Co to jest aluminium: formuła, reakcje, właściwości i zastosowania

Aluminium jest pierwiastkiem trzeciego okresu układu okresowego o liczbie atomowej 13. Pod względem częstości występowania jest to pierwiastek spośród metali, a trzeci z pierwiastków chemicznych skorupy ziemskiej (po zawartości tlenu i krzemu). Dowiemy się bardziej szczegółowo, czym jest aluminium i jakie ma właściwości.

Ogólna charakterystyka

Czym więc jest aluminium? Przede wszystkim jest to lekki metal paramagnetyczny o barwie biało-srebrnej, który jest bardzo plastyczny do obróbki (odlewanie, formowanie, obróbka skrawaniem itp.). Wzór chemiczny aluminium znany jest wszystkim ze szkolnego kursu chemii - Al. Ma wysoką przewodność elektryczną i cieplną, a także odporność na korozję. Ta ostatnia właściwość jest spowodowana zdolnością aluminium do szybkiego tworzenia powłok tlenkowych, które chronią jego powierzchnię.

Tło historyczne

Społeczność światowa dowiedziała się, czym jest aluminium, w 1825 roku, dzięki duńskiemu fizykowi, Hansowi Oerstedowi. Naukowiec przeprowadził interakcję amalgamatu potasu z chlorkiem glinu, a następnie ekstrahował rtęć. Pierwiastek chemiczny ma swoją nazwę od łacińskiego słowa alumen, które tłumaczone jest jako "ałun".

Zanim odkryto przemysłową metodę produkcji aluminium, ten metal był ceniony bardziej niż złoto. W 1889 roku, chcąc uhonorować wspaniały dar D.I. Mendeleev, Brytyjczycy wręczyli mu wagę ze złota i aluminium.

Pierwsze

Metal tworzy silne wiązanie z tlenem - tlenkiem glinu. W porównaniu do innych znanych metali, jego odzyskiwanie z rudy jest bardziej pracochłonne. Przyczyna tego leży w wysokiej reaktywności i wysokiej temperaturze topnienia aluminium, a dokładniej w jego rudach. Metoda bezpośredniej redukcji przez węgiel nie jest stosowana, ponieważ zdolność redukcyjna tego metalu jest wyższa niż węgla. Odzyskanie pośrednie jest możliwe. Obejmuje on wytwarzanie produktu pośredniego Al4C3, który rozkłada się w temperaturze około 2000 ° C z wytworzeniem glinu. Jak dotąd ta metoda jest w trakcie opracowywania, ale wiadomo już, że będzie wymagać mniej energii niż metoda Hall - Eru.

Technika Hali - Eru, która jest zdecydowanie najszerzej stosowana dzisiaj, została opracowana w 1886 r. Równolegle przez dwóch naukowców - Amerykanina Charlesa Halla i Francuza P. Erou. Jego istotą jest rozpuszczanie się Al ₂ O ₃ (tlenek glinu) w Na ₃ AlF ₆ (stopiony kriolit), a następnie elektroliza z wykorzystaniem elektrod anodowych (koks lub grafit). Ponieważ ta metoda jest bardzo kosztowna, była szeroko stosowana dopiero w XX wieku.

Produkcja jednej tony projektu aluminium zajmuje 1,92 tony tlenku glinu, 0,6 t elektrod, 0,065 tony kriolitu, 0,035 tony fluorku glinu i około 61 GJ energii elektrycznej.

Jeśli chodzi o laboratoryjną metodę produkcji aluminium, został on wynaleziony w 1827 roku przez Friedricha Wohlera. Istota metody polega na redukcji bezwodnego chlorku glinu za pomocą potasu metalicznego. Reakcja zachodzi po ogrzaniu, bez dostępu powietrza.

Miejsce w przyrodzie

Stężenie masowe tej substancji w skorupie ziemskiej szacuje się na 7,45-8,14%. Według tego wskaźnika aluminium plasuje się na pierwszym miejscu wśród metali, a trzecie na ogół wśród pierwiastków chemicznych.

W naturze, ze względu na chemiczną aktywność metalu, występuje głównie w postaci związków. Główne minerały aluminium: boksyt, korund, nefelina, tlenek glinu, alunit, skalenie, beryl, kaolinit i chrysoberyl. W otworach wulkanów, w których powstały określone warunki redukujące, znaleziono niewielkie ilości metalu rodzimego.

W naturalnych wodach glin jest reprezentowany w postaci nisko toksycznych związków, na przykład fluoru. Na wygląd kationu lub anionu wpływa głównie kwasowość ośrodka. W słodkiej wodzie stężenie roztworu glinu może wynosić od 0,001 do 10 mg / l, a w słonej wodzie około 0,01 mg / l.

W skład naturalnego aluminium zdominowany jest stabilny izotop ²⁷ Al i występują niewielkie ślady ²⁶ Al.

Właściwości fizyczne

Główne właściwości fizyczne materiału:

1. Gęstość - 2712 kg / m ³ .
2. Temperatura wrzenia - 2500 ° С.
3. Temperatura topnienia - 660 ° C.
4. Ciepło właściwe - 897 J / kg * K.
5. Twardość Brinella - od 24 do 32 kgf / mm².
6. Plastyczność czystego materiału - 50%.
7. Moduł Younga - 70 GPa.
8. Przewodność elektryczna - 37 * 10 ⁶ Cm / m.
9. Przewodność cieplna - 203,5 W / (m * K).

Aluminium może tworzyć stopy prawie z wszystkimi metalami. Duraluminium (stop z miedzią i magnezem) i silumin (stop z krzemem) są najczęściej stosowane.

Właściwości chemiczne

W normalnych warunkach metal ten jest pokryty cienką, ale bardzo trwałą powłoką tlenkową, co czyni ją odporną na działanie standardowych utleniaczy: wody, tlenu, a także kwasów azotowych i siarkowych. Jednak aluminium reaguje z kwas chlorowodorowy. Ze względu na te właściwości, metal nie jest podatny na korozję i jest bardzo popularny w przemyśle.

Po zniszczeniu folii aluminium może działać jako aktywny metal redukujący. Aby uniknąć tworzenia się powłoki, dodaje się do niej galu, cyny lub indu.

Rozważ podstawowe równania aluminium.

W przypadku prostych substancji metal ten tworzy następujące związki:

1. Z tlenkiem - tlenkiem. 4Al + 3O ₂ = 2Al ₂ O ₃ .
2. Z halogenami (z wyjątkiem fluoru) - chlorek, jodek i bromek. 2Al + 3Hal2 = 2AlHal3 (Hal = Cl, Br, I).
3. Z fluorem (po podgrzaniu) - fluorkiem. ₂ Al + 3F ₂ = ₂ Al3.
4. Z siarką (po podgrzaniu) - siarczkiem. ₂ Al + ₃ S = Al ₂ S ₃ .
5. Z azotem (po podgrzaniu) - azotek. ₂ Al + N ₂ = ₂ Al.
6. Z węglem (po podgrzaniu) - węglikiem. 4Al + 3C = Al ₄ C ₃ .

Siarczki i węgliki glinu może być w pełni zhydrolizowany.

Reakcje aluminium z substancjami złożonymi wyglądają tak:

1. Z wodą - po usunięciu folii ochronnej. 2Al + 6H20 = 2Al (OH) ₃ + 3H2.
2. Z alkaliami - tworzy gliniany. 2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na [Al (OH) ₄ ] + 3H2.
3. Z chlorowodorowym i rozcieńczonym kwasem siarkowym - rozpuszcza się w nich. 2Al + 6HCl = 2AlCl ₃ + 3H ₂ .
4. Z kwasowymi środkami utleniającymi, które tworzą rozpuszczalne sole - rozpuszcza się w nich po podgrzaniu. 8Al + 15H 2SO ₄ = 4Al2 (SO ₄ ) ₃ + 3H 2S + 12H2O.
5. Z tlenkami metali - przywraca z nich metale (aluminothermy). 8Al + 3Fe ₃ O ₄ = 4Al ₂ O ₃ + 9Fe.

Produkcja

Do końca XIX wieku aluminium nie było produkowane na skalę przemysłową. Henri St. Clair Deville, którego dzieło zostało sfinansowane przez Napoleona III (miał nadzieję na wykorzystanie materiału dla wojska), wynalazł pierwszą metodę przemysłowej produkcji metalu dopiero w 1854 roku. Istotą metody było wyparcie glinu z podwójnego chlorku sodowo-glinowego za pomocą metalicznego sodu. W 1855 roku wyprodukowano pierwszy wlewek o wadze około 7 kg. W ciągu następnych 36 lat ta metoda wytworzyła 200 ton aluminium. Dzieje się tak pomimo faktu, że już w 1856 roku ten sam naukowiec opracował nową metodę opartą na elektrolizie stopu powyższego chlorku.

W 1885 r. W mieście Gmelingham (Niemcy) zbudowano fabrykę do produkcji aluminium według technologii Nikolai Beketov. Ta metoda nie różniła się zbytnio od tego, co opracował Deville, ale była nieco prostsza. Oparty był na interakcji między kriolitem a magnezem. W ciągu pięciu lat działalności zakład wyprodukował 58 ton aluminium - ponad 25% światowej produkcji w latach 1854-1890.

Metoda Hall - Eru zapoczątkowała bardziej zaawansowaną technologicznie i nowoczesną produkcję metalu. Od tego czasu wraz z rozwojem elektrotechniki ewoluowały technologie produkcji aluminium. Znaczący wkład w rozwój tego kierunku uczynili także rosyjscy naukowcy: Bayer, Penyakov, Kuznetsov, Zhukovsky, Yakovkin i wielu innych.

W Rosji pierwsza fabryka aluminium została zbudowana w mieście Wołchow w 1932 roku. W 1939 r. Przemysł metalurgiczny ZSRR wyprodukował prawie 50 tysięcy ton tego metalu rocznie.

Druga wojna światowa stała się bodźcem do uwolnienia wielu materiałów, w tym aluminium. Tak więc do roku 1943 światowa produkcja wyniosła prawie 2 miliony ton. Co roku, nawet po zakończeniu wojny, liczba ta wzrosła. W 1980 r. Wyniosła ona 16 mln ton, w 1990 r. - 18 mln ton, w 2008 r. - około 40 mln ton, aw 2016 r. - prawie 60 mln ton.

Ocena krajów produkujących aluminium w dużych ilościach przedstawia się następująco:

1. Chiny
2. Rosja
3. Kanada
4. Stany Zjednoczone.
5. Australia

Światowa podaż boksytu jest prawie nieograniczona i niewspółmierna z dynamiką popytu. W przyszłości wiele linii do produkcji aluminium można przeorientować na produkcję np. Materiałów kompozytowych. Cena tego metalu na aukcji światowych giełd towarowych w ciągu ostatnich dziesięciu lat wahała się w granicach 1250-3300 dolarów za tonę.

Używanie

Aluminium jest szeroko stosowane jako materiał konstrukcyjny. Jego główne zalety to lekkość, odporność na korozję, podatność na przebicie, wysoka temperatura, zdrowie i nieszkodliwość. Ostatnie właściwości sprawiły, że materiał ten stał się bardzo popularny w produkcji przyborów kuchennych i folii przylepnej. Dzięki pierwszym trzem właściwościom aluminium stało się głównym surowcem dla przemysłu lotniczego i lotniczego. Główną wadą tego materiału konstrukcyjnego jest jego niska wytrzymałość. Do utwardzania jest zwykle stosowany w stopach z niewielką ilością miedzi i magnezu (duraluminium).

Aluminium jest 1,7 razy gorsze od miedzi w przewodnictwie elektrycznym, ale ze względu na fakt, że jej gęstość jest 3,3 razy mniejsza, uzyskanie połowy wytrzymałości jest w przybliżeniu równe. Ponadto aluminium jest około 4 razy tańsze niż miedź. Wynika to z powszechnego stosowania tego materiału w elektrotechnice (produkcja i ekranowanie przewodów) i mikroelektronice (osadzanie przewodów na powierzchni mikroukładów). Główną wadą aluminium jako materiału dla elektrotechniki jest tworzenie silnego filmu dielektrycznego na jego powierzchni. Komplikuje to lutowanie i powoduje nagrzewanie się spoin, co obniża jakość kontaktu i niezawodność izolacji. Aby wyrównać tę funkcję, użyj aluminiowych przewodów o dużym przekroju.

Ponadto aluminium stosuje się w takich kierunkach:

1. Biżuteria Oczywiście dotyczy to głównie czasów, gdy aluminium było bardzo drogie. Dziś jest używany w biżuterii, aw Japonii ten materiał zastępuje srebro w produkcji tradycyjnej biżuterii.
2. Sztućce. W tym kierunku wykorzystano aluminium w czasach Napoleona III, ale nawet teraz można znaleźć sztućce z niego wykonane w placówkach gastronomicznych.
3. Produkcja szkła. Fosforany, fluorek i tlenek glinu są stosowane w tym obszarze.
4. Przemysł spożywczy. Metal ten jest zarejestrowany jako dodatek do żywności E173.
5. Przemysł wojskowy. Ze względu na niski koszt i niską masę aluminium, jest on stosowany do produkcji pistoletów i automatów.
6. Technologia rakietowa. Aluminium i jego związki zostały użyte jako paliwo rakietowe w dwuskładnikowych paliwach rakietowych.
7. Energia. Aluminium służy jako drugi nośnik energii.

Aluminium stosuje się jako środek redukujący w następujących obszarach:

1. Jako składnik mieszanin do aluminothermy.
2. Jako reduktor rzadkich metali z ich tlenków i halogenków.
3. W pirotechnice.
4. Z ochroną anodową, jako obrońca.

Użyj stopów

Nie czyste aluminium, ale oparte na nim stopy są często wykorzystywane jako materiał konstrukcyjny.

Stopy aluminium-magnez . Charakteryzują się one kombinacją wysokiej plastyczności, zadowalającej wytrzymałości, odporności na korozję, dobrej spawalności i wysokiej odporności na drgania. Najczęściej w przemyśle stosuje się stopy, w których zawartość magnezu waha się w granicach 1-5%. Im wyższa stawka, tym bardziej niezawodny stop. Każdy procent daje dodatkowe 30 MPa do najwyższa siła.

Stopy zawierające wagowo do 3% magnezu są stabilne strukturalnie w normalnych i podwyższonych temperaturach, nawet w stanie utwardzonym. Wraz ze wzrostem zawartości magnezu stabilność maleje. Wraz ze wzrostem jego ilości do 6%, odporność na korozję stopu pogarsza się. Dlatego, aby jeszcze bardziej poprawić właściwości wytrzymałościowe, systemy aluminiowo-magnezowe są domieszkowane tytanem, manganem, chromem, wanadem lub krzemem. Wnikanie miedzi i żelaza w takie stopy jest niepożądane. Prowadzi to do zmniejszenia spawalności i odporności na korozję.

Stopy aluminium-mangan . Mają wysoką wytrzymałość, ciągliwość, przetwarzalność, odporność na korozję i spawalność. W systemach aluminiowo-manganowych głównym źródłem zanieczyszczeń są żelazo i krzem. Te pierwiastki zmniejszają rozpuszczalność manganu w aluminium. W celu uzyskania drobnoziarnistej struktury takie stopy są stopowane tytanem. Odpowiednia ilość manganu zapewnia stabilną strukturę twardego metalu w dowolnej temperaturze.

Aluminium-stopy miedzi . Zgodnie z jego właściwościami mechanicznymi w stanie umocnienia cieplnego, system ten może ominąć niskoemisyjne stale. Takie stopy są bardzo technologiczne. Ich jedyną wadą jest niska odporność na korozję. Problem ten rozwiązano poprzez zastosowanie powłok ochronnych.

Żelazo, magnez, mangan i krzem są stosowane jako dodatki stopowe. Magnez wpływa przede wszystkim na właściwości stopu, znacznie zwiększając granice wytrzymałości i wytrzymałości układu. Krzem zwiększa zdolność stopu do sztucznego starzenia, a żelazo z niklem - jego odporność na ciepło. Łączenie tych systemów po hartowaniu przyspiesza sztuczne starzenie, a także zwiększa ich odporność na korozję i wytrzymałość.

Stopy aluminium-cynk-mangan . Ceniony za wysoką wytrzymałość i łatwość produkcji. Wysokie twardnienie uzyskuje się dzięki dobrej rozpuszczalności składników w podwyższonych temperaturach, które znacznie zmniejszają się podczas chłodzenia. Główną i bardzo istotną wadą takich systemów jest ich niska odporność na korozję. Aby zwiększyć ten wskaźnik, stosuje się domieszkowanie miedzią. Również w latach 60. ubiegłego wieku stwierdzono, że obecność litu w układach aluminiowo-cynkowo-manganowych pozwala spowolnić proces naturalny i przyspieszyć sztuczne starzenie. Ponadto lit zmniejsza masę stopu i zwiększa jego moduł wytrzymałości.

Siluminas (stopy aluminiowo-krzemowe) są również wykorzystywane w przemyśle, z którego odlewane są obudowy wszelkiego rodzaju mechanizmów i stopów złożonych (dróg oddechowych).

Toksyczność

Odpowiadając na pytanie, czym jest aluminium, warto wspomnieć o toksyczności tego metalu. Pomimo szerokiej dystrybucji w przyrodzie, aluminium jest substancją martwą, to znaczy nie jest używane przez żywe istoty w metabolizmie. Sam metal ma niewielkie działanie toksyczne, ale wiele jego związków nieorganicznych, rozpuszczalnych w wodzie, może mieć szkodliwy wpływ na ciepłokrwiste przeżuwacze i ludzi. Dla osoby takie dawki związków metali (mg / kg masy ciała) mają działanie toksyczne:

1. Octan - 0,2-0,4.
2. Wodorotlenek - 3,7-7,3.
3. Alum - 2.9.

Po spożyciu wody związki glinu działają na układ nerwowy, co może prowadzić do poważnych zaburzeń. Pozytywne jest to, że nagromadzenie metalu w organizmie zapobiega mechanizmowi wydalania. Do 15 mg pierwiastka można wydalać z moczem na dzień. Zatem negatywny wpływ związków glinu może wpływać tylko na osoby cierpiące na upośledzenie czynności wydzielniczej nerki.