После переработки в алюминии могут содержаться медь, железо и титан. Химический состав этих компонентов определяет физико-механические свойства полученного металла. Сплавы с высокой чистотой основного элемента значительно лучше проводят электричество и тепло, а также обладают высокой коррозионной стойкостью. Однако такая высокая чистота изначально влечет за собой и высокую стоимость такого алюминия.
Основные свойства алюминия: области применения
Алюминий обладает уникальными свойствами, которые делают его одним из самых универсальных и востребованных материалов. Его использование охватывает широкий спектр отраслей: от различных производств до сельского хозяйства и повседневной жизни, а также в коммерческой сфере. Алюминий имеет множество преимуществ по сравнению со сталями и другими металлами, включая легкость, коррозионную стойкость и хорошую проводимость.
Ключевыми сферами применения алюминия являются изготовление металлоконструкций и обработка металлов. Данная статья подробно изучает, какие конкретно свойства алюминия используются в различных отраслях.
История открытия алюминия и его основные свойства
Алюминий — это парамагнитный металл с низким удельным весом и серебристым блеском. Он легко поддается механической обработке и имеет хорошие литейные свойства, а также легкость в формировании. Алюминий занимает третье место по распространенности в земной коре, уступая лишь кислороду и кремнию. Данный металл составляет приблизительно 8% в составе земной коры, что значительно превышает его содержание в золоте, которое составляет всего 0.00005%.
В промышленности алюминий находит широкое применение благодаря своим сплавам, которые активно используются в производстве бытовой техники, транспортных средств, а также в машиностроении и электротехнике. Строительство не может обойтись без алюминия, так как он является незаменимым элементом в капитальных и гражданских сооружениях.
Алюминий является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре и третьим по распространенности химическим элементом после кислорода и кремния. Его доля составляет около 8,8%. Он встречается во множестве горных пород и минералов, причем основным среди них является алюмосиликат.
Алюминий чаще всего добывают из бокситов, которые, несмотря на свою значимость в качестве источника, редко обнаруживаются в форме месторождений. В России запасы бокситов присутствуют преимущественно в Урале и Сибири. Алюминий можно также получать из нефелинов и алунитов в промышленных масштабах.
Рекомендуем статьи по металлообработке
Алюминий также содержится в тканях растений и животных в виде микроэлемента. Например, некоторые организмы, такие как моллюски и плауны, способны накапливать этот металл в своих организмах.
Соединение алюминия, известное как алюмокалиевые квасцы, было известно человечеству с древних времен. Они использовались в выделке кожи как связывающее средство для различных компонентов смеси. В XVIII веке ученые узнали о существовании оксида алюминия, а чистый алюминий был получен лишь значительно позже.
Первый, кто смог выделить алюминий, был датский ученый Христиан Кёльр, который получил этот металл из хлорида алюминия. Он проводил свои эксперименты, обрабатывая соли калия с помощью амальгамы, в результате чего был получен серый порошок, который получил признание как чистый алюминий.
Изучая металл, ученые выявили его уникальные химические свойства, которые проявляются в высокой восстановительной способности и активности. Основной проблемой с алюминием долгое время было его сложно реакционное поведение.
В 1854 году французский химик Габриэль Девиль применил метод электролиза расплава для получения алюминия в слитках, который используется в промышленных масштабах до сих пор. В начале XX века алюминий начали массово производить, так как заводы получили доступ к большому количеству электроэнергии.
На сегодняшний день алюминий стал одним из наиболее популярных материалов, используемых в производстве бытовой техники и в строительстве.
Физические свойства алюминия
Алюминий обладает высокой проводимостью электричества и тепла, отличительной прочностью против коррозии, а также морозостойкостью и пластичностью. Он хорошо поддается обработке такими процессами, как штамповка, ковка, волочение и прокатка. Алюминий также отлично сваривается различными способами сварки. Одним из его ключевых свойств является низкая плотность, которая составляет около 2,7 г/см³, а температура его плавления — примерно 660°С.
Механические, физико-химические и технологические характеристики алюминия могут значительно изменяться в зависимости от содержания примесей, которые в свою очередь могут ухудшать свойства чистого металла. Основные примеси — это кремний, железо, цинк, титан и медь.
Алюминий классифицируется по степени очистки на алюминий высокой чистоты и технической чистоты. Практическое различие между ними заключается в коррозионной устойчивости к различным средам. Чем выше степень чистоты металла, тем выше его стоимость. Технический алюминий используется для производства сплавов, проката и кабельно-проводниковой продукции, тогда как алюминий высокой чистоты применяется в особых условиях.
Алюминий по своей электропроводности уступает лишь золоту, серебру и меди. Сочетание низкой плотности и высокой электропроводности позволяет алюминию успешно конкурировать с медью в области производства кабельно-проводниковой продукции. Продолжительный отжиг данного металла способствует улучшению электропроводности, в то время как закалка, наоборот, приводит к ухудшению этого свойства.
С увеличением чистоты алюминия его теплопроводность растет. Примеси таких металлов как марганец, магний и медь снижают данное свойство. По показателям теплопроводности алюминий уступает только меди и серебру, что делает его идеальным для использования в теплообменниках и радиаторах охлаждения.
Алюминий характеризуется высокой удельной теплоемкостью и теплотой плавления, что значительно превосходит аналогичные показатели у большинства других металлов. Чем выше степень чистоты, тем лучше он отражает свет с его поверхности. Этот металл легко полируется и поддается анодированию.
Алюминий обладает высоким сродством к кислороду и при контакте с воздухом покрывается тонкой и прочной оксидной пленкой. Эта защитная пленка обеспечивает алюминию высокую устойчивость к коррозии, предотвращая дальнейшее окисление и улучшая его антикоррозийные характеристики. Алюминий демонстрирует хорошую стойкость к атмосферной коррозии, морской и пресной воде, практически не реагирует с органическими кислотами и как с концентрированной, так и разбавленной азотной кислотой.
Химические свойства алюминия
Алюминий является активно реагирующим амфотерным металлом. При нормальных условиях его свойства определяются прочной оксидной пленкой, которая оберегает его от нежелательных реакций. Однако если оксидная пленка повреждена, алюминий может действовать как активный металл-восстановитель. В мелкозернистом состоянии и при повышенных температурах он охотно вступает в реакцию с кислородом. При нагревании алюминий реагирует с серой, фосфором, азотом, углеродом и йодом. При обычных условиях происходит взаимодействие с хлором и бромом. Реакции с водородом в обычных условиях не происходят. Алюминий формирует сплавы с другими металлами, создавая интерметаллические соединения, известные как алюминиды.
Если оксидная пленка удалена, алюминий активно взаимодействует с водой. Реакции с разбавленными кислотами проходят легко. Концентрированные азотная и серная кислоты вступают в реакцию только под нагревом. Алюминий легко реагирует со щелочами, а также в металлургии используется его способность восстанавливать металлы из их оксидов и солей, что известно как алюминотермия.
Гидроксид алюминия
Способы получения
1. Гидроксид алюминия можно получить, воздействуя раствором аммиака на соли алюминия.
Например, реакция хлорида алюминия с водным раствором аммиака приводит к образованию гидроксида алюминия и хлорида аммония:
2. Пропуская углекислый газ, сернистый газ или сероводород через раствор тетрагидроксоалюмината натрия:
Чтобы лучше понять эту реакцию, мысленно отделите соединение NaAl(OH)4 на NaOH и Al(OH)3. После этого определите, как реагирует углекислый газ с каждым из этих веществ и запишите продукты взаимодействия. Поскольку Al(OH)3 не реагирует с CO2, то на правой стороне у нас остается Al(OH)3 без изменений.
3. Гидроксид алюминия может быть получен путем действия недостатка щелочи на избыток соли алюминия.
Например, реакция хлорида алюминия с недостатком гидроксида калия ведет к образованию гидроксида алюминия и хлорида калия:
4. Также гидроксид алюминия образуется при взаимодействии растворимых солей алюминия с растворимыми карбонатами, сульфитами и сульфидами. Эти соли подвержены необратимому гидролизу в водной среде.
Например: бромид алюминия реагирует с карбонатом натрия, выделяясь осадок гидроксида алюминия, углекислый газ и образуя бромид натрия:
Хлорид алюминия при взаимодействии с сульфидом натрия образует гидроксид алюминия, сероводород и хлорид натрия:
Химические свойства
1. Гидроксид алюминия активно реагирует с растворимыми кислотами, что приводит к образованию средних или кислых солей, в зависимости от соотношения реагентов.
Например, реакция гидроксида алюминия с азотной кислотой приводит к образованию нитрата алюминия:
2. Гидроксид алюминия взаимодействует с оксидными кислотами сильных кислот.
Например, взаимодействие гидроксида алюминия с оксидом серы (VI) приводит к образованию сульфата алюминия:
3. Гидроксид алюминия взаимодействует с щелочами (растворимыми основаниями). При этом в расплаве образуются алюминаты, а в растворе – комплексные соли. Гидроксид алюминия показывает кислотные свойства.
Например, взаимодействие гидроксида алюминия с гидроксидом калия в расплаве приводит к образованию алюмината калия и воды:
Гидроксид алюминия растворяется в избытке щелочи, образуя тетрагидроксоалюминат:
4. Гидроксид алюминия разлагается при нагревании:
Видеоопыт взаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой и щелочами (демонстрирующий амфотерные свойства гидроксида алюминия), можно увидеть в видео, которое приведено здесь.
Соли алюминия
Нитрат и сульфат алюминия
Нитрат алюминия при нагревании разлагается на оксид алюминия, оксид азота (IV) и кислород:
Сульфат алюминия при сильном нагревании разлагается на оксид алюминия, сернистый газ и кислород:
Комплексные соли алюминия
При анализе свойств комплексных солей алюминия, таких как гидроксоалюминаты, полезно воспользоваться следующим методом: мысленно разделите тетрагидроксоалюминат на две составляющие молекулы — гидроксид алюминия и гидроксид щелочного металла.
Например, тетрагидроксоалюминат натрия можно разбить на гидроксид алюминия и гидроксид натрия:
NaAl(OH)4 разбивается на NaOH и Al(OH)3.
Свойства всего комплекса можно оценивать через свойства этих отдельных компонентов.
Таким образом, гидроксокомплексы алюминия реагируют с кислотными оксидами.
Например, некоторый гидроксокомплекс может разрушаться под действием избытка углекислого газа. В этом случае происходит реакция NaOH с CO2 с образованием кислой соли (при избытке CO2), а амфотерный гидроксид алюминия не реагирует с углекислым газом, и, следовательно, просто выпадает в осадок:
По аналогичному принципу тетрагидроксоалюминат калия также реагирует с углекислым газом:
Тетрагидроксоалюминаты будут реагировать с сернистым газом SO2 по аналогичной схеме:
Однако при воздействии избытка сильной кислоты осадок не формируется, поскольку амфотерный гидроксид алюминия вступает в реакцию с сильными кислотами.
Например, он реагирует с соляной кислотой:
Отметим, что при наличии небольшого количества ( недостатка ) сильной кислоты осадок все равно может образоваться, так как кислот не хватает для полного растворения гидроксида алюминия:
Аналогично, при недостатке азотной кислоты также выпадает гидроксид алюминия:
Комплекс разрушается при взаимодействии с хлорной водой (водный раствор хлора) Cl2:
При этом происходит диспропорционирование хлора.
Также комплекс может реагировать с избытком хлорида алюминия, при этом образуется осадок гидроксида алюминия:
При испарении воды из раствора комплексной соли и последующем нагреве остаются обычные алюминаты.
Гидролиз солей алюминия
Растворимые соли алюминия и сильных кислот подвергаются гидролизу по катиону. Гидролиз происходит ступенчато и обратимо, то есть несколько раз:
I ступень: Al3+ + H2O = AlOH2+ + H+
II ступень: AlOH2+ + H2O = Al(OH)2 + H+
Но сульфиды, сульфиты, карбонаты алюминия и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, то есть в водном растворе они отсутствуют и разлагаются на воду:
Более детально о гидролизе можно узнать в соответствующей статье.
Алюминаты
Классифицируемые соли, в которых алюминий выступает в качестве кислотного остатка (алюминаты), образуются из оксида алюминия в результате сплавления с щелочами и основными оксидами:
Химические свойства алюминия
В чистом виде алюминий является активным веществом, обладающим восстановительными свойствами. Однако для того чтобы металл вступил в химическую реакцию, необходимо очистить его поверхность от оксидной пленки. Для этой цели может быть использована такая химия, как соли аммония, горячие щелочные соединения, методы амальгамирования, а также воздействие другими металлами, такими как олово или галлий.
При нагревании алюминий активно взаимодействует со щелочами, кислотами, серой, а также с галогенными соединениями. Без нагревания этот металл показывает реакцию с йодом.
На заметку. Под обычными условиями алюминий не проявляет активности в реациях с пресной и соленой водой, что обуславливает его использование в производстве лодок, катеров и других водных транспортных средств, а также специализированного оборудования, которое должно взаимодействовать с водой.
Кроме того, алюминий часто используется как восстановитель, позволяющий извлекать другие металлы из их соединений. Этот метод называют алюминотермией.
В следующей таблице указано, с какими веществами алюминий может реагировать и какие продукты можно получить в результате этих реакций.
Используемые вещества для реакций
Галогеновые соединения, которые могут реагировать с алюминием без предварительного нагрева.
Методы получения алюминия
В промышленных условиях алюминий получают путем электролиза раствора оксида алюминия Al2O3 в расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре около 950 °C. Электролизные ванны представляют собой железные конструкции, стены и дно которых футерованы плитами из углерода и графита (функционирующими как катод). Сверху в ванну помещаются плиты из углеродной массы, которые служат анодами. При пропускании постоянного электрического тока Al2O3 разлагается на алюминий, который оседает на дне, и кислород, способный образовать с материалами анодов оксиды углерода CO и CO2. Полученный расплавленный алюминий содержит около 1% примесей, после чего его разливают в формы или используют для непрерывного литья. Металл высокой чистоты (не более 0,05% примесей) извлекается из него с помощью электролитической рафинации. В процессе зонной плавки содержание азота и серы должно не превышать 10-4 %, а других примесей — 10-5 %. Производство алюминия требует значительных энергетических затрат. Мировое производство алюминия на 2018 год составляет около 63,6 миллиона тонн в год.
Процесс удаления шлака из тигля с расплавленным алюминием в цехе электролиза на заводе РУСАЛ в Шелехове (Россия). Процесс удаления шлака из тигля с расплавленным алюминием в цехе электролиза на заводе РУСАЛ в Шелехове (Россия).
Bloomberg / Bloomberg Video — Footage / Getty Images Bloomberg / Bloomberg Video — Footage / Getty Images
Области применения алюминия
Алюминий в основном используется для производства сплавов. По уровню применения этот металл и его сплавы занимают второе место среди всех металлов, уступая лишь стали. Алюминий является одной из самых популярных легирующих добавок для сплавов на основе меди, магния, титана, цинка, никеля и железа. Чистый алюминий находит применение в электротехнике (в кабелях и других токопроводящих изделиях), электронике (в том числе для производства полупроводниковых приборов), а также для изготовления зеркал-отражателей, специализированной химической аппаратуры и резервуаров для хранения и транспортировки жидких газов (таких как метан, кислород, водород, азотная и уксусная кислоты, чистая вода и пищевые масла). Алюминий служит конструкционным материалом для ядерных реакторов. Кроме того, алюминий активно используется как раскислитель в сталеплавильных процессах, применяется для получения металлов и сплавов при помощи алюминотермии, а также порошкообразный алюминий используется в производстве твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ. Покрытия на основе алюминия наносятся на металлические поверхности для защиты от коррозии (например, метод плакирования или использование алюминиевой краски). В строительстве алюминий служит конструкционным материалом для жилых и общественных зданий, а также сельскохозяйственных объектов и прочих построек. Он также используется для создания частей бытовых электроприборов (таких как холодильники, стиральные машины и кондиционеры), а также в производстве кастрюль, кипятильников, другой кухонной утвари, мебели, спортивного снаряжения, карнизов, штор, лодок, а также упаковки для пищевых продуктов (консервов, туб, одноразовых контейнеров из алюминиевой фольги). Соли алюминия находят применение в процессах дубления кожи и как протравы для красителей тканей; гидроксид алюминия – в качестве обволакивающего и адсорбирующего средства в медицине. И. Н. Фридляндер. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2005.
Минералы почвы, в состав которых входит алюминий, могут адсорбировать органические вещества. Кроме того, будучи катализаторами различных химических реакций, алюминиевые минералы участвуют в процессах гумусообразования. Алюминий также классифицируется как микроэлемент. В большинстве живых организмов он содержится в малых количествах, причем его концентрация в различных объектах может варьироваться (например, в картофеле — около 4 мг на 1 кг сухого вещества, в желтой репе — около 45 мг, в меде — 4 мг, а в говядине — около 70 мг). Высокую концентрацию алюминия связывают с лечебными свойствами китайского чая (0,84 мг на 1 г сухого вещества), корней имбиря (0,74 мг), левзеи сафлоровидной (около 0,94 мг), сабельника болотного (около 0,55 мг) и березовых почек (более 0,15 мг). К числу организмов, которые накапливают алюминий, относятся плауны и моллюски из семейств гелицидов и литторин: в их золе алюминий составляет 5,3% и 0,2-0,8% соответственно. Многие растения плохо переносят высокое содержание алюминия, в частности, это касается красного клевера, свеклы, люцерны, ячменя, моркови, капусты, озимой пшеницы и ржи. Напротив, мхи и папоротники хорошо переносят высокие концентрации этого металла в почве. Человек получает до 40-45 мг алюминия ежедневно из пищи и воды. Он накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах аналогично другим млекопитающим. На данный момент не совсем ясно, в каких именно химических реакциях алюминий принимает участие. Его роль в растениях связывают с высокой способностью к образованию гелей. Присутствие алюминия в высокоочищенных образцах РНК, ДНК и фитохрома свидетельствует о том, что он может играть некую роль в поддержании их структурной конфигурации. Некоторые исследователи предполагают, что алюминий может быть специфическим активатором ряда ферментов, включая сукцинатдегидрогеназу и пиридоксалевые ферменты. Также алюминий может иметь отношение к развитию болезни Альцгеймера. Постоянное вдыхание пыли, содержащей алюминий и его соединения, может вызывать алюминоз. В. Н. Кудеяров. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2005.
