Свойства Al, его применение и история производства.
1.1. Свойства Al и его применение.
Алюминий (Al) – химический элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (порядковый номер 13, атомная масса 26,9815). В природе существует один стабильный изотоп - 27Al. Искусственно были получены еще 3 изотопа с массовыми числами 26, 28 и 29 и периодами полураспада 7, 138 и 402 соответственно.
Атом aлюминия имеет конфигурацию 1S22S22p63S23p1. На внешнем электронном слое атома aлюминия (оболочка М) находится три валентных электрона: два на 3S-орбите с потенциалами ионизации 1800 и 2300 кДж/моль и один на 3р-орбите с потенциалом 574,5 кДж/моль. Поэтому обычно проявленная валентность у aлюминия "+3", реже, при высоких температурах "+1" (в субсоединениях), редко "+2". Кристаллическая решетка aлюминия - гранецентрированный куб, а0=0,404 нм. Атомный радиус aлюминия - 0,143 нм, ионный - 0,057 нм. Температура плавления aлюминия высокой чистоты (99,996% Al) - 620,240С; температура кипения 25000С. Плотность твердого aлюминия при 20 0С -2,6996 г/см3; плотность жидкого при 10000С - 2,289 г/см3; удельное электросопротивление при 200С - 0,0265 мкОм×м; коэффициент расширения при 200С - 23×10-6 К-1; электрохимический эквивалент - 0,3354 г/А*ч. Стандартный электродный потенциал: -1,67В.
Алюминий - один из наиболее электроотрицательных элементов, однако на воздухе процесс окисления существенно замедляется, благодаря образованию тонкой пленки оксида. Высокая электропроводность aлюминия и его положение в ряду напряжений выше водорода исключает его получение электролизом водных растворов, и поэтому применяют технологии с обязательным получением оксида алюминия (Al2О3 - глинозема).
Теплота образования Al2О3 равна 1670 кДж/моль, что позволяет эффективно использовать алюминий для восстановления других металлов из оксидов (алюминотермия). Алюминий - металл, обладающий амфотерными свойствами, т.е. реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, со щелочами - алюминаты. Это существенно расширяет возможности извлечения алюминия по массе в земной коре 8,13% - третье после О2 и Si. Однако для получения оксида алюминия, необходимого полупродукта в технологии алюминия, используется ограниченный круг минералов и руд.
Уникальные сочетания свойств алюминия - малая плотность, высокая теплопроводность и электропроводность, механическая прочность и высокая пластичность обеспечили широкое применение как чистого металла, так и сплавов на его основе.
Чистый алюминий широко используется в пищевой промышленности (упаковочные материалы) и в электротехнической промышленности (кабели, провода, шинопроводы и т.д.)
Алюминиевые сплавы делятся на две большие группы - деформируемые (80% от общего объема) и литейные (20%). К деформируемым относятся несколько десятков сплавов, среди которых наиболее известен дюралюминий. Алюминий и большинство Алюминиевых сплавов относятся к весьма пластичным металлическим материалам. Из алюминиевых сплавов изготавливаются почти все известные в технике деформируемые полуфабрикаты: фольгу, лист, плиты, прутки, различные профили, трубы, головки и штамповки, проволоку. Заготовками во многих случаях служат слитки, полученные методом непрерывного литья. При производстве полуфабрикатов широко используются способы горячей и холодной обработки давлением.
Среди большого числа литейных сплавов самые распрастраненные - силумины (сплавы на основе системы Al-Si).
Широко применяются модифицированные силумины (т.е. с улучшенными механическими свойствами вследствие модифицирования малыми добавками) для литья ответственных деталей, когда требуется высокая прочность, хорошие литейные свойства.
Алюминиевые сплавы широко применяются в машиностроении, в первую очередь в авиа- и автомобилестроении, а так же в транспортном машиностроении. В последние годы существенно расширилось применение алюминиевых сплавов в промышленном и гражданском строительстве. В США, например, более четверти производимого Al идет на эти нужды.
В последние годы резко возрос интерес к новым материалам на основе Al. Среди них пеноалюминий [Al или алюминиевых сплавов, насыщенный H2 для образования ячеистого (пористого) строения] - уникальный материал с низкой плотностью (0.23-0.75), низкой теплопроводностью и электропроводностью, который режется ножом и паяется.
Большой интерес вызывают так же спеченные алюминиевые порошки (САП). Они могу содержать до 25% Al2O3, при этом прочность при температуре до 5000С.
Спеченные алюминиевые сплавы (САС) имеют коэффициент линейного расширения a=14¸15×10-6К-1 (у чистого Al a=23×10-6К-1), близкий к a для стали. Это позволяет использовать его вместе со сталью в различных механизмах и приборах.
Все более широкое применение находит алюминий и как эффективный раскислитель стали. В этих процессах используется высокое сродство алюминия к кислороду, позволяющее восстанавливать и переводить в шлак или в расплав, те или иные металлы.
То же свойство лежит и в основе алюминотермии - все более расширяющейся области применения Al. Она используется для восстановления трудно восстанавливаемых соединений таких металлов, как Cu, Ma, W, а в последние годы и для соединений таких металлов, как Ca, Sr, Ba и Li. Та алюминотермическая реакция положена и основу часто применяемой термитной сварки железных и стальных изделий.
И, наконец, среди менее емких, но не менее важных областей применения алюминия необходимо назвать новейшие области техники, в которых используется металл особой чистоты (ОЧ), а также производство товаров народного потребления.
В ядерной энергетике используется малая величина поперечного сечения захвата тепловых нейтронов у Al особой чистоты (нейтронопрозрачность). В радиоэлектронике используется полупроводниковые свойства Al и его соединений, что делает возможным создание на их основе элементов солнечных батарей. Производство товаров народного потребления в качестве основного металла так же потребляет Al технической чистоты и сплавы на его основе. Они идут на изготовление посуды, галантереи, бижутерии и т.д.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
