Химия металлов. Алюминий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химия металлов. Алюминий

Историческая справка об элементе

В 1807 году английский химик Хэмфри Дэйви открыл вещество под названием "alum" ("квасцы"), которое представляло собой соль неизвестного металла, этот металл был назван им "алюмиум". Позднее, это название было преобразовано в "aluminium" ( "алюминий"). Дэйви безуспешно пытался выделить этот металл с помощью электролиза.

В 1825 году датскому физику Орстеду удалось выделить алюминий, как отдельный элемент.

Немецкий учёный Фридрих Вёхлер в 1845 году провёл обширные исследования по изучению свойств этого металла, одно из которых была его необычайная лёгкость.

В 1854 году француз Анри Сэнт-Клэр Девиль разработал процесс получения алюминия с помощью натрия, но это оказалось слишком дорого и выход металла ограничивался лишь несколькими килограммами. Но именно благодаря этому, многие учёные Европы взяли на вооружение этот метод, и работы по изучению алюминия пошли полным ходом.

В 1886 году Поль Эру во Франции и Чарльз Холл из Огайо одновременно изобрели способ получения алюминия с помощью плавления. Следует отметить один интересный факт: оба они родились в 1863 году и умерли в 1914 в возрасте 51 года. Способ, открытый ими, используется при получении алюминия и поныне. В 1888 году метод Холла-Эру был улучшен австрийцем Карлом Вайером, который заменил оксид алюминия в качестве исходного сырья на бокситы. Это открытие и предопределило дальнейшую судьбу аллюминия - в 1890 году цены на алюминий упали на 80%. Теперь он стал промышленным металлом, но как его использовать?Энтузиазм, относительно нового материала и способов его применения был огромен. К этому времени он уже прочно вошёл в произведения таких писателей-фантастов , как Жюль Верн, в качестве основного материала для строительства воздушных кораблей и ракет . Но открытия делались не только в области металлургии - в 70-х годах 19 века были получены первые органические пластмассы. Примерно в это же время были освоены производства резины и многослойной фанеры. Всё это в комплексе и определило стремительное развитие алюминиевой промышленности. Достаточно сказать, что с 200 тонн в 1885 году производство алюминия выросло к 1998 году до 22 миллионов тонн.

Нахождение в природе

По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода (O) и кремния (Si)), на его долю приходится около 8,8% массы земной коры. Алюминий входит в огромное число минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты, базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов -- главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты и нефелины. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, -- некоторые плауны, моллюски.

Промышленное получение

При промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния (Si), железа (Fe) и других элементов. В результате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al2O3 -- основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al2O3 очень высока (более 2000°C), использовать его расплав для электролиза не удается. Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит Na3AlF6 (температура расплава немного ниже 1000°C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al2О3 (до 10% по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий: 2Al2О3 = 4Al + 3О2. Так как анодом при электролизе служит графит, то выделяющийся на аноде кислород (O) реагирует с графитом и образуется углекислый газ СО2. При электролизе получают металл с содержанием алюминия около 99,7%. В технике применяют и значительно более чистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99,999% и более.

Физические свойства алюминия

Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки. Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная. Свойства алюминия, как и всех металлов, в значительной степени зависят от его чистоты. Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м3; tпл 660,24°С; tкип около 2500°С; коэффициент термического расширения (от 20° до 100°С) 23,86·10-6; теплопроводность (при 190°С) 343 вт/м·К [0,82 кал/(см·сек·°С)], удельная теплоемкость (при 100°С) 931,98 дж/кг·К. [0,2226 кал/(г·°С)]; электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50-60 Мн/м2), твердостью (170 Мн/м2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м2, твердость - до 270 Мн/м2, относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м2~ и 0,1 кгс/мм2).

Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al2О3, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.

Химические свойства алюминия

Алюминий - металл. На внешнем электронном слое у атома алюминия три электрона в состоянии … .В реакциях алюминий отдает эти электроны и превращается в положительно заряженный ион .Алюминий - сильный восстановитель, он находится в левой части электрохимического ряда напряжений металлов. Алюминий реагирует со многими простыми и сложными веществами.

I)Взаимодействие алюминия с простыми веществами

1)при взаимодействии с галогенами образуются галогениды:

(хлорид алюминия)

(бромид алюминия)

2)Алюминий легко соединяется с кислородом при комнатной температуре,при этом на поверхности алюминия образуется оксидная пленка (слой ). Эта пленка очень тонкая (мм),но прочная.Она защищает алюминий от дальнейшего окисления, поэтому называется защитной пленкой:

3)при взаимодействии с серой образуется сульфид:

(сульфид алюминия)

4)при взаимодействии с азотом при высокой температуре образуется нитрид:

5)при очень высокой температуре алюминий взаимодействует с углеродом и образует карбид:

II) Взаимодействие алюминия со сложными соединениями

1)если на поверхности алюминия удалить оксидную пленку, то он активно взаимодействует с водой:

2)при высокой температуре алюминий реагирует с оксидами металлов, при этом образуется свободный металл и оксид алюминия. Взаимодействие алюминия при высокой температуре с оксидами металлов называется алюминотермией. Алюминотермию используют в металлургии для получения металлов:

3)Взаимодействия алюминия со щелочами.

Алюминий, как и другие металлы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды, взаимодействует с растворами щелочей. Алюминий при обычных условиях покрыт защитной пленкой оксида . При погружении алюминия в раствор щелочи эта пленка растворяется:

Освобожденный от защитной пленки алюминий, будучи активным металлом, взаимодействует с водой подобно щелочным и щелочноземельным металлам:

(1)

Образовавшийся гидроксид алюминия, являясь амфотерным гидроксидом ,взаимодействует со щелочью:

(2)

Складывая уравнения (1) и (2) ,получаем суммарное уравнение взаимодействия алюминия с раствором щелочи :

4)взаимодействие с разбавленными кислотами:

А)

3 2 окисление

вост-ль 6

2 3 востановление

окис-ль

= = 1.662 В

= -6*96500*1.662= -962 кДж/моль

Реакция термодинамически возможна, т.к.

Б)

3 8 окисление

вост-ль

8 3 востановление

окис-ль

= =0.732 В

= -6*96500*0.732= -1695 кДж/моль

Реакция термодинамически возможна, т.к.

В)

3 2 окисление

вост-ль 6

6 1 востановление

окис-ль

= =1.962 В

= -6*96500*1.962 = -1136 кДж/моль

Реакция термодинамически возможна, т.к.

5)А)взаимодействие с концентрированной серной кислотой при нагревании:

алюминий коррозия металл

3 2 окисление

вост-ль 6

2 3 востановление

окис-ль

= =1.182 В

= -6*96500*1.182= -684 кДж/моль

Реакция термодинамически возможна, т.к.

На холоду алюминий не взаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею.

Б) с концентрированной азотной кислотой алюминий не реагирует. Она пассивирует алюминий. Поэтому концентрированную азотную кислоту хранят в алюминиевых емкостях.

Взаимодействия между металлами. Диаграммы состояния

Al образует с О устойчивое соединение ,которое обладает большим числом модификаций. Наиболее изученной и стабильной является (корунд)-модификация, отличающаяся высокой огнеупорной стойкостью. Кристалическая решетка ромбоэдрическая. Растворимость О в Al ничтожна мала и не превышает 0,067% (ат.) О.Здесь приводится диаграмма состояния ,построенная в результате обобщения экспериментальных данных. Между Al и имеется расслоение в жидком состоянии. При этом температура монотектического превращения близка к температуре плавления (2046,5 С),а температура эвтектического превращения практически совпадает с температурой плавления чистого Al.

Al образует с Р соединение AlP, обладающее кубической структурой. Температура плавления AlP 2530С. На диаграмме как со стороны Al, так и со стороны Р кристаллизуются вырожденные эвтектики, температура которых близка к температуре плавления Al и Р.

В системе Al-С образуется карбид ,имеющий ромбоэдрическую сингонию. Диаграмма состояния построена путем теоретического расчета.

Диаграмма состояния Al-Ca построена по результатам термического, микроскопического исследований и измерения электросопротивления в зависимости от температуры.

Коррозия и защита от коррозии

Легкие сплавы на основе алюминия ( дюралюминий, и алюминиево-магниевые сплавы) являются материалом для изготовления корпусов большинства серийных катеров и мотолодок. Во время плавания, особенно в морской воде такие корпуса подвергаются электрохимической коррозии, обусловленной разностью потенциалов между разнородными металлами, входящими в состав сплава и образующими группы гальванических элементов в электролите ( в данном случае - воде). При этом возникает поток свободных электронов, направленный от металла с более отрицательным потенциалом ( анода ) к металлу, расположенному в ряду потенциалов ближе к нулевому и играющему роль катода.

Долговечность корпуса, выполненного из алюминиевого сплава, во многом зависит от качественной защиты от общей коррозии и своевременного восстановления лакокрасочного покрытия.

Относительно стойкости к коррозии показательны результаты, полученные в США при испытаниях образцов из сплавов 5083 ( содержание магния 4,0-4,9 %) и 5086 ( содержание магния 3,5-4,5% )в морской воде в условиях тропиков. Уменьшения прочности металла после 7 лет выдержки в воде не наблюдалось. На пластине в из сплава 5083 после 5 лет глубина коррозионных раковин не превышала 0.4 мм, а на пластине из сплава 5086 после 6 лет - 0,9 мм.

Для строительства отечественных сварных лодок и катеров применяются сплавы со сходными характеристиками ( AMr, AMr5 и AMr61 ). Корпуса этих сплавов ( например корпус лодки «Крым») покрываются несколькими защитно-декоративными слоями. Система защиты состоит из одного слоя фосфатирующей грунтовки ВЛ-02 и двух слоев пентафталевой эмали ПФ -115. Для достижения большей прочности эмаль сушат при температуре 70-80 С 30-45 минут.

Однако в эксплуатации находится еще очень большое количество дюралевых лодок клепаной конструкции ( «казанка», «прогресс» и.т.д.), коррозионная стойкость которых обеспечивается заводской плакировкой и грунтованием.

Начало коррозии проявляется виде темных точек на корпусе, а так же серых или белых беловатых пятен. Наиболее часто коррозия появляется внутри лодки, в местах, где скапливается вода. С наружной стороны корпуса особое внимание следует обратить на днище в районе килевого профиля и в соединении листов обшивки по скуле, т.е. там где защитное покрытие быстрее всего истирается при эксплуатации и в местах с большим количеством заклепок.

Обычно коррозию разделяют на общую и местную. При общей коррозии одновременно разрушается тонкий слой металла по всей площади корпуса. При местной коррозии разрушение происходит на локальных участках поверхности, где вкрапления металла служат анодом, тогда как остальная поверхность состоит из менее активного металла. Поскольку местная коррозия локализуется на небольших участках, она протекает особенно интенсивно и, если не принять соответствующих защитных мер, оканчивается разрушением детали. Наиболее распространенными видами такой коррозии являются контактная и щелевая коррозия.

Контактная коррозия возникает при непосредственном соприкосновении двух металлов в разными электрическими потенциалами. Она так же возникает и в конструкциях из однородных металлов, если для соединения деталей применена сварка, заклепки или болты. Даже металл сварочного шва, незначительно отличающийся по своим электрохимическим свойствам от металла корпуса, может образовать с ним гальваническую пару. Интенсивность контактной коррозии определяется разностью электродных потенциалов соприкасающихся металлов. В такой паре разрушается металл с более отрицательным потенциалом. Для морской воды, где коррозия проявляется гораздо сильнее, чем в пресной, металлы обладают следующими относительными потенциалами ( в вольтах);

магниевые сплавы - 1.51

Цинк - 1.09

Алюминиево - марганцевые сплавы - 0.75

Кадмий - 0.73

Алюминий - 0.64

Железо - 0.55

Нержавеющие стали ( активные) - 0.53

Свинец - 0.51

Никель - 0.25

Латунь, медь, бронза - 0.22

Медно-никилевые сплавы - 0.20

Нержавеющие стали ( пассивные) - 0.15

Монель металл - 0.10

Серебро - 0.05

Титан + - 0.15

Следует учитывать что для пресной воды относительные потенциалы имеют гораздо меньшие значения, однако положение металлов по электрохимическим свойствам в ряду остается прежним. Для снижения контактной коррозии необходимо в соединении использовать пары металлов, близкие по своим потенциалам.

Щелевая коррозия возникает в узких зазорах, неплотностях соединений, куда затруднен свободный доступ воды, обогащенной кислородом. Металл в таком зазоре становиться анодом по отношению к остальной поверхности корпуса и подвергается разрушению.

На клепанных корпусах из дюралюминия очагами коррозии чаще всего становятся заклепочные швы. Кроме щелевой коррозии в нахлёсте листов и профилей могут интенсивно разрушаться заклепки, особенно если они сделаны из металлов с другим химическим составом, чем корпус и получили сильный наклёп. В любом случае заклёпки разрушаются особенно интенсивно из- за большой разнице в их площади и общей площади поверхности обшивки.

Установить оборудование и дельные вещи на корпусе и палубе из дюралюминия лучше с помощью крепежа из металла с более высоким ( ближе к нулевому) потенциалом, чем основной металл. Латунный и медный крепеж использовать нельзя - алюминий быстро разрушается даже в пресной воде или на влажном воздухе. Необходимо также избегать зазоров в соединениях, как между деталями, так и между крепежом и деталью, используя, где можно, уплотняющие прокладки, компаунды, и герметики.

Для избежания этого выпускаются специальные сплавы для получения блестящих поверхностей путём блестящего анодирования - нанесения на поверхность металла оксидной плёнки. При этом поверхности можно придавать множество цветов и оттенков. Например, сплавы алюминия с кремнием позволяют получить гамму оттенков от серого до чёрного.Золотой цвет имеют сплавы алюминия с хромом.

Применение и перспективы применения в технике, быту и т.д.

Еще Д.И.Менделеев писал, что «металлический алюминий, обладая большою легкостью и прочностью и малою изменчивостью на воздухе, очень пригоден для некоторых изделий». Алюминий - один из самых распространенных и дешевых металлов. Без него трудно представить себе современную жизнь. Недаром алюминий называют металлом 20 века. Он хорошо поддается обработке: ковке, штамповке, прокату, волочению, прессованию. Чистый алюминий - довольно мягкий металл; из него делают электрические провода, детали конструкций, фольгу для пищевых продуктов, кухонную утварь и «серебряную» краску. Этот красивый и легкий металл широко используют в строительстве и авиационной технике. Алюминий очень хорошо отражает свет. Поэтому его используют для изготовления зеркал - методом напыления металла в вакууме.

В авиа- и машиностроении, при изготовлении строительных конструкций, используют значительно более твердые сплавы алюминия. Один из самых известных - сплав алюминия с медью и магнием (дуралюмин, или просто «дюраль»; название происходит от немецкого города Дюрена). Этот сплав после закалки приобретает особую твёрдость и становится примерно в 7 раз прочнее чистого алюминия. В то же время он почти втрое легче железа. Его получают, сплавляя алюминий с небольшими добавками меди, магния, марганца, кремния и железа. Широко распространены силумины - литейные сплавы алюминия с кремнием. Производятся также высокопрочные, криогенные (устойчивые к морозам) и жаропрочные сплавы. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Легкость и прочность алюминиевых сплавов особенно пригодились в авиационной технике. Например, из сплава алюминия, магния и кремния делают винты вертолетов. Сравнительно дешевая алюминиевая бронза (до 11% Al) обладает высокими механическими свойствами, она устойчива в морской воде и даже в разбавленной соляной кислоте. Из алюминиевой бронзы в СССР с 1926 по 1957 чеканились монеты достоинством 1, 2, 3 и 5 копеек.

В настоящее время четвертая часть всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% - в электротехнике.

Алюминий содержат также многие горючие и взрывчатые смеси. Алюмотол, литая смесь тринитротолуола с порошком алюминия, - одно из самых мощных промышленных взрывчатых веществ. Аммонал - взрывчатое вещество, состоящее из аммиачной селитры, тринитротолуола и порошка алюминия. Зажигательные составы содержат алюминий и окислитель - нитрат, перхлорат. Пиротехнические составы «Звездочки» также содержат порошкообразный алюминий.

Смесь порошка алюминия с оксидами металлов (термит) применяют для получения некоторых металлов и сплавов, для сварки рельсов, в зажигательных боеприпасах.

Алюминий нашел также практическое применение в качестве ракетного топлива. Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сгорании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Идею использования алюминия в качестве горючего еще в 1924 предложил отечественный ученый и изобретатель Ф.А.Цандер. По его замыслу можно использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время твердых ракетных топлив содержат металлический алюминий в виде тонкоизмельченного порошка. Добавление 15% алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя - главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия.

-- в электротехнике

-- для производства легких сплавов (дюралюмин, силумин) в самолето- и автомобилестроении

-- для алитирования чугунных и стальных изделий с целью повышения их коррозионной стойкости

-- для термической сварки

-- для получения редких металлов в свободном виде

-- в строительной промышленности

-- для изготовления контейнеров, фольги и т.п.

Пути поступления в организм

Основным источником поступления алюминия в организм человека является пища. Например, чай может содержать алюминия от 20 до 200 раз больше, чем вода, на которой он приготовлен. К числу других источников относятся вода, атмосферный воздух, лекарственные препараты, алюминиевая посуда (есть данные, что после термической обработки в такой посуде содержание алюминия в пище возрастает), дезодоранты и пр. С водой поступает не более 5 - 8% от суммарно поступающего в организм человека количества алюминия. Совместный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам установил величину переносимого суточного потребления (ПСП) на уровне 1 мг/кг веса. То есть суточное потребление алюминия взрослым человеком может достигать 60-90 мг, хотя на практике редко превышает 35-49 мг и сильно зависит от индивидуальных особенностей организма и режима питания.

Потенциальная опасность для здоровья

Метаболизм алюминия у человека изучен недостаточно, однако известно, что неорганический алюминий плохо всасывается и большая часть его выводится с мочой. Алюминий обладает низкой токсичностью для лабораторных животных. Тем не менее, отдельные исследования показывают, что токсичность алюминия проявляется во влиянии на обмен веществ, в особенности минеральный, на функцию нервной системы, в способности действовать непосредственно на клетки - их размножение и рост. Избыток солей алюминия снижает задержку кальция в организме, уменьшает адсорбцию фосфора, одновременно в 10-20 раз увеличивается содержание алюминия в костях, печени, семенниках, мозге и в паращитовидной железе. К важнейшим клиническим проявлениям нейротоксического действия относят нарушение двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психопатические реакции. В некоторых исследованиях алюминий связывают с поражениями мозга, характерными для болезни Альцгеймера (в волосах больных наблюдается повышенное содержание алюминия). Однако имеющиеся на данный момент у Всемирной Организации Здравоохранения эпидемиологические и физиологические данные не подтверждают гипотезу о причинной роли алюминия в развитии болезни Альцгеймера. Поэтому ВОЗ не устанавливает величины концентрации алюминия по медицинским показателям, но в то же время наличие в питьевой воде до 0.2 мг/л алюминия обеспечивает компромисс между практикой применения солей алюминия в качестве коагулянтов и органолептическими параметрами питьевой воды.

Физиологическое значение

Алюминий способствует эпителизации кожи и костных тканей, активизирует ряд пищеварительных ферментов. Суточная потребность в алюминии взрослого человека 35-49 мг. Общее содержание алюминия в суточном смешанном рационе составляет 80 мг. В повседневной жизни мы получаем его в основном из хлебопродуктов.

Список использованной литературы

1) “Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов.” Справочное руководство. Редакционная коллегия И.В. Горынин и др. Москва «Металлургия», 1978 г.

2) “Алюминий. Свойства и физическое металловедение.” Справочник. Дж.Е.Хэтч. Москва «Металлургия», 1989 г.

3) “Диаграммы состояния двойных металлических систем” (том 1) .Справочник в трех томах. Редакционная коллегия Н.П.Лякишев и др. Москва “Машиностроение”,1996 г.

4) “Репетитор по химии под редакцией А.С.Егорова” (13-е издание). Редакционная коллегия А.С.Егоров и др. Ростов-на-Дону “Феникс”, 2005 г.

Размещено на Allbest.ru