Алюминий

Зміст 

1. Вступ
2. Фізичні властивості алюмінію
3. Хімічні властивості алюмінію
4. Механічні властивості алюмінію
5. Вплив деформації на механічні властивості алюмінію
6. Характеристики алюмінію
7. Область застосування алюмінію:

• Авіація
• Залізничний транспорт
• Атомобільний транспорт
• Нафтова та хімічна промисловість
• Алюмінієвий посуд

8. Список літератури 
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
   

Вступ

     Широко  поширений метал алюміній відомий  людству здавна. Історія зберегла чимало фактів, що свідчать про це. Так, наприклад, римському імператору Тиберію, який правив у 14-27 рр.. н.е., була піднесена в подарунок алюмінієва чаша, яка була схожа на аналогічні срібні предмети, але важила набагато менше їх. Не менш древній «слід» алюміній залишив на гробниці китайського полководця Чжоу-Чжу, який панував в II-III ст. н.е. Прикраси на ній виявилися відлиті із сплаву, в якому левову частку становив саме цей метал. 
 Втім, офіційно алюміній був представлений набагато пізніше - в 1825 році, коли датський фізик Ганс Ерстед виділив цю речовину при дослідах з амальгамою калія і галуном, пропущеними через хлор. Два роки по тому успіх данця повторив німецький хімік Фрідріх Велер, що отримав порошок алюмінію при роботі зі складним з'єднанням гексафторалюміната і калієм. 
 Французькі хіміки пішли ще далі. Вченим Анрі Девілля була розроблена вже справжня промислова технологія отримання алюмінію. Правда, вона виявилася занадто складна, трудомістка, а кінцевий продукт коштував дуже дорого - трохи менше, ніж золото, і в 1,5 тисячі разів більше, ніж залізо. Недарма ж брязкальце, виконана з алюмінію, прирівнювалася за цінністю до інших ексклюзивним подарункам, піднесеним спадкоємцю великого Наполеона в день народження. 
 Алюміній довгий час котирувався як «дорогоцінний» метал. Зокрема, алюмінієві зливки представлялися на міжнародних ювелірних виставках, використовувалися в обробці пам'ятників, наприклад, в оздобленні монумента Вашингтону в американській столиці. Для порівняння: 120 років тому фунт алюмінію коштував 12 доларів, а такий же злиток срібла - 15 доларів. Причина - трудомісткість видобутку мінералів і виділення з них такої речовини, як алюміній. 
 

Фізичні властивості алюмінію

    Алюміній  — металічний елемент головної підгрупи ІІІ групи 3  періоду періодичної системи хімічних елементів. Електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня його атома 3s²3p¹. При хімічних взаємодіях у збудженому стані він здатен утворювати три ковалентних зв’язки або повністю віддавати свої три електрони, проявляючи у своїх сполуках ступінь окиснення +3. Отже, Алюміній є активним відновником.

    Алюміній  по поширеності займає третє місце  серед інших елементів. Масова частка Алюмінію в земній корі становить 8,5 %. У природі він зустрічається тільки у вигляді сполук. Він входить до складу алюмосилікатів, до яких належать: глини, слюди, польові шпати, зокрема каолін. Промислово важливою алюмінієвою рудою є  боксит Al₂O₃ · nН₂О. Алюміній входить до складу мінералу корунду, який є кристалічним алюміній оксидом Al₂O₃. Різні домішки здатні надавати корундові різних кольорів. зеленого, жовтого, жовтогарячого, фіолетового та інших кольорів й відтінків. Його синій різновид називають сапфіром, а червоний — рубіном. І рубіни, і сапфіри є коштовними каменями.

    Проста  речовина алюміній — блискучий сріблясто-білий  метал. Він має високу здатність  відбивати світлові та теплові промені, а також високі тепло- та електропровідність. Температура плавлення алюмінію 660 °С. Це досить легкий і пластичний метал. З нього можна виробляти  тонкий дріт і фольгу.

    

    Рисунок 1.1 Схема побудови атома алюмінію

Хімічні властивості алюмінію

    Хімічно алюміній дуже активний. На повітрі  він швидко окиснюється і вкривається  тонкою плівкою алюміній оксиду. Оксидна  плівка є досить міцною й зумовлює корозійну стійкість алюмінію. При  нагріванні на повітрі чи в кисні  алюміній згоряє, утворюючи також  алюміній оксид:

    4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃.

    Алюміній  активно реагує з іншими неметалами. За звичайних умов він взаємодіє  з хлором і бромом, утворюючи солі, наприклад, алюміній хлорид:

    2Al + 3Сl₂ = 2AlСl₃.

    Реакція алюмінію з йодом відбувається, якщо до суміші алюмінієвого порошку з  йодом додати кілька крапель води, яка виконує роль каталізатора:

    2Al + 3I₂ = 2AlІ₃.

    При нагріванні алюміній реагує з сіркою, азотом, вуглецем, наприклад:

    2Al + 3S = Al₂S₃.

    У звичайному стані алюміній покритий захисною оксидною плівкою і є  стійким до дії води навіть при  нагріванні. Якщо плівка алюміній оксиду буде зруйнована, то алюміній буде активно  реагувати з водою з виділенням газуватого водню:

    2Al + 6Н₂О = 2Al(ОН)₃↓ + 3Н₂↑.

    Алюміній  реагує з розчинами кислот з утворенням солей і водню, наприклад:

    2Al + 6НСl= 2AlCl₃ + 3Н₂↑.

    Концентровані сульфатна і нітратна кислоти  пасивують алюміній, тобто збільшують міцність оксидної плівки. Таким чином, алюміній з ними не реагує.

    Оксидна плівка легко розчиняється в лугах  і алюміній реагує з розчинами  лугів з виділенням водню:

    2Al + 2NaOH +6Н₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3Н₂↑.

    Алюміній відновлює метали з їхніх оксидів при нагріванні (алюмінотермія), наприклад:

    Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃.

    Алюміній добувають шляхом електролізу глинозему розчиненого в розплавленому кріоліті Na₃[AlF₆]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Механічні властивості алюмінію

  Механічні властивості алюмінію в значній мірі залежать від кількості домішок в алюмінії, його попередньої механічної обробки (наклеп, відпал і пр.) і температури. Зі збільшенням вмісту домішок міцнісні властивості алюмінію ростуть, а пластичність зменшується, причому ці властивості виявляються навіть при зміні чистоти алюмінію від 99,5 до 99,00%. 
 Механічні властивості алюмінієвих сплавів визначаються їх хімічним складом, станом (обробкою), видом і розмірами напівфабрикатів, наявністю або відсутністюплакіровкі і т. д. Тому наведені в табл. 1 дані про хімічний склад і механічні характеристики прийняті з деяким осредненіе в порівнянні з даними СНиП П-Е.5-64.  

Основні механічні властивості алюмінію характеризуються наступними показниками:

• модуль пружності (або модуль Юнга) Е - відношення прикладеного зусилля до лінійної деформації в межах пружного ділянки розтягнення. Для алюмінію чистотою 99,25% при кімнатній температурі він дорівнює 710 МН/м2, а для алюмінію чистотою 99,98% - тільки 670 МН/м2;
• стисливість алюмінію характеризується зміною обсягу при високому тиску (V) до обсягу при тиску навколишнього середовища (V0) - Дані V / VQ для алюмінію чистотою 99,999% наведено нижче:
• Межа міцності - напруга, що відповідає найбільшому навантаженню перед руйнуванням, при кімнатній температурі для алюмінію чистотою 99,99% складає 4,5; 99,8% - 6,3; 99,7% - 6,7; 99,6% - 0,7 МН/м2;
• відносне подовження характеризує пластичність алюмінію і при кімнатній температурі для алюмінію чистотою 99,5% становить 45%, а при чистоті алюмінію 99,99% - 61%, збільшуючись при температурі 427 ° С до 131%.

 

Вплив деформації на механічні властивості алюмінію 

Провідникової алюміній може бути зміцнений за рахунок холодної деформації. Холодна деформація; як вказувалося раніше, дуже мало підвищує електричний опіралюмінію.

; де

• S і s - початкове і кінцеве перетин деформівного алюміній; або для дроту за формулою
• де D - діаметр катанки (початковий); d - діаметр дроту (остаточний).

 Ступінь деформації можна висловити процентним відношенням зменшення перетинудо початкового перерізу катанки:

Рисунок 1.2  Зміни механічних властивостей алюмінієвого дроту від ступеню  деформації 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Характеристики  алюмінію

Якщо  звернутися до історії, то саме в 1825 році були вперше отримані невеликізразки легкого та гнучкого металу, а вже в 1886 році, після освоєння методуелектролізу глинозему, алюміній почав свій переможний хід по планеті. Алюміній це кольоровий метал, який, завдяки формуванню міцної оксидної плівки при взаємодії з киснем, відрізняється одним з найвищих показників опірності корозії. Це, безумовно, привабливе властивість доповнюється таким набором фізико-хімічниххарактеристик:

• відсутність взаємодії з органічними кислотами;
• пасивність по відношенню до азотної кислоти;
• низька щільність і атомна вага, що забезпечує легкість цього металу;
• висока тепло і електропровідність;
• пластичність і гнучкість;
• довговічність і здатність до вторинної переробки.

  Такий арсенал пріоритетних характеристик дозволив швидко освоїти застосування алюмінію в усіх галузях світової економіки. Для підвищення міцності цього металу всплав часто додають мідь, магній, кремній і цинк в різних пропорціях. Коженкомпозитивним сплав володіє індивідуальними властивостями, які забезпечують йому застосування у власній виробничій ніші. Крім того, алюміній успішно використовують як добавки в різні кольорові сплави для підвищення антикорозійних властивостей. 
  Сьогодні алюмінієвий прокат пропонує споживачеві масу необхідних виробів ізаготовок, починаючи від популярної алюмінієвого дроту і закінчуючи листами длявиробництва та обробки фюзеляжів повітряних лайнерів.

       

Область застосування алюмінію

  Широке застосування алюмінію зумовлене його властивостями. Поєднання легкості з достатньо високою електропровідністю дозволяє застосовувати алюміній як провідник електричного струму. Алюміній і його сплави використовують практично у всіх галузях сучасної техніки: в авіаційній й автомобільній промисловості, залізничному і водному транспорті, машинобудуванні тощо. Завдяки високій корозійній стійкості алюміній широко застосовують при виготовленні апаратури для виробництва харчових продуктів та деяких хімічних речовин. З полірованого алюмінію виготовляють дзеркала та поверхні нагрівальних і освітлювальних рефлекторів. Алюміній використовують як розкисник сталей та інших сплавів. Ним відновлюють метали з їхніх оксидів.

Області застосування алюмінію можна умовно розбити на наступні великі групи:

• хімічна промисловість - виготовлення обладнання для виробництва і
• транспортування цілого ряду агресивних матеріалів;
• харчова промисловість - виробництво посуду, консервів, упаковки і алюмінієвихємностей;
• машинобудування, суднобудування та авіаційна галузь (дюраль Д16Т - найпоширеніший матеріал для виробництва літаків);
• виробництво промислового та побутового обладнання;
• виготовлення будівельних матеріалів;
• високі технології виробництва напівпровідникових систем і комунікацій новогопокоління.

  Варіанти використання алюмінію в технічних і побутових цілях з кожним рокомзбільшуються, стимулюючи високий попит на цей легкий і пластичний метал. Сучаснийалюмінієвий прокат є досить енергоємним виробництвом, тому всі заводи з виробництва алюмінію, як правило, є складовою частиною потужнихтеплоенергетичних комплексів. На світовому ринку ціна на алюміній сьогодні коливається в проміжку від 1600 $ до 1900 $ за тонну, але був час, коли ці показникистановили близько 3000 $ і більше. Таке зниження цін фахівці пояснюють світовою економічною кризою і виходом на західні ринки більш дешевого азіатського та російського алюмінію. Однак найближчим часом антидемпінгові закони повинніврегулювати дисбаланс, і тому аналітики прогнозують збільшення вартості алюмініюв найближчі роки. Як би там не було, алюміній залишається найважливішим металомдля світового промислового виробництва, природні запаси якого є найбільшзначними в земній корі, становлячи більше 7% від загальної маси.