных (элювиальных) бокситов. Мало алюминия в живых организмах и гидросфере, хотя и известны отдельные организмы — концентраторы алюминия (плауны, некоторые виды моллюсков). Вместе с тем в почвах и в некоторых водах, богатых органическим веществом, отмечается определённая миграционная подвижность алюминия в виде органо-минеральных соединений. Особая подвижность алюминия устанавливается в некоторых вулканогенно- гидротермальных ультракислых и кислых растворах. Основные генетические типы месторождений и схемы обогащения см. в ст. Алюминиевые руды, Бокситы.
Получение
Металлический алюминий в промышленности получают электролизом раствора глинозёма в расплавленном криолите или расплаве AlCl3; А. высокой чистоты (99,996%) вырабатывают электролитическим рафинированием с помощью т.н. трёхслойного способа. Принципиально та же технология, но с использованием органических электролитов позволяет доводить чистоту рафинируемого алюминия до 99,999%.
Применение
Благодаря лёгкости, достаточной прочности, способности сплавляться со многими другими металлами и хорошей электропроводности алюминий находит широкое применение в электротехнике, а также как конструкционный материал в машиностроении, авиастроении, строительстве и др. Чистый и сверхчистый алюминий применяют в полупроводниковой технике и для покрытия разного рода зеркал. Алюминий получил применение в ядерных реакторах в связи с относительно низким сечением поглощения нейтронов. В ёмкостях и таре из алюминия транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород), некоторые кислоты (азотную, уксусную), хранят пищевые продукты, воду, масла. Как легирующую добавку алюминий используют в сплавах Cu, Mg, Ti, Ni, Zn, Fe. В ряде случаев алюминий идёт на изготовление взрывчатых веществ (алюминал, алюмотол и др.).
выпускников: физические свойства
Степень чистоты алюминия
Традиционная система описания чистоты металлов, в том числе алюминия, основана на измерении общего количества примесных элементов в процентах и вычитании этого количества из 100%. Обычно результат выражается числом девяток. например, «Пять девяток» означает чистоту 99,999%. Это означает, что общее содержание примесей составляет 0,001% или 10 ppm (10 ppm).
Метод измерения чистоты металла
Сопротивление прохождению электронов через образец металла высокой чистоты, особенно при низких температурах, сильно зависит от количества примесных элементов, которые в нем присутствуют.Этот факт основан на очень чувствительном методе качественного определения чистоты 99,999% и выше. Этот метод ценен не только своей чувствительностью, но и тем, что измерение электрического сопротивления относительно просто.
Классификация чистоты глинозема
Обычно используется следующий, обычный оксид алюминия с классификационной степенью чистоты [1]:
- 99,50-99,79 — алюминий промышленной чистоты (товарной чистоты)
- 99,80-99,949 — алюминий особой чистоты (особой чистоты)
- 99.950-99,9959 — сверхчистый алюминий (сверхчистота)
- 99.9960-99,9990 — алюминий особой чистоты (особой чистоты)
- подробнее 99,9990 — сверхчистый алюминий (сверхчистота).
Ниже приводится обзор свойств алюминия чистотой 99,50 и выше. Влияние легирующих добавок и примесей на свойства алюминия и алюминиевых сплавов см. Вот.
Механические свойства чистого алюминия
Данные по прочности на разрыв алюминия нескольких степеней чистоты представлены в таблице 1.
Влияние холодной пластической деформации — автофреттажа — на прочностные характеристики чистого алюминия степени «пять девяток» (99,999%) приведено в таблице 2.
Твердость и прочность алюминия в зависимости от степени чистоты показаны на Рисунке 1.
Таблица 1 — Механические свойства чистого алюминия
при комнатной температуре
Таблица 2 — Механические свойства алюминия 99,999+%
Рисунок 1 — твердость и прочность алюминия
в зависимости от степени чистоты
Прочие механические свойства чистого алюминия:
- Модуль упругости: 62 ГПа
- Модуль упругости при сдвиге: 25 ГПа при 25 oC
- Скорость звука: при 25 oC — 6200 м / с; при 660 oC (ликвидность) — 4650 м / с
атомные свойства
алюминий имеет [1]:
- атомный номер 13
- атомный вес 26,9815.
кристаллическая структура
Алюминий кристаллизован в гранецентрированной кубической решетке (ГЦК), которая имеет стабильную температуру 4 К и точку плавления.
Рисунок 1.1 — Атомная структура алюминия [2]
Плотность
Теоретическая плотность алюминия при комнатной температуре (20 oC), которая исходя из размера кристаллической решетки, составляет 2698,72 кг / м. 3 [1]. Экспериментальные данные находятся в диапазоне от 2996,6 до 2698,8 кг / м 3 .
Зависимость плотности алюминия от степени чистоты и твердого и жидкого состояний показана на рисунке 2.
Рисунок 2 — плотность алюминия в зависимости от степени чистоты
твердое состояние (20 градусов Цельсия) и
жидкое состояние (1000 градусов Цельсия)
Плотность жидкого алюминия чистотой 99,996% показана в таблице 3.
Таблица 3 — плотность жидкого алюминия чистотой 99,996%
термические свойства
Тепловое расширение
Данные по коэффициенту теплового расширения (КТР) алюминия чистотой 99,99% при различных температурах, указанных в таблице 4.
Таблица 4 — Коэффициент теплового расширения (KTR)
чистый алюминий 99,99%
Температура плавления
Температура плавления чистого алюминия очень чувствительна к степени чистоты — содержанию примесей. Экспериментально установлено, что температура плавления алюминия 99,996% составляет 933,4 К или 660,25 ° С.
алюминий Температура застывания 660,323 ° C является одной из контрольных точек Международной практической температурной шкалы 1990 года, которая используется для калибровки термометра и термопары.
Прочие термические свойства чистого алюминия:
- Температура кипения: 2494 oC
- Удельная теплоемкость: 0,900 кДж / кг · К при 25 oC; 1,18 кДж / кг · К при 660,40 oC (ликвидность)
- Скрытая теплота плавления: 397 кДж / кг
- Скрытая теплота парообразования: 10,78 МДж / кг
- теплота воспламенения: 31,05 МДж / кг
Коэффициент теплопроводности
При температурах от умеренных до высоких, например, выше 100 ° С, теплопроводность отожженных высококалорийных материалов (99,99+%) относительно не зависит от степени чистоты.Ниже 100 К алюминий становится очень чувствительным к чистоте. Коэффициент теплопроводности чистого алюминия в диапазоне температур от 100 до 933 К (от -173 до 660 ° С) постепенно снижается с 3,02 на 2,08 Вт · смотри -1 · ТО -1 [1].
Рисунок 2.1 — Теплопроводность алюминия по сравнению с другими металлами [2]
Удельное электрическое сопротивление
Принятое значение удельного электрического сопротивления сверхчистого алюминия (99,990%) при 20 ºC составляет 2,2548 × 10 -8 Ом · м или 64,94% от международного стандарта отожженной меди (IACS).Электрическое сопротивление чистого алюминия 99,9% при различных температурах показано в Таблице 5.
Таблица 5 — Электрическое сопротивление чистого алюминия (99,90%)
Электропроводность чистого алюминия изотропна, за исключением случаев применения, ориентированного на настоящее время.
Влияние размера зерна на удельное электросопротивление алюминия промышленно незначительно. Однако холоднодеформированный алюминий в направлении образовавшейся холодной пластической деформации имеет несколько большую — на 0,5-1,0% — электропроводность.
намагниченный
Поскольку алюминий имеет нечетное число валентных электронов (3), он парамагнитен. В нормальных условиях не показывает намагниченности.
оптические свойства
Спектральная отражательная способность
Коэффициент отражения гладкой алюминиевой поверхности по отношению к свету составляет более 90% при длинах волн от 0,9 до 12,0 м. Для длин волн 0,2 мкм этот коэффициент отражения уменьшается до 70%. Для длин волн менее 0,2 мкм коэффициент отражения резко уменьшается.
Максимальная отражательная способность достигается за счет выделения алюминия из газовой фазы (пара), что дает очень гладкую поверхность.Для максимальной отражательной способности этих пленок требуется толщина газовой фазы не менее 10 -5 вида.
Отражательная способность алюминиевой поверхности уменьшается с увеличением ее шероховатости. Алюминиевая поверхность после пескоструйной обработки может отражать только 15-25% света по сравнению с полированной поверхностью материала того же химического состава. На рисунке 3 он иллюстрирует нормальную отражательную способность чистых алюминиевых поверхностей различных.
Рисунок 3 — Спектральный коэффициент отражения чистого алюминия [1]
выдача
Emission — способность поверхности поглощать тепло и отражать его.Эмиссия полированного алюминия при комнатной температуре составляет лишь несколько процентов эмиссии черного тела. придание шероховатости поверхности может повысить эмиссию до 20-30%. Эмиссия увеличивается с повышением температуры и достигает 15-20% в жидком состоянии.
Источник:
- Алюминий и алюминиевые сплавы, AMS International, 1993.
- ТАЛАТ 1501
WebElements Periodic Table »Алюминий» Свойства свободных атомов
Be B С мг Al Si Zn Ga Ge - Актиний ☢
- Алюминий
- Алюминий
- Америций ☢
- Сурьма
- Аргон
- Мышьяк
- Астатин ☢
- Барий
- Берклий ☢
- Бериллий
- Висмут
- Бориум ☢
- Бор
- Бром
- Кадмий
- Цезий
- Кальций
- Калифорний ☢
- Углерод
- Церий
- Цезий
- Хлор
- Хром
- Кобальт
- Copernicium ☢
- Медь
- Кюрий ☢
- Дармштадтиум ☢
- Дубний ☢
- Диспрозий
- Эйнштейний ☢
- Эрбий
- Европий
- Фермий ☢
- Флеровий ☢
- Фтор
- Франций
- Гадолиний
- Галлий
- Германий
- Золото
- Гафний
- Калий ☢
- Гелий
- Гольмий
- Водород
- Индий
- Йод
- Иридий
- Утюг
- Криптон
- Лантан
- Лоуренсий ☢
- Свинец
- Литий
- Ливерморий ☢
- Лютеций
- Магний
- Марганец
- Мейтнерий ☢
- Менделевий ☢
- Меркурий
- Молибден
- Московиум ☢
- Неодим
- Неон
- Нептуний
- Никель
- Нихоний ☢
- Ниобий
- Азот
- Нобелий
- Оганессон ☢
- Осмий
- Кислород
- Палладий
- фосфор
- Платина
- Плутоний ☢
- Полоний
- Калий
- Празеодим
- Прометий ☢
- Протактиний ☢
- Радий ☢
- Радон ☢
- Рений
- Родий
- Рентген ☢
- Рубидий
- Рутений
- Резерфорд ☢
- Самарий
- Скандий
- Сиборгий ☢
- Селен
- Кремний
- Серебро
- Натрий
- Стронций
- Сера
- Сера
- Тантал
- Технеций
- Теллур
- Tennessine ☢
- Тербий
- Таллий
- Торий ☢
- Тулий
- Олово
- Титан
- Вольфрам
- Уран ☢
- Ванадий
- Ксенон
- Иттербий
- Иттрий
- Цинк
- Цирконий