Što je aluminij: formula, reakcije, svojstva i primjena

Aluminij je element trećeg razdoblja periodnog sustava s atomskim brojem 13. Po svojoj prevalenciji on je prvi među metalima i treći među kemijskim elementima zemljine kore (nakon kisika i silicija). Otkrijmo što je to aluminij i kakva je njegova svojstva.

Opće karakteristike

Dakle, što je aluminij? Prije svega, to je svjetlo paramagnetski metal bijelo-srebrne boje, koji je vrlo kovan za obradu (lijevanje, oblikovanje, strojna obrada, itd.). Kemijska formula aluminija poznata je svima iz školskog predmeta kemije - Al. Ima visoku električnu i toplinsku provodljivost, kao i otpornost na korozijske procese. Posljednje svojstvo uzrokuje sposobnost aluminija da brzo formira oksidne filmove koji štite njegovu površinu.

Povijesna pozadina

Svjetska zajednica je 1825. godine naučila što je aluminij, zahvaljujući danskom fizičaru Hansu Oerstedu. Znanstvenik je proveo interakciju kalijevog amalgama s aluminijevim kloridom, nakon čega slijedi ekstrakcija žive. Kemijski element dobio je ime od latinske riječi alumen, što se prevodi kao "alum".

Prije nego što je otkriven industrijski način proizvodnje aluminija, ovaj metal je bio vrednovan više od zlata. Godine 1889. želeći poštovati veličanstveni dar D.I. Mendeleev, Britanci su mu dali skalu od zlata i aluminija.

recepcija

Metal stvara jaku vezu s kisikom - glinicom. U usporedbi s drugim poznatim metalima, njegov povrat iz rude je težak. Razlog tome leži u visokoj reaktivnosti i visokoj točki taljenja aluminija, točnije u njegovim rudama. Metoda izravne redukcije ugljikom se ne koristi, jer je sposobnost redukcije ovog metala veća od sposobnosti ugljika. Mogući je neizravni oporavak. To uključuje pripravu međuproizvoda Al4C3, koji se razgrađuje na temperaturi od oko 2000 ° C da se dobije aluminij. Do sada je ova metoda u razvoju, ali je već poznato da će zahtijevati manje energije od Hall - Eru metode.

Tehnika Hall-Eru, koja je danas najšire korištena, razvila se 1886. paralelno od strane dva znanstvenika - američkog Charlesa Halla i Francuza P. Eroua. Njegova suština je u otapanju Al ₂ O ₃ (aluminijev oksid) u Na ₃ AlF ₆ (kriolita talina) i naknadnoj elektrolizi pomoću anodnih elektroda (koks ili grafit). Budući da je ova metoda vrlo skupa, široko je korištena tek u dvadesetom stoljeću.

Proizvodnja jedne tone propuha aluminija iznosi 1,92 tone glinice, 0,6 t elektroda, 0,065 t kriolita, 0,035 t aluminij fluorida i oko 61 GJ struje.

Što se tiče laboratorijske metode proizvodnje aluminija, izumio ju je 1827. Friedrich Wohler. Suština metode sastoji se u redukciji bezvodnog aluminijevog klorida kalijevim metalom. Reakcija se odvija kada se grije, bez pristupa zraku.

Mjesto u prirodi

Masena koncentracija ove tvari u zemljinoj kori procjenjuje se na 7,45-8,14%. Prema ovom pokazatelju, aluminij zauzima prvo mjesto među metalima i treći među kemijskim elementima općenito.

U prirodi, zbog kemijske aktivnosti metala, javlja se uglavnom u obliku spojeva. Glavni minerali aluminija: boksit, korund, nefelin, glinica, alunit, Feldspati, beril, kaolinit i krizoberil. U otvorima vulkana, u kojima su stvoreni specifični uvjeti redukcije, pronađene su male količine prirodnog metala.

U prirodnim vodama, aluminij je predstavljen u obliku niskotoksičnih spojeva, na primjer fluorida. Na izgled kationa ili aniona uglavnom utječe kiselost medija. U slatkoj vodi koncentracija aluminijeve otopine može biti od 0,001 do 10 mg / l, au slanoj vodi oko 0,01 mg / l.

U sastavu prirodnog aluminija dominira stabilan izotop ²⁷ Al i postoje neznatni tragovi od ²⁶ Al.

Fizička svojstva

Glavna fizikalna svojstva materijala:

1. Gustoća - 2712 kg / m ³ .
2. Vrelište - 2500 ° C.
3. Talište - 660 ° C.
4. Specifični toplinski kapacitet - 897 J / kg * K.
5. Brinell tvrdoća - od 24 do 32 kgf / mm².
6. Plastičnost čistog materijala - 50%.
7. Youngov modul - 70 GPa.
8. Električna provodljivost - 37 x 10 Cm / m.
9. Toplinska provodljivost - 203,5 W / (m * K).

Aluminij može formirati legure s gotovo svim metalima. Najčešće se koriste duraluminij (legura s bakrom i magnezijem) i silumin (legura sa silicijem).

Kemijska svojstva

U normalnim uvjetima ovaj metal je premazan tankim, ali vrlo izdržljivim oksidnim filmom, što ga čini otpornim na djelovanje standardnih oksidacijskih sredstava: vode, kisika, kao i dušične i sumporne kiseline. Međutim, aluminij reagira klorovodična kiselina. Zbog tih svojstava metal nije podložan koroziji i vrlo je popularan u industriji.

Uništavanjem filma, aluminij može djelovati kao aktivni metal koji reducira. Da bi se izbjeglo stvaranje filma, dodaje se galij, kositar ili indij.

Razmotrite osnovne jednadžbe aluminija.

S jednostavnim tvarima, ovaj metal stvara sljedeće spojeve:

1. S kisikom - oksidom. 4Al + 3O2 = 2Al203.
2. S halogenima (osim fluora) - kloridom, jodidom i bromidom. 2Al + 3Hal2 = 2AlHal3 (Hal = Cl, Br, I).
3. S fluorom (kad se zagrijava) - fluorid. 2Al + 3F2 = 2AlF3.
4. S sumporom (kada se zagrijava) - sulfid. 2Al + 3S = Al2S3.
5. S dušikom (kada se zagrijava) - nitrid. 2Al + N2 = 2AlN.
6. Sa ugljikom (kada se zagrijava) - karbidom. 4Al + 3C = Al4C3.

Sulfidi i aluminijevi karbidi može se potpuno hidrolizirati.

Reakcije aluminija s kompleksnim tvarima izgledaju ovako:

1. S vodom - nakon uklanjanja zaštitnog filma. 2Al + 6H20 = 2Al (OH) ₃ + 3H2.
2. S alkalijama - formira se aluminat. 2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na [Al (OH) ₄ ] + 3H2.
3. S klorovodičnom i razrijeđenom sumpornom kiselinom - otapa se u njima. 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2.
4. Kod oksidirajućih sredstava koja stvaraju topljive soli - otapa se u njima kada se zagrijava. 8Al + 15H2S04 = 4Al2 (S04) ₃ + 3H2S + 12H20.
5. S metalnim oksidima - vraća metale iz njih (aluminotermi). 8Al + 3Fe3O4 = 4Al203 + 9Fe.

proizvodnja

Do kraja 19. stoljeća aluminij se nije proizvodio u industrijskim razmjerima. Henri St. Clair Deville, čiji je rad financirao Napoleon III (nadao se upotrijebiti materijal za vojsku), izumio je prvu metodu industrijske proizvodnje metala tek 1854. Suština metode bila je zamjena aluminija iz dvostrukog natrijevog-aluminijevog klorida uporabom metalnog natrija. Godine 1855. proizveden je prvi ingot, čija je težina iznosila oko 7 kg. U sljedećih 36 godina ova je metoda proizvela 200 tona aluminija. To je unatoč činjenici da je već 1856. isti znanstvenik razvio novu metodu koja se temelji na elektrolizi taline gornjeg klorida.

Godine 1885. izgrađena je tvornica za proizvodnju aluminija prema tehnologiji Nikolaja Beketova u gradu Gmelinghamu (Njemačka). Ova metoda se nije mnogo razlikovala od onoga što je Deville razvio, ali je bilo nešto jednostavnije. Temeljio se na interakciji između kriolita i magnezija. U pet godina rada tvornica je proizvela 58 tona aluminija - više od 25% svjetske proizvodnje za godine 1854-1890.

Metoda Hall - Eru označila je početak tehnološki naprednije i modernije proizvodnje metala. Od tada, s razvojem elektrotehnike, razvile su se tehnologije proizvodnje aluminija. Značajan doprinos razvoju tog smjera dali su i ruski znanstvenici: Bayer, Penyakov, Kuznetsov, Žukovski, Yakovkin i mnogi drugi.

U Rusiji je prva tvornica aluminija izgrađena u gradu Volkhovu 1932. godine. Godine 1939. metalurška industrija SSSR-a proizvela je gotovo 50 tisuća tona tog metala godišnje.

Drugi svjetski rat postao je poticaj za oslobađanje mnogih materijala, uključujući aluminij. Tako je do 1943. svjetska proizvodnja iznosila gotovo 2 milijuna tona. Svake godine, čak i nakon završetka rata, ta se brojka povećala. Godine 1980, on je iznosio 16 milijuna tona, u 1990 - 18 milijuna tona, u 2008 - oko 40 milijuna tona, au 2016 - gotovo 60 milijuna tona.

Rejting zemalja koje proizvode aluminij u velikim količinama je sljedeći:

1. Kina.
2. Rusija.
3. Kanada.
4. SAD.
5. Australija.

Svjetska opskrba boksitom gotovo je neograničena i nesumjerljiva s dinamikom potražnje. U budućnosti, mnoge linije za proizvodnju aluminija mogu se preorijentirati na proizvodnju, na primjer, kompozitnih materijala. Cijena ovog metala na aukciji svjetskih robnih burzi u proteklih deset godina kretala se u rasponu od 1250 do 3300 dolara po toni.

Upotreba

Aluminij se široko koristi kao konstrukcijski materijal. Njegove glavne prednosti su lakoća, otpornost na koroziju, usklađenost s probijanjem, visoka toplina i zdravlje i neškodljivost. Novija svojstva učinila su materijal vrlo popularnim u proizvodnji kuhinjskog pribora i folije. Zahvaljujući prva tri svojstva, aluminij je postao glavna sirovina za zrakoplovnu i zrakoplovnu industriju. Glavni nedostatak ovog konstrukcijskog materijala je njegova niska čvrstoća. Za kaljenje se obično koristi u slitinama s malim količinama bakra i magnezija (duraluminija).

Aluminij je 1,7 puta slabiji od bakra u električnoj vodljivosti, ali zbog činjenice da je njegova gustoća 3,3 puta manja, potrebno je pola težine da bi se dobio približno jednak otpor. Osim toga, aluminij je oko 4 puta jeftiniji od bakra. Razlog tome je široko rasprostranjena upotreba ovog materijala u elektrotehnici (proizvodnja i zaštita vodiča) i mikroelektronike (taloženje vodiča na površini mikroskopa). Glavni nedostatak aluminija kao materijala za elektrotehniku ​​je stvaranje jakog dielektričnog filma na njegovoj površini. To otežava lemljenje i uzrokuje zagrijavanje spojeva, što smanjuje kvalitetu kontakta i pouzdanost izolacije. Za izjednačavanje ove značajke koristite aluminijske vodiče velikog poprečnog presjeka.

Osim toga, aluminij se koristi u takvim smjerovima:

1. Nakit. Naravno, ovo je uglavnom vrijeme kada je aluminij bio vrlo skup. Danas se koristi u nakitu, au Japanu ovaj materijal zamjenjuje srebro u proizvodnji tradicionalnog nakita.
2. Pribor za jelo. U tom je smjeru aluminij korišten u vrijeme Napoleonove treće, ali i danas je moguće pronaći pribor za jelo iz ugostiteljskih objekata.
3. Izrada stakla. Fosfati, fluoridi i glinice se koriste u ovom području.
4. Prehrambena industrija. Ovaj metal je registriran kao dodatak hrani E173.
5. Vojna industrija. Zbog svoje niske cijene i male mase aluminija, koristi se u proizvodnji pištolja i automatskih strojeva.
6. Raketna tehnologija. Aluminij i njegovi spojevi korišteni su kao raketno gorivo u dvokomponentnim raketnim gorivima.
7. Energetska. Aluminij se koristi kao sekundarni nosač energije.

Aluminij se koristi kao redukcijsko sredstvo u sljedećim područjima:

1. Kao komponenta smjesa za aluminotermu.
2. Kao reduktant rijetkih metala iz njihovih oksida i halogenida.
3. U pirotehniku.
4. S anodnom zaštitom, kao zaštitnik.

Koristite slitine

Nečisti aluminij, ali i legure na njemu, često se koriste kao građevinski materijal.

Aluminij-magnezijeve legure . Odlikuje ih kombinacija visoke plastičnosti, zadovoljavajuće čvrstoće, otpornosti na koroziju, dobre zavarljivosti i visoke otpornosti na vibracije. Najčešće u industriji koriste slitine u kojima se sadržaj magnezija mijenja u granicama 1-5%. Što je viša brzina, to je legura pouzdanija. Svaki postotak daje dodatnih 30 MPa krajnja snaga.

Legure koje sadrže do 3 mas.% Magnezija strukturno su stabilne pri normalnim i povišenim temperaturama, čak iu otvrdnutom stanju. S povećanjem sadržaja magnezija, stabilnost se smanjuje. S povećanjem njegove količine na 6% korozijska otpornost legure se pogoršava. Stoga, za daljnje poboljšanje karakteristika čvrstoće, aluminij-magnezij sustavi su dopirani s titanom, manganom, kromom, vanadijem ili silicijem. Ulazak bakra i željeza u takve legure je nepoželjna. To dovodi do smanjenja zavarljivosti i otpornosti na koroziju.

Aluminij-manganove legure . Imaju visoku čvrstoću, duktilnost, mogućnost obrade, otpornost na koroziju i zavarljivost. U sustavima aluminija i mangana glavni su nečistoće željezo i silicij. Ovi elementi smanjuju topljivost mangana u aluminiju. Da bi se dobila sitnozrnata struktura, takve se legure legiraju titanom. Dovoljna količina mangana osigurava stabilnu strukturu tvrdog metala na bilo kojoj temperaturi.

Aluminijske i bakrene legure . Sukladno svojim mehaničkim svojstvima u toplinski ojačanom stanju, ovaj sustav može zaobići nisko-ugljična čelika. Takve su legure vrlo tehnološke. Njihov jedini nedostatak je niska otpornost na koroziju. Taj se problem rješava korištenjem zaštitnih premaza.

Željezo, magnezij, mangan i silicij se koriste kao aditivi za legiranje. Magnezij najviše utječe na svojstva legure, znatno povećavajući granice iskorištenja i čvrstoće sustava. Silikon povećava sposobnost umjetnog starenja legure, a željezo niklom - otpornost na toplinu. Vezanje ovih sustava nakon gašenja ubrzava umjetno starenje, a također povećava njihovu otpornost na koroziju i čvrstoću.

Legure aluminija-cink-mangana . Cijenjena zbog visoke čvrstoće i proizvodnosti. Visoko otvrdnjavanje postiže se dobrom topljivošću komponenata na povišenim temperaturama, što naglo opada pri hlađenju. Glavni i vrlo značajan nedostatak takvih sustava je njihova niska otpornost na koroziju. Da bi se povećao ovaj pokazatelj, koristi se bakreni doping. Također, još u šezdesetim godinama prošlog stoljeća ustanovljeno je da prisutnost litija u sustavima aluminij-cink-mangan omogućuje usporavanje prirodnog i ubrzavanje umjetnog starenja. Osim toga, litij smanjuje težinu legure i povećava njen modul čvrstoće.

Siluminas (aluminijeve silicijeve legure) također se koriste u industriji, od kojih se lijevaju kućišta svih vrsta mehanizama i složene legure (dišni putevi).

toksičnost

Odgovarajući na pitanje što je aluminij, vrijedi spomenuti toksičnost ovog metala. Unatoč širokoj rasprostranjenosti u prirodi, aluminij je mrtva tvar, tj. Ne koriste ga živa bića u metabolizmu. Sam po sebi metal ima blagi toksični učinak, ali mnogi njegovi anorganski spojevi, topivi u vodi, mogu imati štetan učinak na toplokrvne preživatelje i ljude. Za osobu, takve doze metalnih spojeva (mg / kg tjelesne težine) imaju toksični učinak:

1. Acetat - 0,2-0,4.
2. Hidroksid - 3,7-7,3.
3. Alum - 2.9.

Kada se unese u vodu, aluminijski spojevi djeluju na živčani sustav, što može dovesti do teških poremećaja. Pozitivna je činjenica da nakupljanje metala u tijelu sprječava mehanizam izlučivanja. Do 15 mg elementa može se izlučiti urinom dnevno. Prema tome, negativni učinak aluminijevih spojeva može utjecati samo na osobe koje pate od oslabljene funkcije bubrega.