Свойства и применение алюминия

21

Реферат

Тема: Свойства и применение алюминия

Содержание

Введение

1. История

2. Получение

3. Физические свойства

4. Нахождение в природе

5. Химические свойства

6. Производство

7. Применение

7.1 В качестве восстановителя

7.2 Сплавы на основе алюминия

7.3 Алюминий как добавка в другие сплавы

7.4 Ювелирные изделия

7.5 Стекловарение

7.6 Пищевая промышленность

7.7 Алюминий и его соединения в ракетной технике

8. Алюминий в мировой культуре

Заключение

Список литературы

Введение

Алюмимний -- элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) -- лёгкий, немагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

По некоторым биологическим исследованиям поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера[2][3], но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался[4][5][6].

Свойства атома

Атомная масса

(молярная масса) 26,981539 а. е. м. (г/моль)

Радиус атома 143 пм

Энергия ионизации

(первый электрон) 577,2(5,98) кДж/моль (эВ)

Электронная конфигурация [Ne] 3s2 3p1

Химические свойства

Ковалентный радиус 118 пм

Радиус иона 51 (+3e) пм

Электроотрицательность

(по Полингу) 1,61

Электродный потенциал -1,66 в

Степени окисления 3

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность 2698,9 кг/мі 2,6989 г/смі

Молярная теплоёмкость 24,35[1] Дж/(K·моль)

Теплопроводность 237 Вт/(м·K)

Температура плавления 933,5 K

Теплота плавления 398 кДж/кг 10,75 кДж/моль

Температура кипения 2792 K

Теплота испарения 10,53 МДж/кг 284,1 кДж/моль

Молярный объём 10,0 смі/моль

Кристаллическая решётка простого вещества

Структура решётки кубическая гранецентрированая

Параметры решётки 4,050 Е

Отношение c/a --

Температура Дебая 394 K

1. История

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.

2. Получение

Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Для производства 1 т алюминия требуется 1,9 т глинозёма[источник не указан 67 дней] и 18 тыс. кВт·ч электроэнергии.

3. Физические свойства

Металл серебристо-белого цвета, легкий, плотность 2,7 г/смі, температура плавления у технического 658 °C, у алюминия высокой чистоты 660 °C, температура кипения 2500 °C, временное сопротивление литого 10-12 кг/ммІ, деформируемого 18-25 кг/мм2,сплавов 38-42 кг/ммІ.

Твердость по Бринеллю 24-32 кгс/ммІ, высокая пластичность: у технического 35 %, у чистого 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.

Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами.

4. Нахождение в природе

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al, со следами 26Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 000 лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей.

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.[7]

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах). Вот некоторые из них:

Бокситы -- Al2O3 * H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)

Нефелины -- KNa3[AlSiO4]4

Алуниты -- KAl(SO4)2 * 2Al(OH)3

Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)

Корунд -- Al2O3

Полевой шпат (ортоклаз) -- K2OЧAl2O3Ч6SiO2

Каолинит -- Al2O3Ч2SiO2 Ч 2H2O

Алунит -- (Na,K)2SO4ЧAl2(SO4)3Ч4Al(OH)3

Берилл -- 3ВеО * Al2О3 * 6SiO2

5. Химические свойства

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако, при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

с кислородом:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

с галогенами:

2Al + 3Br2 = 2AlBr3

с другими неметаллами реагирует при нагревании:

с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al2S3

с азотом, образуя нитрид алюминия:

2Al + N2 = 2AlN

с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al + 3С = Al4С3

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S­

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4­

Со сложными веществами:

с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2­

со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2­

2(NaOH*H2O) + 2Al = 2NaAlO2 + 3H2

Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2­

2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2

При нагревании растворяется в кислотах -- окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

2Al + 6H2SO4(конц) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Al + 6HNO3(конц) = Al(NO3)3 + 3NO2­ + 3H2O

восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe

2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

6. Производство

Одна красивая, но, вероятно, неправдоподобная легенда из «Historia naturalis» гласит, что однажды к римскому императору Тиберию (42 год до н. э. -- 37 год н. э.) пришёл ювелир с металлической, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной, якобы из глинозёма -- Al2O3. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опасаясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал, на всякий случай, отрубить человеку голову. Очевидно, данная легенда весьма сомнительна, так как самородный алюминий в природе не встречается в силу своей высокой активности и во времена Римской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюминий из глинозёма.

Лишь почти через 2000 лет -- в 1825 году, датский физик Ханс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида алюминия.

До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился.

Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль 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, основываясь на технологии, предложенной русским ученым Николаем Бекетовым, был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме. 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 путем в период с 1854 по 1890 год.

Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом во Франции и Полем Эру в США в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые 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 Волхове. 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: Китай (в 2007 году произвёл 12,60 млн. т, а в 2008 -- 13,50 млн. т), Россия (3,96/4,20), Канада (3,09/3,10), США (2,55/2,64), Австралия (1,96/1,96), Бразилия (1,66/1,66), Индия (1,22/1,30), Норвегия (1,30/1,10), ОАЭ (0,89/0,92), Бахрейн (0,87/0,87), ЮАР (0,90/0,85), Исландия (0,40/0,79), Германия (0,55/0,59), Венесуэла (0,61/0,55), Мозамбик (0,56/055), Таджикистан (0,42/0,42).[8]

В России фактическим монополистом по производству алюминия является ОАО «Русский алюминий», на который приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма.[9]

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 заменены, например, на композитные материалы.

7. Применение

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве -- лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала -- малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий). Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 2 раза дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является прочная оксидная плёнка, затрудняющая спаивание. Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании. Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике. Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал. В производстве строительных материалов как газообразующий агент. Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование. Сульфид алюминия используется для производства сероводорода. Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

7.1 В качестве восстановителя

Как компонент термита, смесей для алюмотермии

Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов

7.2 Сплавы на основе алюминия

Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов. Алюминиево-марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым. Алюминиево-медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками. Сплав с бомльшим содержанием меди по цвету внешне очень похож на золото, и его иногда применяют для имитации последнего. Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов. Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.

7.3 Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты -- медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

7.4 Ювелирные изделия

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

7.5 Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

7.6 Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

7.7 Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

Алюминий: горючее в ракетных топливах. Применяется в виде порошка и суспензий в углеводородах и др.

Гидрид алюминия

Боранат алюминия

Триметилалюминий

Триэтилалюминий

Трипропилалюминий

8. Алюминий в мировой культуре

Поэт Андрей Вознесенский написал в 1959 году стихотворение «Осень»[10], в котором использовал алюминий в качестве художественного образа:

…А за окошком в юном инее

лежат поля из алюминия…

Виктор Цой написал песню «Алюминиевые огурцы» с припевом:

Сажаю алюминиевые огурцы

На брезентовом поле

Я сажаю алюминиевые огурцы

На брезентовом поле

Заключение

Как индивидуальный представитель периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, элемент характеризуется уникальными химическими и физическими свойствами/

Элемент имеет большое народнохозяйственное значение и играет большую роль в мировой культуре.

Список литературы

1. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. -- Москва: Советская энциклопедия, 1988. -- Т. 1. -- С. 116. -- 623 с. -- 100 000 экз.

2. Shcherbatykh I, Carpenter DO (May 2007). The role of metals in the etiology of Alzheimer's disease // J. Alzheimers Dis. 11 (2): 191--205.

3. Rondeau V, Commenges D, Jacqmin-Gadda H, Dartigues JF (July 2000). Relation between aluminum concentrations in drinking water and Alzheimer's disease: an 8-year follow-up study // Am. J. Epidemiol. 152 (1): 59-66

4. Rondeau V (2002). A review of epidemiologic studies on aluminum and silica in relation to Alzheimer's disease and associated disorders // Rev Environ Health 17 (2): 107-21.

5. Martyn CN, Coggon DN, Inskip H, Lacey RF, Young WF (May 1997). Aluminum concentrations in drinking water and risk of Alzheimer's disease // Epidemiology 8 (3): 281-6.

6. Graves AB, Rosner D, Echeverria D, Mortimer JA, Larson EB (September 1998). Occupational exposures to solvents and aluminium and estimated risk of Alzheimer's disease // Occup Environ Med 55 (9): 627-33.

7. Н.В. Короновский, А. Ф. Якушова. Основы геологии

8. MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2009

9. Производство первичного алюминия в мире и в России

10. А. Вознесенский. Осень