Russian Chemical Community
 
Пользовательский поиск
   главная
  предприятия
  марки сплавов
  соединения
  синтезы
  объявления
  ► информация
  рефераты
  архив
  актуально
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ  Э  Ю  Я  

Алюминий - химические свойства элемента

   Поделиться ссылкой :    LiveJournal Facebook Я.ру ВКонтакте Twitter Одноклассники Мой Мир FriendFeed Мой Круг

Алюминий-самый распространенный металл в земной коре. Его содержание оценивают в 7.45 % (больше, чем железа, которого только 4.2 %). Алюминий как элемент открыт недавно-в 1825 г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения относится к концу прошлого столетия. Толчком к   этому послужила разработка в 1886 г. способа его получения путем электролиза глинозема, растворенного в криолите. Принцип способа лежит в основе современного промышленного извлечения алюминия   из глинозема во всех странах мира. По внешнему виду алюминий представляет собой блестящий серебристый белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой матовой пленкой Al O . Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким.

Наиболее характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная плотность, равная 2.7, а также сравнительно высокие тепло- и электропроводность. При 0 C удельная электропроводность алюминия, т.е. электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм и длиной 1 м равна 37 1 ом. Коррозионная стойкость и особенно электропроводность алюминия тем выше, чем он чище, чем меньше в нем примесей. Температура плавления алюминия невысокая, она равна приблизительно 660 C. Однако скрытая теплота плавления его очень большая-около 100 кал г , поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход теп­ла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди, у   которой температура плавления 1083 C, скрытая теплота плавле­ния 43 кал г. Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая прочность. Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм, а твердость НВ25, =80% и =35%. Кристаллическая решетка алюминия представляет собой гранецентриро­ванный куб, имеющий при 20 C параметр (размер стороны) 4.04 . Алло­тропических превращений алюминий не имеет. В природе аллюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, не­фелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.

Качественные ленточные шторы - заказывайте

Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводимых этапов-сначала производят глинозем (Al2O3 ) , а затем из него получают алюминий. Получение металлического алюминия из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части: на алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF3   3NaF). Криолит, обладая способностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 C, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85 % криолита и 15 % глинозема, равна 935 C. Схема электролиза глинозема достаточно проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии. В поду ванны с хорошей теплоизоляцией 1 и угольной набивкой 2 заложены катодные шины 3, соединенные с отрицательным полюсом источника электрического тока. К анодной шине 4 присоединены электроды 5. Перед началом электролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электроды опускают до соприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная набивка накалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя расплавленного криолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета 15% к количеству криолита. Процесс происходит при 950-1000 C. Под действием электрического тока глинозем разлагается алюминий и кислород. Жидкий алюминий 6 скапливается на угольной подине (дно уго­льной ванны), являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом анодов, постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Гли­нозем периодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей части постепенно опускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через определенные промежутки времени выпускают в ковш 8. При электролизе на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, 0.6 т угольных электродов, служащих анодами, 0.1 т криолита и от 17000 до 18000 квт ч электроэнергии. Полученный при электролизе глинозема алюминий-сырец содержит метал­лические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, пре­дставляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоя­нии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэ­тому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газо­образные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами. После рафинирования получают торговые сорта алюминия. Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации алюминия. Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются железо и кремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не раст­воряется в алюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения. С кремнием алюминий образует эвтектическую механичес­кую смесь при 11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной температуре очень мала (0.05%), то даже при его незначительном коли­честве он образует эвтетику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800) хрупких кристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия. При совместном присутствии кремния и железа образуется тройное хими­ческое соединение и тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность. У нас в стране в зависимости от количества примесей установлены три­надцать марок алюминия, выпускаемых промышленностью. Чистота алюминия разных марок                                                              
Группа чистоты МаркаСодержание алюминия, % не менее
Особой чистоты А999 99.999
Технической чистоты А85 99.85
А8 99.80
А 7 99.70
А 6 99.60
А5 99.50
А 0 99.00
А 99.00
АЕ 99.50
Высокой чистоты А995 99.995
А99 99.99
А97 99.97
А95 99.95
Контролируемыми примесями в алюминии являются железо, кремний, медь и титан. Алюминий всех марок содержит более 99 % Al. Количественное же превышение этой величины в сотых или десятых долях процента указывают в названии марки после начальной буквы А. Так, в марке А85 содержится 99.85 % Al. Исключение из этого принципа маркировки составляют марки ААЕ, в которых содержание алюминия такое же, как в марках А 0 и А5, но другое соотношение входящих в состав примесей железа и кремния. Буква Е в марке АЕ означает, что алюминий данной марки предназначается для производства электропроводов. Дополнительным требованием к свойствам алюминия является низкое электросопротивление, которое для проволоки, изготовленной из него, должно быть не более 0.0280 ом мм   м при 20 C. Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе, свойства которых требуют большой степени его чистоты. В зависимости от назначения алюминий можно производить в различном виде. Алюминий всех марок (высокой и технической чистоты), предназначенный для переплавки, отливают в виде чушек массой 5; 15 и 1000 кг.

Их предельные величины следущие: высота от 60 до 600 мм, ширина от 93 до 800 мм и длина от 415 до 1000 мм. Если же алюминий предназначается для проката листа и ленты, то непрерывным или полунепрерывным методом отливают плоские слитки семнадцати размеров. Толщина их колеблется в пределах от 140 до 400 мм, ширина от 560 до 2025 мм, а масса 1 м длины слитка от 210 до 2190 кг. Длину слитка согласовывают с заказчиком. Основным видом контроля алюминия как в чушках, так и в плоских слитках, является проверка химического состава и его соответсвие марочному. К чушкам и слиткам, предназначенным для обработки давлением, предьявляют дополнительные требования, такие, например, как отсутсвие раковин, газовых пузырей, трещин, шлаковых и других посторонних включений. Для раскисления стали в процессе ее выплавки, а также для производства ферросплавов и для алюмотермии можно применять более дешевый алюминий меньшей чистоты, чем это указано таблице "Чистота алюминия разных марок". Для этой цели промышленность выпускает шесть марок алюминия в чушках массой от 3 до 16.5 кг, содержащих от 98.0 до 87.0 % Al. В них содержание железа достигает 2.5 %, а кремния и меди до 5 % каж­дого. Применение алюминия обусловлено особенностью его свойств. Сочетание легкости с достаточно высокой электропроводностью позволяет применять алюминий как проводник электрического тока, заменяя им более дорогую медь. Разницу в электропроводности меди (63 1 ом) и алюминия (37 1 ом) компенсируют   увеличением сечения алюминиевого провода. Малая масса алюминиевых проводов делает возможным осуществлять их подвеску при значительно большем, чем в случае медных проводов, расстоянии между опорами, не опасаясь обрыва проводов под влиянием собственного веса. Из него изготовляют также кабели, шины, конденсаторы, выпрямители. Высокая коррозионная стойкость алюминия делает его в ряде случаев незаменимым материалом в химическом машиностроении, например для изготов­ления аппаратуры, применяющейся при производстве, хранении и перевозке азотной кислоты и ее производных. Широко его применяют также в пищевой промышленности из него изготовляют разнообразную посуду для приготовления пищи. При этом используют не только его стойкость к действию органических кислот, но также и вы­сокую теплопроводность. Высокая пластичность позволяет раскатывать алюминий в фольгу , кото­рая в настоящее время полностью заменила применявшуюся ранее более до­рогую оловянную фольгу. Фольга служит упаковкой для самых разнообразных пищевых продуктов: чая, шоколада, табака, сыра и др. Алюминий применяют так же, как антикоррозионное покрытие других ме­таллов и сплавов. Его можно наносить плакированием, диффузионной металлизацией и другими способами, включая покраску алюминийсодержащими красками и лаками. Особенно сильно распространено плакирование алюми­нием плоского проката из менее коррозионноустойчивых алюминиевых сплавов.

Химическую активность алюминия по отношению к кислороду используют для раскисления при производстве полуспокойной и спокойной стали и для получения трудновосстановимых металлов путем вытеснения алюминием из их кислородных соединений. Сырьё. Боксит   является лучшим и во всем мире основным сырьем для получения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По химическому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема с окислами железа, кремния, титана и других элементов. Наиболее распространенными гидратами глинозема, вхо­дящими в состав бокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидрар­геллит. Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении ко­леблется в очень широких пределах-от 35 до 70%. Входящие в состав боксита минералы образуют очень тонкую смесь, что затрудняет обогащение. В промышленности в основном применяют сырую ру­ду.

Процесс извлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и состоит из двух стадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него получают алюминий. На территории СНГ залежи бокситов распределены неравномерно, и бокситы разных месторождений неравноценны по качеству. Месторождения наиболее высококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы бокситов имеются также в Европейской части СНГ и в Западном Казахстане. У нас в стране все добываемые бокситы разделены на десять марок. Основное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента глинозема и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема. Кремниевый модуль является очень важным показателем качества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и тех­нология переработки. Нефелин  -минерал светло-серого или зеленоватого цвета.

Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O . Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленно­сти. Алунит (квасцовый камень) -минерал белого, серого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O . Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей. Каолин -распространенная горная порода. По внешнему виду это белая землянистая масса, являющаяся продуктом разрушения кристаллических пород-гранитов, гнейсов и др. Твердость около 1, содержит 37.5 % Al O . Каолин применяют для производства фарфоро­вых и фаянсовых изделий, изоляторов, а также как наполнитель в рези­новой промышленности. Глинозем является концетратом, получаемым из различных алюминиевых руд. Его поставляют в виде белого кристаллического порошка. Для производства первичного алюминия предназначен глинозем марок ГА85, ГА8, ГА 6 и ГА5. Буквенная часть марок указывает на область при­менения глинозема, а цифры на степень чистоты получаемого алюминия: это сотые и десятые доли процента сверх 99 %. Например, марка ГА85- глинозем для получения алюминия со степенью чистоты 99.85 %, а марка ГА5-то же, но со степенью чистоты 99.5 %.