Алюминий, свойства атома, химические и физические свойства

Общие сведения:

Применение

Алюминий применяется в металлургии в качестве основы для сплавов (дуралюмин, силумин) и легирующего элемента (сплавы на основе меди, железа, магния, никеля). Сплавы алюминия используются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении и автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Алюминий применяется при производстве взрывчатых веществ. Анодированный алюминий (покрытый окрашенными плёнками из оксида алюминия) применяют для изготовления бижутерии. Также металл используется в электротехнике.

Свойства атома алюминия:

Как производят крылатый металл

Производство металла можно разделить на две стадии.

• Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
• Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.

Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.

Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.

Бывает технический и сверхчистый

Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.

Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.

Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.

Интересно: до открытия промышленного способа получения алюминия он был редкостью и стоил дороже золота. Нашего великого химика, Д.И. Менделеева, британцы почтили подарком. Это были аналитические весы (вещь, незаменимая для химика), у которых чашечки изготовили из золота и алюминия.

Металл для крыльев

Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.

Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.

Химические свойства алюминия:

Провода и кабели

Высокая электрическая проводимость марок алюминия серии 1000, а также алюминиевых сплавов серии 8000, делает их весьма подходящими для изготовления электрических проводников. Алюминиевые проводники применяют в следующих случаях:

• распределительные электрические подстанции;
• силовые системы высотных зданий;
• высоковольтные линии электропередач;
• большинство подземных линий электропередач;
• силовые кабели для промышленного применения.

Большая часть алюминия в электротехнической промышленности применяется в виде кабелей (8 из 13 %). Однако его применяют также и в виде электрических шин для оборудования с большой силой тока, а также для питания электричеством больших зданий. Кроме того, кабели для промышленных, торговых и жилых зданий могут содержать много изолированных проводников, которые помещают в общий защитный алюминиевый рукав.

Требования к алюминию, который применяется для электротехнических приложений:

• приемлемая стоимость;
• достаточно высокая электрическая проводимость;
• коррозионная стойкость;
• прочность.

Физические свойства алюминия:

Процесс плавления в домашних условиях

Относительно низкая температура плавления алюминия позволяет проводить эту операцию в домашних условия. Надо сразу отметить, что в качестве сырья в домашней мастерской использовать порошкообразную смесь слишком опасно. Поэтому в качестве сырья применяют или чушки, или нарезанную проволоку. Если к будущему изделию нет особых требований по качеству, то для плавления можно использовать все, что изготовленного из этого металла.

Плавка алюминия в самодельном горне

При этом не особо важно, будет сырье покрыто краской или нет. Когда происходит плавление алюминия, все посторонние вещества просто выгорят и будут удалены вместе со шлаком.

Для получения качественного результата плавки необходимо использовать материалы, которые называют флюсами. Они призваны решать задачу по связыванию и удалению из расплава посторонних примесей и загрязнений.

Кристаллическая решётка алюминия:

Машины и оборудование

Отопительные и вентиляционные системы

Алюминиевые сплавы серий 3000, 5000 и 6000 обладают хорошей термической проводимостью. В комбинации с высокой прочностью эти сплавы являются хорошим выбором для применения в системах обогрева и вентиляции. Эти системы включают следующие компоненты, в которых применяют алюминиевые сплавы:

• компрессоры;
• конденсеры/испарители;
• расширительные клапаны;
• вентиляторы;
• трубы.

Свойства алюминия, которые важны для отопительных и вентиляционных систем:

• высокая теплопроводность;
• высокий контактный коэффициент;
• малая плотность;
• высокая коррозионная стойкость.

Получение глинозема

Около 95 % всего глинозема получают из бокситовых руд.

Бокситовая руда

Боксит (фр. bauxite) (по названию местности Baux на юге Франции) – алюминиевая руда, состоящая из гидроксидов алюминия, оксидов железа и кремния, сырьё для получения глинозёма и глинозёмосодержащих огнеупоров. Содержание глинозёма в промышленных бокситах колеблется от 40 % до 60 % и выше. Используется также в качестве флюса в чёрной металлургии.

Рисунок 1 – Бокситовая руда

Обычно бокситы представляют собой землистую глиноподобную массу, которая может иметь полосчатую, пизолитовую (гороховидную) либо однородную текстуру. В обычных условиях выветривания полевые шпаты (минералы, составляющие большую часть земной коры и являющиеся алюмосиликатами) разлагаются с образованием глин, но в условиях жаркого климата и высокой влажности конечным продуктом их разложения могут оказаться бокситы, т. к. подобная обстановка благоприятствует выносу щелочей и кремнезёма, особенно из сиенитов или габбро. Бокситы перерабатывают в алюминий поэтапно: сначала получают оксид алюминия (глинозём), а затем металлический алюминий (электролитическим способом в присутствии криолита).

Основные примеси в бокситах это Fe2O3, SiO2, TiO2. К малым примесям бокситов относят: Na2O, K2O, CaO, MgO, редкоземельные элементы, Cr, P, V, F, органика.

Обычно бокситы классифицируют:

• по цвету;
• по основному минералу (чаще они бывают смешанными);
• по возрасту.

Основными критериями качества алюминиевой руды являются:

1. Кремниевый модуль (Мsi = Al2O3/SiO2 (% масс.)). Чем больше кремниевый модуль тем лучше качество (Мsi = 7);
2. Содержание железа в пересчете на Fe2O3. Если содержание Fe2O3около 18 % масс., то боксит считается высокожелезистым. Чем больше содержание железа труднее добыть бокситы;
3. Содержание серы. Наличие большого количества серы усложняет переработку боксита;
4. Содержание карбонатов в пересчете на CO3(2-). Наличие большого количества карбонатов усложняет переработку боксита.

Бокситы применяют:

• в производстве глинозема;
• в производстве абразивных материалов;
• в производстве огнеупорных материалов;
• в качестве флюса для выплавки мартеновской стали;
• для сушки газов и чистки нефти от серы;
• в качестве красителя.

На сегодняшний день главными поставщиками боксита являются:

• Австралия – там находятся также огромные залежи Fe, Au, U, Ni, Co, Cuи др. Выгоднее покупать сырье у Австралии, чем перерабатывать свое.
• Гвинея – У России есть несколько купленных мест.
• Центральная Америка: Гайана, Ямайка, Суриман.
• Бразилия.

В Европе все месторождения истощены. Осуществляются поставки бокситов из Греции, но данное сырье является сырьем низкого качества.

Рисунок 2 – Запасы бокситов в мире

Ниже представлен основных месторождений алюминиевых руд в России.

• Первое месторождение было открыто в 1914 г. под Сант-Петербургов, рядом с городом Тихвин. На данном месторождении было построено 6 заводов. Самый большой — это Волховский алюминиевый завод. На сегодняшний день Тихвинское месторождение истощено и работает в основном на привозном сырье.
• В 1931 г. было открыто уникальное Северо-Уральское месторождение высококачественных бокситов (СУБР). Оно послужило базой для строительства в 1939 г. Уральского алюминиевого завода (УАЗ). А на основе Южно-уральского бокситового рудника (ЮУБР) был построен Богословский алюминиевый завод (БАЗ).
• Североонежское месторождение находится по дороге на Кольский полуостров. В Плане есть, но дата строительства неизвестна.
• Висловское месторождение – чистоглинистое месторождение каолитного типа. Для глинозема не используется.
• Тиманское месторождение (Республика Коми, Варкута). Канадцы заинтересованы в данном месторождении, поэтому планируют строительство — холдинг).

Получение глинозема из бокситовых руд

Поскольку алюминий амфотерен, глинозем получают тремя способами:

• щелочным,
• кислотным;
• электролитическим.

Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5 – 6 %) кремнезема). С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема получения глинозема по способу Байера

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169 – 170 °С может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1. Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al2O3; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2. Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230 – 250 °С (500 – 520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlOOH+NaOH→NaAlO2+H2O

или

Al(OH)3+NaOH→NaAlO2+2H2O;

содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:

SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O;

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100 °С;

3. Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6 – 1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4. Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60 °С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH)3. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси – затравки:

Na2O ·Al2O3 + 4H2O→Al(OH)3 + 2NaOH;

5. Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50 – 60 % частиц Al(OH)3. Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затра­вочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Оста­ток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах – для выщелачивания новых бокситов);

6. Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150 – 1300 °С; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 → α-Al2O3

200 °C – 950 °С – 1200 °С.

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30 – 50 % α-Al2O3 (корунд), остальное γ-Al2O2.

Этим способом извлекается 85 – 87 % от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ° С [7].

История открытия

Первые попытки применения сплавов алюминия и железа были предприняты Фарадеем в 1820 году. Были попытки использовать сплав алюминия в качестве легирующего элемента для получения высокопрочной стали, но они оказались неэффективными.

Тщательные исследования были возобновлены после 1918 года в СССР, Германии, Англии. Было показано, что при добавлении Al возрастают жаропрочные свойства чугуна. Образцы обладают повышенной прочностью, хрупкостью, стойко переносят контакт с кислыми средами, не склонны к образованию окалин.

Было обнаружено, что появление окалин зависит от толщины оксидной плёнки на образцах: чем она толще, однороднее, тем выше защита поверхности. Важно, чтобы окислы не формировали эвтектическую фазу и не подвергались возгонке, а их ионная проводимость была минимальной.

Условием жаростойкости образца являются потери с окалиной в пределах 2-10-3–4-10-3 г/см2/ч.

Множество проведённых исследований сплавов Fe и Al закончились определением их химических и физических свойств. Это связано с проблемами газового насыщения образцов, угаром алюминия, формированием внутренних оксидных плёнок, разрушением образцов при нормальных условиях.

Наиболее перспективными оказались сплавы с содержанием от 16 до 20% Al и 3% углерода, получившие название «чугаль». Именно их начали выплавлять в СССР.

Позже группа изобретателей во главе с З. Эмингером разработала технологию производства качественных отливок железоалюминиевых образцов. Благодаря этому были получены новые данные.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Аллюминий, агрегированный с коркой байерита на поверхности. Узбекистан, Навойская область, Учкудук

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико. Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл: полевые шпаты; бокситы; граниты; кремнезем; алюмосиликаты; базальты и прочие. В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.