Алюминий: получение, свойства, применение, сплавы

                                       Автономная некоммерческая организация

Высшего профессионального образования

Центросоюза Российской Федерации

«Российский университет кооперации                                                                        Волгоградский кооперативный институт (филиал)

 

 

Кафедра естественнонаучных дисциплин, математики и информатики

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Химия»

на тему «Алюминий: получение, свойства, применение, сплавы»

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка 2 курса

группы  Тб-21-Д

Степанова С.Р.

 

Проверил:

Прокшиц В.Н.

 

 

Волгоград 2013

Содержание

1. Введение
2. Получение алюминия
3. Свойства алюминия
4. Применение алюминия
5. Сплавы алюминия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Алюми́ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Получение алюминия

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению  с другими металлами восстановление алюминия из руды более сложно в  связи с его высокой реакционной  способностью и с высокой температурой плавления большинства его руд (таких, как бокситы). Прямое восстановление углеродом применяться не может, потому что восстановительная способность  алюминия выше, чем у углерода. Возможно непрямое восстановление с получением промежуточного продукта Al4C3, который  подвергается разложению при 1900—2000 °С с образованием алюминия. Этот способ находится в разработке, но представляется более выгодным, чем процесс Холла—Эру, так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO2[2].

Современный метод получения, процесс Холла—Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Для производства 1000 кг чернового  алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.

Лабораторный способ получения  алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году, он основывается на восстановлении металлическим калием (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

AlCl₃+3K = 3KCl + Al

Свойства алюминия

Физические свойства:

Чистый алюминий – серебристо-белый  лёгкий металл с температурой плавления 660⁰С. Пластичен, легко вытягивается в проволоку и раскатывается в листы и фольгу. Является хорошим проводником электричества и тепла (после серебра и меди). Сплавы алюминия с различными металлами обладают высокой прочностью и лёгкостью.

Химические свойства:

Алюминий обладает высокой химической активностью. Он легко окисляется кислородом воздуха, покрываясь прочной защитной пленкой оксида алюминия AL₂O₃, которая препятствует дальнейшему окислению и взаимодействию с другими веществами, что обусловливает его высокую коррозийную стойкость.

4AL + 3O₂ = 2AL₂O₃

Если плёнку оксида алюминия разрушить, то алюминий активно взаимодействует  с водой при обычной температуре:

2AL + 6H₂O = 2AL(OH)₃ + 3H₂

1. Лишённый окисной плёнки алюминий легко растворяется в:

• щелочах с образованием алюминатов

2AL + 2NaOH + 2H₂O = 2NaALO₂ + 3H₂

• разбавленных кислотах с выделением водорода

2AL + 6HCL = 2ALCL₃ + 3H₂

2AL + 3H₂SO₄ = AL(SO₄)₃ + 3H₂

• сильно разбавленная и концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, поэтому для хранения и перевозки азотной кислоты используются алюминиевые ёмкости. Но при нагревании алюминий растворяется в азотной кислоте:

AL + 6HNO_{3 (конц)} = AL(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

2. Алюминий взаимодействует с:

• галогенами

2AL + 3Br₂ = 2ALBr₃

• при высоких температурах с другими неметаллами (серой, азотом, углеродом)

2AL + 3S = AL₂S₃ (сульфид алюминия)

2AL + N₂ = 2ALN (нитрид алюминия)

4AL + 3C = AL₄C₃ (карбид алюминия)

Реакции протекают с выделением большого количества тепла.

3. Для алюминия характерны реакции алюминотермии – восстановление металлов из их оксидов алюминием.

Алюминотермия используется для получения редких металлов, образующих прочную связь с кислородом: ниобия Nb, тантала Ta, молибдена Mo, вольфрама W и др.

2AL + 3WO₃ = 3W + AL₂O₃

Смесь мелкого порошка AL и магнитного железняка Fe₃O₄ называется термитом, при поджоге которого выделяется большое количество тепла, и температура смеси повышается до 3500⁰С. Этот процесс используется при термитной сварке.

8AL + 3Fe₃O₄ = 9Fe + 4AL₂O₃

Применение алюминия

Алюминия широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьем в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время медленно вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углеволокном).

Основной недостаток алюминия как  конструкционного материала — малая  прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим  количеством меди и магния (сплав  называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего  в 1,7 раза меньше, чем у меди, при  этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

Алюминий и его сплавы сохраняют  прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

Высокий коэффициент отражения  в сочетании с дешевизной и  лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.

В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.

Сульфид алюминия используется для  производства сероводорода.

Идут исследования по разработке пенистого  алюминия как особо прочного и  лёгкого материала.

Сплавы алюминия

Алюминий совместно с легирующими  элементами образует различные системы, содержащие от двух до пяти компонентов. Системы обладают различными механическими, коррозионными, технологическими свойствами, различными структурами и каждая система состоит из нескольких сплавов. Ниже представлены системы алюминия, входящие в них сплавы, их химический состав, свариваемость и свойства.

Система алюминий - магний (Al - Mg)

Система Al-Mg (магналий) является одной из самых перспективных при разработке свариваемых сплавов. Сплавы этой системы (Mg < 10%) относятся к группе термически не упрочняемых, высокие свойства их достигаются вследствие увеличения концентрации магния в пересыщенном твердом растворе.

Магналиевым сплавам свойственны высокие пластичность, коррозионная стойкость при средних значениях прочности и текучести, пониженная чувствительность к концентраторам напряжений.

Одним из основных преимуществ данной группы являются высокие значения прочностных  характеристик по сравнению со свойствами термически упрочняемых алюминиевых  сплавов в отожженном состоянии. При сварке магналиевых сплавов сварные соединения становятся почти равнопрочными основному металлу.

Структура сплавов Al-Mg представляет собой - твердый раствор с включением интерметаллической - фазы (Mg5Al8), количество и размер которой зависят от содержания магния. Сплавы с относительно малыми добавками магния (до 3,5%) характеризуются довольно крупно зернистой микроструктурой. Дальнейшее повышение магния (до 7,5%) измельчает микрозерна, структура становится однородной и мелкозернистой. С повышением магния количество b - фазы возрастает, размер ее при этом уменьшается.

Горячеломкость. Введение в алюминий 0,5-0,7% Mg резко повышает склонность сплава к трещинообразованию (~65%). В дальнейшем характеристика снижается и стабилизируется на уровне 30% при 6-7% Mg.

Механические свойства. С увеличением  содержания магния возрастают прочность  и текучесть, относительное удлинение  меняется слабо. Такое изменение  свойств связано с увеличением пересыщенности твердого раствора по мере повышения концентрации магния.

Коррозионная стойкость. Сплавы Al-Mg отличаются высокой коррозионной стойкостью (общей, под напряжением и при других видах коррозийного разрушения). Следует отметить их высокую сопротивляемость коррозионному разрушению в морской воде. Сплавы Al-Mg также хорошо устойчивы к воздействию азотной кислоты HNO3, разбавленной серной кислоты H2SO4, ортофосфорной кислоты H3PO4, а также в средах, содержащих SO2. Высокая стойкость магналиевых сплавов объясняется образованием на поверхности плохо растворимой оксидной пленки.

К недостаткам сплавов Al-Mg с высоким содержанием магния относится их чувствительность к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением при не благоприятных условиях термической обработки.

Системы алюминий - медь (Al - Cu)

Особую роль в промышленности играют термически упрочняемые сплавы системы  Al-Cu (дуралюмин). Наряду со сравнительно высокими значениями прочностных характеристик эти сплавы обладают хорошей пластичностью, в том числе высокой технологической пластичностью.

  Системе Al-Cu присуща хорошая работоспособность при низких температурах. С понижением температуры одновременно растут прочностные характеристики и пластичность. Сплавы хорошо свариваются в сочетании с высокой работоспособностью сварных соединений при низких температурах.

По сравнению со сплавами других систем сплавы Al-Cu мало чувствительны к концентраторам напряжения. Вместе с тем данные сплавы успешно работают в интервале температур до +2500⁰ С.

К недостаткам сплавов Al-Cu следует отнести их низкую общую коррозионную стойкость. Хотя после термической обработки они имеют удовлетворительную коррозионную стойкость под напряжением. В связи с этим требуется надежная защита конструкции от климатических воздействий и воздействий агрессивной среды. В настоящее время разработана и с успехом применяется система коррозионной защиты. Для защиты листового дуралюминия от коррозии его поверхность плакируют чистым алюминием.

Система алюминий-кремний (Al - Si)

Кремний вводят в алюминиевые сплавы в виде специальной добавки или  он присутствует как примесь.