Kaj je aluminij: formula, reakcije, lastnosti in aplikacije

Aluminij je element tretjega obdobja periodnega sistema z atomsko številko 13. Glede na razširjenost je prvi med kovinami in tretji med kemičnimi elementi zemeljske skorje (po kisiku in siliciju). Spoznajmo, kaj je aluminij in kakšne lastnosti ima.

Splošne značilnosti

Torej, kaj je aluminij? Najprej je to lahka paramagnetna kovina belo-srebrne barve, ki je zelo obdelana (litje, oblikovanje, strojna obdelava itd.). Kemijska formula aluminija je znana vsem iz šolskega predmeta kemije - Al. Ima visoko električno in toplotno prevodnost ter odpornost proti korozijskim procesom. Slednjo lastnost povzroča sposobnost aluminija, da hitro oblikuje oksidne filme, ki ščitijo njegovo površino.

Zgodovinsko ozadje

Svetovna skupnost se je leta 1825 naučila, kaj je aluminij, zahvaljujoč danskemu fiziku Hansu Oerstedu. Znanstvenik je izvedel interakcijo kalijevega amalgama z aluminijevim kloridom, ki mu je sledila ekstrakcija živega srebra. Kemični element je dobil ime po latinski besedi alumen, ki se prevaja kot "alum".

Pred odkritjem industrijske metode izdelave aluminija je bila ta kovina vrednotena več kot zlato. Leta 1889 je želel častiti veličasten dar D.I. Mendeleev, Britanci so mu izročili lestvico iz zlata in aluminija.

Pridobivanje

Kovina tvori močno vez s kisikom - aluminijevim oksidom. V primerjavi z drugimi znanimi kovinami je pridobivanje iz rude težje. Razlog za to je visoka reaktivnost in visoko tališče aluminija in še posebej njegovih rud. Metoda neposredne redukcije z ogljikom se ne uporablja, ker je redukcijska sposobnost te kovine večja od ogljikove. Posredna izterjava je mogoča. Vključuje pripravo vmesnega produkta Al ₄ C ₃ , ki se razgradi pri temperaturi okoli 2000 ° C, da nastane aluminij. Do sedaj je ta metoda v razvoju, vendar je že znano, da bo poraba energije manjša kot pri metodi Hall-Eru.

Tehnika Hall-Eru, ki je danes daleč najbolj razširjena, so razvili leta 1886 vzporedno dva znanstvenika - ameriški Charles Hall in Francoz P. Erou. Njegovo bistvo je v raztapljanju Al ₂ O ₃ (aluminijev oksid) v Na ₃ AlF ₆ (kriolitna talina) in kasnejši elektrolizi z uporabo anodnih elektrod (koks ali grafit). Ker je ta metoda zelo draga, je bila široko uporabljena šele v 20. stoletju.

Za proizvodnjo ene tone aluminija je potrebno 1,92 tone aluminijevega oksida, 0,6 tone elektrod, 0,065 ton kriolita, 0,035 ton aluminijevega fluorida in približno 61 GJ električne energije.

Kar zadeva laboratorijsko metodo izdelave aluminija, jo je leta 1827 izumil Friedrich Wohler. Bistvo metode je redukcija brezvodnega aluminijevega klorida s kalijevo kovino. Reakcija poteka pri segrevanju, brez dostopa zraka.

Kraj v naravi

Masna koncentracija te snovi v zemeljski skorji je ocenjena na 7,45-8,14%. Po tem kazalcu je aluminij na prvem mestu med kovinami in tretji med kemičnimi elementi na splošno.

V naravi se zaradi kemične aktivnosti kovine pojavlja predvsem v obliki spojin. Glavni minerali aluminija: boksit, korund, nefelin, aluminijev oksid, alunit, feldspati, beril, kaolinit in krizoberil. V odprtinah vulkanov, v katerih so nastajali posebni redukcijski pogoji, so bile najdene majhne količine domače kovine.

V naravnih vodah je aluminij zastopan v obliki nizko toksičnih spojin, na primer fluorida. Na videz kationa ali aniona vpliva predvsem kislost medija. V sladki vodi lahko koncentracija aluminijeve raztopine znaša od 0,001 do 10 mg / l, v slanici pa okoli 0,01 mg / l.

V sestavi naravnega aluminija prevladuje stabilen izotop ²⁷ Al in sledi neznatnih sledi ²⁶ Al.

Fizične lastnosti

Glavne fizikalne lastnosti materiala:

1. Gostota - 2712 kg / m ³ .
2. Vrelišče - 2500 ° C.
3. Tališče - 660 ° C.
4. Specifična toplotna moč - 897 J / kg * K.
5. Trdota po Brinellu - od 24 do 32 kgf / mm².
6. Plastičnost čistega materiala - 50%.
7. Youngov modul - 70 GPa.
8. Električna prevodnost - 37 * 10 ⁶ Cm / m.
9. Toplotna prevodnost - 203,5 W / (m * K).

Aluminij lahko tvorijo zlitine s skoraj vsemi kovinami. Duraluminij (zlitina z bakrom in magnezijem) in silumin (zlitina s silicijem) sta najbolj razširjena.

Kemijske lastnosti

V normalnih pogojih je ta kovina prevlečena s tankim, vendar zelo trpežnim oksidnim filmom, zaradi česar je odporna na učinke standardnih oksidacijskih sredstev: vode, kisika in tudi dušikove in žveplove kisline. Vendar pa aluminij reagira klorovodikovo kislino. Zaradi teh lastnosti kovina ni občutljiva na korozijo in je zelo priljubljena v industriji.

Z uničenjem filma lahko aluminij deluje kot aktivna redukcijska kovina. Da bi se izognili tvorbi filma, ji dodamo galij, kositer ali indij.

Upoštevajte osnovne enačbe aluminija.

S preprostimi snovmi ta kovina tvori naslednje spojine: t

1. S kisikom - oksidom. 4Al + 3O2 = 2Al203.
2. S halogeni (razen za fluor) - klorid, jodid in bromid. 2Al + 3Hal2 = 2AlHal3 (Hal = Cl, Br, I).
3. S fluorom (pri segrevanju) - fluorid. 2Al + 3F2 = 2AlF ₃ .
4. Z žveplom (pri segrevanju) - sulfid. 2Al + 3S = Al2S3.
5. Z dušikom (pri segrevanju) - nitrid. 2Al + N2 = 2AlN.
6. Z ogljikom (pri segrevanju) - karbidom. 4Al + 3C = Al4C3.

Sulfidi in aluminijevi karbidi lahko popolnoma hidroliziramo.

Reakcije aluminija s kompleksnimi snovmi so videti takole: t

1. Z vodo - po odstranitvi zaščitne folije. 2Al + 6H20 = 2Al (OH) ₃ + 3H2.
2. Z alkalijami tvorijo aluminate. 2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na [Al (OH) ₄ ] + 3H2.
3. S klorovodikovo in razredčeno žveplovo kislino - se raztopi v njih. 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2.
4. Z kislinsko oksidacijskimi sredstvi, ki tvorijo topne soli, se v njih raztopi, ko se segreje. 8Al + 15H2S04 = 4Al2 (S04) ₃ + 3H2S + 12H2O.
5. S kovinskimi oksidi - povrne kovine iz njih (aluminotermija). 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe.

Proizvodnja

Do konca 19. stoletja aluminij ni bil proizveden v industrijskem obsegu. Henri St. Clair Deville, katerega delo je financiral Napoleon III (upal je uporabiti material za vojsko), je izumil prvo metodo industrijske proizvodnje kovin šele leta 1854. Bistvo metode je bilo izločanje aluminija iz dvojnega natrijevega aluminijevega klorida z uporabo kovinskega natrija. Leta 1855 je bil proizveden prvi ingot, katerega teža je bila približno 7 kg. V naslednjih 36 letih je ta metoda proizvedla 200 ton aluminija. To je kljub dejstvu, da je že leta 1856 isti znanstvenik razvil novo metodo, ki temelji na elektrolizi taline zgoraj navedenega klorida.

Leta 1885 je bil v mestu Gmelingham (Nemčija) zgrajen obrat za proizvodnjo aluminija po tehnologiji Nikolaja Beketova. Ta metoda se ni dosti razlikovala od tistega, kar se je Deville razvil, vendar je bilo nekoliko enostavnejše. Temeljil je na interakciji med cryolitom in magnezijem. V petih letih delovanja je obrat proizvedel 58 ton aluminija - več kot 25% svetovne proizvodnje za leta 1854-1890.

Metoda Hall-Eru je zaznamovala začetek tehnološko naprednejše in sodobne kovinske proizvodnje. Od takrat so se z razvojem elektrotehnike razvile tehnologije proizvodnje aluminija. Pomemben prispevek k razvoju te smeri so prispevali tudi ruski znanstveniki: Bayer, Penyakov, Kuznetsov, Žukovski, Jakovkin in mnogi drugi.

V Rusiji je bila leta 1932 zgrajena prva tovarna aluminija v mestu Volkhov. Leta 1939 je metalurška industrija ZSSR proizvedla skoraj 50 tisoč ton te kovine na leto.

Druga svetovna vojna je postala spodbuda za sproščanje mnogih materialov, vključno z aluminijem. Tako je leta 1943 svetovna proizvodnja znašala skoraj 2 milijona ton. Vsako leto, tudi po koncu vojne, se je ta številka povečala. Leta 1980 je znašala 16 milijonov ton, leta 1990 - 18 milijonov ton, v letu 2008 - okoli 40 milijonov ton, v letu 2016 - skoraj 60 milijonov ton.

Bonitetna ocena držav, ki proizvajajo aluminij v velikih količinah, je naslednja:

1. Kitajska
2. Rusija
3. Kanada
4. Združene države.
5. Avstralija

Svetovna ponudba boksita je skoraj neomejena in nesorazmerna z dinamiko povpraševanja. V prihodnosti je mogoče veliko linij za proizvodnjo aluminija preusmeriti v proizvodnjo, na primer iz kompozitnih materialov. Cena te kovine na dražbi svetovnih blagovnih borz v zadnjih desetih letih je nihala v okviru 1250-3300 dolarjev na tono.

Uporaba

Aluminij se pogosto uporablja kot konstrukcijski material. Njegove glavne prednosti so lahkotnost, odpornost proti koroziji, skladnost s prebijanjem, visoka toplota ter zdravje in neškodljivost. Nedavne lastnosti so naredile material zelo priljubljen v proizvodnji kuhinjskih pripomočkov in filmov. Zaradi prvih treh lastnosti je aluminij postal glavna surovina za vesoljsko in letalsko industrijo. Glavna pomanjkljivost tega konstrukcijskega materiala je njegova nizka trdnost. Za strjevanje se običajno uporablja v zlitinah z majhnimi količinami bakra in magnezija (duraluminij).

Aluminij je 1,7-krat slabše od bakra v električni prevodnosti, vendar je zaradi njegove gostote 3,3-krat manjša, je za dosego približno enakega upora potrebno polovico teže. Poleg tega je aluminij približno 4-krat cenejši od bakra. To je posledica široke uporabe tega materiala v elektrotehniki (proizvodnja in zaščita prevodnikov) in mikroelektronike (odlaganje vodnikov na površino mikrovezij). Glavna pomanjkljivost aluminija kot materiala za elektrotehniko je oblikovanje močne dielektrične folije na njeni površini. To zaplete spajkanje in povzroča segrevanje spojev, kar zmanjšuje kakovost stika in zanesljivost izolacije. Za izravnavo te funkcije uporabite aluminijaste vodnike velikega preseka.

Poleg tega se aluminij uporablja v takšnih smereh:

1. Nakit Seveda je to predvsem čas, ko je bil aluminij zelo drag. Danes se uporablja v nakitu, na Japonskem pa ta material nadomešča srebro pri proizvodnji tradicionalnega nakita.
2. Jedilni pribor. V tej smeri je bil aluminij v času Napoleonovega tretjega stoletja uporabljen, toda tudi danes je v njem mogoče najti jedilni pribor.
3. Izdelava stekla. Na tem področju se uporabljajo fosfat, fluorid in aluminijev oksid.
4. Živilska industrija. Ta kovina je registrirana kot živilski dodatek E173.
5. Vojaška industrija. Zaradi nizkih stroškov in nizke mase aluminija se uporablja pri izdelavi pištol in avtomatskih strojev.
6. Raketna tehnologija. Aluminij in njegove spojine se uporabljajo kot raketno gorivo v dvokomponentnih raketnih gorivih.
7. Energija. Aluminij se uporablja kot sekundarni nosilec energije.

Aluminij se uporablja kot reducent na naslednjih področjih:

1. Kot sestavni del zmesi za aluminotermo.
2. Kot reducent redkih kovin iz njihovih oksidov in halidov.
3. V pirotehniki.
4. Z anodno zaščito, kot zaščitnik.

Uporabljajte zlitine

Kot gradbeni material se pogosto uporabljajo ne čisti aluminij, temveč zlitine, ki temeljijo na njem.

Aluminijeve magnezijeve zlitine . Zanje je značilna kombinacija visoke plastičnosti, zadovoljive trdnosti, odpornosti proti koroziji, dobre varljivosti in visoke odpornosti na vibracije. V industriji se najpogosteje uporabljajo zlitine, v katerih vsebnost magnezija niha v mejah 1-5%. Višja kot je stopnja, bolj zanesljiva je zlitina. Vsak odstotek daje dodatnih 30 MPa končna moč.

Zlitine, ki vsebujejo do 3 mas.% Magnezija, so strukturno stabilne pri normalnih in povišanih temperaturah, tudi v utrjenem stanju. S povečanjem vsebnosti magnezija se stabilnost zmanjšuje. S povečanjem njegove količine na 6% se korozijska odpornost zlitine poslabša. Zato, da bi še izboljšali lastnosti trdnosti, so aluminijevi magnezijevi sistemi dopirani z titanom, manganom, kromom, vanadijem ali silicijem. Vdor bakra in železa v takšne zlitine je nezaželen. To vodi do zmanjšanja varljivosti in odpornosti proti koroziji.

Aluminij-manganove zlitine . Imajo visoko trdnost, duktilnost, obdelovalnost, odpornost proti koroziji in varljivost. V aluminij-manganskih sistemih so železo in silicij glavne nečistoče. Ti elementi zmanjšujejo topnost mangana v aluminiju. Za pridobitev finozrnate strukture so takšne zlitine legirane s titanom. Zadostna količina mangana zagotavlja stabilno strukturo trde kovine pri vsaki temperaturi.

Aluminijevo-bakrene zlitine . Glede na njegove mehanske lastnosti v stanju toplotne ojačitve lahko ta sistem obide nizkoogljična jekla. Takšne zlitine so zelo tehnološke. Njihova edina pomanjkljivost je nizka odpornost proti koroziji. Ta problem se rešuje z uporabo zaščitnih premazov.

Železo, magnezij, mangan in silicij se uporabljajo kot legirni dodatki. Magnezij najbolj vpliva na lastnosti zlitine, kar znatno poveča meje izkoristka in trdnosti sistema. Silicij poveča sposobnost zlitine za umetno staranje, železo z nikljem pa je njegova toplotna odpornost. Lepljenje teh sistemov po kaljenju pospešuje umetno staranje in povečuje njihovo odpornost proti koroziji in trdnost.

Zlitine aluminija-cinka-mangana . Vrednost za visoko trdnost in zmogljivost. Visoka trdnost se doseže zaradi dobre topnosti komponent pri povišanih temperaturah, ki se močno zmanjša pri hlajenju. Glavna in zelo pomembna pomanjkljivost takšnih sistemov je njihova nizka odpornost proti koroziji. Za povečanje tega indikatorja se uporablja bakreno doping. Tudi v šestdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo ugotovljeno, da prisotnost litija v sistemih aluminij-cink-mangan omogoča upočasnitev naravnega in pospeševanje umetnega staranja. Poleg tega litij zmanjša težo zlitine in poveča njen modul trdnosti.

Siluminas (aluminijeve silicijeve zlitine) se uporabljajo tudi v industriji, iz katerih so uliti ohišja vseh vrst mehanizmov in kompleksne zlitine (dihalne poti).

Strupenost

Na vprašanje, kaj je aluminij, je vredno omeniti toksičnost te kovine. Kljub široki porazdelitvi v naravi je aluminij mrtva snov, torej ga ne uporabljajo živa bitja v presnovi. Že sama po sebi ima kovina rahlo toksičen učinek, vendar veliko njegovih anorganskih spojin, topnih v vodi, lahko škodljivo vpliva na toplokrvne prežvekovalce in ljudi. Za osebe imajo takšni odmerki kovinskih spojin (mg / kg telesne teže) toksični učinek: t

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

Pri zaužitju z vodo aluminijeve spojine delujejo na živčni sistem, kar lahko povzroči hude motnje. Pozitivno je dejstvo, da kopičenje kovin v telesu preprečuje izločanje. Z urinom se lahko dnevno izloči do 15 mg elementa. Tako lahko negativni učinek aluminijevih spojin vpliva le na ljudi, ki trpijo zaradi oslabljene funkcije izločanja ledvic.