Glin jest pierwiastkiem głównej podgrupy trzeciej grupy trzeciego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych o liczbie atomowej 13. Jest on oznaczony symbolem Al (łac. Aluminium). Należy do grupy metali lekkich. Najpopularniejszy metal i trzeci najczęstszy pierwiastek chemiczny w skorupie ziemskiej (po tlenie i krzemie).
Prosta substancja aluminium (numer CAS: 7429-90-5) to lekki, paramagnetyczny metal o srebrno-białym kolorze, łatwo formowany, odlewany, obrabiany maszynowo. Aluminium ma wysoką przewodność cieplną i elektryczną, odporność na korozję dzięki szybkiemu tworzeniu się silnych warstw tlenków, które chronią powierzchnię przed dalszą interakcją.
Fabuła
Po raz pierwszy aluminium zostało uzyskane przez Hansa Oersteda w 1825 r. przez działanie amalgamatu potasu na chlorek glinu, a następnie destylację rtęci.
Paragon fiskalny
Nowoczesna metoda przygotowania została opracowana niezależnie przez Amerykanina Charlesa Halla i Francuza Paula Héroux w 1886 roku. Polega na rozpuszczeniu tlenku glinu Al 2 O 3 w stopie kriolitu Na 3 AlF 6, a następnie elektrolizie przy użyciu zużywalnych elektrod koksowych lub grafitowych. Ten sposób pozyskiwania wymaga dużych ilości energii elektrycznej i dlatego był poszukiwany dopiero w XX wieku.
Do produkcji 1 tony surowego aluminium potrzeba 1,920 ton tlenku glinu, 0,065 ton kriolitu, 0,035 ton fluorku glinu, 0,600 ton masy anodowej i 17 tys. kWh prądu stałego.
Właściwości fizyczne
Metal srebrno-biały, lekki, gęstość - 2,7 g/cm³,
temperatura topnienia dla aluminium technicznego - 658 °C, dla aluminium wysoka czystość- 660 °C,
ciepło właściwe topnienia - 390 kJ/kg,
temperatura wrzenia - 2500 °C,
ciepło właściwe parowania - 10,53 MJ/kg,
wytrzymałość na rozciąganie odlewów aluminiowych - 10...12 kg/mm², odkształcalnych - 18...25 kg/mm², stopów - 38...42 kg/mm².
Twardość Brinella - 24…32 kgf/mm²,
wysoka plastyczność: techniczna - 35%, czysta - 50%, zwinięta w cienki arkusz i równomierną folię.
Moduł Younga - 70 GPa.
Aluminium ma wysoką przewodność elektryczną (0,0265 μOhm·m) i przewodność cieplną (203,5 W/(m·K)), 65% przewodności elektrycznej miedzi i ma wysoki współczynnik odbicia światła.
Słaby paramagnes.
Współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej 24,58×10 -6 K -1 (20…200 °C).
Współczynnik temperaturowy oporu elektrycznego 2,7×10 -8 K -1 .
Aluminium tworzy stopy z prawie wszystkimi metalami. Najbardziej znane są stopy z miedzią i magnezem (duraluminium) oraz krzemem (silumin).
Właściwości chemiczne
W normalnych warunkach aluminium pokryte jest cienką i mocną warstwą tlenku i dlatego nie reaguje z klasycznymi utleniaczami: z H 2 O (t°); O 2, HNO 3 (bez ogrzewania). Z tego powodu aluminium praktycznie nie podlega korozji i dlatego jest szeroko poszukiwane. nowoczesny przemysł. Jednak gdy warstewka tlenkowa ulega zniszczeniu (na przykład w kontakcie z roztworami soli amonowych NH 4 + , gorącymi alkaliami lub w wyniku amalgamacji), aluminium działa jako aktywny metal redukujący.
aluminium(łac. Aluminium, z ałunu - ałunu), pierwiastek chemiczny z grupy III układ okresowy. Metal srebrnobiały, lekki (2,7 g/cm3), ciągliwy, o wysokiej przewodności elektrycznej, tt 660ºC. Aktywny chemicznie (pokryty ochronnym filmem tlenkowym na powietrzu). Pod względem występowania w przyrodzie zajmuje 4 miejsce wśród pierwiastków i 1 wśród metali (8,8% masy skorupa Ziemska). Znanych jest kilkaset minerałów glinu (glinokrzemiany, boksyty, ałunity itp.). Otrzymywany przez elektrolizę tlenku glinu Al2O3 w stopie kriolitu Na3AlF6 w temperaturze 960ºC. Znajdują zastosowanie w lotnictwie, budownictwie (materiały konstrukcyjne, głównie w postaci stopów z innymi metalami), elektrotechnice (zamienniki miedzi w produkcji kabli itp.), przemyśle spożywczym (folia), metalurgii (dodatki do stopów), aluminotermii itp.
ALUMINIUM
ALUMINIUM (łac. Aluminium), Al (czytaj „aluminium”), pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 13, masa atomowa 26,98154. naturalne aluminium składa się z jednego nuklidu 27Al. Znajduje się w trzecim okresie w grupie IIIA Układu Okresowego Pierwiastków Mendelejewa. Konfiguracja zewnętrznej warstwy elektronowej to 3s2p1. W prawie wszystkich związkach stopień utlenienia glinu wynosi +3 (wartościowość III).
Promień neutralnego atomu glinu wynosi 0,143 nm, promień jonu Al3+ wynosi 0,057 nm. Energie sekwencyjnej jonizacji obojętnego atomu glinu wynoszą odpowiednio 5,984, 18,828, 28,44 i 120 eV. W skali Paulinga elektroujemność aluminium wynosi 1,5.
Prosta substancja aluminium to miękki, lekki, srebrzystobiały metal.
Historia odkryć
Łacińskie aluminium pochodzi od łacińskiego alumen, co oznacza ałun (patrz AUM) (siarczan glinu i potasu KAl (SO4) 2 12H2O), które od dawna są używane w wyrobach skórzanych i jako środek ściągający. Ze względu na wysoką aktywność chemiczną odkrycie i wyizolowanie czystego aluminium ciągnęło się prawie 100 lat. Wniosek, że „ziemia” (substancja ogniotrwała, współcześnie - tlenek glinu (patrz TLENEK ALUMINIUM)) może być uzyskany z ałunu, wysunął już w 1754 roku niemiecki chemik A. Marggraf (patrz MARGGRAF Andreas Sigismund). Później okazało się, że tę samą „ziemię” można wyizolować z gliny i nazwano ją tlenkiem glinu. Dostać metaliczne aluminium mógł dopiero w 1825 r. duński fizyk HK Ørsted (patrz ØRSTED Hans Christian). Potraktował chlorek glinu AlCl3, który można otrzymać z tlenku glinu, amalgamatem potasu (stop potasu i rtęci), a po oddestylowaniu rtęci wyizolował szary proszek aluminiowy.
Dopiero ćwierć wieku później metoda ta została nieco unowocześniona. Francuski chemik A.E. Saint-Clair Deville (patrz Saint-Clair Deville Henri Etienne) w 1854 r. zasugerował użycie metaliczny sód(patrz SOD) i otrzymał pierwsze sztabki nowego metalu. Koszt aluminium był wtedy bardzo wysoki i robiono z niego biżuterię.
Przemysłowa metoda wytwarzania aluminium przez elektrolizę stopionego stopu złożonych mieszanin, w tym tlenku, fluorku glinu i innych substancji, została niezależnie opracowana w 1886 r. przez P. Eru (patrz ERU Paul Louis Toussaint) (Francja) i C. Hall ( USA). Produkcja aluminium wiąże się z dużym zużyciem energii elektrycznej, dlatego na masową skalę została zrealizowana dopiero w XX wieku. W Związku Radzieckim pierwszy aluminium przemysłowe został uzyskany 14 maja 1932 r. W fabryce aluminium Wołchow, zbudowanej obok elektrowni wodnej Wołchow.
Będąc na łonie natury
Pod względem występowania w skorupie ziemskiej aluminium zajmuje pierwsze miejsce wśród metali i trzecie wśród wszystkich pierwiastków (po tlenie i krzemie), stanowi około 8,8% masy skorupy ziemskiej. Glin wchodzi w skład ogromnej liczby minerałów, głównie glinokrzemianów (patrz GLINOkrzemiany) i skał. Związki glinu zawierają granity (patrz GRANIT), bazalty (patrz BAZALT), gliny (patrz GLINKA), skalenie (patrz Skalenie) itp. Ale oto paradoks: z ogromną liczbą minerałów i skał zawierających aluminium, złóż boksyty (patrz BOXITES) - główny surowiec do produkcji produkcja przemysłowa aluminium są dość rzadkie. W Rosji na Syberii i Uralu znajdują się złoża boksytów. Alunity (patrz ALUNIT) i nefeliny (patrz NEFELINE) mają również znaczenie przemysłowe.
Aluminium jako pierwiastek śladowy występuje w tkankach roślin i zwierząt. Istnieją organizmy-koncentratory, które gromadzą glin w swoich narządach - niektóre mchy widły, mięczaki.
Produkcja przemysłowa
W produkcji przemysłowej boksyty najpierw poddaje się obróbce chemicznej, usuwając z nich zanieczyszczenia tlenków krzemu i żelaza oraz innych pierwiastków. W wyniku takiej obróbki otrzymuje się czysty tlenek glinu Al2O3 - główny surowiec do produkcji metalu metodą elektrolizy. Jednak ze względu na fakt, że temperatura topnienia Al2O3 jest bardzo wysoka (powyżej 2000 °C), nie jest możliwe użycie jego stopu do elektrolizy.
Naukowcy i inżynierowie znaleźli wyjście w następujący sposób. W kąpieli elektrolitycznej najpierw topi się kriolit (patrz KRYOLIT) Na3AlF6 (temperatura topnienia nieco poniżej 1000 ° C). Kriolit można uzyskać, na przykład, przetwarzając nefelin z Półwyspu Kolskiego. Ponadto do tego stopu dodaje się trochę Al2O3 (do 10% masowych) i kilka innych substancji, które poprawiają warunki dalszego procesu. Podczas elektrolizy tego stopu tlenek glinu rozkłada się, kriolit pozostaje w stopie, a stopione aluminium tworzy się na katodzie:
2Al2O3 = 4Al + 3O2.
Ponieważ grafit służy jako anoda podczas elektrolizy, tlen uwalniany na anodzie reaguje z grafitem i powstaje dwutlenek węgla CO2.
W wyniku elektrolizy powstaje metal o zawartości aluminium około 99,7%. Dużo czystsze aluminium stosuje się również w technologii, w której zawartość tego pierwiastka sięga 99,999% lub więcej.
Fizyczne i chemiczne właściwości
Aluminium to typowy metal kryształowa komórka sześcienny centrowany na powierzchni, parametr a = 0,4403 nm. Temperatura topnienia czystego metalu wynosi 660 °C, temperatura wrzenia około 2450 °C, a gęstość 2,6989 g/cm3. Współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej aluminium wynosi około 2,5·10-5 K-1. Standard potencjał elektrody Al3+/Al -1,663V.
Pod względem chemicznym aluminium jest dość aktywnym metalem. W powietrzu jego powierzchnia jest natychmiast pokryta gęstym filmem tlenku Al2O3, co uniemożliwia dalszy dostęp tlenu do metalu i prowadzi do zakończenia reakcji, co prowadzi do wysokich właściwości antykorozyjnych aluminium. Folia ochronna na powierzchni aluminium tworzy się również, jeśli zostanie umieszczona w stężonym kwasie azotowym.
Aluminium aktywnie reaguje z innymi kwasami:
6HCl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,
3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3H2.
Aluminium reaguje z roztworami alkalicznymi. Najpierw rozpuszcza się ochronna warstwa tlenku:
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na.
Następnie zachodzą reakcje:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2,
NaOH + Al(OH)3 = Na,
lub łącznie:
2Al + 6H2O + 2NaOH = Na + 3H2,
i w wyniku tego powstają gliniany (patrz GLINIANY): Na to glinian sodu (tetrahydroksoglinian sodu), K to glinian potasu (tetrahydroksoglinian potasu) lub inne.Ponieważ atom glinu w tych związkach charakteryzuje się liczbą koordynacyjną (patrz KOORDYNACJA LICZBA) 6, a nie 4, to rzeczywiste wzory tych związków tetrahydrokso to: Na i K.
Po podgrzaniu aluminium reaguje z halogenami:
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3,
2Al + 3Br2 = 2AlBr3.
Co ciekawe, reakcja pomiędzy proszkami glinu i jodu (patrz IOD) rozpoczyna się w temperaturze pokojowej, jeśli do początkowej mieszaniny doda się kilka kropel wody, która w tym przypadku pełni rolę katalizatora:
2Al + 3I2 = 2AlI3.
Interakcja aluminium z siarką podczas ogrzewania prowadzi do powstania siarczku glinu:
2Al + 3S = Al2S3,
który jest łatwo rozkładany przez wodę:
Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S.
Glin nie oddziałuje bezpośrednio z wodorem, jednak pośrednio, np. za pomocą związków glinoorganicznych (patrz Związki glinoorganiczne), można zsyntetyzować stały polimeryczny wodorek glinu (AlH3) x - najsilniejszy czynnik redukujący.
W postaci proszku, aluminium może być spalane na powietrzu i powstaje biały ogniotrwały proszek tlenku glinu Al2O3.
Wysoka siła wiązania w Al2O3 determinuje wysokie ciepło jego powstawania od proste substancje oraz zdolność aluminium do redukcji wielu metali z ich tlenków, na przykład:
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe a nawet
3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.
Ta metoda pozyskiwania metali nazywana jest aluminotermią (patrz ALUMINOTERMIA).
Amfoteryczny tlenek Al2O3 odpowiada amfoterycznemu wodorotlenkowi - amorficznemu związkowi polimerowemu, który nie ma stałego składu. Skład wodorotlenku glinu można wyrazić wzorem xAl2O3 yH2O, podczas nauki chemii w szkole wzór wodorotlenku glinu jest najczęściej wskazywany jako Al (OH) 3.
W laboratorium wodorotlenek glinu można otrzymać w postaci galaretowatego osadu w reakcjach wymiany:
Al2(SO4)3 + 6NaOH = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4,
lub dodając sodę do roztworu soli glinu:
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3Ї + 6NaCl + 3CO2,
a także przez dodanie roztworu amoniaku do roztworu soli glinu:
AlCl3 + 3NH3H2O = Al(OH)3Ї + 3H2O + 3NH4Cl.
Aplikacja
Aluminium i jego stopy ustępują tylko żelazu i jego stopom pod względem zastosowania. Powszechne stosowanie aluminium w różne pola technologia i codzienność związana jest z całokształtem jej fizycznej, mechanicznej i właściwości chemiczne: niska gęstość, odporność na korozję w powietrze atmosferyczne, wysoka przewodność cieplna i elektryczna, ciągliwość i stosunkowo wysoka wytrzymałość. Aluminium jest łatwe w obróbce różne sposoby- kucie, tłoczenie, walcowanie itp. Do produkcji drutu używa się czystego aluminium (przewodność elektryczna aluminium wynosi 65,5% przewodności elektrycznej miedzi, ale aluminium jest ponad trzy razy lżejsze od miedzi, dlatego aluminium często zastępuje miedź w elektrotechnice inżynieria) oraz folia stosowana jako materiał opakowaniowy. Główną część wytopionego aluminium przeznacza się na pozyskiwanie różnych stopów. Stopy aluminium charakteryzują się niską gęstością, podwyższoną (w porównaniu do czyste aluminium) odporność na korozję i wysokie właściwości technologiczne: wysoka przewodność cieplna i elektryczna, odporność cieplna, wytrzymałość i ciągliwość. Powłoki ochronne i dekoracyjne są łatwo nakładane na powierzchnię stopów aluminium.
Różnorodność właściwości stopów aluminium wynika z wprowadzenia do aluminium różnych dodatków, które tworzą z nim roztwory stałe lub związki międzymetaliczne. Większość aluminium jest wykorzystywana do produkcji stopów lekkich - duraluminium (patrz DURALUMIN) (94% Al, 4% Cu, po 0,5% Mg, Mn, Fe i Si), silumin (85-90% Al, 10-14% Si , 0,1% Na) itp. W metalurgii aluminium wykorzystywane jest nie tylko jako baza do stopów, ale także jako jeden z powszechnie stosowanych dodatków stopowych w stopach na bazie miedzi, magnezu, żelaza, niklu itp.
Stopy aluminium znajdują szerokie zastosowanie w życiu codziennym, w budownictwie i architekturze, w przemyśle motoryzacyjnym, stoczniowym, lotniczym i technologia kosmiczna. W szczególności od stop aluminium Stworzono pierwszego sztucznego satelitę Ziemi. Stop aluminium i cyrkonu - cyrkal - jest szeroko stosowany w budowie reaktorów jądrowych. Do produkcji materiałów wybuchowych wykorzystuje się aluminium.
Na szczególną uwagę zasługują barwne warstewki tlenku glinu na powierzchni metalicznego aluminium uzyskane metodami elektrochemicznymi. Metaliczne aluminium pokryte takimi foliami nazywane jest aluminium anodowanym. Wykonany z anodowanego aluminium wygląd zewnętrzny przypominające złoto, robią różnorodną biżuterię.
Obchodząc się z aluminium w życiu codziennym, należy pamiętać, że tylko neutralne (w kwasowości) ciecze (na przykład przegotowana woda) mogą być podgrzewane i przechowywane w naczyniach aluminiowych. Jeśli np. kapuśniak gotuje się w naczyniach aluminiowych, to aluminium przechodzi do żywności i nabiera nieprzyjemnego „metalicznego” smaku. Ponieważ warstewkę tlenkową bardzo łatwo uszkodzić w życiu codziennym, stosowanie naczyń aluminiowych jest nadal niepożądane.
aluminium w korpusie
Aluminium wchodzi do organizmu człowieka codziennie z pożywieniem (około 2-3 mg), ale jego rola biologiczna nie została ustalona. Średnio w ludzkim ciele (70 kg) kości i mięśnie zawierają około 60 mg aluminium.
Strona 1
Utlenianie aluminium w warunkach atmosferycznych następuje szybko, ale nie na dużej głębokości. Obecność warstewki tlenkowej na powierzchni aluminium z reguły hamuje dalszy przebieg reakcji utleniania tlenem atmosferycznym.
Utlenianie aluminium w powietrzu bez obróbki wstępnej nie występuje, ponieważ na jego powierzchni znajduje się niewidoczna gołym okiem warstwa ochronnego filmu tlenku glinu.
Utlenianie aluminium jest przyspieszane powyżej jego temperatury topnienia; drobno rozdrobnione aluminium wypala się po podgrzaniu w powietrzu. Obecność zanieczyszczeń magnezu, sodu, miedzi, krzemu wzmaga utlenianie aluminium.
Utlenianie aluminium w powietrzu, a) Aluminium jest silnie utleniane w powietrzu, jeśli warstwa tlenku glinu zostanie usunięta z jego powierzchni i powstaną warunki, w których nie wystąpi. Po 2-3 minutach aluminium usuwa się z roztworu azotanu rtęci, przemywa wodą i wyciera do sucha papierem. Aluminium wypiera rtęć z jej soli, amalgamat aluminium tworzy się na powierzchni, zapobiegając tworzeniu się gęstej warstwy tlenku glinu. Dlatego aluminium utlenia się w powietrzu, stopniowo rozkładając się.
Utlenianie aluminium i redukcję tlenu wyrażamy równaniami elektronowymi.
Możliwość utleniania aluminium w materiałach wybuchowych sypkich do płaszczyzny Ch-Z potwierdzają dane doświadczalne podane w i innych pracach dla mieszanin Al z azotanem i nadchloranami amonu.
Reakcja utleniania glinu tlenkiem żelaza (III) przebiega następująco.
Proces utleniania aluminium lub innego metalu rozpoczyna się bezpośrednio w nagrzanej warstwie fazy skondensowanej. Główny proces utleniania metalu - proces spalania - odbywa się w płomieniu o wysokiej temperaturze. Pochodnia płomieniowa prochu składa się zasadniczo z gazowych produktów spalania, rozkładu paliwa i utleniacza oraz cząstek metalu palących się w tym medium. Makrokinetyka procesu spalania takiej pochodni powinna uwzględniać schematy spalania i zapłonu poszczególnych cząstek z określonym rozkładem ich wielkości oraz zmianą stężenia aktywnych odczynników w ośrodku w czasie.
Szybkość utleniania glinu w różnych warunkach nie została odpowiednio zbadana. Wiadomo, że w wysokich temperaturach aluminium pokrywa się bardzo cienką powłoką, co ma dobrą właściwości ochronne folia stabilna nawet w temperaturze topnienia aluminium.
Zatem utlenianie aluminium w wilgotnym tlenie w temperaturze 25°C jest opisane w czasie prawem logarytmicznym, które wraz ze wzrostem grubości warstewki tlenkowej zmienia się w odwrotne prawo logarytmiczne (ryc. 32); przejście od logarytmicznego prawa utleniania do odwrotnie logarytmicznego prawa utleniania zaobserwowano dla tantalu w zakresie od 100 do 300 C.
Reakcja utleniania aluminium ma swój własny próg.
Anodowemu procesowi utleniania aluminium towarzyszy proces uboczny wydzielania tlenu. Na początku procesu (20 - 30 min) niewielka część prądu jest zużywana na wydzielanie tlenu. Ale w miarę postępu procesu udział prądu, który prowadzi do uwolnienia tlenu, cały czas wzrasta.
