Алюминий и его сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алюминий (Aluminium) - химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26, 9815. Обозначается латинскими буквами Al. Это серебристо-белый металл, легкий (r = 2, 7 г/см 3), легкоплавкий (t пл = 660, 4 °С), пластичный, легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2, 3 раза больше чем у меди) Алюминий находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al 2 O 3) составляет основу глинозема. Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы:

боксит - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al (OH) 3 и оксидов других металлов - алюминиевая руда;

алунит - (Na, K) 2 SO 4 * Al 2 (SO 4) 3 * 4Al (OH) 3;

нефелин - (Na, K) 2 O * Al 2 O 3 * 2SiO 2;

корунд - Al 2 O 3 - прозрачные кристаллы;

полевой шпат (ортоклаз) - K 2 O * Al 2 O 3 * 6SiO 2;

каолинит - Al 2 O 3 * 2SiO 2 * 2H 2 O - важнейшая составляющая часть глины и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.

И хотя содержание его в земной коре 8, 8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4, 65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.

Немецкий химик Ф. Вёлер в 1827 получил алюминий при нагревании хлорида алюминия AlCl 3 со щелочными металлами калием (K) и натрием (Na) без доступа воздуха.

AlCl 3 + 3K ® 3KCl + Al (Реакция протекает с выделением тепла).

Для промышленного применения этот способ неприменим из-за его экономической невыгодности, поэтому был разработан способ добычи алюминия из бокситов путем электролиза. Это весьма энергоемкое производство, поэтому заводы, производящие алюминий, как правило, располагаются недалеко от электростанций.

Алюминий отличается также своей химической активностью. Порошкообразный алюминий энергично сгорает на воздухе. Если поверхность алюминия потереть солью ртути (HgCl 2), то произойдет следующая реакция 2Al + 3HgCl 2 ® 2AlCl 3 + 3Hg Выделившаяся ртуть растворяет алюминий с образованием сплава алюминия с ртутью - амальгаму, которая не удерживается на поверхности алюминия, поэтому, если результат этого опыта поместить в воду, то мы увидим бурную реакцию 2Al +6HOH ® 2Al (OH) 3 Ї + 3H 3 Эта реакция говорит об очень высокой химической активности чистого алюминия.

Остается удивляться как посуда из алюминия не растворяется прямо у нас на глазах когда мы наливаем в неё воду.

Секрет подобного поведения алюминия прост - он настолько активен, что именно благодаря этой своей способности столь интенсивно окисляться постоянно покрыт плотной окисной пленкой Al 2 O 3 которая и препятствует его дальнейшему окислению.

Инертность оксида алюминия настолько велика, что покрытый им алюминий практически не реагирует с концентрированной и разбавленной азотной кислотой (HNO 3), с трудом взаимодействует с концентрированной и разбавленной серной кислотой (H 2 SO 4), не растворяется в ортофосфорной кислоте (H 3 PO 4). Хотя, даже при обычной температуре, реагирует с хлором (Cl 2) и бромом (Br 2) а при нагревании с фтором (F 2), йодом (I 2), серой (S), углеродом (C), азотом (N 2), растворяется в растворах щелочей.

Оксид алюминия используют для получения некоторых марок цемента, для обработки поверхностей, так как он обладает высокой твердостью (разновидность оксида - корунд).

Оксид алюминия (глинозем) существует в нескольких кристаллических модификациях из которых устойчивы a-форма и g-форма. Но даже только одна форма a- Al 2 O 3 в природе очень многолика - это и рубин и сапфир, лейкосапфир и др. - все это разновидности минерала корунд.

g-Форма более химически активна, может существовать и аморфном состоянии но при 900 °С необратимо переходит в a-форму.

Температура плавления оксида алюминия 2053 °С (а кипения вообще больше 3000 °С). Для сравнения - температура плавления самого алюминия 660, 4 °С. Поэтому и возникали трудности с добычей алюминия, несмотря на его широкое распространение.

Оксид алюминия Al2O3 получают либо сжиганием алюминия путем вдувания порошка алюминия в пламя горелки, 4Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 либо превращением по схеме

Чистый алюминий добывается методом электролиза раствора глинозема в расплавленном криолите (6-8% Al 2 O 3 и 94-92% Na 3 AlF 6) или электролизом AlCl 3. Гидрооксид алюминия Al (OH) 3 используется для крашения тканей, для изготовления керамики и как нейтрализующий агент.

На практике очень широкое применение получил так называемый термит - смесь оксида железа Fe 3 O 4 с алюминием. При поджоге данной смеси с помощью магниевой ленты происходит бурная реакция с обильным выделением тепла.

8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe Данный процесс используют при сварке. Иногда для получения некоторых чистых металлов в свободном виде.

Есть также иное использование данной реакции - если обратить внимание на соединение железа до реакции и его состояние после реакции, то можно заметить, что до начала реакции это был оксид железа - а именно - ржавчина, а после реакции - чистое восстановленное железо. Этот эффект используют для химической защиты и удаления ржавчины.

Поэтому алюминий очень широко используется в технике не только как основа легких сплавов, но и как раскислитель сталей, для восстановления металлов из оксидов (алюмотермия - см. пример выше), в электротехнике.

Алюминий в технике также используют для насыщения поверхности стальных и чугунных изделий с целью защиты этих изделий от коррозии - этот процесс называется алитирование.

Тонкая алюминиевая фольга используется как упаковочный материал для продуктов питания (например шоколада), более толстая - для изготовления банок для напитков.

Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (2, 5 - 3, 0 г/см 3) в сочетании с достаточно хорошими механическими свойствами и удовлетворительной устойчивостью к окислению. По своим прочностным характеристикам и по износостойкости они уступают сталям, некоторые из них также не обладают хорошей свариваемостью, но многие из них обладают характеристиками, превосходящими чистый алюминий.

Особо выделяются алюминиевые сплавы с повышенной пластичностью, содержащие до 2, 8% Mg и до 2, 5% Mn - они обладают большей, чем чистый алюминий прочностью, легко поддаются вытяжке, близки по коррозионной стойкости к алюминию.

Дуралюмины - от французского слова dur - твердый, трудный и aluminium - твердый алюминий. Дуралюмины - сплавы на основе алюминия, содержащие:

1, 4-13% Cu,

0, 4-2, 8% Mg,

0, 2-1, 0% Mn,

иногда 0, 5-6, 0% Si,

5-7% Zn,

0, 8-1, 8% Fe,

0, 02-0, 35% Ti и др.

Дуралюмины - наиболее прочные и наименее коррозионно-стойкие из алюминиевых сплавов. Склонны к межкристаллической коррозии. Для защиты листового дуралюминия от коррозии его поверхность плакируют чистым алюминием. Они не обладают хорошей свариваемостью, но благодаря своим остальным характеристикам применяются везде, где необходима прочность и легкость. Наибольшее применение нашли в авиастроении для изготовления некоторых деталей турбореактивных двигателей.

Магналии - названы так из-за большого содержания в них магния (Mg), сплавы на основе алюминия, содержащие:

5-13% Mg,

0, 2-1, 6% Mn,

иногда 3, 5-4, 5% Zn,

1, 75-2, 25% Ni,

до 0, 15% Be,

до 0, 2% Ti,

до 0, 2% Zr и др.

Магналии отличаются высокой прочностью и устойчивостью к коррозии в пресной и даже морской воде. Магналии также хорошо устойчивы к воздействию азотной кислоты HNO 3, разбавленной серной кислоты H 2 SO 4, ортофосфорной кислоты H 3 PO 4, а также в средах, содержащих SO 2.

Применяются как конструкционный материал в:

авиастроении;

судостроении;

машиностроении (сварные баки, заклепки, бензопроводы, маслопроводы) ;

для изготовления арматуры строительных сооружений;

для изготовления деталей холодильных установок;

для изготовления декоративных бытовых предметов и др.

При содержании Mg выше 6% магналии склонны к межкристаллической коррозии. Обладают более низкими литейными свойствами, чем силумины.

Силумины - сплавы на основе алюминия с большим содержанием кремния (Si).

В состав силуминов входят:

3-26% Si,

1-4% Cu,

0, 2-1, 3% Mg,

0, 2-0, 9% Mn,

иногда 2-4% Zn,

0, 8-2% Ni,

0, 1-0, 4% Cr,

0, 05-0, 3% Ti и др.

При своих относительно невысоких прочностных характеристиках силумины обладают наилучшими из всех алюминиевых сплавов литейными свойствами. Они наиболее часто используются там, где необходимо изготовить тонкостенные или сложные по форме детали.

По коррозионной стойкости занимают промежуточное положение между дуралюминами и магналиями.

Нашли свое основное применение в:

авиастроении;

вагоностроении;

автомобилестроении и строительстве сельскохозяйственных машин для изготовления картеров, деталей колес, корпусов и деталей приборов.

САП - сплавы, состоящие из Al и 20-22% Al 2 O 3.

Получают спеканием окисленного алюминиевого порошка. После спекания частицы Al 2 O 3 играют роль упрочнителя.

Прочность данного соединения при комнатной температуре ниже, чем у дуралюминов и магналиев, но при температуре превышающей 200 °С превосходит их.

При этом САП обладают повышенной стойкостью к окислению, поэтому они незаменимы там, где температура эксплуатации превышает 400 °С.

Эти стеновые изделия являются разновидностью силикатного кирпича, но отличаются меньшим объемным весом и лучшими теплоизоляционными свойствами, так как в них тяжелый кварцевый песок заменен пористым легким шлаком в известково-шлаковом или золой в известково-зольном кирпиче

Для приготовления известково-шлакового кирпича берут 3-12% извести и 88-97% шлака, а для известково-зольного, 20-25% извести и 75-80% золы. Так же, как и шлак, зола является дешевым сырьевым материалом, образующимся при сжигании каменного или бурого угля и другого топлива в котельных ТЭС, ГРЭС и т. д. В процессе сгорания пылевидного топлива часть очаговых остатков остается в топке (зола-шлак), а наиболее мелкие частицы уносятся отходящими газами в дымоходы. Здесь большая часть мелких частиц улавливается и задерживается золоуловителями, а затем направляется в золоотвалы. Такая зола называется золой-уносом; по сравнению с остаточной она имеет большую дисперсность, и ее не нужно измельчать. Золы содержат малое количество СаО (до 5%) и при смешивании с водой не твердеют. Но при добавлении извести или портландцемента они активизируются, а последующее запаривание смеси в автоклавах дает возможность получать изделия достаточной прочности.

При сжигании некоторых горючих сланцев образуются золы, содержащие окиси кальция до 15% и более и поэтому способные твердеть без добавок извести. Кирпич из этих зол называют сланце-зольным.

Использование шлаков и зол экономически выгодно, так как расширяется сырьевая база силикатных и других строительных материалов и снижается их стоимость.

Производство известково-шлакового и известково-зольного кирпича аналогично производству силикатного. Формуют его на тех же прессах, что и силикатный, а затем запаривают в автоклавах. Размер кирпича 250x120x140 мм и больше, объемный вес 1400-1600 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0, 5-0, 6 ккал/м * ч град. По пределу прочности при сжатии кирпич подразделяют на три марки -25, 50 и 75; морозостойкость такая же, как и силикатного кирпича.

Применяют известково-шлаковый и известково-зольный кирпич для кладки стен зданий малой этажности (до трех этажей), а также для кладки стен верхних этажей многоэтажных зданий.

Природный камень издавна считается символом богатства, стабильности и долговечности. С годами камень не только приобретает ценность, но, зачастую, изменяет форму и цвет, подражая загадочному хамелеону. В природе насчитывается более 8000 разновидностей природного камня. По своему происхождению камни делятся на три вида: Магматические, или вулканические породы: граниты, сиениты, габбро, вулканические туфы, тешениты - образованы застывшей магмой. Осадочные породы: песчаники, доломиты, известняки, гипсовые камни - рождаются путем образования осадка из органических и неорганических веществ на поверхности земли или на дне водоемов. Метаморфический вид, объединяющий мрамор, сланцы, кварциты и гнейсы, появляется под влиянием высоких температур и давления. В данной статье большее внимание уделено осадочным и метаморфическим породам, а именно следующим природным материалам как кварцит, сланец, доломит, известняк и ракушечник. Природные камни различаются не только своей декоративностью, но и по прочности, плотности, пористости, водо-поглощению и показателем истираемости. От прочности зависит износостойкость материала. Природные камни «высокой прочности» начинают разрушаться не ранее чем через 500 лет (кварцит, сланец), а «средней прочности» поддаются разрушению через 50-75 лет. (доломиты, известняки). Такие материалы как ракушечник, травертин поддаются разрушению через 30 - 50 лет. Но за счет специальных гидрофобизирующих средств, которые способны существенно повысить стойкость материала к негативным внешним воздействиям решается главная проблема невысокой механической прочности таких природных материалов. После специальной обработки камень может использоваться даже в местах с жесткими погодными условиями. Плотность - это масса единичного объема вещества. От этого показателя зависит вес конструкции: чем выше плотность камня, тем конструкция будет тяжелее. По плотности камни делятся на легкие (плотность до 2200 кг/м3) : доломиты, известняки, травертин и ракушечник, и тяжелые (плотность более 2200 кг/м3) : кварциты, сланцы. Плотность зависит от пористости породы и минералов, входящих в ее состав. От пористости зависит водопоглощение и, соответственно, соле- и кислотостойкость. А это основные показатели, влияющие на долговечность материала. Кроме того, общая пористость определяет прочность, теплопроводность, полируемость, обрабатываемость, декоративность камня и другие качественные характеристики. С повышением общей пористости снижается прочность и объем камня, ухудшается его полируемость, но уменьшается вес изделия и улучшается его способность к обработке. По величине общей пористости (Р) природные камни можно разделить на камни с низкой (Р < 5%), средней (5% > Р > 20%), высокой (20% < Р < 40%) пористостью. Другим важным свойством горных пород, связанным с пористостью, является показатель водопоглощения. От него и от минерального состава материала зависит кислото- и солестойкость камня, а также его морозостойкость. При высоком водопоглощении и низкой пористости под этим давлением в материале образуются трещины. При высокой пористости камня кристаллизационное давление распределяется равномерно и новые трещины не образуются (яркий пример - известняк). Показатель истираемости относится к природному камню, который используют для дорожек, лестниц, полов и площадок. Горные породы и материалы по степени истираемости (при интенсивности человекопотока 1 млн. чел. в год (мм.)) условно можно разделить на след. группы: 1. Кварциты и породы группы гранита - менее 0, 12 2. Рыхлые базальты, мрамор, песчаники, доломиты, доломитизированные известняки - 0, 35 - 0, 5 3. Мраморизованные известняки, травертины, известняки, туфы - 0, 6 - 1, 5 4. Рыхлые известняки - 1, 5 - 2, 5. Исходя из вышеперечисленных свойств можно составить сравнительную таблицу свойств природного камня.

Сравнительная характеристика свойств природного камня

алюминий химический элемент сплав

Размещено на Allbest.ru