Алуминият е елемент от основната подгрупа на третата група от третия период на периодичната система от химични елементи, с атомен номер 13. Означава се със символа Al (лат. Aluminium). Принадлежи към групата на леките метали. Най-често срещаният метал и трети по честота химичен елементв земната кора (след кислорода и силиция).
Простото вещество алуминий (CAS номер: 7429-90-5) е лек, парамагнитен сребристо-бял метал, лесно формован, отлив и машинно обработен. Алуминият има висока топло- и електрическа проводимост, устойчивост на корозия поради бързото образуване на силни оксидни филми, които предпазват повърхността от по-нататъшно взаимодействие.
История
За първи път алуминият е получен от Ханс Ерстед през 1825 г. чрез действието на калиева амалгама върху алуминиев хлорид, последвано от дестилация на живак.
Разписка
Съвременният метод на приготвяне е разработен независимо от американеца Чарлз Хол и французина Пол Еру през 1886 г. Състои се в разтваряне на алуминиев оксид Al 2 O 3 в стопилка на криолит Na 3 AlF 6, последвано от електролиза с помощта на консумативи коксови или графитни електроди. Този метод за получаване изисква големи количества електроенергия и затова е бил търсен едва през 20-ти век.
За производството на 1 тон необработен алуминий са необходими 1,920 тона алуминиев триоксид, 0,065 тона криолит, 0,035 тона алуминиев флуорид, 0,600 тона анодна маса и 17 хиляди kWh постоянен ток.
Физически свойства
Сребристо-бял метал, лек, плътност - 2,7 g / cm³,
температура на топене за технически алуминий - 658 ° C, за алуминий висока чистота- 660 °C,
специфична топлина на топене - 390 kJ/kg,
точка на кипене - 2500 °C,
специфична топлина на изпарение - 10,53 MJ / kg,
якост на опън на лят алуминий - 10...12 kg/mm², деформируем - 18...25 kg/mm², сплави - 38...42 kg/mm².
Твърдост по Бринел - 24…32 kgf/mm²,
висока пластичност: техническа - 35%, чиста - 50%, навита на тънък лист и дори фолио.
Модул на Янг - 70 GPa.
Алуминият има висока електрическа проводимост (0,0265 μOhm m) и топлопроводимост (203,5 W / (m K)), 65% от електрическата проводимост на медта и има висока светлоотразителна способност.
Слаб парамагнит.
Температурен коефициент на линейно разширение 24,58×10 -6 K -1 (20…200 °C).
Температурен коефициент на електрическо съпротивление 2,7×10 -8 K -1 .
Алуминият образува сплави с почти всички метали. Най-известни са сплавите с мед и магнезий (дуралуминий) и силиций (силумин).
Химични свойства
При нормални условия алуминият е покрит с тънък и здрав оксиден филм и поради това не реагира с класическите окислители: с H 2 O (t°); O 2, HNO 3 (без нагряване). Поради това алуминият практически не е подложен на корозия и следователно е широко търсен. съвременна индустрия. Въпреки това, когато оксидният филм се разруши (например при контакт с разтвори на амониеви соли NH 4 + , горещи основи или в резултат на амалгамиране), алуминият действа като активен редуциращ метал.
алуминий(лат. Aluminium, от alumen - стипца), химичен елемент от III група периодична система. Сребристо-бял метал, лек (2,7 g/cm3), пластичен, с висока електропроводимост, т.т. 660ºC. Химически активен (покрит със защитен оксиден филм във въздуха). По отношение на разпространението в природата се нарежда на 4-то място сред елементите и 1-во сред металите (8,8% от масата земната кора). Известни са няколкостотин алуминиеви минерали (алумосиликати, боксити, алунити и др.). Получава се чрез електролиза на алуминиев триоксид Al2O3 в стопилка на криолит Na3AlF6 при 960ºC. Използват се в авиацията, строителството (конструкционен материал, главно под формата на сплави с други метали), електротехниката (заместител на медта при производството на кабели и др.), хранително-вкусовата промишленост (фолио), металургията (добавка на сплави), алуминотермията , и т.н.
АЛУМИНИЕВ
АЛУМИНИЙ (лат. Aluminium), Al (чете се "алуминий"), химичен елемент с атомен номер 13, атомна маса 26,98154. естествен алуминийсе състои от един нуклид 27Al. Намира се в третия период в група IIIA на Периодичната система на елементите на Менделеев. Конфигурацията на външния електронен слой е 3s2p1. В почти всички съединения степента на окисление на алуминия е +3 (валентност III).
Радиусът на неутралния алуминиев атом е 0,143 nm, радиусът на йона Al3+ е 0,057 nm. Енергиите на последователна йонизация на неутрален алуминиев атом са съответно 5,984, 18,828, 28,44 и 120 eV. По скалата на Полинг електроотрицателността на алуминия е 1,5.
Простата субстанция алуминият е мек, лек, сребристо-бял метал.
История на откритията
Латинският алуминий идва от латинското alumen, което означава стипца (виж AUM) (алуминий и калиев сулфат KAl (SO4) 2 12H2O), които отдавна се използват в превръзката на кожа и като стягащо средство. Поради високата химическа активност откриването и изолирането на чист алуминий се проточи почти 100 години. Заключението, че от стипца може да се получи „земя“ (огнеупорна субстанция, казано в съвременния смисъл алуминиев оксид (виж АЛУМИНИЕВ ОКСИД)) е направено през далечната 1754 г. от немския химик А. Маргграф (виж MARGGRAF Андреас Сигизмунд). По-късно се оказа, че същата "земя" може да бъде изолирана от глина и тя се нарича алуминиев оксид. Получаване метален алуминийе успял едва през 1825 г. от датския физик H. K. Ørsted (виж ØRSTED Hans Christian). Той третира алуминиевия хлорид AlCl3, който може да се получи от алуминиев оксид, с калиева амалгама (сплав от калий и живак) и след дестилация на живака изолира сив алуминиев прах.
Само четвърт век по-късно този метод беше леко модернизиран. Френският химик A. E. Saint-Clair Deville (виж Saint-Clair Deville Henri Etienne) през 1854 г. предлага да се използва метален натрий(виж НАТРИЙ) и получиха първите слитъци от новия метал. Цената на алуминия тогава беше много висока и от него се правеха бижута.
Индустриален метод за производство на алуминий чрез електролиза на стопилка от сложни смеси, включително оксид, алуминиев флуорид и други вещества, е разработен независимо през 1886 г. от P. Eru (виж ERU Paul Louis Toussaint) (Франция) и C. Hall ( САЩ). Производството на алуминий е свързано с висока консумация на електроенергия, така че е реализирано в голям мащаб едва през 20-ти век. В Съветския съюз, първият индустриален алуминийе получен на 14 май 1932 г. във Волховския алуминиев завод, построен до Волховската водноелектрическа централа.
Да бъдеш сред природата
По отношение на разпространението в земната кора алуминият е на първо място сред металите и на трето място сред всички елементи (след кислорода и силиция), той представлява около 8,8% от масата на земната кора. Алуминият е част от огромен брой минерали, главно алумосиликати (виж АЛУМИНОСИЛИКАТИ) и скали. Алуминиевите съединения съдържат гранити (виж ГРАНИТ), базалти (виж БАЗАЛТ), глини (виж ГЛИНА), фелдшпати (виж фелдшпати) и т.н. Но тук е парадоксът: с огромен брой минерали и скали, съдържащи алуминий, отлага боксити (вж. БОКСИТИ) - основната суровина за промишлено производствоалуминиевите са доста редки. В Русия има находища на боксит в Сибир и Урал. Алунитите (виж АЛУНИТ) и нефелините (виж НЕФЕЛИН) също са от промишлено значение.
Като микроелемент алуминият присъства в тъканите на растенията и животните. Има организми-концентратори, които натрупват алуминий в органите си - някои клубни мъхове, мекотели.
Индустриално производство
В промишленото производство бокситите първо се подлагат на химическа обработка, като от тях се отстраняват примесите от силициев и железен оксиди и други елементи. В резултат на такава обработка се получава чист алуминиев оксид Al2O3 – основна суровина при производството на метал чрез електролиза. Въпреки това, поради факта, че точката на топене на Al2O3 е много висока (повече от 2000 °C), не е възможно да се използва стопилката му за електролиза.
Учени и инженери намериха изход в следното. В електролизната баня първо се разтопява криолитът (виж КРИОЛИТ) Na3AlF6 (температура на топене малко под 1000 ° C). Криолитът може да се получи например чрез обработка на нефелини от Колския полуостров. Освен това към тази стопилка се добавят малко Al2O3 (до 10% от масата) и някои други вещества, които подобряват условията за последващия процес. По време на електролизата на тази стопилка, алуминиевият оксид се разлага, криолитът остава в стопилката, а на катода се образува разтопен алуминий:
2Al2O3 = 4Al + 3O2.
Тъй като графитът служи като анод по време на електролизата, кислородът, освободен от анода, реагира с графит и се образува въглероден диоксид CO2.
При електролиза се получава метал със съдържание на алуминий от около 99,7%. В технологията се използва и много по-чист алуминий, в който съдържанието на този елемент достига 99,999% или повече.
Физични и химични свойства
Алуминият е типичен метал кристална клеткакубичен лицево центриран, параметър a = 0,40403 nm. Точката на топене на чистия метал е 660 °C, точката на кипене е около 2450 °C, а плътността е 2,6989 g/cm3. Температурният коефициент на линейно разширение на алуминия е около 2,5·10-5 K-1. Стандартно електроден потенциал Al3+/Al -1,663V.
Химически алуминият е доста активен метал. Във въздуха повърхността му моментално се покрива с плътен филм от Al2O3 оксид, който предотвратява по-нататъшния достъп на кислород до метала и води до прекратяване на реакцията, което води до високи антикорозионни свойства на алуминия. Защитен повърхностен филм върху алуминия също се образува, ако се постави в концентрирана азотна киселина.
Алуминият активно реагира с други киселини:
6HCl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,
3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3H2.
Алуминият реагира с алкални разтвори. Първо, защитният оксиден филм се разтваря:
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na.
След това протичат реакциите:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2,
NaOH + Al(OH)3 = Na,
или общо:
2Al + 6H2O + 2NaOH = Na + 3H2,
и в резултат се образуват алуминати (виж АЛУМИНАТИ): Na е натриев алуминат (натриев тетрахидроксоалуминат), K е калиев алуминат (калиев тетрахидроксоалуминат) или др. Тъй като алуминиевият атом в тези съединения се характеризира с координационен номер (виж КООРДИНАЦИЯ NUMBER) 6, а не 4, тогава действителните формули на тези тетрахидроксо съединения са: Na и K.
При нагряване алуминият реагира с халогени:
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3,
2Al + 3Br2 = 2AlBr3.
Интересното е, че реакцията между алуминиеви и йодни прахове (виж IOD) започва при стайна температура, ако към първоначалната смес се добавят няколко капки вода, която в този случай играе ролята на катализатор:
2Al + 3I2 = 2AlI3.
Взаимодействието на алуминия със сярата по време на нагряване води до образуването на алуминиев сулфид:
2Al + 3S = Al2S3,
който лесно се разлага от вода:
Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S.
Алуминият не взаимодейства директно с водорода, но индиректно, например, използвайки органоалуминиеви съединения (виж ОРГАНОАЛУМИНИЕВИ СЪЕДИНЕНИЯ), е възможно да се синтезира твърд полимерен алуминиев хидрид (AlH3) x - най-силният редуктор.
Под формата на прах алуминият може да бъде изгорен на въздух и се образува бял огнеупорен прах от алуминиев оксид Al2O3.
Високата якост на свързване в Al2O3 определя високата топлина на образуването му от прости веществаи способността на алуминия да редуцира много метали от техните оксиди, например:
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe и дори
3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.
Този метод за получаване на метали се нарича алуминотермия (виж АЛУМИНОТЕМИЯ).
Амфотерният оксид Al2O3 съответства на амфотерния хидроксид - аморфно полимерно съединение, което няма постоянен състав. Съставът на алуминиевия хидроксид може да се предаде с формулата xAl2O3 yH2O; при изучаване на химия в училище, формулата на алуминиевия хидроксид най-често се обозначава като Al (OH) 3.
В лабораторията алуминиевият хидроксид може да се получи под формата на желатинова утайка чрез обменни реакции:
Al2(SO4)3 + 6NaOH = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4,
или чрез добавяне на сода към разтвор на алуминиева сол:
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3Ї + 6NaCl + 3CO2,
а също и чрез добавяне на разтвор на амоняк към разтвор на алуминиева сол:
AlCl3 + 3NH3H2O = Al(OH)3Ї + 3H2O + 3NH4Cl.
Приложение
Алуминият и неговите сплави са на второ място след желязото и неговите сплави по отношение на приложение. Широкото използване на алуминия в различни областитехнологията и ежедневието се свързва с съвкупността от нейните физически, механични и химични свойства: ниска плътност, устойчивост на корозияв атмосферен въздух, висока топло- и електрическа проводимост, пластичност и относително висока якост. С алуминия се работи лесно различни начини- коване, щамповане, валцоване и др. За направата на тел се използва чист алуминий (електрическата проводимост на алуминия е 65,5% от електрическата проводимост на медта, но алуминият е повече от три пъти по-лек от медта, така че алуминият често замества медта в електрическите инженеринг) и фолио, използвано като опаковъчен материал. Основната част от разтопения алуминий се изразходва за получаване на различни сплави. Алуминиевите сплави се характеризират с ниска плътност, повишена (в сравнение с чист алуминий) устойчивост на корозия и високи технологични свойства: висока топло- и електрическа проводимост, устойчивост на топлина, здравина и пластичност. Защитните и декоративни покрития се нанасят лесно върху повърхността на алуминиеви сплави.
Разнообразието от свойства на алуминиевите сплави се дължи на въвеждането на различни добавки в алуминия, които образуват твърди разтвори или интерметални съединения с него. Основната част от алуминия се използва за производството на леки сплави - дуралуминий (виж DURALUMIN) (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумин (85-90% Al, 10-14% Si , 0,1% Na) и др. В металургията алуминият се използва не само като основа за сплави, но и като една от широко използваните легиращи добавки в сплави на базата на мед, магнезий, желязо, никел и др.
Алуминиевите сплави намират широко приложение в ежедневието, в строителството и архитектурата, в автомобилната индустрия, в корабостроенето, авиацията и космически технологии. По-специално, от алуминиева сплавСъздаден е първият изкуствен спътник на Земята. Сплав от алуминий и цирконий - циркалой - се използва широко в изграждането на ядрени реактори. Алуминият се използва при производството на експлозиви.
Особено внимание заслужават цветните филми от алуминиев оксид върху повърхността на металния алуминий, получени чрез електрохимичен път. Метален алуминий, покрит с такива филми, се нарича анодизиран алуминий. Изработен от анодизиран алуминий външен виднапомнящи златото, изработват различни бижута.
Когато боравите с алуминий в ежедневието, трябва да имате предвид, че само неутрални (по киселинност) течности (например вряла вода) могат да се нагряват и съхраняват в алуминиеви съдове. Ако например кисела зелева супа се вари в алуминиеви съдове, тогава алуминият преминава в храната и придобива неприятен „метален” вкус. Тъй като оксидният филм е много лесен за повреждане в ежедневието, използването на алуминиеви съдове за готвене все още е нежелателно.
алуминий в тялото
Алуминият навлиза ежедневно в човешкото тяло с храна (около 2-3 mg), но неговата биологична роля не е установена. Средно в човешкото тяло (70 кг), костите и мускулите съдържат около 60 mg алуминий.
Страница 1
Окисляването на алуминия при атмосферни условия става бързо, но не на голяма дълбочина. Наличието на оксиден филм върху повърхността на алуминия, като правило, инхибира по-нататъшния ход на реакцията на окисление с атмосферен кислород.
Окисление на алуминия във въздуха без предварителна обработка не се случва, тъй като върху повърхността му има слой от защитен филм от алуминиев оксид, невидим за невъоръжено око.
Окислението на алуминия се ускорява над неговата точка на топене; фино разделеният алуминий изгаря при нагряване на въздух. Наличието на примеси от магнезий, натрий, мед, силиций засилва окисляването на алуминия.
Окисление на алуминия във въздуха, а) Алуминият се окислява енергично във въздуха, ако филмът от алуминиев оксид се отстрани от повърхността му и се създадат условия, при които това няма да се случи. След 2 - 3 минути алуминият се отстранява от разтвора на живачен нитрат, измива се с вода и се избърсва с хартия. Алуминият измества живака от неговата сол, алуминиева амалгама се образува на повърхността, предотвратявайки образуването на плътен филм от алуминиев оксид. Следователно алуминият се окислява във въздуха, като постепенно се разлага.
Ние изразяваме окислението на алуминия и редукцията на кислорода чрез електронни уравнения.
Възможността за окисление на алуминия в насипни експлозиви до Ch-Z равнина се потвърждава от експерименталните данни, дадени в и други работи за Al смеси с амониев нитрат и перхлорати.
Реакцията на окисление на алуминия с железен (III) оксид протича по следния начин.
Процесът на окисление на алуминий или друг метал започва директно в нагрятия слой на кондензираната фаза. Основният процес на окисляване на метала - процесът на горене - протича във високотемпературен пламък. Барутната пламъчна факла по същество се състои от газообразни продукти на горене, разлагащо се гориво и окислител и метални частици, изгарящи в тази среда. Макрокинетиката на горивния процес на такава горелка трябва да отчита моделите на горене и запалване на отделни частици с определено разпределение на техните размери и промяната в концентрацията на активните реагенти в средата с времето.
Скоростта на окисление на алуминия при различни условия не е проучена адекватно. Известно е, че при високи температури алуминият е покрит с много тънко покритие, което има добро защитни свойствафилм, стабилен дори при температура на топене на алуминия.
Така окисляването на алуминия във влажен кислород при 25 С се описва във времето с логаритмичен закон, който с увеличаване на дебелината на оксидния филм преминава в обратен логаритмичен закон (фиг. 32); преходът от логаритмичния закон към обратно логаритмичния закон на окисление се наблюдава за тантал в диапазона от 100 до 300 С.
Реакцията на окисление на алуминия има свой собствен праг.
Анодният процес на окисление на алуминия е придружен от страничен процес на отделяне на кислород. В началото на процеса (20 - 30 минути) незначителна част от тока се изразходва за отделяне на кислород. Но докато процесът протича, делът на тока, който води до освобождаване на кислород, се увеличава през цялото време.
