Содержание

Алюминий. Характеристика элемента. Нахождение в природе. Физические и химические свойства алюминия.

Алюминий предлагает широкий спектр свойств, которые легко находят ему применение во многих конкретных технических проектах. Это обеспечивается широким выбором сплавов, их состояний и технологии изготовления. Свойства алюминия и его сплавов, которые дают им широкое применение включают следующие:

Алюминий и его сплавы являются легкими, их плотность составляет только одну треть от плотности стали.
Алюминий и алюминиевые сплавы доступны в широком интервале величин прочности – от пластичного и мягкого технически чистого алюминия до высокопрочных сплавов с пределом прочности на растяжение до 690 МПа.
Алюминиевые сплавы имеют высокую удельную прочность, то есть прочность на единицу массы.
Алюминий сохраняет свою прочность при низких температурах и часто применяется в криогенных условиях.
Алюминий имеет высокое сопротивление коррозии в большинстве условий эксплуатации. При этом, в отличие от стали, он не образует продуктов коррозии, которые портят внешний вид изделий и конструкций
Алюминий является хорошим проводником тепла и электричества.
Алюминий обладает высокой отражательной способностью.
Алюминий является немагнитным. Это свойство является важным в электротехнической и электронной промышленности.
Алюминий не является самовоспламеняющимся. Это важно при работе с воспламеняющимися или взрывчатыми материалами.
Алюминий является нетоксичным. В большом количестве он применяется в качестве контейнеров для продуктов и напитков.
Алюминий имеет привлекательный внешний вид в своем естественном виде. Его естественная поверхность может быть обработана до матовой, блестящей или зеркальной. Легко поддается нанесению защитно-декоративных покрытий, например, анодированию или порошковой окраске.
Алюминий легко и многократно подвергается вторичной переработке, то есть переплавке и изготовлению новой готовой продукции. Это дает большие экономические и экологические выгоды.
Алюминий легко обрабатывается. Алюминий можно формовать и обрабатывать всеми известными методами обработки металлов, а также способами их соединения.

Свойства алюминия (таблица): температура, плотность, давление и пр.:

Общие сведения
Название	Алюминий/ Aluminium
Символ	Al
Номер в таблице	13
Тип	Металл
Открыт	Ганс Эрстед, Дания, 1825 г.
Внешний вид и пр.	Мягкий, лёгкий и пластичный металл серебристо-белого цвета
Содержание в земной коре	8,1 %
Содержание в океане	5,0×10-7 %
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	26,9815386(8) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
Радиус атома	143 пм
Химические свойства
Степени окисления	0, +3
Валентность	+3
Ковалентный радиус	121 ± 4 пм
Радиус Ван-дер-Ваальса	184 пм
Радиус иона	51 (+3e) пм
Электроотрицательность	1,61 (шкала Полинга)
Энергия ионизации	1‑я: 577,5 кДж/моль (5,984 эВ); 2‑я: 1816,7 кДж/моль (18,828 эВ)
Электродный потенциал	-1,66 В
Физические свойства
Плотность (при нормальных условиях)	2,6989 г/см3
Температура плавления	660,32 °C (933,47 К)
Температура кипения	2518,82 °C (2792 K)
Уд. теплота плавления	10,75 кДж/моль
Уд. теплота испарения	284,1 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,35 Дж/(K·моль)
Молярный объём	10,0 см³/моль
Теплопроводность (при 300 K)	237,0 Вт/(м·К)
Электропроводность в твердой фазе	38х106 См/м
Сверхпроводимость при температуре
Твёрдость	2,75 по шкале Мооса, 167 МПа по Виккерсу
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	4,050 Å
Температура Дебая	394 K

Прочность

Прочность при растяжении

Промышленный чистый алюминий имеет прочность при растяжении около 90 МПа. Поэтому полезность нелегированного алюминия как конструкционного материала в значительной степени ограничена. После обработки металла, например, холодной прокаткой, его прочность может быть увеличена в 1,5-2 раза (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Влияние холодной деформации (нагартовки) на прочностные и пластические свойства марки алюминия 1050 [5]

Намного большее увеличение прочности может быть получено путем легирования алюминия не большими количеством одного и нескольких других элементов, таких как, марганец, кремний, медь, магний или цинк. Подобно чистому алюминию некоторые сплавы также можно упрочнять путем холодной пластической обработки. Другие сплавы получают свою высокую прочность путем их термического упрочнения (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Сравнение прочности характерных алюминиевых сплавов и низкоуглеродистой стали [5]

На рисунке 1.3 показаны уровни прочности характерных алюминиевых сплавов в сравнении со сталями, титановыми сплавами и магниевыми сплавами.

Рисунок 1.3 – Сравнение прочности при растяжении алюминия и алюминиевых сплавов с основными конкурирующими металлами [1]

Удельная прочность

Алюминий имеет плотность только 2,7 грамма на кубический сантиметр по сравнению с 7,9 для сталей, 8,93 для меди и 8, 53 для латуни. Важной характеристикой для конструкционных материалов является их удельная прочность, то есть отношение их прочности к массе (рисунок 2).

Рисунок 2 – Сравнение удельной прочности алюминия и алюминиевых сплавов с основными конкурирующими конструкционными металлами [1]

Алюминий как простое вещество: физические свойства

Если говорить об алюминии, как о простом веществе, то он представляет собой серебристо-белый блестящий металл. На воздухе быстро окисляется и покрывается плотной оксидной пленкой. Тоже самое происходит и при действии концентрированных кислот.

физические и химические свойства алюминия

Наличие подобной особенности делает изделия из этого металла устойчивыми к коррозии, что, естественно, очень удобно для людей. Поэтому и находит такое широкое применение в строительстве именно алюминий. Свойства вещества также еще интересны тем, что данный металл очень легкий, при этом прочный и мягкий. Сочетание таких характеристик доступно далеко не каждому веществу.

Можно выделить несколько основных физических свойств, которые характерны для алюминия.

Высокая степень ковкости и пластичности. Из данного металла изготовляют легкую, прочную и очень тонкую фольгу, его же прокатывают в проволоку.
Температура плавления — 660 0С.
Температура кипения — 2450 0С.
Плотность — 2,7 г/см3.
Кристаллическая решетка объемная гранецентрированная, металлическая.
Тип связи — металлическая.

Физические и химические свойства алюминия определяют области его применения и использования. Если говорить о бытовых сторонах, то большую роль играют именно уже рассмотренные нами выше характеристики. Как легкий, прочный и антикоррозионный металл, алюминий применяется в самолето- и кораблестроении. Поэтому эти свойства очень важно знать.

Промышленный металл

Революционная технология электролитического восстановления оксида алюминия (Al2O3), растворенного в расплавленном криолите, была независимо открыта в 1886 году американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Это событие совпало с тремя не менее революционными прорывами в технике [1]:

Как раз в это время появились первые транспортные средства на двигателях внутреннего сгорания и ценность алюминия, как конструкционного материала, резко возросла.
Во-вторых, электрификация потребовала огромного количества легкого электропроводного материала для передачи электроэнергии на большие расстояния и строительства опор для поддержки электрических кабелей.
В третьих, братья Райт, в те же времена дали толчок развитию новой отрасли промышленности – самолетостроению, в которой алюминий был просто не заменим. Из алюминия изготавливали самолетные рамы, двигатели и другие детали и агрегаты. Вслед за самолетами появились ракеты, а затем и космические аппараты, в которых легкий алюминий является основным конструкционным материалом.

↑ Травим в хлорном железе

Открытые участки металла, которые не нужно травить (например, торцы), покрываем бесцветным лаком для ногтей (можно спереть у жены, как я). Теперь берем фотованночку, наливаем хлорное железо и бросаем туда корпус и кнопки изображением ВНИЗ.

Рис. 10. Травление.

Раствор сразу начинает бурлить. Алюминий вытесняет из раствора железо и оно оседает тут же, в месте травления. Его надо удалять мягкой ненужной зубной щеткой приблизительно раз в 30 сек. При этом надо быть осторожным: могут появиться сколы фоторезиста у краев изображения. Если такое случилось — немедленно промойте, просушите и скорректируйте скол водостойким маркером или тем же лаком для ногтей. Однако лак может разъесть фоторезист, будьте осторожны.

Травил я минут 5. После травления получаются углубления около 0,5 мм глубиной. Снимаем фоторезист. При изготовлении печатных плат фоторезист можно снимать раствором едкого натра (каустической соды) или чуть разбавленным «Кротом» для прочистки канализационных труб. Но для алюминия это не подходит. Он темнеет от контакта с каустиком. Если протравленные углубления глубокие, то можно снять фоторезист наждачной губкой с водой, если не очень, тогда можно бросить в посудину с ацетоном или растворителем № 646 или 647 на 15-20 мин.

Рис. 11. После травления и снятия фоторезиста.

Первичный алюминий

Процесс

Современный процесс производства слитков первичного алюминия показан на рисунке 3.1. Метод Байера применяется для превращения боксита в оксид алюминия, который в алюминиевой промышленности называют глиноземом (верхняя часть рисунка 1). Затем глинозем восстанавливают до металлического алюминия методом Холла-Эру (нижняя часть рисунка 1).

Рисунок 3.1 – Схема производства первичного алюминия: от исходных бокситов до готового алюминия [2]

Из исходной руды – бокситов – получают обогащенное сырье – глинозем.
Глинозем растворяют в ванне с криолитом и добавками различных солей фтора, чтобы контролировать температуру ванны, плотность, электрическое сопротивление и растворимость глинозема.
Затем через ванну пропускают электрический ток, чтобы путем электролиза разделить оксид алюминия – глинозем – на кислород и алюминий.
Образующийся кислород реагирует с графитовыми анодами, а жидкий алюминий собирается на дне этого электролизного агрегата, которое служит в этом процессе катодом (рисунки 4.1 и 4.2).
Жидкий алюминий периодически откачивают с помощью сифона или специальных вакуумных агрегатов в накопительные печи и передают далее на разливку слитков.

Рисунок 3.2 – Производство глинозема – метод Байера [5]

Рисунок 4.1 – Функциональная схема выплавки первичного алюминия [3]

Рисунок 4.2 – Поперечное сечение электролитической ячейки [5]

Неизбежные примеси

Основными примесями выплавленного первичного алюминия являются железо и кремний, однако цинк, галлий, титан и ванадий обычно всегда присутствуют в том иди другом количестве. Чистота алюминия оценивается максимально допустимым количеством примесей. Например, алюминий 99,70 % содержит не более 0,30 % примесей.

Алюминий: физические свойства, получение, применение, история

Физические свойства алюминия

Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C.

По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов.

К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.

Алюминий и его сплавы делятся по способу получения на деформируемые, подвергаемые обработке давлением и литейные, используемые в виде фасонного литья; по применению термической обработки — на термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также по системам легирования.

Получение

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году. Современный метод получения разработали независимо друг от друга американец Чарльз Холл и француз Поль Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Применение

Алюминий широко применяется как конструкционный материал . Основные достоинства алюминия в этом качестве — легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной пленкой 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.

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

Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять.

Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании.

Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.).

Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении. Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование.

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

Драгоценный алюминий

В настоящее время алюминий является одним из самых популярных и нашедших широкое применение металлов. С самого момента открытия в середине XIX века его считали одним из ценнейших благодаря удивительным качествам: белый как серебро, легкий по весу и не подверженный воздействию окружающей среды. Стоимость его была выше цен на золото. Не удивительно, что в первую очередь алюминий нашел свое применение в создании ювелирных изделий и дорогих декоративных элементов.

В 1855 г. на Универсальной выставке в Париже алюминий был самой главной достопримечательностью. Изделия из алюминия располагались в витрине, соседствующей с бриллиантами французской короны. Постепенно зародилась определенная мода на алюминий. Его считали благородным малоизученным металлом, используемым исключительно для создания произведений искусства.

Наиболее часто алюминий использовали ювелиры. При помощи особой обработки поверхности ювелиры добивались наиболее светлого цвета металла, из-за чего его часто приравнивали к серебру. Но в сравнении с серебром, алюминий обладал более мягким блеском, чем обуславливалась еще большая любовь к нему ювелиров.

Так как химические и физические свойства алюминия сначала были слабо изучены, ювелиры сами изобретали новые техники его обработки. Алюминий технически легко обрабатывать, этот мягкий металл позволяет создавать отпечатки любых узоров, наносить рисунки и создавать желаемой формы изделия. Алюминий покрывался золотом, полировался и доводился до матовых оттенков.

Но со временем алюминий стал падать цене. Если в 1854-1856 годах стоимость одного килограмма алюминия составляла 3 тысячи старых франков, то в середине 1860-х годов за килограмм этого металла давали уже около ста старых франков. Впоследствии из-за низкой стоимости алюминий вышел из моды.

В настоящее время самые первые алюминиевые изделия представляют большую редкость. Большинство из них не пережило обесценивания металла и было заменено серебром, золотом и другими драгоценными металлами и сплавами. В последнее время вновь наблюдается повышенный интерес к алюминию у специалистов. Этот металл стал темой отдельной выставки , организованной в 2000 году Музеем Карнеги в Питсбурге. Во Франции расположен Институт истории алюминия , который в частности занимается исследованием первых ювелирных изделий из этого металла.

В Советском союзе из алюминия делали общепитовские приборы, чайники и т.д. И не только. Первый советский спутник был выполнен из алюминиевого сплава. Другой потребитель алюминия — электротехническая промышленность: из него делаются провода высоковольтных линий передач, обмотки моторов и трансформаторов, кабели, цоколи ламп, конденсаторы и многие другие изделия. Кроме того, порошок алюминия применяют во взрывчатых веществах и твердом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться: если бы алюминий не покрывался тончайшей оксидной пленкой, то мог бы вспыхивать на воздухе.

Последнее изобретение — пеноалюминий, т.н. «металлический поролон», которому предсказывают большое будущее.

Рафинирование алюминия

Чтобы получить более высокие степени чистоты алюминия применяют специальные технологии. Чистоту 99,99 % достигают путем зональной плавки или обработки жидкого алюминия методом Хупса (Hoopes).

Метод очистки Хупса

Метод Хупса – это трехслойный электролитический процесс, в котором применяют расплавленную соль с плотностью более высокой, чем у жидкого алюминия (рисунок 5). Комбинацией этих двух методов очистки можно достигать чистоты алюминия 99,999 %.

Рисунок 5 – Печь для рафинирования алюминия по методу Хупса [3]

Нижний слой служит в качестве анода. Он состоит из рафинированного (очищенного) алюминиевого сплава с медью. Медь вводится для того, чтобы увеличить плотность нижнего слоя. Средний слой – это расплавленный электролит. Его плотность ниже, чем плотность анодного сплава и выше, чем плотность уже очищенного алюминия, который “плавает” сверху электролита.

Очистка алюминия происходит за счет растворения примесей на аноде в результате электрохимических реакций.

Очистка алюминия зонной плавкой

Принцип зонной плавки заключается в повторяемых проходах зоны плавления вдоль алюминиевого слитка. Примеси, которые снижают точку плавления алюминия, скапливаются в зоне плавления и постепенно перемещаются к концу слитка. К таким примесям относятся, например, олово, бериллий, кальций, железо, кобальт, никель, магний, медь, кремний, цинк. Примеси, которые повышают точку плавления, концентрируются в начале слитка. К таким примесям относятся, например, хром, титан, молибден, ванадий. Марганец не изменяет температуру плавления и поэтому не двигается под воздействием зоны плавления. Зонной плавкой достигают чистоты алюминия 99,9999 % [2].

Вторичный алюминий

Источником для вторичного алюминия является алюминиевый лом и отходы алюминия во всех формах и видах изделий, а также шлаки и другие отходы алюминиевых литейных производств. Первичное и вторичное производство алюминия тесно связаны. Многие алюминиевые сплавы, деформируемые и литейные, предполагают наличие различных примесей, которые могут присутствовать во алюминиевом ломе и алюминиевых технологических отходах. В последние десятилетие применение алюминиевых отходов при производстве различной алюминиевой продукции неизменно возрастает. Примером этого является производство алюминиевого листа для производства банок для упаковки пива и прохладительных напитков.

Рисунок 6 – Алюминиевый лом: банки для упаковки пива и напитков

Алюминиевые сплавы

Чем легируют алюминий

Чистый алюминий имеет очень низкую прочность и его применение как конструкционного материала весьма ограничено.

Когда в алюминий добавляют другие элементы — легирующие элементы — он повышает свою прочность благодаря различным упрочняющим механизмам.

Алюминий, в принципе, возможно легировать большинством металлических элементов. Однако только некоторые из них имеют достаточную растворимость в твердом состоянии, чтобы быть основными легирующими элементами.

Наиболее важными легирующими элементами алюминия являются:

медь;
марганец;
магний;
кремний и
цинк.

Вместе с тем, значительное число других элементов оказывают заметный эффект на улучшение свойств алюминиевых сплавов. Их добавляют в небольших количествах. Эти элементы включают хром, тот же марганец и цирконий, которые применяют в основном для контроля зеренной структуры.

Максимальная растворимость легирующих элементов в алюминии обычно, но не всегда, достигается при эвтектической температуре. Растворимость легирующих элементов в твердом алюминии снижается со снижением температуры. Это изменение растворимости в твердом алюминии является основой для упрочнения алюминиевых сплавов за счет механизма старения.

Откуда железо в алюминии

Все промышленные сплавы содержат примерно от 0,1 до 0,4 % железа (по массе). Обычно железо в алюминиевом сплаве считается примесью. Его содержание зависит от исходной руды и технологии электролиза при его выплавке. Иногда железо добавляют намеренно для придания материалу особых свойств, например, до 1 % в сплавах для изготовления алюминиевой фольги.

Для чего добавки в алюминии

В комбинации с одним или более основными легирующими элементами часто применяют дополнительные элементы:

висмут,
бор,
хром,
свинец,
титан и
цирконий.

Эти элементы обычно применяют в малых количествах, как правило, до 0,1 %. Однако в некоторых алюминиевых сплавах содержание бора, свинца и хрома может достигать 0,5 %. Благодаря этим малым добавкам сплавы получают необходимые свойства для конкретных условий, такие как, хорошая текучесть при литье, высокое качество механической обработки, теплостойкость, коррозионная стойкость, высокая прочность

Категории алюминиевых сплавов

Удобно разделять алюминиевые сплавы на две основных категории:

литейные сплавы и
деформируемые сплавы.

В каждой из этих категорий дальнейшее разделение основано главном механизме, который отвечает за формирование их свойств – термически упрочняемые сплавы и термически неупрочняемые сплавы. Сплавы последней группы получают свои конечные свойства в результате деформационной обработки – нагартовки. Поэтому иногда их называют более позитивно — деформационно упрочняемые или даже «нагартовываемые».

О сплавах 6060, 6063, АД31

«Рулят» в мировом производстве алюминиевых профилей сплавы серии 6ххх — алюминиевые сплавы легированные магнием и кремнием — каждым по около одного процента. Европейский стандарт EN 573-3 насчитывает их около 30 штук. Из этих тридцати сплавов наиболее широко применяются алюминиевые сплавы:

6060 и
6063, а также
6005А,
6061 и
6082.

Из этих пяти сплавов в мире изготавливается более 90 % всех прессованных алюминиевых профилей.

Рисунок 7 – Популярные алюминиевые сплав серии 6ххх

Зарубежные алюминиевые сплавы

В настоящее время общепризнанной является система обозначений алюминиевых сплавов, которая была введена Американской Алюминиевой Ассоциацией (AA). Этой системы придерживаются и международные стандарты ISO, и европейские стандарты EN.

Каждый деформируемый сплав обозначается сочетанием четырех цифр, например, 2024. Первая цифра обозначает серию сплавов. Каждая из семи серий сплавов имеет один или два основных легирующих элементов. Например, в случае сплава 2024 из серии 2ххх – это медь.

Обозначения литейных сплавов также состоит из четырех цифр, однако между третьей и четвертой цифрами стоит точка, например, 380.0.

В России и других странах СНГ наряду с международной системой обозначений широко применяется и традиционная система буквенно-цифровая обозначений алюминиевых сплавов, например, АД31.

Атом и молекула алюминия. Формула алюминия. Строение алюминия:

Алюминий (лат. Aluminium, от лат. alumen – «квасцы») – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Al и атомным номером 13. Расположен в 13-й группе (по старой классификации – главной подгруппе третьей группы), третьем периоде периодической системы.

Алюминий – амфотерный металл. Относится к группе лёгких металлов.

Как простое вещество алюминий при нормальных условиях представляет собой лёгкий металл серебристо-белого цвета.

Молекула алюминия одноатомна.

Химическая формула алюминия Al.

Электронная конфигурация атома алюминия 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. Потенциал ионизации атома алюминия равен 5,984 эВ (577,5 кДж/моль).

Строение атома алюминия. Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра (+13), вокруг которого по трем оболочкам движутся 13 электронов. При этом 10 электронов находятся на внутреннем уровне, а 3 электрона – на внешнем. Поскольку алюминий расположен в третьем периоде, оболочек всего три. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Третья – внешняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия находятся два спаренных – на s-орбитали и один неспаренный – на p-орбитали электроны. В свою очередь ядро атома алюминия состоит из 13 протонов и 14 нейтронов.

Радиус атома алюминия составляет 143 пм.

Атомная масса атома алюминия составляет 26,9815386(8) а. е. м.

Алюминий – наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния). Концентрация алюминия в земной коре составляет 8,1 %.

Некоторые свойства

Механические свойства

Технология изготовления алюминиевого изделия определяет не только его форму, но также и микроструктуру его материала. В свою очередь, микроструктура определяет свойства изделия.

Некоторые свойства алюминия незначительно зависят от химического состава и технологии изготовления. Примерами таких характеристик являются:

модуль Юнга (70 ГПа),
плотность (2700 кг/м3) и
коэффициент линейного термического расширения (24×10-6 м/(м·К).

Большинство других свойств очень чувствительны к микроструктуре материала и химическому составу. Эти свойства естественным образом делятся на четыре категории:

прочность, пластичность и формуемость – объемные свойства;
усталостная прочность и вязкость разрушения – локальные свойства;
стойкость к высоким температурам и сопротивление ползучести – термомеханические свойства;
коррозионная стойкость, сопротивление износу и качество поверхности – поверхностные свойства.

Химический состав сплава, способ формования изделия (литье, горячая прокатка, холодная прокатка, прессование, ковка) и термическая обработка все вместе определяют микроструктуру, а от микроструктуры, в свою очередь, зависят указанные выше свойства.

Конструктор алюминиевого изделия или детали должен быть знаком с закономерностями этих зависимостей. Он должен рассматривать микроструктуру материала изделия как важную часть проектирования. Это даст ему возможность «заказывать» у металлургов самый подходящий алюминиевый сплав с оптимальной микроструктурой.

Таблица 1 – Плотность и модуль упругости различных промышленных металлов [4]

Таблица 2 – Сравнение физических свойств деформируемых алюминиевых сплавов с соответствующими свойствами чистого алюминия 99,99 % (в квадратных скобках – цифровые обозначения сплавов) [4]

Температура плавления

Температура плавления алюминия очень чувствительна к его чистоте. Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996 % составляет 660,37 °С. При содержании алюминия 99,5 % плавление начинается при температуре 657 °С, а при содержании алюминия 99,0 % — при 643 °С.

Коррозия алюминия

Алюминий сопротивляется коррозии в виде постоянного окисления, которое у сталей называют ржавлением. Свежая алюминиевая поверхности мгновенно реагирует с кислородом и образует алюминиевом изделии прочную инертную пленку толщиной всего в несколько нанометров. Эта пленка блокирует дальнейшее окисление алюминия. Кроме того, в отличие от слоя ржавчины на стали, эта пленка не отслаивается хлопьями с обнажением свежей поверхности для окисления. Напротив, любая царапина на алюминий мгновенно залечивается сама собой.

Алюминий, свойства атома, химические и физические свойства.

26,9815386(8) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

Алюминий — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 13. Расположен в 13-й группе (по старой классификации — главной подгруппе третьей группы), третьем периоде периодической системы.

Атом и молекула алюминия. Формула алюминия. Строение алюминия

Изотопы и модификации алюминия

Свойства алюминия (таблица): температура, плотность, давление и пр.

Физические свойства алюминия

Химические свойства алюминия. Взаимодействие алюминия. Реакции с алюминием

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

Алюминиевая продукция

Виды продукции

Алюминий и его сплавы могут отливаться или формоваться в готовые изделия и полуфабрикаты практически любым из всех известных технологических процессов, применяемых для металлов. По их форме изделия делят на стандартные и «по чертежам заказчика».

Первые включают алюминиевые листы, плиты, фольгу, прутки, проволоку, трубы и конструкционные профили (уголки, тавры, двутавры и тому подобное).

Изделия «по чертежам заказчика» (по-английски их называют «engineered products») разрабатываются для какого-то специального применения и включают прессованные профили, поковки, отливки, а также в значительно меньших количествах изделия порошковой металлургии, ударного прессования и других. Около половины из них приходится на листы, плиты и фольгу, около 20 % — на прессованные профили и трубы.

Экструзия алюминия

Экструзия (или, более официально, по-русски и привычно, «прессование») алюминия и его сплавов — это процесс пластического деформирования, при котором заготовку, обычно часть круглого слитка («столба»), продавливают или выдавливают через одно или несколько отверстий матрицы – специального прессового инструмента. Для этого применяют специальное оборудование – экструзионные прессы, как правило, гидравлические, которые обеспечивают на штоке (пресс-штемпеле, пуансоне), который непосредственно «давит, прессует» заготовку, усилие от 500 до 4000 тонн, а иногда и больше, в зависимости от назначения и производительности пресса.

Алюминиевые отливки

Алюминиевые отливки обычно производят следующими методами:

литье под давлением;
литье в постоянные формы (литье в кокили);
литье в песчаные формы;
литье в гипсовые формы;
литье в расплавляемые формы.

Эти процессы включают различные варианты и разновидности, такие как вакуумные технологии, литье под низким давлением, центробежное литье.

Рисунок 8 – Литье алюминиевых колесных дисков

Алюминиевые поковки

Алюминиевые поковки производят созданием пластического течения металла путем приложения к нем кинетических, механических или гидравлических усилий в открытой или закрытой матрице. Поковки, выполняемые вручную, имеют простые геометрические формы – прямоугольники, цилиндры, диски. Более сложные формы куют в закрытых формах

Лазерная гравировка на металле

Нам часто задают один и тот же вопрос, а можно ли сделать гравировку с помощью лазеров Endurance на металле, например, алюминии или стали.

Можно ли вообще сделать гравировку на металле в домашних условиях?

Сегодня мы ответим на этот вопрос.

Рассмотрим алюминий. На самом деле это довольно распространенный в быту металл, пригодный для гравирования. Многие изделия, например, брелки, флэшки, корпуса некоторых мобильных имеют алюминиевое покрытие.

Что мы знаем об алюминии? Это металл с температурой плавления около 600 градусов Цельсия, обладающий высокой теплопроводностью и имеющий, как правило, на своей поверхности пленку из оксида алюминия, у которого температура плавления больше 1000 градусов Цельсия. Это значительно затрудняет процесс гравирования путем термообработки, но есть другой вариант. Алюминий – хороший проводник, а раз так, то процесс электролиза никто не отменял. Вот оно то самое решение, о котором мы расскажем.

Этот процесс называется травление алюминия.

В этом нет ничего сложного. Нам только понадобится источник тока 9-12 вольт.

А также обыкновенная поваренная соль NaCl, емкость из диэлектрика (пластиковая вполне подойдет), гвоздь или любой железный предмет подходящей формы и размера, вода.

И, конечно, лазер Endurance. Мы использовали 3.5Вт (3500 мВт) для этих целей, но подойдет и любой другой.

Итак, что мы делаем?

Готовим растровый рисунок, который хотели бы нанести на алюминиевую поверхность пластины.

Например, вот такой: 1.

2. Покрываем алюминиевую поверхность пластины защитной пленкой (клейкой лентой, можно скотчем, лаком, краской, на ваш выбор).

3. Помещаем алюминиевую пластину на рабочий стол 3D-принтера или лазерного настольного гравера, оборудованного нашим (2.1Вт или 3.5Вт) лазером, и включаем режим лазерной резки (чтобы разрушить наклеенную пленку и создать открытые участки в месте будущей гравировки).

4. Далее в пластиковой емкости готовим концентрированный водный раствор NaCl.

5. Из источник электрического тока выводим 2 провода «плюс» и «минус».

6. К минусу присоединяем железный предмет (гвоздь) и опускаем его в водный раствор NaCl.

7. К плюсу присоединяем нашу алюминиевую пластину и тоже опускаем в раствор соли.

8. Подаем питание на источник тока.

9. Начинается процесс электролиза (травления) в растворе. В зависимости от силы тока и концентрации раствора можно прикинуть примерное время, необходимое для травления. Обычно 3-5 минут.

10. Достаем изделие из раствора.

Вы можете также и даже лучше! Узнайте больше!

Необходимо помнить, что гравируемое изделие перед помещением в раствор следует тщательно изолировать за исключением тех областей, где, собственно, и должна быть нанесена гравировка.

Данный процесс можно проводить и дома, и в небольшой мастерской. С этой технологией любой может стать мастером гравировки по металлу. На наш взгляд, эта технология имеет большую практическую ценность, поскольку относительно легко вы можете гравировать лазером на металле дома или в небольшой мастерской.

Гравировка на металле (алюминии и стали) с Endurance — это легко!

Обработка поверхности алюминия

Натуральная металлическая поверхность алюминия является эстетически привлекательной для многих изделий и без дополнительной обработки. Это натуральное защитное оксидное покрытие является прозрачным и его можно сделать толще путем анодирования. Этим достигается дополнительная защита поверхности без ущерба для внешнего вида изделия.

Категории

Алюминий позволяет применять большое количество способов обработки его поверхности. Типы обработки поверхности разделяют на четыре широкие категории:

механические,
химические,
электролитические покрытия и
неэлектролитические покрытия.

Одни из них изменяют ее внешний вид, другие дают поверхности заданные свойства, например, коррозионную стойкость. Механически и химически можно создавать различную текстуру поверхности: от грубой до зеркально гладкой.

Анодирование

Анодирование алюминия дает возможность сделать естественную поверхность матовой или цветной. Технология анодирования алюминия включает применение различных электролитов и электрических параметров — напряжения и силы тока (рисунок 9).

Рисунок 9 – Принцип анодирования алюминия

Окраска

Для алюминия широко применяют различные методы окраски: от нанесения «мокрой» краски до порошковой окраски (рисунок 10) и электролитического нанесения покрытий из других металлов.

Рисунок 10 – Вертикальная порошковая окраска алюминиевых профилей

Алюминий. Характеристика элемента. Нахождение в природе. Физические и химические свойства алюминия.

Сценарий урока

Алюминий. Характеристика элемента. Нахождение в природе.

Физические и химические свойства алюминия.

Расширить знания учащихся об алюминии, изучить физические и химические свойства алюминия, экспериментально доказать его амфотерность, ознакомить учащихся с нахождением алюминия в природе, показать его практическое значение в нашей жизни.

Развивать логическое мышление, умение экспериментальной работы во время проведения лабораторных опытов, применять теоретические знания при решении упражнений.

Формировать у учащихся чувство ответственности за соблюдение правил безопасности жизнедеятельности при проведении химического эксперимента. Формировать научное мировоззрение у учащихся.

Оборудование и материалы:

Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева, электрохимический ряд напряжений металлов, таблица растворимости кислот, оснований и солей, алюминий, растворы соляной кислоты, гидроксида натрия, хлорида меди (II).

Базовые понятия и термины:

металлы, металлическая кристаллическая решётка, электронная оболочка, амфотерность.

усвоение нового материала

I
Организационный этап
II
Актуализация опорных знаний
Учащиеся выполняют задания по вариантам, взаимно проверяют работы и выставляют оценки.

Задание: Закончить возможные уравнения химических реакций:

Вариант
I

Na + H2O
Fe + Cl2 
CаO + CO2 
Ca(OH)2 + HBr 
K2O + MgO 
Mg + H2SO4 

Вариант
II

CaO + H2SO4
Fe + HCl 
K + S 
NaOH + SO3
KCl + Ca(OH)2
Na + Br2

III
Мотивация учебной деятельности
На предыдущих уроках были рассмотрены строение и свойства типичных металлов. На данном уроке рассмотрим строение и свойства ещё одного металла, без которого не мыслима современная жизнь.

Два тысячелетия тому римскому императору Тиберию неизвестный подарил очень лёгкую вазу, изготовленную из металла, похожего на серебро. Мастер рассказал, что этот металл он получил из глинистой земли. Тиберий испугался, что новый металл обесценит серебро и золото, и приказал отрубить мастеру голову, а его лабораторию уничтожить, чтобы никто не узнал о способе получения нового металла.

Наполеон III, когда устраивал приёмы для важных гостей, пользовался посудой из этого металла.

В начале XX столетия один монарх имел праздничную одежду с пуговицами из этого металла.

О каком металле пойдёт речь?

IV
Изучение нового материала
Фронтальная беседа

Какие элементы расположены в III группе главной подгруппы?
Что общего в строении атомов этих элементов? Изобразите строение атомов бора, алюминия, галлия по рядам.
Какие изменения в свойствах элементов, радиусов и электроотрицательностей их атомов наблюдаются в III А группе? Поясните эти изменения.
Составьте формулы высших оксидов, гидроксидов. Определите валентности, степени окисления.
В чём состоит особенность строения атома алюминия?
Выскажите предположение по поводу свойств этого элемента.
Сравните свойства алюминия и магния.
Дайте характеристику металлической связи.
Определите модель кристаллической решётки алюминия.

Нахождение в природе

Проблемный вопрос:

Существует ли в природе самородный алюминий? Для ответа используйте ряд напряжений металлов.

В природе алюминий встречается в виде соединений:

В Китае есть гробница известного полководца Чжоу Чжу, который умер в начале III столетия. В XX веке был сделан спектральный анализ орнамента гробницы и определён его состав: сплав содержал 85% алюминия.

Д.И.Менделееву подарили дорогие весы, значительная часть деталей в которых была сделана из алюминия. Алюминиевые вещи были дорогими, потому что был неизвестен выгодный промыщленный способ получения алюминия. Его открыли лишь в XX веке.

В настоящее время алюминий получают из глинозёма в расплаве криолита путём электролиза.

Физические свойства алюминия

Демонстрация: Поверхность алюминиевого изделия царапаем лезвием ножа: свежий срез ярко блестит.

Работа с учебником и дополнительной литературой по физическим свойствам алюминия.

Алюминий серебристо-белый металл, ковкий, легко вытягивается в проволоку, tпл = 650 °C, tкип = 2520 °C. При комнатной температуре алюминий не изменяется, потому что его поверхность покрыта тонкой оксидной плёнкой, которая оказывает сильное защитное действие.

Ответьте на вопрос: почему ложки, вилки, кастрюли, вазы изготавливают из алюминия?

Демонстрация механической прочности оксидной плёнки.

Нагреваем алюминиевую проволоку и отмечаем, что алюминий плавиться, но не течёт.

Химические свойства алюминия

Проблемный вопрос:

Можно ли хранить раствор соды в алюминиевой посуде? Можно ли ставить скисать молоко в алюминиевой посуде?

Какие общие химические свойства характерны для металлов?
Будут ли перечисленные свойства проявлять алюминий?
Кроме перечисленных свойств, какие ещё свойства будут характерны для алюминия?

Учащиеся записывают уравнения реакций, характеризующих взаимодействие алюминия с неметаллами

Лабораторный опыт: Учащиеся проводят химические реакции и записывают уравнения реакций, подтверждающих взаимодействие алюминия с растворами кислот.

Вспомните, что происходит, если алюминиевую кастрюлю с водой нагревать, мыть алюминиевую столовую посуду в тёплой воде. Почему?

Проблемный вопрос:

Почему алюминий, находящийся в электрохимическом ряду напряжений металлов до водорода, после магния, должен характеризоваться значительной активностью, но не взаимодействует с водой при нагревании и пассивен?

Лабораторный опыт: Учащиеся изучают взаимодействие алюминия с раствором щёлочи.

Проблемный вопрос:

Почему во время долгого путешествия еду заворачивают в алюминиевую фольгу?

Рассматриваем взаимодействие алюминия с оксидами металлов.

Применение алюминия

Алюминий и его сплавы широко применяются в народном хозяйстве благодаря лёгкости и устойчивости к воздействию воздуха и воды. В виде разных сплавов алюминий применяется в авиации (дюралюминий), в судостроении (магналин), в машиностроении (силумин), в строительстве, в приборостроении. Его применяют для получения металлов и неметаллов.

V
Закрепление изученного материала
1. Осуществите цепочку превращения:

Al Al2(SO4)3 AlCl3

2. Объясните наличие хорошей электропроводности алюминия.

3. 24г смеси алюминия с медью обработали соляной кислотой и собрали 14,8л водорода (н.у.). Определите процентный состав смеси.

4.Напишите уравнения реакций, согласно которым протекают нижеприведенные превращения:

VI
Подведение итогов
VII
Домашнее задание:
изучить конспект,

Сколько потребуется алюминия для получения железа из 1кг железной руды, содержащей 80 % оксида железа (III)

Осуществить цепочку превращения:

Al  AlCl3  Al(OH)3 Al2(SO4)3

Приложение

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ

Физические свойства алюминия

Металлический блеск, серебристо-белый цвет, легкоплавкий (tпл = 660°C), лёгкий (ρ = 2,7 г/см3), высокая пластичность, высокая электропроводность и теплопроводность.

Химические свойства алюминия

Взаимодействие с
неметаллами

4Al + 3O2 = 2Al2O3

2Al + 3I2 = 2AlI3

Взаимодействие с
водой

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

Взаимодействие с
кислотами

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

4. Взаимодействие со
щелочами
Al + 6NaOH + 6H2O = 2Na3[Al(OH)6] + 3H2

Al + 2NaOH +6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Так как алюминий взаимодействует и с кислотами и со щелочами, значит, он обладает амфотерными свойствами.

5. Взаимодействие с
солями
2Al + 3CuCl2 = 2AlCl3 + 3Cu

6. Взаимодействие с
оксидами металлов
8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 +9Fe

Алюминий: свойства химические и физические

Одними из самых удобных в обработке материалов являются металлы. Среди них также есть свои лидеры. Так, например, основные свойства алюминия известны людям уже давно. Они настолько подходят для применения в быту, что данный металл стал очень популярным. Каковы же свойства алюминия как простого вещества и как атома, рассмотрим в данной статье.

алюминий свойства химические

История открытия алюминия

Издавна человеку было известно соединение рассматриваемого металла — алюмокалиевые квасцы. Оно использовалось как средство, способное набухать и связывать между собой компоненты смеси, это было необходимо и при выделке кожаных изделий. О существовании в чистом виде оксида алюминия стало известно в XVIII веке, во второй его половине. Однако при этом чистое вещество получено не было.

Сумел же выделить металл из его хлорида впервые ученый Х. К. Эрстед. Именно он обработал амальгамой калия соль и выделил из смеси серый порошок, который и был алюминием в чистом виде.

Тогда же стало понятно, что химические свойства алюминия проявляются в его высокой активности, сильной восстановительной способности. Поэтому долгое время с ним никто больше не работал.

химические свойства алюминия

Однако в 1854 году француз Девиль смог получить слитки металла методом электролиза расплава. Этот способ актуален и по сей день. Особенно массовое производство ценного материала началось в XX веке, когда были решены проблемы получения большого количества электроэнергии на предприятиях.

На сегодняшний день данный металл — один из самых популярных и применяемых в строительстве и бытовой промышленности.

Общая характеристика атома алюминия

Если характеризовать рассматриваемый элемент по положению в периодической системе, то можно выделить несколько пунктов.

Порядковый номер — 13.
Располагается в третьем малом периоде, третьей группе, главной подгруппе.
Атомная масса — 26,98.
Количество валентных электронов — 3.
Конфигурация внешнего слоя выражается формулой 3s 2 3p 1 .
Название элемента — алюминий. выражены сильно.
Изотопов в природе не имеет, существует только в одном виде, с массовым числом 27.
Химический символ — AL, в формулах читается как «алюминий».
Степень окисления одна, равна +3.

Химические свойства алюминия полностью подтверждаются электронным строением его атома, ведь имея большой атомный радиус и малое сродство к электрону, он способен выступать в роли сильного восстановителя, как и все активные металлы.

Алюминий как простое вещество: физические свойства

физические и химические свойства алюминия

Можно выделить несколько основных физических свойств, которые характерны для алюминия.

Высокая степень ковкости и пластичности. Из данного металла изготовляют легкую, прочную и очень тонкую фольгу, его же прокатывают в проволоку.
Температура плавления — 660 0 С.
Температура кипения — 2450 0 С.
Плотность — 2,7 г/см 3 .
Кристаллическая решетка объемная гранецентрированная, металлическая.
Тип связи — металлическая.

Химические свойства алюминия

С точки зрения химии, рассматриваемый металл — сильный восстановитель, который способен проявлять высокую химическую активность, будучи чистым веществом. Главное — это устранить оксидную пленку. В этом случае активность резко возрастает.

Химические свойства алюминия как простого вещества определяются его способностью вступать в реакции с:

кислотами;
щелочами;
галогенами;
серой.

С водой он не взаимодействует при обычных условиях. При этом из галогенов без нагревания реагирует только с йодом. Для остальных реакций нужна температура.

восстановительные свойства алюминия

Можно привести примеры, иллюстрирующие химические свойства алюминия. Уравнения реакций взаимодействия с:

кислотами — AL + HCL = AlCL₃ + H₂;
щелочами — 2Al + 6H₂O + 2NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3Н₂;
галогенами — AL + Hal = ALHal₃;
серой — 2AL + 3S = AL₂S₃.

В целом, самое главное свойство рассматриваемого вещества — это высокая способность к восстановлению других элементов из их соединений.

Восстановительная способность

Восстановительные свойства алюминия хорошо прослеживаются на реакциях взаимодействия с оксидами других металлов. Он легко извлекает их из состава вещества и позволяет существовать в простом виде. Например: Cr₂O₃ + AL = AL₂O₃ + Cr.

В металлургии существует целая методика получения веществ, основанная на подобных реакциях. Она получила название алюминотермии. Поэтому в химической отрасли данный элемент используется именно для получения других металлов.

Распространение в природе

По распространенности среди других элементов-металлов алюминий занимает первое место. Его в земной коре содержится 8,8 %. Если же сравнивать с неметаллами, то место его будет третьим, после кислорода и кремния.

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.

механические свойства алюминия

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.

Получение

Физические и химические свойства алюминия позволяют получать его только одним способом: электролизом расплава соответствующего оксида. Однако процесс этот технологически сложен. Температура плавления AL₂O₃ превышает 2000 0 С. Из-за этого подвергать электролизу непосредственно его не получается. Поэтому поступают следующим образом.

Добывают бокситы.
Очищают их от примесей, оставляя лишь оксид алюминия.
Затем плавят криолит.
Добавляют туда оксид.
Данную смесь элекролизуют и получают чистый алюминий и углекислый газ.

алюминий металлические свойства

Выход продукта составляет 99,7 %. Однако возможно получение и еще более чистого металла, который используется в технических целях.

Применение

Механические свойства алюминия не столь хороши, чтобы применять его в чистом виде. Поэтому чаще всего используются сплавы на основе данного вещества. Таких много, можно назвать самые основные.

Дюралюминий.
Алюминиево-марганцевые.
Алюминиево-магниевые.
Алюминиево-медные.
Силумины.
Авиаль.

Основное их отличие — это, естественно, сторонние добавки. Во всех основу составляет именно алюминий. Другие же металлы делают материал более прочным, стойким к коррозии, износоустойчивым и податливым в обработке.

Можно назвать несколько основных областей применения алюминия как в чистом виде, так и в виде его соединений (сплавов).

Для изготовления проволоки и фольги, используемой в быту.
Изготовление посуды.
Самолетостроение.
Кораблестроение.
Строительство и архитектура.
Космическая промышленность.
Создание реакторов.

алюминий свойства вещества

Вместе с железом и его сплавами алюминий — самый важный металл. Именно эти два представителя периодической системы нашли самое обширное промышленное применение в руках человека.

Свойства гидроксида алюминия

Гидроксид — самое распространенное соединение, которое образует алюминий. Свойства химические его такие же, как и у самого металла, — он амфотерный. Это значит, что он способен проявлять двойственную природу, вступая в реакции как с кислотами, так и со щелочами.

Сам по себе гидроксид алюминия — это белый студенистый осадок. Получить его легко при взаимодействии соли алюминия с щелочью или гидроксидом аммония. При взаимодействии с кислотами данный гидроксид дает обычную соответствующую соль и воду. Если же реакция идет с щелочью, то формируются гидроксокомплексы алюминия, в которых его координационное число равно 4. Пример: Na[Al(OH)₄] — тетрагидроксоалюминат натрия.

Алюминий – свойства, основные характеристики, область применения

Алюминием называют пластичный металл, который имеет серебристую пленку. Он распространен в природе, поэтому является лидером среди металлов и занимает более 8% от массы всей земной коры. Благодаря ряду свойств он имеет широкий спектр применения и в промышленных целях используется также часто, как железо.

Основные параметры

Алюминий – свойства, основные характеристики, область применения