Химические и физические свойства алюминия: Алюминий — химические и физические свойства, сферы применения

Получение

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году. Современный метод получения разработали независимо друг от друга американец Чарльз Холл и француз Поль Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Применение

Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной пленкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять.

Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании.

Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.).

Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении. Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование.

Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала.

Драгоценный алюминий

В настоящее время алюминий является одним из самых популярных и нашедших широкое применение металлов. С самого момента открытия в середине XIX века его считали одним из ценнейших благодаря удивительным качествам: белый как серебро, легкий по весу и не подверженный воздействию окружающей среды.

В 1855 г. на Универсальной выставке в Париже алюминий был самой главной достопримечательностью. Изделия из алюминия располагались в витрине, соседствующей с бриллиантами французской короны. Постепенно зародилась определенная мода на алюминий. Его считали благородным малоизученным металлом, используемым исключительно для создания произведений искусства.

Наиболее часто алюминий использовали ювелиры. При помощи особой обработки поверхности ювелиры добивались наиболее светлого цвета металла, из-за чего его часто приравнивали к серебру. Но в сравнении с серебром, алюминий обладал более мягким блеском, чем обуславливалась еще большая любовь к нему ювелиров.

Так как химические и физические свойства алюминия сначала были слабо изучены, ювелиры сами изобретали новые техники его обработки. Алюминий технически легко обрабатывать, этот мягкий металл позволяет создавать отпечатки любых узоров, наносить рисунки и создавать желаемой формы изделия. Алюминий покрывался золотом, полировался и доводился до матовых оттенков.

Но со временем алюминий стал падать цене. Если в 1854-1856 годах стоимость одного килограмма алюминия составляла 3 тысячи старых франков, то в середине 1860-х годов за килограмм этого металла давали уже около ста старых франков. Впоследствии из-за низкой стоимости алюминий вышел из моды.

В настоящее время самые первые алюминиевые изделия представляют большую редкость. Большинство из них не пережило обесценивания металла и было заменено серебром, золотом и другими драгоценными металлами и сплавами. В последнее время вновь наблюдается повышенный интерес к алюминию у специалистов. Этот металл стал темой отдельной выставки , организованной в 2000 году Музеем Карнеги в Питсбурге. Во Франции расположен Институт истории алюминия, который в частности занимается исследованием первых ювелирных изделий из этого металла.

В Советском союзе из алюминия делали общепитовские приборы, чайники и т.д. И не только. Первый советский спутник был выполнен из алюминиевого сплава. Другой потребитель алюминия — электротехническая промышленность: из него делаются провода высоковольтных линий передач, обмотки моторов и трансформаторов, кабели, цоколи ламп, конденсаторы и многие другие изделия. Кроме того, порошок алюминия применяют во взрывчатых веществах и твердом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться: если бы алюминий не покрывался тончайшей оксидной пленкой, то мог бы вспыхивать на воздухе.

Последнее изобретение — пеноалюминий, т.н. «металлический поролон», которому предсказывают большое будущее.

• Полный каталог статей

Каковы основные свойства алюминия?

Если вы когда-нибудь задумывались, какие свойства алюминия делают его таким популярным и универсальным металлом, вы не одиноки. Существует множество характеристик, которые делают алюминий и алюминиевые сплавы одним из самых важных материалов в мире, используемых во многих отраслях промышленности. Это включает в себя бытовую, архитектурную, авиационную и автомобильную промышленность, и это лишь некоторые из них.

Изучение физических, химических и механических свойств материала составляет основу материаловедения. Это позволяет прогнозировать поведение в определенных условиях и в условиях стресса. Такие показатели эффективности помогают архитекторам, производителям и дизайнерам выбирать правильный материал для конкретного применения.

Загрузить нашу спецификацию на алюминий сейчас

Kloeckner Metals — поставщик полного ассортимента алюминия и сервисный центр. Загрузите нашу спецификацию алюминия, чтобы проверить, что Kloeckner Metals регулярно поставляет на склад.

Спецификация алюминия

Многие выдающиеся свойства алюминия и алюминиевых сплавов обеспечивают широкий спектр применения. Например, из всех металлов алюминиевые сплавы легче всего поддаются формовке и обработке. Механические свойства алюминия делают это так. Какие еще качества определяют предпочтение алюминиевых изделий и материалов?

Основные свойства всех металлов

Большинство элементов периодической таблицы Менделеева составляют металлы. Они представляют собой класс элементов, отличающихся следующими свойствами: пластичностью, ковкостью, твердостью, электропроводностью, способностью образовывать сплавы и внешним видом.

Эти свойства могут быть сгруппированы как физические, химические или механические, и они могут быть расширены более подробно при рассмотрении конкретных составов сплавов и других факторов, таких как температура. Приведенные ниже диаграммы относятся к чистому алюминию.

Свойства материалов алюминия и алюминиевых сплавов

Алюминий представляет собой металлоподобный элемент, обладающий как металлическими, так и неметаллическими свойствами, относящийся к семейству бора и углерода. Хотя алюминий является одним из самых распространенных элементов на Земле, он должен быть получен из бокситовой руды и пройти производственный процесс, прежде чем он станет коммерчески чистым и жизнеспособным алюминием.

Затем алюминий классифицируется в соответствии с легирующими элементами в пронумерованном 4-значном ряду от 1xxx до 8xxx.

Обычно добавляются такие элементы, как медь, магний, марганец, кремний и цинк. При этом существуют сотни составов сплавов.

Эти особые составы сплавов влияют на внешний вид и технологичность. Добавление элементов улучшает прочность, обрабатываемость, коррозионную стойкость, электропроводность и плотность по сравнению с чистым алюминием.

Физические свойства

Физические свойства алюминия относятся к наблюдаемой форме и структуре до каких-либо химических изменений.

Физические свойства алюминия
Цвет и состояние	Твердый, немагнитный, неблестящий, серебристо-белый с легким голубоватым оттенком.
Структура	Алюминий имеет гранецентрированную кубическую структуру, стабильную до точки плавления.
Поверхность	Алюминиевые поверхности могут сильно отражать свет.
Твердость	Коммерчески чистый алюминий мягкий. Он упрочняется при легировании и отпуске.
Пластичность	Высокая пластичность. Алюминий можно бить очень тонко.
Пластичность	Высокая пластичность. Алюминий очень хорошо поддается формованию или изгибу.
Тепловое расширение	имеет коэффициент теплового расширения 23,2. Это что-то среднее между цинком, который расширяется больше, и сталью, которая расширяется вдвое меньше, чем алюминий.
Проводимость	Хороший электрический и тепловой проводник.
Коррозия	устойчив к коррозии благодаря самозащитному оксидному слою.
Плотность	Алюминий имеет низкую плотность, измеренную под действием силы тяжести по сравнению с водой, 2,70. Сравните это с плотностью железа/стали, которая имеет плотность 7,87
Точка плавления и точка кипения	Коммерчески чистый алюминий имеет температуру плавления приблизительно 1220°F и точку кипения приблизительно 4478°F. Они меняются после легирования алюминия.

Основные сведения о физических свойствах алюминия

Физические свойства алюминия помогают понять его применение. Глядя на приведенную выше диаграмму, мы видим, что алюминий демонстрирует хорошее сочетание прочности, коррозионной стойкости и пластичности. Это помогает объяснить, как алюминий может существовать в форме фольги и банок для напитков, а также труб и ирригационных трубок.

Полированный алюминий обладает хорошей отражательной способностью в широком диапазоне длин волн, что обуславливает его выбор для различных декоративных и функциональных целей, включая бытовую технику и лазеры.

Поскольку алюминий не является ферромагнитным, он подходит для электротехнической и электронной промышленности. Теплопроводность алюминиевых сплавов выгодна в теплообменниках, испарителях, электронагревательных приборах и посуде, а также в автомобильных ободах, головках цилиндров и радиаторах.

Его гранецентрированная кубическая структура способствует отличной формуемости. Алюминий также нетоксичен и часто используется в емкостях для пищевых продуктов и напитков. По данным Алюминиевой ассоциации, это также один из самых простых в переработке конструкционных материалов.

Химические свойства

Характеристика или поведение вещества при химическом изменении или реакции. Другими словами, атомы вещества должны быть разрушены, чтобы можно было наблюдать химические свойства. Наблюдения за этим разрушением на атомном уровне происходят во время реакции, а также после нее.

Химические свойства алюминия
Возникновение	Алюминий встречается в виде соединения, в основном содержащегося в бокситовой руде.
Окисление	Алюминий соединяется с кислородом с образованием оксида алюминия при воздействии влажного воздуха.
Пирофор	Когда алюминий находится в порошкообразной форме, он легко загорается при контакте с пламенем.
Способность формовать сплавы	Существуют сотни композиций алюминиевых сплавов. К легированным элементам относятся: железо, медь, марганец, кремний, магний и цинк.
Реакционная способность с водой	Алюминий быстро реагирует с горячей водой.
Реакционная способность со щелочами	Реагирует с гидроксидом натрия.
Реакционная способность с кислотой	Алюминий реагирует с горячими кислотами.

Основные сведения о химических свойствах алюминия

В некотором смысле химические свойства алюминия необычны по сравнению с другими металлами. Например, металлы редко реагируют как с основаниями, так и с кислотами. Это становится важным фактором, когда алюминий используется в качестве контейнера для жидкостей. Вы должны быть уверены, что алюминий не растворится. Вот почему банки для напитков имеют тонкий внутренний слой для предотвращения коррозии.

Другой причудливый факт об алюминии заключается в том, что помимо порошкообразной формы алюминий не является пирофорным. Это означает, что в порошкообразном состоянии алюминий легко воспламеняется и считается опасным, особенно во время обработки, когда часто встречаются мелкие частицы пыли.

То, что алюминий так легко соединяется с кислородом, напрямую влияет на методы сварки. Твердый оксидный слой, образующийся на поверхности алюминия, плавится при температуре, втрое превышающей температуру алюминия под ним. Поэтому перед сваркой требуется глубокая преднамеренная очистка поверхности, обычно с помощью ацетона, а переменный ток требуется на протяжении всего процесса сварки.

Механические свойства

Механические свойства отмечают взаимосвязь материала между напряжением и деформацией и измеряют степень эластичности в ответ на приложенную нагрузку.

Механические свойства алюминия
Эластичность при растяжении	имеет модуль Юнга 10000 ksi. Сравните это с медью при 17550 тысяч фунтов на квадратный дюйм или деревом при 1595 тысячах фунтов на квадратный дюйм.
Предельная прочность на растяжение	13 000 фунтов на квадратный дюйм
Предел текучести	5000 пси
Предел текучести подшипника	23100 пси
Удлинение при разрыве	15-28%
Прочность на сдвиг	9000 пси
Усталостная прочность	5000 пси

Выводы по механическим свойствам алюминия

Механические свойства существенно влияют на рабочие характеристики. Это особенно верно, если учесть, как различаются механические свойства алюминиевых сплавов.

Например, тенденция к удлинению для всех серий алюминиевых сплавов высока для сплавов более низких серий и низка для сплавов более высоких серий. Другими словами, при сравнении алюминиевых сплавов серии 1ххх со сплавами серии 7ххх сплавы серии 1ххх будут иметь значительно более высокую пластичность.

Это работает обратно пропорционально прочности на растяжение, твердости и чувствительности к удару, которые будут ниже среди сплавов более низких серий. Таким образом, в том же сравнении сплавы серии 1ххх продемонстрируют гораздо более низкую прочность на растяжение, твердость и чувствительность к удару, чем их аналоги серии 7ххх.

Повышенные температуры также разрушают алюминий даже до того, как он достигнет точки плавления. В результате большинство алюминиевых сплавов обычно не рекомендуется использовать в течение длительного времени при более высоких температурах. Однако некоторые сплавы были специально разработаны для обеспечения высокой термостойкости, например, серия 2xxx алюминий-медь.

Исключительная способность алюминия образовывать сплавы расширяет сферу его применения в различных отраслях и областях применения. Без этой важной возможности первоклассный алюминий был бы слишком мягким и податливым для применений, требующих большей прочности и долговечности.

Свяжитесь с нашей квалифицированной командой сейчас

Kloeckner Metals — поставщик полного ассортимента алюминия и сервисный центр. Kloeckner Metals объединяет национальное присутствие с новейшими технологиями производства и обработки и инновационными решениями для обслуживания клиентов.

Свяжитесь с нами сейчас

Алюминий — (Al) — Химические свойства, воздействие на здоровье и окружающую среду

Название алюминий происходит от древнего названия квасцов (калий сульфат алюминия), которое было квасцами (лат., что означает горькая соль). . Алюминий был первоначальным названием, данным элементу Хамфри Дэви, но другие называли его алюминием, и это название стало общепринятым в Европе. Однако в США предпочтительным названием был алюминий, и когда Американское химическое общество обсуждало этот вопрос в 1925, решил придерживаться алюминия.
Алюминий — мягкий и легкий металл. Он имеет тусклый серебристый вид из-за тонкого слоя окисления, который быстро образуется при контакте с воздухом. Алюминий нетоксичен (как металл), немагнитен и не искробезопасен.

Алюминий имеет только один встречающийся в природе изотоп, алюминий-27, который не является радиоактивным.

Области применения

Серебристый и пластичный представитель группы бедных металлов, алюминий встречается главным образом в виде руды бокситов и отличается своей устойчивостью к окислению (на самом деле алюминий почти всегда уже окислен, но его можно использовать в этой форма в отличие от большинства металлов), его прочность и легкий вес. Алюминий используется во многих отраслях промышленности для производства миллионов различных продуктов и очень важен для мировой экономики. Конструкционные компоненты, изготовленные из алюминия, жизненно важны для аэрокосмической промышленности и очень важны в других областях транспорта и строительства, где необходимы легкий вес, долговечность и прочность.
Использование алюминия превышает использование любого другого металла, кроме железа. Чистый алюминий легко образует сплавы со многими элементами, такими как медь, цинк, магний, марганец и кремний.
Почти все современные зеркала изготавливаются с использованием тонкого отражающего покрытия из алюминия на задней поверхности листа флоат-стекла. Зеркала телескопа также покрыты тонким слоем алюминия.
Другими областями применения являются линии электропередачи и упаковка (банки, фольга и т. д.).
Из-за его высокой проводимости и относительно низкой цены по сравнению с медью алюминий в значительной степени был внедрен в бытовую электропроводку в США в 19 веке.60-е годы. К сожалению, проблемы с функционированием были вызваны его большим коэффициентом теплового расширения и тенденцией к ползучести при постоянном постоянном давлении, что в конечном итоге привело к ослаблению соединения; гальваническая коррозия, увеличивающая электрическое сопротивление.
Самая последняя разработка в области алюминиевой технологии – производство алюминиевой пены путем добавления в расплавленный металл соединения (металлического гибрида), которое выделяет газообразный водород. Перед этим расплавленный алюминий должен загустеть, что достигается добавлением волокон из оксида алюминия или карбида кремния. В результате получается твердая пена, которая используется в транспортных туннелях и в космических челноках.

Алюминий в окружающей среде

Алюминий является распространенным элементом в земной коре: считается, что его содержание составляет от 7,5% до 8,1%. Алюминий очень редко встречается в свободном виде. Алюминий вносит большой вклад в свойства почвы, где он присутствует в основном в виде нерастворимого гидроксида алюминия.
Алюминий является химически активным металлом, и его трудно извлечь из руды, оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ). Алюминий является одним из самых трудных для очистки металлов на земле, причина в том, что алюминий очень быстро окисляется и что его оксид является чрезвычайно стабильным соединением, которое, в отличие от ржавчины на железе, не отслаивается. Сама причина, по которой алюминий используется во многих приложениях, заключается в том, почему его так сложно производить.
Несколько драгоценных камней сделаны из прозрачной кристаллической формы оксида алюминия, известной как корунд. Присутствие следов других металлов создает различные цвета: кобальт создает синие сапфиры, а хром — красные рубины. И то, и другое теперь легко и дешево производить искусственно. Топаз — это силикат алюминия, окрашенный в желтый цвет следами железа.
Восстановление этого металла из металлолома (через переработку) стало важным компонентом алюминиевой промышленности. Промышленное производство нового металла во всем мире составляет около 20 миллионов тонн в год, и такое же количество перерабатывается. Разведанные запасы руд составляют 6 млрд тонн.

Алюминий является одним из наиболее широко используемых металлов, а также одним из наиболее часто встречающихся соединений в земной коре. Из-за этих фактов алюминий широко известен как невинное соединение. Но все же, когда человек подвергается воздействию высоких концентраций, это может вызвать проблемы со здоровьем. Водорастворимая форма алюминия вызывает вредное воздействие, эти частицы называются ионами. Обычно они находятся в растворе алюминия в сочетании с другими ионами, например, в виде хлора алюминия.

Поглощение алюминия может происходить через пищу, через дыхание и при контакте с кожей. Длительное потребление значительных концентраций алюминия может привести к серьезным последствиям для здоровья, таким как:

— Поражение центральной нервной системы
— Деменция
— Потеря памяти
— Вялость
— Сильная дрожь

Алюминий представляет опасность в определенных рабочие среды, такие как шахты, где его можно найти в воде. У людей, работающих на заводах, где в производственных процессах применяется алюминий, могут возникнуть проблемы с легкими, когда они вдыхают алюминиевую пыль. Алюминий может вызвать проблемы у пациентов с почками, когда он попадает в организм во время почечного диализа.

Сообщалось, что вдыхание мелкодисперсного порошка алюминия и оксида алюминия вызывает легочный фиброз и повреждение легких. Этот эффект, известный как болезнь Шейвера, осложняется присутствием во вдыхаемом воздухе кремнезема и оксидов железа. Также может быть причастен к болезни Альцгеймера.

Воздействие алюминия привлекло наше внимание, в основном из-за проблем с окислением. Алюминий может накапливаться в растениях и вызывать проблемы со здоровьем у животных, потребляющих эти растения.

Наиболее высокие концентрации алюминия наблюдаются в подкисленных озерах. В этих озерах сокращается численность рыб и земноводных за счет реакций ионов алюминия с белками в жабрах рыб и зародышах лягушек.
Высокие концентрации алюминия оказывают воздействие не только на рыб, но и на птиц и других животных, потребляющих зараженную рыбу и насекомых, а также на животных, которые вдыхают алюминий через воздух. Последствия для птиц, потребляющих зараженную рыбу, заключаются в истончении яичной скорлупы и низкой массе тела при рождении. Последствиями для животных, которые вдыхают алюминий через воздух, могут быть проблемы с легкими, потеря веса и снижение активности.

Другим негативным воздействием алюминия на окружающую среду является то, что его ионы могут реагировать с фосфатами, в результате чего фосфаты становятся менее доступными для водных организмов.