Алюминий — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья
Радиус нейтрального атома алюминия 0, 143 нм, радиус иона Al3+ 0, 057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5, 984, 18, 828, 28, 44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1, 5.
Простое вещество алюминий — мягкий легкий серебристо-белый металл.
Латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия KAl(SO4)2·12H2O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия со ртутью) хлорид алюминия AlClПри промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния и железа и других элементов. В результате такой переработки получают чистый
2Al2О3 = 4Al + 3О2.
Так как анодом при электролизе служит графит, то выделяющийся на аноде кислород реагирует с графитом и образуется углекислый газ СО 2.
При электролизе получают металл с содержанием алюминия около 99, 7%. В технике применяют и значительно более чистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99, 999% и более.
Алюминий — типичный металл, кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0, 40403 нм. Температура плавления чистого металла 660 °C, температура кипения около 2450 °C, плотность 2, 6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2, 5·10-5 К-1. Стандартный электродный потенциал Al3+/Al –1, 663В.
Химически алюминий — довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al2О3, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.
С остальными кислотами алюминий активно реагирует:
6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,
3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3H2.
Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:
Al2О3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4].
Затем протекают реакции:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2,
NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4],
или суммарно:
2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2,
и в результате образуются алюминаты: Na[Al(OH)4] — алюминат натрия (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)4] — алюминат калия (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие: Na[Al(OH) 4(Н2О)2] и К[Al(OH)4(Н2О)2].При нагревании алюминий реагирует с галогенами:
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3,
2Al + 3 Br2 = 2AlBr3.
Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:2Al + 3I2 = 2AlI3.
Взаимодействие алюминия с серой при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:
2Al + 3S = Al2S3,
который легко разлагается водой:
Al2S3 + 6Н2О = 2Al(ОН)3 + 3Н2S.
С водородом алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlНВ виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al2О3.
Высокая прочность связи в Al2О3 обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже
3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.
Амфотерному оксиду Al2О3 соответствует амфотерный гидроксид — аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl2O3·yH2O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH) 3.
В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:
Al2(SO4)3 + 6NaOH = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4,
или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3↓ + 6NaCl + 3CO2,
а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:
AlCl3 + 3NH3·H2O = Al(OH)3↓ + 3H2O + 3NH4Cl.
По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65, 5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.
Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов — дуралюмина (94% Al, 4% Cu, по 0, 5% Mg, Mn, Fe и Si), силумина (85-90% Al, 10-14% Si, 0, 1% Na) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди, магния, железа, никеля и др.
Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония — циркалой — широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.
Особо следует отметить окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемые электрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминий называют анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему виду напоминающему золото, изготовляют различную бижутерию.
При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу и она приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-таки нежелательно.
В организм человека алюминий ежедневно поступает с пищей (около 2-3 мг), но его биологическая роль не установлена. В среднем в организме человека (70 кг) в костях, мышцах содержится около 60 мг алюминия.
- Беляев А. И. История алюминия, в сб. Труды Института истории естествознания и техники, т. 20, М., 1959.
- Беляев А. И. Металлургия легких металлов. М., 1970.
- Беляев А. И. Металлургия легких металлов. М., 1970.
- Промышленные алюминиевые сплавы. М., 1984.
megabook.ru
алюминий — это… Что такое алюминий?
АЛЮМИ́НИЙ -я; м. [от лат. alumen (aluminis) — квасцы]. Химический элемент (Al), серебристо-белый лёгкий ковкий металл с высокой электропроводностью (применяемый в авиации, электротехнике, строительстве, быту и т.п.). Сульфат алюминия. Сплавы алюминия.
АЛЮМИ́НИЙ (лат. Aluminium), Al (читается «алюминий»), химический элемент с атомным номером 13, атомная масса 26,98154. Природный алюминий состоит из одного нуклида 27Al. Расположен в третьем периоде в группе IIIA периодической системы элементов Менделеева. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).Радиус нейтрального атома алюминия 0,143 нм, радиус иона Al3+ 0,057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5,984, 18,828, 28,44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1,5.
Простое вещество алюминий — мягкий легкий серебристо-белый металл.
История открытия
Латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (см. КВАСЦЫ) (сульфат алюминия и калия KAl(SO4)2·12H2O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия (см. АЛЮМИНИЯ ОКСИД)) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф (см. МАРГГРАФ Андреас Сигизмунд). Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед (см. ЭРСТЕД Ханс Кристиан). Он обработал амальгамой калия (сплавом калия со ртутью) хлорид алюминия AlCl3, который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути выделил серый порошок алюминия.
Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль (см. СЕНТ-КЛЕР ДЕВИЛЬ Анри Этьен) в 1854 предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (см. НАТРИЙ), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.
Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру (см. ЭРУ Поль Луи Туссен) (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20 веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.
Нахождение в природе
По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода и кремния), на его долю приходится около 8,8% массы земной коры. Алюминий входит в состав огромного числа минералов, главным образом, алюмосиликатов (см. АЛЮМОСИЛИКАТЫ), и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты (см. ГРАНИТ), базальты (см. БАЗАЛЬТ), глины (см. ГЛИНА), полевые шпаты (см. ПОЛЕВЫЕ ШПАТЫ) и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов (см. БОКСИТЫ) — главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты (см. АЛУНИТ) и нефелины (см. НЕФЕЛИН).
В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, — некоторые плауны, моллюски.
Промышленное получение
При промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния и железа и других элементов. В результате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al2O3 — основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al2O3 очень высока (более 2000 °C), использовать его расплав для электролиза не удается.
Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит (см. КРИОЛИТ) Na3AlF6 (температура расплава немного ниже 1000 °C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al2О3 (до 10 % по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:
2Al2О3 = 4Al + 3О2.
Так как анодом при электролизе служит графит, то выделяющийся на аноде кислород реагирует с графитом и образуется углекислый газ СО2.
При электролизе получают металл с содержанием алюминия около 99,7%. В технике применяют и значительно более чистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99,999% и более.
Физические и химические свойства
Алюминий — типичный металл, кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавления чистого металла 660 °C, температура кипения около 2450 °C, плотность 2,6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2,5·10-5 К-1. Стандартный электродный потенциал Al3+/Al –1,663В.
Химически алюминий — довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al2О3, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.
С остальными кислотами алюминий активно реагирует:
6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,
3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3H2.
Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:
Al2О3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4].
Затем протекают реакции:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2,
NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4],
или суммарно:
2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2,
и в результате образуются алюминаты (см. АЛЮМИНАТЫ): Na[Al(OH)4] — алюминат натрия (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)4] — алюминат калия (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число (см. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО) 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие: Na[Al(OH)4(Н2О)2] и К[Al(OH)4(Н2О)2].
При нагревании алюминий реагирует с галогенами:
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3,
2Al + 3 Br2 = 2AlBr3.
Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода (см. ИОД) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:
2Al + 3I2 = 2AlI3.
Взаимодействие алюминия с серой при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:
2Al + 3S = Al2S3,
который легко разлагается водой:
Al2S3 + 6Н2О = 2Al(ОН)3 + 3Н2S.
С водородом алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений (см. АЛЮМИНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ), можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН3)х — сильнейший восстановитель.
В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al2О3.
Высокая прочность связи в Al2О3 обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже
3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.
Такой способ получения металлов называют алюминотермией (см. АЛЮМИНОТЕРМИЯ).
Амфотерному оксиду Al2О3 соответствует амфотерный гидроксид — аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl2O3·yH2O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH)3.
В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:
Al2(SO4)3 + 6NaOH = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4,
или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3Ї + 6NaCl + 3CO2,
а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:
AlCl3 + 3NH3·H2O = Al(OH)3Ї + 3H2O + 3NH4Cl.
Применение
По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.
Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов — дуралюмина (см. ДУРАЛЮМИН) (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумина (85—90% Al, 10—14% Si, 0,1% Na) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди, магния, железа, никеля и др.
Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония — циркалой — широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.
Особо следует отметить окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемые электрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминий называют анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему виду напоминающему золото, изготовляют различную бижутерию.
При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу и она приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-таки нежелательно.
Алюминий в организме
В организм человека алюминий ежедневно поступает с пищей (около 2—3 мг), но его биологическая роль не установлена. В среднем в организме человека (70 кг) в костях, мышцах содержится около 60 мг алюминия.
dic.academic.ru
Химия алюминия | CHEMEGE.RU
1. Положение алюминия в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение алюминия
3. Физические свойства
4. Нахождение в природе
5. Способы получения
6. Качественные реакции
7. Химические свойства
7.1. Взаимодействие с простыми веществами
7.1.1. Взаимодействие с галогенами
7.1.2. Взаимодействие с серой и фосфором
7.1.3. Взаимодействие с водородом
7.1.4. Взаимодействие с азотом
7.1.5. Взаимодействие с углеродом
7.1.6. Горение
7.2. Взаимодействие со сложными веществами
7.2.1. Взаимодействие с водой
7.2.2. Взаимодействие с минеральными кислотами
7.2.3. Взаимодействие с серной кислотой
7.2.4. Взаимодействие с азотной кислотой
7.2.5. Взаимодействие с щелочами
7.2.6. Взаимодействие с окислителями
Оксид алюминия
1. Способы получения
2. Химические свойства
2.1. Взаимодействие с основными оксидами
2.2. Взаимодействие с основаниями
2.3. Взаимодействие с водой
2.4. Взаимодействие с кислотными оксидами
2.5. Взаимодействие с кислотами
2.6. Взаимодействие с восстановителями
2.7. Вытеснение более летучих оксидов из солей
Гидроксид алюминия
1. Способы получения
2. Химические свойства
2.1. Взаимодействие с кислотами
2.2. Взаимодействие с кислотными оксидами
2.3. Взаимодействие с щелочами
2.4. Разложение при нагревании
Соли алюминия
Бинарные соединения алюминия
Алюминий
Положение в периодической системе химических элементов
Алюминий расположены в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение алюминия и свойства
Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии:
+13Al 1s22s22p63s23p1 1s 2s 2p 3s 3p
Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии:
+13Al* 1s22s22p63s13p2 1s 2s 2p 3s 3p
Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.
Физические свойства
Алюминий – лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.
Температура плавления 660оС, температура кипения 1450оС, плотность алюминия 2,7 г/см3.
Нахождение в природе
Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре — около 8%.
В природе алюминий встречается в виде соединений:
Бокситы Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3) — гидрат оксида алюминия
Корунд Al2O3. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.
Способы получения
Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Поэтому традиционные способы получения алюминия восстановлением из оксида протекают требуют больших затрат энергии. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла-Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите (при температуре 960-970оС) Na3AlF6, а затем подвергуют электролизу с углеродными электродами. При растворении в расплаве криолита оксид алюминия распадается на ионы:
Al2O3 → Al3+ + AlO33-
На катоде происходит восстановление ионов алюминия:
К: Al3+ +3e → Al0
На аноде происходит окисление алюминат-ионов:
А: 4AlO33- — 12e → 2Al2O3 + 3O2
Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:
2Al2O3 → 4Al + 3O2
Лабораторный способ получения алюминия заключается в восстановлении алюминия из безводного хлорида алюминия металлическим калием:
AlCl3 + 3K → 4Al + 3KCl
Качественные реакции
Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами. При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.
Например, хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:
AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl
При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]
Обратите внимание, если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:
AlCl3 + 4NaOH = Na[Al(OH)4]
Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также выпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.
AlCl3 + 3NH3 · H2O = Al(OH)3 ↓ + 3 NH4Cl
Al3+ + 3NH3 · H2O = Al(OH)3 ↓ + 3 NH4+
Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.
Химические свойства
1. Алюминий – сильный восстановитель. Поэтому он реагирует со многими неметаллами.
1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:
2Al + 3I2 → 2AlI3
1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:
2Al + 3S → Al2S3
1.3. Алюминий реагируют с фосфором . При этом образуются бинарные соединения — фосфиды:
Al + P → AlP
Алюминий не реагирует с водородом.
1.4. С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000оС с образованием нитрида:
2Al +N2 → 2AlN
1.5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:
4Al + 3C → Al4C3
1.6. Алюминий взаимодействует с кислородом с образованием оксида:
4Al + 3O2 → 2Al2O3
Видеоопыт взаимодействия алюминия с кислородом воздуха (горение алюминия на воздухе) можно посмотреть здесь.
2. Алюминий взаимодействует со сложными веществами:
2.1. Реагирует ли алюминий с водой? Ответ на этот вопрос вы без труда найдете, если покопаетесь немного в своей памяти. Наверняка хотя бы раз в жизни вы встречались с алюминиевыми кастрюлями или алюминиевыми столовыми приборами. Такой вопрос я любил задавать студентам на экзаменах. Что самое удивительное, ответы я получал разные — у кого-то алюминий таки реагировал с водой. И очень, очень многие сдавались после вопроса: «Может быть, алюминий реагирует с водой при нагревании?» При нагревании алюминий реагировал с водой уже у половины респондентов))
Тем не менее, несложно понять, что алюминий все-таки с водой в обычных условиях (да и при нагревании) не взаимодействует. И мы уже упоминали, почему: из-за образования оксидной пленки. А вот если алюминий очистить от оксидной пленки (например, амальгамировать), то он будет взаимодействовать с водой очень активно с образованием гидроксида алюминия и водорода:
2Al0 + 6H2+O → 2Al+3(OH)3 + 3H20
Амальгаму алюминия можно получить, выдержав кусочки алюминия в растворе хлорида ртути (II):
3HgCl2 + 2Al → 2AlCl3 + 3Hg
Видеоопыт взаимодействия амальгамы алюминия с водой можно посмотреть здесь.
2.2. Алюминий взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой) со взрывом. При этом образуются соль и водород.
Например, алюминий бурно реагирует с соляной кислотой:
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑
2.3. При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:
2Al + 6H2SO4(конц.) → Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
2.4. Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.
С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:
10Na + 12HNO3 (разб) → N2 +10NaNO3 + 6H2O
При взаимодействии алюминия с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:
8Al + 14HNO3(оч.разб.) → 8NaNO3 + 3NH4NO3 + 7H2O
2.5. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами. При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ↑
Видеоопыт взаимодействия алюминия со щелочью и водой можно посмотреть здесь.
Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:
2Al + 6NaOH → 2Na3AlO3 + 3H2 ↑
Эту же реакцию можно записать в другом виде:
2Al + 6NaOH → NaAlO2 + 3H2↑ + Na2O
2.6. Алюминий восстанавливает менее активные металлы из оксидов. Процесс восстановления металлов из оксидов называется алюмотермия.
Например, алюминий вытесняет медь из оксида меди (II). Реакция очень экзотермическая:
2Al + 3CuO → 3Cu + Al2O3
Еще пример: алюминий восстанавливает железо из железной окалины, оксида железа (II, III):
8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe
Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):
2Al + 3Na2O2 → 2NaAlO2 + 2Na2O
8Al + 3KNO3 + 5KOH + 18H2O → 8K[Al(OH)4] + 3NH3
10Al + 6KMnO4 + 24H2SO4 → 5Al2(SO4)3 + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 24H2O
2Al + NaNO2 + NaOH + 5H2O → 2Na[Al(OH)4] + NH3
Al + 3KMnO4 + 4KOH → 3K2MnO4 + K[Al(OH)4]
4Al + K2Cr2O7 → 2Cr + 2KAlO2 + Al2O3
Оксид алюминия
Способы получения
Оксид алюминия можно получить различными методами:
1. Горением алюминия на воздухе:
4Al + 3O2 → 2Al2O3
2. Разложением гидроксида алюминия при нагревании:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
3. Оксид алюминия можно получить разложением нитрата алюминия:
4Al(NO3)3 → 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2
Химические свойства
Оксид алюминия — типичный амфотерный оксид. Взаимодействует с кислотными и основными оксидами, кислотами, щелочами.
1. При взаимодествии оксида алюминия с основными оксидами образуются соли-алюминаты.
Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом натрия:
Na2O + Al2O3 → 2NaAlO2
2. Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли. При этом оксид алюминия проявляет кислотные свойства.
Например, оксид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия в расплаве с образованием алюмината натрия и воды:
2NaOH + Al2O3 → 2NaAlO2 + H2O
Оксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]
3. Оксид алюминия не взаимодействует с водой.
4. Оксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами (сильных кислот). При этом образуются соли алюминия. При этом оксид алюминия проявляет основные свойства.
Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:
Al2O3 + 3SO3 → Al2(SO4)3
5. Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием средних и кислых солей.
Например, оксид алюминия реагирует с серной кислотой:
Al2O3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2O
6. Оксид алюминия проявляет слабые окислительные свойства.
Например, оксид алюминия реагирует с гидридом кальция с образованием алюминия, водорода и оксида кальция:
Al2O3 + 3CaH2 → 3CaO + 2Al + 3H2
Электрический ток восстанавливает алюминий из оксида (производство алюминия):
2Al2O3 → 4Al + 3O2
7. Оксид алюминия — твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.
Например, из карбоната натрия:
Al2O3 + Na2CO3 → 2NaAlO2 + CO2
Гидроксид алюминия
Способы получения
1. Гидроксид алюминия можно получить действием раствора аммиака на соли алюминия.
Например, хлорид алюминия реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида алюминия и хлорида аммония:
AlCl3 + 3NH3 + 3H2O = Al(OH)3 + 3NH4Cl
2. Пропусканием углекислого газа, сернистого газа или сероводорода через раствор тетрагидроксоалюмината натрия:
2Na[Al(OH)4]+ СО2 = 2Al(OH)3 + NaНCO3 + H2O
Чтобы понять, как протекает эта реакция, можно использовать несложный прием: мысленно разбить сложное вещество Na[Al(OH)4] на составные части: NaOH и Al(OH)3. Далее мы определяем, как реагирует углекислый газ с каждым из этих веществ, и записываем продукты их взаимодействия. Т.к. Al(OH)3 не реагирует с СО2, то мы записываем справа Al(OH)3 без изменения.
3. Гидроксид алюминия можно получить действием недостатка щелочи на избыток соли алюминия.
Например, хлорид алюминия реагирует с недостатком гидроксида калия с образованием гидроксида алюминия и хлорида калия:
AlCl3 + 3KOH(недост) = Al(OH)3↓+ 3KCl
4. Также гидроксид алюминия образуется при взаимодействии растворимых солей алюминия с растворимыми карбонатами, сульфитами и сульфидами. Сульфиды, карбонаты и сульфиты алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.
Например: бромид алюминия реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:
2AlBr3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3↓ + CO2↑ + 6NaBr
Хлорид алюминия реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида алюминия, сероводорода и хлорида натрия:
2AlCl3 + 3Na2S + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S↑ + 6NaCl
Химические свойства
1. Гидроксид алюминия реагирует с растворимыми кислотами. При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов и типа соли.
Например, гидроксид алюминия взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата алюминия:
Al(OH)3 + 3HNO3 → Al(NO3)3 + 3H2O
Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O
2Al(OH)3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6H2O
Al(OH)3 + 3HBr → AlBr3 + 3H2O
2. Гидроксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот.
Например, гидроксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:
2Al(OH)3 + 3SO3 → Al2(SO4)3 + 3H2O
3. Гидроксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли. При этом гидроксид алюминия проявляет кислотные свойства.
Например, гидроксид алюминия взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием алюмината калия и воды:
2KOH + Al(OH)3 → 2KAlO2 + 2H2O
Гидроксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:
Al(OH)3 + KOH → K[Al(OH)4]
4. Гидроксид алюминия разлагается при нагревании:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
Видеоопыт взаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой и щелочами (амфотерные свойства гидроксида алюминия) можно посмотреть здесь.
Соли алюминия
Нитрат и сульфат алюминия
Нитрат алюминия при нагревании разлагается на оксид алюминия, оксид азота (IV) и кислород:
4Al(NO3)3 → 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2
Сульфат алюминия при сильном нагревании разлагается аналогично — на оксид алюминия, сернистый газ и кислород:
2Al2(SO4)3 → 2Al2O3 + 6SO2 + 3O2
Комплексные соли алюминия
Для описания свойств комплексных солей алюминия — гидроксоалюминатов, удобно использоваться следующий прием: мысленно разбейте тетрагидроксоалюминат на две отдельные молекулы — гидроксид алюминия и гидроксид щелочного металла.
Например, тетрагидроксоалюминат натрия разбиваем на гидроксид алюминия и гидроксид натрия:
Na[Al(OH)4] разбиваем на NaOH и Al(OH)3
Свойства всего комплекса можно определять, как свойства этих отдельных соединений.
Таким образом, гидроксокомплексы алюминия реагируют с кислотными оксидами.
Например, гидроксокомплекс разрушается под действием избытка углекислого газа. При этом с СО2 реагирует NaOH с образованием кислой соли (при избытке СО2), а амфотерный гидроксид алюминия не реагирует с углекислым газом, следовательно, просто выпадает в осадок:
Na[Al(OH)4] + CO2 → Al(OH)3↓ + NaHCO3
Аналогично тетрагидроксоалюминат калия реагирует с углекислым газом:
K[Al(OH)4] + CO2 → Al(OH)3 + KHCO3
По такому же принципу тетрагидроксоалюминаты реагирует с сернистым газом SO2:
Na[Al(OH)4] + SO2 → Al(OH)3↓ + NaHSO3
K[Al(OH)4] + SO2 → Al(OH)3 + KHSO3
А вот под действием избытка сильной кислоты осадок не выпадает, т.к. амфотерный гидроксид алюминия реагирует с сильными кислотами.
Например, с соляной кислотой:
Na[Al(OH)4] + 4HCl(избыток) → NaCl + AlCl3 + 4H2O
Правда, под действием небольшого количества (недостатка) сильной кислоты осадок все-таки выпадет, для растворения гидроксида алюминия кислоты не будет хватать:
Na[Al(OH)4] + НCl(недостаток) → Al(OH)3↓ + NaCl + H2O
Аналогично с недостатком азотной кислоты выпадает гидроксид алюминия:
Na[Al(OH)4] + HNO3(недостаток) → Al(OH)3↓ + NaNO3 + H2O
Комлекс разрушается при взамодействии с хлорной водой (водным раствором хлора) Cl2:
2Na[Al(OH)4] + Cl2 → 2Al(OH)3↓ + NaCl + NaClO
При этом хлор диспропорционирует.
Также комплекс может прореагировать с избытком хлорида алюминия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия:
AlCl3 + 3Na[Al(OH)4] → 4Al(OH)3↓ + 3NaCl
Если выпарить воду из раствора комплексной соли и нагреть образующееся вещество, то останется обычная соль-алюминат:
Na[Al(OH)4] → NaAlO2 + 2H2O↑
K[Al(OH)4] → KAlO2 + 2H2O
Гидролиз солей алюминия
Растворимые соли алюминия и сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:
I ступень: Al3+ + H2O = AlOH2+ + H+
II ступень: AlOH2+ + H2O = Al(OH)2+ + H+
III ступень: Al(OH)2+ + H2O = Al(OH)3 + H+
Однако сульфиды, сульфиты, карбонаты алюминия и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:
Al2(SO4)3 + 6NaHSO3 → 2Al(OH)3 + 6SO2 + 3Na2SO4
2AlBr3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + CO2↑ + 6NaBr
2Al(NO3)3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + 6NaNO3 + 3CO2↑
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + 6NaCl + 3CO2↑
Al2(SO4)3 + 3K2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + 3CO2↑ + 3K2SO4
2AlCl3 + 3Na2S + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2S↑ + 6NaCl
Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.
Алюминаты
Соли, в которых алюминий является кислотным остатком (алюминаты) — образуются из оксида алюминия при сплавлении с щелочами и основными оксидами:
Al2O3 + Na2O → 2NaAlO2
Для понимания свойств алюминатов их также очень удобно разбить на два отдельных вещества.
Например, алюминат натрия мы раделим мысленно на два вещества: оксид алюминия и оксид натрия.
NaAlO2 разбиваем на Na2O и Al2O3
Тогда нам станет очевидно, что алюминаты реагируют с кислотами с образованием солей алюминия:
KAlO2 + 4HCl → KCl + AlCl3 + 2H2O
NaAlO2 + 4HCl → AlCl3 + NaCl + 2H2O
NaAlO2 + 4HNO3 → Al(NO3)3 + NaNO3 + 2H2O
2NaAlO2 + 4H2SO4 → Al2(SO4)3 + Na2SO4 + 4H2O
Под действием избытка воды алюминаты переходят в комплесные соли:
KAlO2 + H2O = K[Al(OH)4]
NaAlO2 + 2H2O = Na[Al(OH)4]
Бинарные соединения
Сульфид алюминия под действием азотной кислоты окисляется до сульфата:
Al2 S3 + 8HNO3 → Al2(SO4)3 + 8NO2 + 4H2O
либо до серной кислоты (под действием горячей концентированной кислоты):
Al2 S3 + 30HNO3(конц. гор.) → 2Al(NO3)3 + 24NO2 + 3H2SO4 + 12H2O
Сульфид алюминия разлагается водой:
Al2S3 + 6H2O → 2Al(OH)3↓ + 3H2S↑
Карбид алюминия также разлагается водой при нагревании на гидроксид алюминия и метан:
Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4
Нитрид алюминия разлагается под действием минеральных кислот на соли алюминия и аммония:
AlN + 4HCl → AlCl3 + NH4Cl
Также нитрид алюминия разлагается под действием воды:
AlN + 3H2O → Al(OH)3↓ + NH3
Поделиться ссылкой:
chemege.ru
Что такое алюминий и где его применяют?
Ещё сто лет назад этот металл ценился буквально на вес золота и даже ещё дороже, а сегодня из него штампуют кухонную утварь и пивные банки.
Речь идёт, конечно, об алюминии, который постепенно по уровню использования в различных отраслях промышленности приближается к стали.
Алюминий – что это за металл?
Когда речь заходит об алюминии, первое, что приходит на ум – это необычайно малый вес металла. Действительно, его плотность составляет примерно 2,7 г/куб. см (для сравнения: плотность железа – 7,874 г/куб. см).
Кроме того, алюминий является самым распространённым из всех металлов и третьим по распространённости химическим элементом (первые два – кислород и кремний). На долю алюминия приходится около 8% массы земной коры.
Немного истории
Алюминий стал известен человечеству довольно поздно: лишь во второй половине XIX века немецкому химику Веллеру удалось выделить чистый металл из хлорида алюминия, разогрев его смесь с калием до высокой температуры. Но ещё очень долго приобрести хотя бы небольшой кусочек серебристого металла могли себе позволить лишь очень состоятельные люди и богатые музеи, так как цена килограмма алюминия превышала стоимость равного количества золота.
Достаточно вспомнить богатый подарок, который сделали британские ученые знаменитому создателю периодической таблицы Д.И. Менделееву. Они преподнесли великому русскому химику лабораторные весы, изготовленные из алюминия и золота.
Как получают алюминий?
Основной трудностью в получении алюминия из руды являлась необходимость нагревать её до очень высокой температуры, превышающей 1900 градусов Цельсия. Длительное время, вплоть до ХХ столетия, металл не представлял никакого интереса для промышленности, несмотря на все свои замечательные качества, так как промышленное производство оставалось невероятно дорогим и сложным. Лишь после того, как были введены в действие мощные промышленные электростанции, началась эра массового использования алюминия.
Метод электролиза, требующий значительного расхода электроэнергии, был практически одновременно предложен двумя изобретателями – французом П. Эру и американцем Ч. Холлом – ещё в 1886 году. С некоторыми изменениями он используется в алюминиевой промышленности и сегодня. Измельчённую руду растворяют в расплавленном криолите, после чего подвергают расплав электролизу при помощи графитовых или коксовых электродов.
Для получения одной тонны металла необходимо затратить примерно 15 МВт*ч электроэнергии. Много ли это? Примерно столько же электричества расходует многоэтажный стоквартирный дом за месяц. Поэтому алюминиевые комбинаты всегда располагают вблизи крупных электростанций, чаще всего возле ГЭС или АЭС.
Свойства алюминия
Достаточно высокая сложность производства алюминия с лихвой окупается его великолепными свойствами:
- лёгким весом, почти в три раза меньшим, чем у стали, благодаря чему снижается весовая нагрузка при изготовлении из него различных конструкций;
- превосходной пластичностью, позволяющей простой штамповкой формовать из листового металла изделия сложной формы;
- устойчивостью к коррозии благодаря тончайшей оксидной плёнке, защищающей его поверхность от окисления;
- великолепной электропроводностью, позволяющей изготавливать из него лёгкие и дешёвые провода;
- отличной ковкостью, лёгкостью обработки любыми способами, причём как в нагретом, так и в холодном состоянии;
- способностью образовывать сплавы со многими металлами;
- отсутствием намагничивания.
Детали и элементы различных механизмов, профилированная и штампованная продукция, многочисленная кухонная утварь и предметы быта, медицинские изделия, бытовая техника и многое другое изготавливается сегодня из алюминия. Впрочем, металл очень редко используется в чистом виде, так как его сплавы с другими металлами, как правило, обладают гораздо более ценными и нужными свойствами.
Даже небольшое количество другого металла существенно изменяет свойства алюминия. Сегодня он широко используется в строительстве, электронной промышленности, электротехнике, авиации, автомобилестроении, энергетике, пищепроме, машиностроении и в ряде других, не менее важных отраслей.
www.vseznaika.org
Алюминий, производство алюминия: технология, процесс и описание
Алюминий обладает массой свойств, которые делают его одним из самых используемых материалов в мире. Он широко распространен в природе, занимая среди металлов первое место. Казалось бы, и трудностей с его производством быть не должно. Но высокая химическая активность металла приводит к тому, что в чистом виде его не встретить, а производить – сложно, энергоемко и затратно.
Сырье для производства
Из какого сырья получают алюминий? Производство алюминия из всех минералов, его содержащих, дорого и нерентабельно. Добывают его из бокситов, которые содержат до 50% оксидов алюминия и залегают прямо на поверхности земли значительными массами.
Эти алюминиевые руды имеют достаточно сложный химический состав. Они содержат глиноземы в количестве 30-70% от общей массы, кремнеземы, которых может быть до 20%,окись железа в пределах от 2 до 50%, титан (до 10%).
Глиноземы, а это окись алюминия и есть, состоят из гидроокисей, корунда и каолинита.
В последнее время окиси алюминия стали получать из нефелинов, которые содержат еще и окиси натрия, калия, кремния, и алунитов.
Для производства 1 т чистого алюминия нужно около двух тонн глинозема, который, в свою очередь, получают из примерно 4,5 т боксита.
Месторождения бокситов
Запасы бокситов в мире ограничены. На всем земном шаре всего семь районов с его богатыми залежами. Это Гвинея в Африке, Бразилия, Венесуэла и Суринам в Южной Америке, Ямайка в Карибском регионе, Австралия, Индия, Китай, Греция и Турция в Средиземноморье и Россия.
В странах, где есть богатые месторождения бокситов, может быть развито и производство алюминия. Россия добывает бокситы на Урале, в Алтайском и Красноярском краях, в одном из районов Ленинградской области, нефелин — на Кольском полуострове.
Самые богатые месторождения принадлежат именно российской объединенной компании UC RUSAL. За ней идут гиганты Rio Tinto (Англия-Австралия), объединившийся с канадской Alcan и CVRD. На четвертом месте находится компания Chalco из Китая, затем американо-австралийская корпорация Alcoa, которые являются и крупными производителями алюминия.
Зарождение производства
Датский физик Эрстед выделил первым алюминий в свободном виде в 1825 году. Химическая реакция проходила с хлоридом алюминия и амальгамой калия, вместо которой спустя два года немецкий химик Велер использовал металлический калий.
Калий – материал достаточно дорогой, поэтому в промышленном производстве алюминия француз Сент-Клер Девиль вместо калия в 1854 году использовал натрий, элемент значительно более дешевый, и стойкий двойной хлорид алюминия и натрия.
Русский ученый Н. Н. Бекетов смог вытеснить алюминий из расплавленного криолита магнием. В конце восьмидесятых годов того же века эту химическую реакцию использовали немцы на первом алюминиевом заводе. Во второй половине XVIII века было получено около химическими способами 20 т чистого металла. Это был очень дорогой алюминий.
Производство алюминия с помощью электролиза зародилось в 1886 году, когда одновременно были поданы практически одинаковые патентные заявки основоположниками этого способа американским ученым Холлом и французом Эру. Они предложили растворять глинозем в расплавленном криолите, а затем электролизом получать алюминий.
С этого и началась алюминиевая промышленность, ставшая за более чем вековую историю одной из самых крупных отраслей металлургии.
Основные этапы технологии производства
В общих чертах технология производства алюминия не изменилась с момента создания.
Процесс состоит из трех стадий. На первой из алюминиевых руд, будь это бокситы или нефелины, получают глинозем – окись алюминия Al2O3 .
Затем из окиси выделяют промышленный алюминий со степенью очистки 99,5 % , которой для некоторых целей бывает недостаточно.
Поэтому на последней стадии рафинируют алюминий. Производство алюминия завершается его очисткой до 99,99 %.
Получение глинозема
Существует три способа получения окиси алюминия из руд:
— кислотный;
— электролитический;
— щелочной.
Последний способ — наиболее распространенный, разработанный еще в том же XVIII веке, но с тех пор неоднократно доработанный и существенно улучшенный, применяется для переработки бокситов высоких сортов. Так получают около 85 % глиноземов.
Сущность щелочного способа заключается в том, что алюминиевые растворы с большой скоростью разлагаются, когда в них вводится гидроокись алюминия. Оставшийся после реакции раствор выпаривается при высокой температуре около 170° С и опять используется для растворения глинозема;
Сначала боксит дробится и измельчается в мельницах с едкой щелочью и известью, затем в автоклавах при температурах до 250°С происходит его химическое разложение и образовывается алюминат натрия, который разбавляют щелочным раствором уже при более низкой температуре – всего 100° С. Алюминатный раствор промывается в специальных сгустителях, отделяется от шлама. Затем происходит его разложение. Через фильтры раствор перекачивают в емкости с мешалками для постоянного перемешивания состава, в который для затравки добавлена твердая гидроокись алюминия.
В гидроциклонах и вакуум-фильтрах выделяется гидроокись алюминия, часть которой возвращается в качестве затравочного материала, а часть идет на кальцинацию. Фильтрат, оставшийся после отделения гидроокиси, тоже возвращается в оборот для выщелачивания следующей партии бокситов.
Процесс кальцинации (обезвоживания) гидроокиси во вращающихся печах происходит при температурах до 1300° С.
Для получения двух тонн окиси алюминия расходуется 8,4 кВт*ч электроэнергии.
Прочное химическое соединение, температура плавления которого 2050° С, это еще не алюминий. Производство алюминия впереди.
Электролиз окиси алюминия
Основным оборудованием для электролиза является специальная ванна, футерованная углеродистыми блоками. К ней подводят электрический ток. В ванну погружаются угольные аноды, сгорающие при выделении из окиси чистого кислорода и образующие окись и двуокись улглерода. Ванны, или электрилизеры, как их называют специалисты, включаются в электрическую цепь последовательно, образуя серию. Сила тока при этом составляет 150 тысяч ампер.
Аноды могут быть двух типов: обожженные из больших угольных блоков, масса которых может быть больше тонны и самообжигающиеся, состоящие из угольных брикетов в алюминиевой оболочке, которые спекаются в процессе электролиза под действием высоких температур.
Рабочее напряжение на ванне обычно составляет около 5 вольт. Оно учитывает и напряжение, необходимое для разложения окиси, и неизбежные потери в разветвленной сети.
Из растворенной в расплаве на основе криолита окиси алюминия жидкий металл, который тяжелее солей электролита, оседает на угольном основании ванны. Его периодически откачивают.
Процесс производства алюминия требует больших затрат электроэнергии. Чтобы получить одну тонну алюминия из глинозема, нужно израсходовать около 13,5 тысяч кВт*ч электроэнергии постоянного тока. Поэтому еще одним условием создания крупных производственных центров является работающая рядом мощная электростанция.
Рафинация алюминия
Наиболее известный метод – это трехслойный электролиз. Он также проходит в электролизных ваннах с угольными подинами, футерованных магнезитом. Анодом в процессе служит сам расплавленный металл, который подвергается очистке. Он располагается в нижнем слое на токопроводящей подине. Чистый алюминий, который из электролита растворяется в анодном слое, понимается вверх и служит катодом. Ток к нему подводится с помощью графитового электрода.
Электролит в промежуточном слое – это фториды алюминия или чистые или с добавлением натрия и хлорида бария. Нагревается он до температуры 800°С.
Расход электроэнергии при трехслойном рафинировании составляет 20 кВт*ч на один кг металла, то есть на одну тонну нужно 20 тысяч кВт*ч. Вот почему, как ни одно производство металлов, алюминий требует наличия не просто источника электроэнергии, а крупной электростанции в непосредственной близости.
В рафинированном алюминии в очень малых количествах содержатся железо, кремний, медь, цинк, титан и магний.
После рафинирования алюминий перерабатывается в товарную продукцию. Это и слитки, и проволока, и лист, и чушки.
Продукты сегрегации, полученные в результате рафинирования, частично, в виде твердого осадка, используются для раскисления, а частично отходят в виде щелочного раствора.
Абсолютно чистый алюминий получают при последующей зонной плавке металла в инертном газе или вакууме. Примечательной его характеристикой является высокая электропроводность при криогенных температурах.
Переработка вторичного сырья
Четверть общей потребности в алюминии удовлетворяется вторичной переработкой сырья. Из продуктов вторичной переработке льется фасонное литье.
Предварительно отсортированное сырье переплавляется в пороговой печи. В ней остаются металлы, имеющие более высокую температуру плавления, чем алюминий, например, никель и железо. Из расплавленного алюминия продувкой хлором или азотом удаляются различные неметаллические включения.
Более легкоплавкие металлические примеси удаляются присадками магния, цинка или ртути и вакуумированием. Магний удаляется из расплава хлором.
Заданный литейный сплав получают, введя добавки, которые определяются составом расплавленного алюминия.
Центры производства алюминия
По объемам потребления алюминия КНР занимает первое место, оставляя далеко позади находящиеся на втором месте США и обладательницу третьего места Германию.
Китай – это и страна производства алюминия, с огромным отрывом лидирующая в этой области.
В десятку лучших, кроме КНР, входят Россия, Канада, ОАЭ, Индия, США, Австралия, Норвегия, Бразилия и Бахрейн.
В России монополистом в производстве глинозема и алюминия является объединенная компания RUSAL. Она производит до 4 млн т алюминия в год и экспортирует продукцию в семьдесят стран, а присутствует на пяти континентах в семнадцати странах.
Американской компании Alcoa в России принадлежат два металлургических завода.
Крупнейший производитель алюминия в Китае – компания Chalco. В отличие от зарубежных конкурентов, все ее активы сосредоточены в родной стране.
Подразделение Hydro Aluminium норвежской компании Norsk Hydro владеет алюминиевыми заводами в Норвегии, Германии, Словакии, Канаде, и Австралии.
Австралийская BHP Billiton владеет производством алюминия в Австралии, Южной Африке и Южной Америке.
В Бахрейне находится Alba (Aluminium Bahrain B. S. C.) – едва ли не самое крупное производство. Алюминий этого производителя занимает более 2 % общего объема «крылатого» металла, выпускаемого в мире.
Итак, подводя итоги, можно сказать, что главными производителями алюминия являются международные компании, владеющие запасами бокситов. А сам исключительно энергоемкий процесс состоит из получения глинозема из алюминиевых руд, производства фтористых солей, к которым относится криолит, углеродистой анодной массы и угольных анодных, катодных, футеровочных материалов, и собственно электролитического производства чистого металла, которое является главной составляющей металлургии алюминия.
fb.ru
Свойства алюминия – материала на все времена
Часто первые названия чего-либо – устройства, материала или изделия — наиболее точно и понятно отражают их сущность. А потом наступает период осмысления и приходит новое название, научное, в котором понятный “житейский” смысл уходит в небытие. Когда-то алюминий имел название глинозем, т.е. “глина земли”, а глина, как известно, первичная суть земли. Теперь так называют оксид алюминия. А на смену бытовавшему ранее названию “глинозем” пришло новое имя — “алюминиум” – красиво, загадочно и по-научному. Легенда о первом пришествии алюминия имеет печальный конец: мастеру, подарившему императору Тиберию удивительную чашу из доселе неизвестного металла, чтобы сохранить подарок в единственном экземпляре, на всякий случай, отрубили голову – нашел кому дарить. В те времена, в начале нашей эры, вопросы секретности решались кардинально, а благодарность за мастерство также была своеобразной. Как бы там ни было, но только через пятнадцать столетий Парацельс установил, что глинозем (квасцы), применяемый для закрепления красок в тканях и кожах, содержит окись неизвестного металла.
Чистый металл удалось получить только в 1825 г. Датский ученый Эрстед в качестве побочного эффекта своих исследований получил «кусок металла, похожий на олово», но продолжать работы не стал. Тем не менее, к середине XIX века алюминий — серебристый, легкий, простой в обработке металл — ценился больше золота. Свойства алюминия в первую очередь оценили ювелиры. На него была мода, а на выставке в Париже в 1855 году изделия из алюминия демонстрировались рядом с бриллиантами французской короны. Как известно, спрос приводит к росту предложений, поэтому технологии производства получили толчок к развитию. И к середине ХХ века алюминий стал обычным широко применяемым в технике материалом, а физические свойства алюминия были уже достаточно хорошо изучены.
Технологии промышленного производства алюминия
Основой производства алюминия является электролиз, а сырьем служит растворенный в расплаве криолита оксид алюминия Al2O3. Для электролиза применяют ванны, рабочая температура которых чуть меньше 1000°С. Жидкий алюминий собирается на дне ванны — это катод установки. Разливают его в формы и получают слитки или чушки — сырье для дальнейшей переработки.
Свойства алюминия изменяют в нужном ключе при помощи легирующих добавок. При этом добиваются повышения прочности, твердости, жаропрочности и т.д. с ориентацией на конкретное применение. Легирующие материалы для различных сплавов — медь, марганец, цинк, магний, а также (в небольших количествах) кремний, железо, никель и др. добавляют в расплав при окончательном изготовлении нужного вида готовой продукции.
Основные физические свойства алюминия
Любой материал характеризуется набором физико-химических свойств, которые и определяет его последующее использование. Свойства алюминия — пластичность, небольшой удельный вес, хорошая тепло- и электропроводность — известны всем.
С точки зрения применения в электротехнике безусловный интерес представляют магнитные свойства алюминия, по которым он относится к слабомагнитным веществам группы парамагнетиков. Этот класс материалов характерен тем, что его магнитное поле при действии внешнего поля совпадает с ним по направлению, и, хоть и очень незначительно, но усиливается.
Применение алюминия
Ценность материала определяет востребованность изделий из него. Алюминий востребован в первую очередь как конструкционный материал. Легкость обработки и коррозионная стойкость позволяют использовать изделия из алюминия в строительстве, машиностроении, для изготовления теплового, пищевого и других видов оборудования. Алюминий – это основной конструкционный материал авиации. Все более широкое применение находят алюминиевые сплавы в судостроении — корпуса судов, коммуникации, палубные надстройки, различное судовое оборудование. Широко применяются в промышленности и быту дюралюминий и силумин — некорродирующие сплавы алюминия с медью – до 7% или кремнием – до 14%.
Электропроводность алюминия незначительно уступает меди, но алюминий намного легче и дешевле, чем и обусловлено его широкое применение в электротехнике. При этом основные свойства алюминия для такого применения – малое электрическое сопротивление, вес и невысокая стоимость. Все чаще в электрооборудовании, где совсем недавно безраздельно господствовали исключительно медные проводники, применяют алюминиевые обмотки трансформаторов, катушек индуктивности, реакторов, “жилы” кабелей и др. Магистральные линии электропередач также во многом обязаны именно алюминию.
Нет сомнений, что этот удивительный металл еще не раскрыл всех своих возможностей – это предстоит сделать в будущем.
fb.ru
Как называется сплав алюминия с медью? Производство сплавов металлов на основе меди и алюминия
Одним из самых распространенных металлов на Земле считается алюминий. Его еще называют «летающим металлом». Несмотря на то, что в природе он не встречается в чистом виде, его можно найти во многих минералах. А самый распространенный сплав, который используется для производства множества деталей и конструкций, – это дюралюминий (дюраль).
Его изобрел немецкий ученый Альфред Вильм, который работал на заводе Dürener Metallwerke AG (город Дюрен). Он определил, что сплав алюминия с медью обладает намного более лучшими характеристиками, чем сам металл в чистом виде.
Группа высокопрочных сплавов
На самом деле дюралюминий – это целая группа сплавов, в которых основным компонентом является алюминий, а его легирующими элементами – медь, цинк, марганец, магний. Но в целом их характеристика определяется не только составом, но и способом термообработки. В 1903 году впервые было обнаружено, что в процессе старения сплав алюминия с медью становится еще более прочным и твердым.
Как выяснилось позже, это объясняется тем, что когда после закалки металл находится несколько дней при комнатной температуре, его перенасыщенный твердый раствор распадается, а это, в свою очередь, сопровождается упрочнением материала.
Процесс старения и возврат к предыдущему состоянию
Как уже было сказано ранее, старение металла – важный процесс, который обуславливается структурными превращениями, вызывающими изменения физических и механических свойств. Оно может быть естественным и искусственным. В первом случае сплав выдерживают несколько суток при комнатной температуре.
При искусственном старении время обработки сокращается, но при этом увеличивается температура. Для того чтобы вернуть сплав к предыдущему состоянию, его необходимо на несколько секунд нагреть до 270 градусов и затем быстро остудить.
Производство алюминия
Для того чтобы изготовить сплав алюминия с медью, необходимо высокотехнологичное оборудование и, конечно же, сам металл. Его добывают из бокситов. Это горная порода, которую необходимо измельчить, добавить в неё воду и обработать паром под большим давлением. Таким образом из глинозема отделяют кремний. Затем густую массу помещают в специальную ванну с расправленным криолитом. Содержимое нагревают до 950 °С и через него пропускают электрический ток в 400 кА.
Это позволяет разорвать связь между атомами кислорода и алюминия. В результате последний оседает на дно в качестве жидкого металла. Так из жидкого алюминия делают отливки. Теперь металл полностью готов к механической обработке. Однако для того чтобы повысить его прочность, необходимо в него добавить легирующие элементы и таким образом получить высококачественный сплав алюминия с медью.
Производство дюрали
В общей сложности все алюминиевые сплавы делятся на две группы: литейные и деформированные. Процесс их производства зависит именно от того, какой вид должен получиться в конечном итоге. Кроме того, способ изготовления также зависит и от требуемых характеристик.
Для производства дюраля алюминиевые слитки расплавляют в электрической печи. Интересно, что это один из немногих металлов, который можно переводить из твердого состояния в жидкое и наоборот множество раз. Это не повлияет на его характеристики. В расплавленный алюминий по очереди добавляют медь и другие легирующие элементы, такие как марганец, железо, магний. Очень важно соблюдать процентное соотношение: 93% алюминия, 5% меди, остальные 2% приходятся на другие легирующие элементы.
Закалка и отжиг дюраля
Обязательным для такого сплава является процесс закалки. Время выдержки для небольших деталей составляет всего несколько минут, а температура — около 500 °С. Сразу после процедуры дюраль получается мягким и вязким. Он легко поддается деформации и обработке. Спустя некоторое время сплав твердеет и его механические свойства повышаются. Если превысить порог температуры, происходит окисление и материал теряет свои характеристики. После закалки его необходимо медленно остудить в прохладной воде.
Итак, вы уже знаете, как называется сплав алюминия с медью. Он нередко поддается деформации: холодному прокату, вытяжке, ковке. При этом возникает так называемая нагартовка. Это процесс, в ходе которого в структуре металла происходит передвижение и размножение дислокаций. В итоге сам сплав меняет свою структуру, становится более твердым и прочным. При этом снижается его пластичность и ударная вязкость. Для того чтобы деформации проходили более легко и нагартовка не разрушала металл, используют отжиг. Для этого сплав нагревают до 350 °С и затем остужают на воздухе.
Диаграмма состояния сплава (алюминий и медь)
Для того чтобы наиболее четко описать взаимодействие компонентов дюраля в твердом и жидком состоянии, а также объяснить характер изменения свойств сплава, используют диаграмму состояний.
Из неё видно, что наибольшая растворимость Cu в сплаве с алюминием наблюдается при температуре 548 °С и при этом она составляет 5,7 %. При повышении температуры она будет увеличиваться, а при понижении – уменьшаться. Минимальная растворимость (0,5 %) будет наблюдаться при комнатной температуре. Если же дюраль закалить выше 400 °С, он станет твердым однородным раствором – α.
Во время данного процесса будет происходить распад твердого раствора. Очень необычно ведёт себя сплав алюминия и меди, формула которого — CuAl2. Процесс сопровождается выделением избыточной фазы А1. Такой распад протекает в течение длительного времени. Это и есть то естественное старение, о котором мы уже ранее упоминали.
Свойства сплава
Легирование металла теми или иными элементами позволяет повысить его характеристики. Вы запомнили, как называется сплав алюминия с медью? Какими же свойствами он обладает?
Сам по себе алюминий очень легкий, мягкий и совершенно непрочный. Он растворим в слабо концентрированных щелочах и кислотах. Добавив к алюминию медь и магний, можно получить уже достаточно прочный сплав. Его эксплуатационные параметры достаточно легко улучшить – просто нужно оставить его полежать при комнатной температуре. Так, эффект старения увеличивает прочность дюраля, о чём мы говорили выше.
Сам по себе алюминий достаточно легкий. Незначительный процент меди не утяжеляет сплав. Еще одна положительная характеристика – это возможность многократно переплавлять сплав. При этом он не будет терять своих свойств. Единственное, что необходимо, так это после отливки дать ему «отдохнуть» пару суток.
Недостатком дюралюминия является его низкая коррозионная стойкость. Поэтому чаще всего такой материал покрывают чистым слоем алюминия или же красят лаками и красками.
Алюминиевые сплавы и их применение
Впервые дюраль был использован для изготовления дирижаблей. Легкость и прочность этого материала позволила создать отличный летательный аппарат. Для этого применялась марка Д16т. В настоящее время сплавы с алюминием, цинком, медью и другими легирующими элементами широко используются в космонавтике, авиации и иных областях машиностроения.
Так, например, использование дюралюминия при изготовлении авто может значительно снизить его вес и стоимость, но при этом оно будет достаточно прочным.
В общем, можно отметить, что ассортимент данного сплава достаточно широк: трубы, проволоки, листы, ленты, прутки и литые детали разных форм. Одной из самых востребованных и распространенных марок по-прежнему считается Д16т. Маленькая буква «т» в конце маркировки означает, что сплав закаленный и естественно состарился. Он используется:
- В конструкциях космических аппаратов, морских судов и самолетов.
- Для изготовления различных деталей для станков и машин.
- Для изготовления уличных табличек, дорожных знаков.
Название сплава алюминия и меди должен знать каждый. Дюраль используется и в нефтяной промышленности. Так, специальные трубы, изготовленные из него, могут обеспечить эксплуатацию скважины в течение 6-7 лет.
Как называется сплав алюминия и меди, запомнить легко. Итак, мы рассказали, каким свойствами он обладает и где применяется. Он с легкостью может заменить стальной прокат, в особенности если необходимо сделать конструкцию маловесной.
fb.ru