Физические и химические свойства алюминия

«Новые» алюминиевые сплавы в США и Канаде

Электротехнические сплавы серии 8000

Еще в начале 1970-х годов в США и Канаде были разработаны несколько новых алюминиевых сплавов для изготовления алюминиевых проводов и кабелей. Стандарт ASTM B 800 включает 6 таких сплавов, часть из них были запатентованы. Все они имеют повышенное содержание железа, а также добавки некоторых других элементов. Основные различия химического состава, например, алюминиевого сплава 8030 и марки алюминия 1350 показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 – Сравнение химического состава
алюминиевого сплава 8030 и марки алюминия 1350

В настоящее время для изготовления алюминиевых кабелей и проводов применяются только два алюминиевых сплава – 8030 и 8176 (таблица 4) . Европейский стандарт EN 573-3 также включает в серию 8000 только эти два электротехнических алюминиевых сплава (таблица 5). Для удобства сравнения показана также таблица 6 с химическим составом сплавов 8030 и 8176 по ГОСТ Р 58019.

Таблица 4 – Сплавы 8030 и 8176 в ASTM B 800

Таблица 5 – Сплавы 8030 и 8176 в EN 573-3

Таблица 6 – Химический состав сплавов 8176 и 8030 по ГОСТ Р 58019-2017

«Американские» и «российские» сплавы 8030 и 8176

Отметим, что российские сплавы 8030 и 8176 существенно отличаются от своих американских и европейских аналогов (см. таблицы 4-6). На рисунках 7 и 8 показаны пределы содержания основных легирующих элементов в сплаве 8030 (железо-медь) и 8176 (железо-кремний) по ASTM B 800 и по ГОСТ Р 58019. Российские сплавы имеют значительно более низкое содержание легирующих элементов – железа, меди и кремния.

Рисунок 7 – Пределы содержания железа и меди в сплаве 8030
по ASTM B 800 и ГОСТ Р 58019

Рисунок 8 – Пределы содержания железа и кремния в сплаве 8176
по ASTM B 800 и ГОСТ Р 58019

Алюминиевые жилы в американском NEC

Согласно американскому Национальному электрическому кодексу (NEC) все алюминиевые жилы должны изготавливаться из электротехнических алюминиевых сплавов серии 8000:

• Цельные – размеры 12, 10 и 8 AWG
• Многожильные – от 8 AWG и более.

Алюминиевые жилы менее 12 AWG (3,31 мм2) в Кодексе не рассматриваются.

Справка:

American wire gauge (AWG) – это стандартизированная система размеров для диаметров круглых токопроводящих жил – от 40 до 0000(4/0). Чем больше число AWG, тем меньше физический размер жилы. Фрагмент таблицы AWG см. на рисунке 9.

Рисунок 9– Фрагмент таблицы AWG

Применение алюминиевых проводов в США и Канаде

В настоящее время в США и Канаде алюминиевые провода из сплавов 8030 и 8176 доступны на рынке только начиная с размера AWG 8 (8,37 мм2) . Это можно видеть также в каталогах и презентациях производителей алюминиевых проводов и кабелей, которые в 1970-х годах первыми начали применять сплавы 8030 и 8176 – Alcan Cable и Southwire . Для внутренней проводки нужны алюминиевые провода с размерами AWG 10 и AWG 12.

В презентации компании Alcan представлена наглядная схема стандартного применения алюминиевых проводов и кабелей для передачи электроэнергии от электростанций к жилым домам (рисунок 10) : везде, но не внутри самих домов!

Рисунок 10 – Применение алюминиевых проводов в США и Канаде

При строительстве новых жилых домов для разводки внутренней проводки, как правило, применяют медные провода – об этом прямо указано и на сайте американской Алюминиевой Ассоциации .

Вместе с тем, для подключения крупных бытовых потребителей электрической энергии – сушилок, кондиционеров, бойлеров, электроплит – обычно применяют именно алюминиевые кабели. Кроме того, во многих американских домах для подвода электрической энергии от общей электрической сети до распределительного щитка дома также применяют кабели с алюминиевыми жилами. В этих случаях применяют алюминиевые жилы 8 и 6 AWG (8,37 и 13,3 мм2) .

За последние 20 лет значительно возросло применение алюминиевых проводов в качестве «фидерных» (подводящих) электрических линий для высотных зданий, больниц, отелей, стадионов и, уже в последнее время, дата-центров .

Свойства сплавов металла

Показатель температурного градиента колеблется для соединений металла с другими химическими элементами, определяющими их свойства. Для литейных сплавов, содержащих магний и кремний, он составляет 500 °C.

Температура начала перехода в жидкое состояние называется точкой солидус (твердый), а окончание — ликвидус (жидкий). Соответственно начало кристаллизации будет определяться точкой ликвидус, а окончание — солидус. В температурном интервале соединение находится в переходном состоянии от жидкости к твердой фазе.

Например, соединению алюминия с 12,5% кремния, как и чистому металлу, свойственна точка плавления, а не интервал. Этот сплав относится к литейным и характеризуется постоянной температурой 577 °C.

При увеличении в сплаве количества кремния градиент ликвидус снижается от максимального показателя, свойственного чистому металлу. Среди лигатурных добавок температурный градиент снижает использование магния (450 °C). Для соединения с медью он составляет 548 °C, а с марганцем — всего 658 °C.

Алюминий образует различные сплавы с минералами.

Большинство соединений состоят из нескольких компонентов, что влияет на показатель затвердевания и плавления материала. Понятия температурных градиентов солидус и ликвидус определены для бесконечной длительности процессов равновесных переходов в жидкое и твердое состояние.

На практике учитываются поправки скорости нагревания и охлаждения составов.

Взаимодействие алюминия со сложными веществами

с водой

Как уже было сказано выше, стойкая и прочная оксидная пленка из Al₂O₃ не дает алюминию окисляться на воздухе. Эта же защитная оксидная пленка делает алюминий инертным и по отношению к воде. При снятии защитной оксидной пленки с поверхности такими методами, как обработка водными растворами щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование), алюминий начинает энергично реагировать с водой с образованием гидроксида алюминия и газообразного водорода:

с оксидами металлов

После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000оС. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:

2AI + Fe₂O₃ = 2Fe + Аl₂О₃

Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией.

с кислотами-неокислителями

Взаимодействие алюминия с кислотами-неокислителями, т.е. практически всеми кислотами, кроме концентрированной серной и азотной кислот, приводит к образованию соли алюминия соответствующей кислоты и газообразного водорода:

2Аl + 6Н+ = 2Аl3+ + 3H₂;

-концентрированной серной кислотой

Взаимодействие алюминия с концентрированной серной кислотой в обычных условиях, а также низких температурах не происходит вследствие эффекта, называемого пассивацией. При нагревании реакция возможна и приводит к образованию сульфата алюминия, воды и сероводорода, который образуется в результате восстановления серы, входящей в состав серной кислоты:

Такое глубокое восстановление серы со степени окисления +6 (в H₂SO₄) до степени окисления -2 (в H₂S) происходит благодаря очень высокой восстановительной способности алюминия.

— концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно параллельно протекают реакции:

— разбавленной азотной кислотой

Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N₂O и NH₄NO₃:

8Al + 30HNO_{3(оч. разб)} = 8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O

со щелочами

Алюминий реагирует как с водными растворами щелочей:

так и с чистыми щелочами при сплавлении:

В обоих случаях реакция начинается с растворения защитной пленки оксида алюминия:

Аl₂О₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

Аl₂О₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + Н₂О

В случае водного раствора алюминий, очищенный от защитной оксидной пленки, начинает реагировать с водой по уравнению:

Образующийся гидроксид алюминия, будучи амфотерным, реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием растворимого тетрагидроксоалюмината натрия:

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

Алюминий (Al)

Алюминий (квасцы) впервые был полуен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дорооже золота.

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре (массовая доля составляет 7-8%), и третьим по распространенности среди всех элементов после кислорода и кремния. В свободном виде в проироде алюминий не встречается.

Важнейшие природные соединения алюминия:

Рис. Строение атома алюминия.

Алюминий химически активный металл — на его внешнем электронном уровне находятся три электрона, которые участвуют в образовании ковалентных связей при взаимодействии алюминия с другими химическими элементами (см. Ковалентная связь). Алюминий — сильный восстановитель, во всех соединениях проявляет степень окисления +3.

При комнатной температуре алюминий вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной оксидной пленки, которая надежно препятствует процессу дальнейшего окисления (корродирования) металла, в результате чего химическая активность алюминия снижается.

Благодаря оксидной пленке алюминий не вступает в реакцию с азотной кислотой при комнатной температуре, поэтому, алюминиевая посуда является надежной тарой для хранения и трансопртирования азотной кислоты.

Физические свойства алюминия:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• прочный;
• легкий;
• пластичный (протягивается в тонкую проволоку и фольгу);
• обладает высокой электро- и теплопроводностью;
• температура плавления 660°C
• природный алюминий состоит из одного изотопа 27 ₁₃Al

Химические свойства алюминия:

• при снятии оксидной пленки алюминий реагирует с водой:2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂;
• при комнатной температуре вступает в реакции с бромом и хлором с образованием солей:2Al + 3Br₂ = 2AlCl₃;
• при высокой температуре алюминий реагирует с кислородом и серой (реакция сопровождается выделением большого кол-ва тепла): 4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ + Q;2Al + 3S = Al₂S₃ + Q;
• при t=800°C реагирует с азотом:2Al + N₂ = 2AlN;
• при t=2000°C реагирует с углеродом:2Al + 3C = Al₄C₃;
• восстанавливает многие металлы из их оксидов — алюмотермией (при t до 3000°C) получают промышленным способом вольфрам, ванадий, титан, кальций, хром, железо, марганец:8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe;
• с соляной и разбавленной серной кислотой реагирует с выделением водорода: 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂;2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂;
• с концентрированной серной кислотой реагирует при высокой температуре:2Al + 6H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O;
• со щелочами реагирует с выделением водорода и образованием комплексных солей — реакция идет в несколько этапов: при погружении алюминия в раствор щелочи происходит растворение прочной защитной оксидной пленки, которая находится на поверхности металла; после растворения пленки, алюминий, как активиный металл, реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия, который взаимодействует со щелочью, как амфотерный гидроксид:
  • Al₂O₃+2NaOH = 2NaAlO₂+H₂O — растворение оксидной пленки;
  • 2Al+6H₂O = 2Al(OH)₃+3H₂↑ — взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
  • NaOH+Al(OH)₃ = NaAlO₂+2H₂O — взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
  • 2Al+2NaOH+2H₂O = 2NaAlO₂+3H₂↑ — суммарное уравнение реакции алюминия со щелочью.

Оксид алюминия Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни – рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей – наждак, применяются как абразивные материалы.

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 взаимодействии 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

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 токвосстанавливает 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

Производство и рынок

Основная статья: Алюминиевая промышленность

 Производство алюминия в миллионах тонн

Достоверных сведений о получении алюминия до XIX века нет. Встречающееся иногда со ссылкой на «Естественную историю» Плиния утверждение, что алюминий был известен при императоре Тиберии, основано на неверном толковании источника.

В 1825 году датский физик Ганс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей плёнкой оксида алюминия.

До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился.

Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль (его исследования финансировал Наполеон III, рассчитывая, что алюминий пригодится его армии) изобрёл первый способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl₃. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6—8 кг. За 36 лет применения, с 1855 по 1890 год, способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 году он же получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия.

В 1885 году был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме, работающий по технологии, предложенной Николаем Бекетовым. Технология Бекетова мало чем отличалась от способа Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом (Na₃AlF₆) и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путём в период с 1854 по 1890 год.

Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции (1886 год) и основанный на получении алюминия электролизом глинозёма, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с улучшением электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозёма внесли русские учёные К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в городе Волхов. Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47,7 тыс. тонн алюминия, ещё 2,2 тыс. тонн импортировалось.

Вторая мировая война значительно стимулировала производство алюминия. Так, в 1939 году общемировое его производство, без учёта СССР, составляло 620 тыс. т, но уже к 1943 году выросло до 1,9 млн т.

К 1956 году в мире производилось 3,4 млн т первичного алюминия, в 1965 году — 5,4 млн т, в 1980 году — 16,1 млн т, в 1990 году — 18 млн т.

В 2007 году в мире было произведено 38 млн т первичного алюминия, а в 2008 — 39,7 млн т. Лидерами производства являлись:

1. КНР (в 2007 году произвёл 12,60 млн т, а в 2008 — 13,50 млн т)
2. Россия (3,96/4,20)
3. Канада (3,09/3,10)
4. США (2,55/2,64)
5. Австралия (1,96/1,96)
6. Бразилия (1,66/1,66)
7. Индия (1,22/1,30)
8. Норвегия (1,30/1,10)
9. ОАЭ (0,89/0,92)
10. Бахрейн (0,87/0,87)
11. ЮАР (0,90/0,85)
12. Исландия (0,40/0,79)
13. Германия (0,55/0,59)
14. Венесуэла (0,61/0,55)
15. Мозамбик (0,56/0,55)
16. Таджикистан (0,42/0,42)

В 2016 году было произведено 59 млн тонн алюминия

См. также: Список стран по выплавке алюминия

На мировом рынке запас составляет 2,224 млн т., а среднесуточное производство — 128,6 тыс. т. (2013.7).

В России монополистом по производству алюминия является компания «Российский алюминий», на которую приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма.

Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44,3 млн т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов.

Цены на алюминий (на торгах международных сырьевых бирж) с 2007 по 2015 годы составляли в среднем 1253—3291 долларов США за тонну.

История открытия

Но так как алюминий обладает высокой химической активностью, то в чистом виде он практически не встречается в природе, поэтому в отличие от многих других металлов о нём стало известно только в начале XIX века, когда алюминий был формально получен.

В 1824 году датский физик в процессе электролиза впервые получил алюминий. Хотя металл и содержал примеси ртути и калия, этот случай является первым доказанным случаем получения алюминия в лабораторных условиях.

Имя учёного, привёдшего к революционному методу, было Ханс Кристиан Эрстед. Но понадобилось ещё почти полвека, чтобы разработать технологии для получения его в промышленном производстве. Больше всего природный алюминий встречается в составе минералов квасцов. Именно благодаря этому минералу алюминий и получил своё название, которое на латыни звучит Alumen.

Физические свойства

Алюминий не имеет каких-либо уникальных физических свойств, но их сочетание делает металл одним из самых широко востребованных.

Твердость чистого алюминия по шкале Мооса равняется трем, что значительно ниже, чем у большинства металлов. Данный факт является практически единственным препятствием для использования чистого металла.

Если внимательно рассмотреть таблицу физических свойств алюминия, то можно выделить такие качества, как:

• Малую плотность (2.7 г/см3);
• Высокую пластичность;
• Низкое удельное электрическое сопротивление (0,027 Ом·мм2/м);
• Высокую теплопроводность (203.5 Вт/(м·К));
• Высокую светоотражательная способность;
• Низкую температуру плавления (660°С).

Такие физические свойства алюминия, как высокая пластичность, низкая температура плавления, отличные литейные качества, позволяют использовать данный металл в чистом виде и в составе сплавов на его основе для производства изделий любой самой сложной конфигурации.

Вместе с этим, это один из немногих металлов, хрупкость которого не возрастает при охлаждении до сверхнизких температур. Данное свойство определило одну из областей применения в конструктивных элементах криогенной техники и аппаратуры.

Детали из алюминия

Существенно более высокую прочность, сравнимую с прочностью некоторых сортов стали, имеют сплавы на основе алюминия. Наибольшее распространение получили сплавы с добавлением магния, меди и марганца – дюралюминиевые сплавы и с добавлением кремния – силумины. Первая группа отличается высокой прочностью, а последняя одними из самых лучших литейных качеств.

Невысокая температура плавления снижает затраты на производство и себестоимость технологических процессов при производстве конструкционных материалов на основе алюминия и его сплавов.

Для изготовления зеркал используется такое качество, как высокий коэффициент отражения, сравнимый с показателем серебра, легкость и технологичность вакуумного напыления алюминиевых пленок на различные несущие поверхности (пластики, металл, стекло).

При плавке алюминия и выполнения литья особое внимание обращается на способность расплава поглощать водород. Не оказывая действий на химическом уровне, водород способствует уменьшению плотности и прочности за счет образования микроскопических пор при застывании расплава

Благодаря низкой плотности и малому электрическому сопротивлению (ненамного выше меди), провода из чистого алюминия находят преимущественное применение при передаче электроэнергии в линиях электропередач, всего диапазона токов и напряжений в электротехнике, как альтернатива медным силовым и обмоточным проводам. Сопротивление меди несколько меньше, поэтому провода из алюминия необходимо использовать большего сечения, но итоговая масса изделия и его себестоимость оказываются в несколько раз меньше. Ограничением служит только несколько меньшая прочность алюминия и высокая сопротивляемость пайке из-за пленки окислов на поверхности. Большую роль играет наличие сильного электрохимического потенциала при контакте с таким металлом, как медь. В результате, в месте механического контакта меди и алюминия образуется прочная пленка окисла, имеющего высокое электрическое сопротивление. Это явление приводит к нагреву места соединения вплоть до расплавления проводников. Существуют жесткие ограничения и рекомендации по применению алюминия в электротехнике.

Алюминий в строительстве

Высокая пластичность позволяет изготавливать тонкую фольгу, которая используется в производстве конденсаторов высокой емкости.

Легкость алюминия и его сплавов стали основополагающими при использовании в авиакосмической отрасли при изготовлении большинства элементов конструкции летательных аппаратов: от несущих конструкций, до элементов обшивки, корпусов приборов и оборудования.

История открытия

Свое название серебристо-белый металл получил от латинского языка, в переводе оно означает квасцы. В 1825 году датский физик Ганс Эрстед нагрел амальгаму калия, восстановил хлорид вещества и выделил новый металл. Затем этот эксперимент повторил и улучшил Фридрих Велер. Он применил чистый металлический калий и первый описал химические особенности алюминия.

Полупромышленный способ выделения открыл Сент-Клер Девиль в 1854 году, но он использовал безопасный натрий. Полученный алюминиевый слиток ученый представил на Парижской выставке. А затем он провел еще один эксперимент — электролиз расплава двойной соли хлорида вещества.

До развития технологий алюминий, созданный электролитическим способом из глинозема, был слишком дорогим. Его слиток стоил больше, чем аналогичный кусок золота. Именно поэтому в 1889 году британские ученые подарили Менделееву аналитические весы. Чаши в них были изготовлены из разных металлов — золота и алюминия. В то время в России последнее вещество называли серебром из глины.

Химические свойства

На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь оксидной плёнкой. Она защищает металл от коррозии, а также препятствует взаимодействию с концентрированными кислотами (азотной, серной).

При обычных условиях реакции с алюминием возможны только после удаления оксидной плёнки. Большинство реакций протекают при высоких температурах.

Основные химические свойства элемента описаны в таблице.

Реакция	Описание	Уравнение
С кислородом	Горит при высоких температурах с выделением тепла	4Al + 3O2 → 2Al2O3
С неметаллом	Взаимодействует с серой при температуре выше 200°С, с фосфором – при 500°С, с азотом – при 800°С, с углеродом – при 2000°С	– 2Al + 3S → Al2S3; – Al + P → AlP; – 2Al + N2 → 2AlN; – 4Al + 3C → Al4C3
С галогенами	Реагирует при обычных условиях, с йодом – при нагревании в присутствии катализатора (воды)	– 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3; – 2Al + 3I2 → 2AlI3; – 2Al + 3Br2 → 2AlBr3
С кислотами	Реагирует с разбавленными кислотами при обычных условиях, с концентрированными – при нагревании	– 2Al + 3H2SO4(разбав.) → Al2(SO4)3 + 3H2; – Al + 6HNO3(конц.) → Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Со щелочами	Реагирует с водными растворами щелочей и при сплавлении	– 2Al + 2NaOH + 10H2O → 2Na[Al(H2O)2(OH)4] + 3H2; – 2Al + 6KOH → 2KAlO2 + 2K2O + 3H2
С оксидами	Вытесняет менее активные металлы	2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3

Алюминий не реагирует непосредственно с водородом. Реакция с водой возможна после снятия оксидной плёнки.

Рис. 3. Реакция алюминия с водой.

Что мы узнали?

Алюминий – амфотерный активный металл с постоянной валентностью. Обладает небольшой плотностью, высокой электропроводностью, пластичностью. Притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля. Алюминий реагирует с кислородом, образуя защитную плёнку, которая препятствует реакциям с водой, концентрированными азотной и серной кислотами. При нагревании взаимодействует с неметаллами и концентрированными кислотами, при обычных условиях – с галогенами и разбавленными кислотами. В оксидах вытесняет менее активные металлы. Не реагирует с водородом.

1. Вопрос 1 из 5

Начать тест(новая вкладка)

Применение

Алюминий применяется в металлургии в качестве основы для сплавов (дуралюмин, силумин) и легирующего элемента (сплавы на основе меди, железа, магния, никеля). Сплавы алюминия используются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении и автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Алюминий применяется при производстве взрывчатых веществ. Анодированный алюминий (покрытый окрашенными плёнками из оксида алюминия) применяют для изготовления бижутерии. Также металл используется в электротехнике.

Рассмотрим, как используют различные изделия из алюминия.

Алюминиевая лента представляет собой тонкую алюминиевую полосу толщиной 0,3-2 мм, шириной 50-1250 мм, которая поставляется в рулонах. Используется лента в пищевой, лёгкой, холодильной промышленности для изготовления охлаждающих элементов и радиаторов.

Круглая алюминиевая проволока применяется для изготовления кабелей и проводов для электротехнических целей, а прямоугольная для обмоточных проводов.

Алюминиевые трубы отличаются долговечностью и стойкостью в условиях сельских и городских промышленных районов. Применяются они в отделочных работах, дорожном строительстве, конструкции автомобилей, самолётов и судов, производстве радиаторов, трубопроводов и бензобаков, монтаже систем отопления, магистральных трубопроводов, газопроводов, водопроводов.

Алюминиевые втулки характеризуются простотой в обработке, монтаже и эксплуатации. Используются они для концевого соединения металлических тросов.

Алюминиевый круг – это сплошной профиль круглого сечения. Используется это изделие для изготовления различных конструкций.

Алюминиевый пруток применяется для изготовления гаек, болтов, валов, крепежных элементов и шпинделей.Около 3 мг алюминия каждый день поступает в организм человека с продуктами питания. Больше всего металла в овсянке, горохе, пшенице, рисе. Учёными установлено, что он способствует процессам регенерации, стимулирует развитие и рост тканей, оказывает влияние на активность пищеварительных желёз и ферментов.

При использовании алюминиевой посуды в быту необходимо помнить, что хранить и нагревать в ней можно исключительно нейтральные жидкости. Если же в такой посуде готовить, к примеру, кислые щи, то алюминий поступит в еду, и она будет иметь неприятный «металлический» привкус.

Алюминий входит в состав лекарственных препаратов, используемых при заболеваниях почек и желудочно-кишечного тракта.

Температура плавления

Перед плавкой металла обычно выполняется ряд действий, который позволяет снизить показатель. Например, для расплава часто берется алюминиевый порошок, потому что он быстрее плавится. Однако, этот способ используется только на предприятиях, поскольку взаимодействие с кислородом провоцирует окисление и выделение тепла. А при контакте материала с водой происходит мгновенный взрыв.

Тепловая энергия для расплава проводится снаружи материала или внутри него. В зависимости от уровня чистоты алюминия, плавка начнется при 643–660 °C.

Сплавы обычно содержат легирующие вещества. При их большом количестве снижается температура плавления. А если в материале содержится кремний, то плавление начинается уже при 500 °C. Этот показатель всегда варьируется в определенном диапазоне, поскольку не имеет постоянной величины.

В домашних условиях расплавить алюминий тоже возможно, но для этого используется только нарезанная проволока или чушки. Работать с порошком слишком опасно, поэтому лучше не рисковать. Для плавления подходит любая емкость, изготовленная из алюминия. Довольно легко сделать самодельный горн и выполнить весь процесс на открытом огне.

Не имеет значения даже наличие краски на материале, поскольку во время плавления все посторонние вещества выйдут вместе со шлаком. Для получения качественного сырья используются флюсы, они удаляют из сплава посторонние примеси и связывают материал.

Распространенность в природе

По степени распространенности в земле алюминий занимает лидирующую позицию среди всех металлов и третью между элементами периодической таблицы. По исследованиям разных ученых его концентрация в почве колеблется от 7,4 до 8,1%. Молярная масса атома — 26,9815386 г/моль. У вещества высокая химическая активность, поэтому чаще всего оно встречается в виде соединений.

К природным минералам алюминия относятся:

• хризоберилл или александрит;
• бокситы;
• берилл, аквамарин, изумруд;
• нефелины;
• каолинит;
• алуниты;
• полевые шпаты;
• глиноземы — смесь каолинов с песком, магнезитом или известняком.

Но в специфических условиях — жерлах вулканов, например, есть незначительное количество самородного металла белого цвета. Содержат его и природные воды, но вещество приобретает вид малотоксичных соединений. Тип аниона или катиона зависит только от кислотности окружающей среды.

Горение металлов

По характеру горения металлов их делят на две группы: ле­тучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительно низкими температурами фазового перехода — температура плав­ления менее 1000 К, температура кипения не превышает 1500 К. К этой группе относятся щелочные металлы (литии, натрий, ка­лий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Температуры фазового перехода нелетучих металлов значительно выше. Тем­пература плавления, как правило, выше 1000 К. а температура кипения — больше 2500 К (табл. 1). Механизм горения металлов во многом определяется состоянием их окисла. Температура плавления летучих металлов зна­чительно ниже температуры плавления их окислов. При этом по­следние представляют собой достаточно пористые образования.

При поднесении источника зажигания к поверхности металла происходит его испарение и окисление. При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу, про­исходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанав­ливается у поверхности, большая доля тепла перелается металлу, и он нагревается до температуры кипения. Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую окисную пленку, посту­пают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение окисной пленки, что интенсифицирует горение. Про­дукты горения (окислы металлов) диффундируют не только к по­верхности металла, способствуя образованию корки окисла, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твер­дые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.

У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весь­ма плотная окисная пленка, которая хорошо сцепляется с по­верхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, на­пример, алюминия и бериллия, гореть не способны. Как правило, пожары таких металлов имеют место в том случае, когда они находятся в виде стружки, порошков и аэрозолей. Их горение происходит без образования плотного дыма. Образование плот­ной окисной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление особенно часто наблюдается при движении частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под окисной пленкой с последую­щим внезапным ее разрывом. Это, естественно, приводит к рез­кой интенсификации горения.

Основными параметрами их горения являются время воспламе­нения и сгорания. Из теории диффузионного горения следует, что время сгорания частицы металла tг пропорционально квадрату ее диаметра do. Экспериментальные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической. Так, для алюминия tг

Повышение концентрации кислорода в атмосфере интенсифицирует горение металла. Частички алюминия диаметром (53 ÷ 66) 10 -3 мм в атмосфере, содержащей 23% кис­лорода, сгорают за 12,7·10 -3 с, а при повышении концентрации окислителя до 60% — за 4,5·10 -3 с.

Однако для пожарно-технических расчетов большой интерес представляет не время сгорания частицы металла, а скорость рас­пространения пламени по потоку взвеси частиц металла в окис­лителе. В табл.2 приведены экспериментальные данные по скорости распространения пламени и массовой скорости выгора­ния взвеси частиц диаметрами менее 10 -2 мм и 3·10 -2 мм алю­миния в воздухе при различном коэффициенте избытка воздуха.