АЛЮМИНИЙ

АЛЮМИНИЙ (от лат. alumen, род. падеж aluminis - квасцы ; лат. Aluminium) A1, хим. элемент III гр. периодич. системы, ат. н. 13, ат. м. 26,98154. В природе один стабильный изотоп 27 А1. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 215*10 -25 м 2. Конфигурация внеш. электронной оболочки 3s 2 3p; степень окисления + 3, менее характерны + 1 и + 2 (только выше 800 °С в газовой фазе); энергия ионизации Аl 0 -> А1 + -> А1 2 + -> А1 3+ соотв. 5,984, 18,828, 28,44 эВ; сродство к электрону 0,5 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,5; атомный радиус 0,143 нм, ионный радиус А1 3+ (в скобках указаны координац. числа) 0,053 нм (4), 0,062 нм (5), 0,067 нм (6).

Содержание алюминия в земной коре 8,8% по массе. По распространенности в природе занимает четвертое место среди всех элементов (после О, Н и Si) и первое среди металлов ; в своб. виде не встречается. Важнейшие минералы. боксит, представляющий собой смесь гидроксидов алюминия - диаспора и бемита А1ООН и гиббсита (гидраргиллита) А1(ОH)3 (крупнейшие месторождения в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; пром. месторождения имеются также в СФРЮ, Греции, ВНР, Франции и СССР); алунит, или квасцовый камень (Na, К)2 * SO4 *A12 (SO4 )3 *4A1(OH3 ) (осн. месторождения в СССР, ЧССР, Италии); нефелин (Na,K)2 O*Al2 O3 *2SiO2 (осн. месторождения в СССР, Гренландии, Норвегии, Швеции, Кении).

Свойства. алюминий - серебристо-белый легкий металл ; кристаллич. решетка кубич. гранецентрированная (а = 0,40403 нм, z = 4, пространств. группа Fт3т). Т. пл. 660 °С, т. кип. ок. 2452°С; плотн. алюминия 99,996%-ной чистоты 2,6989 (20°С) и 2,289 (1000°С) г/см 3 ; Сp ° 24,35 Дж/(моль*К);Н 0 пл 10,9 кДж/моль ,Н 0 исп 302,13 кДж/моль ; S 0 298 28 Дж/(моль*К); давление пара (Па) 0,266 (660°С), 13,3 (1123°С), 133 (1279°С); температурный коэф. линейного расширения 24,58*10 -6 К -1 (20-200°С); теплопроводность 1,24*10 -3 Вт/(м*К); 0,0265 мкОм*м; для алюминия 99,85%-ной чистоты (Н*с/м 2 ) 2*10 -3 (800°С), 1,5*10 -3 (900°С), 1,3*10 -3 (1000°С);(на границе с Аг) 0,86 Н/м (700-750 °С). Алюминий слабо парамагнитен. Стандартный электродный потенциал А1 3+ /А1° -1,663В в кислой среде и -2,35 В в щелочной. Модуль упругости 7*10 3 МПа; для отожженного металла твердость по Бринеллю 170 МПа, для холоднокатаного 270 МПа, соотв. 50 и 115 МПа, относит. удлинение 49 и 5,5%. При охлаждении ниже 120 К прочностные св-ва алюминия в отличие от большинства металлов возрастают, а пластические не изменяются.

На воздухе алюминий покрывается тонкой прочной беспористой пленкой А12 О3. защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокую коррозионную стойкость. По этой же причине алюминий не реагирует с конц. HNO3. Техн. алюминий легко взаимод. с разбавленными соляной к-той H2 SO4 и HNO3. образуя соли. Алюминий легко реагирует со щелочами. давая алюминаты.

Порошкообразный алюминий выше 800°С образует с азотом алюминия нитрид A1N. При взаимод. атомарного Н с парами алюминия при -196 °С получается гидрид (А1Н)Х (х = 1, 2), стабильный до — 76°С; (А1Н3 )Х. синтезированный взаимод. А1С13 с Li[А1Н4 ],-бесцв. аморфный порошок. разлагается на элементы выше 100°С, водой гидролизуется. Алюминий реагирует с S выше 200°С, давая сульфид A12 S3 -бесцв. кристаллы ; т. пл. 1120°С, т. возг. 1550°С (в токе N2 );

обр -723 кДж/моль ; разлагается водой. к-тами. С фосфором при 500°С алюминий образует фосфид А1Р-желтовато-серые кристаллы. устойчивые до 1000°С;обр — 121 кДж/моль ; разлагается к-тами и щелочами. При взаимод. расплавленного алюминия с В образуются бориды А1В2 и А1В12 -желто-серые или коричневые кристаллы ; т. пл. 2200 °С; не разлагаются водой и к-тами.


Выше 800°С могут образовываться соед. А1(I), напр. А12 Х3 + 4А1 ЗА12 Х (X = О, S, Se).

С рядом металлов и неметаллов алюминий образует сплавы (см. Алюминия сплавы ), в к-рых содержатся интерметаллич. соед. - алюминиды, обычно весьма тугоплавкие (как правило, т. пл. выше 1000°С) и обладающие высокой твердостью (напр. твердость по Бринеллю для СuА12 и СгА17 ок. 5000 МПа, для TiAl3 ок. 7000 МПа, для РеА13 ок. 10000 МПа) и жаропрочностью. Алюминиды выполняют роль модификаторов сплавов и придают изделиям высокие мех. св-ва.

Получение и переработка. Алюминий получают электролизом р-ра глинозема (техн. А12 О3 ) в расплавленном криолите Na3 [AlF6 ] (см. Алюминия фторид )при 960-970°С. Состав электролита. 75-90% по массе Na3 [A1F6 ], 5-12% A1F3. 2-10% CaF2. 1-10% A12 O3 ; молярное отношение NaF: A1F3 = 2,20-2,85. Пром. комплекс по получению алюминия включает произ-во глинозема из алюминиевых руд (см. об этом Алюминия оксид ), криолита и др. фторидов. углеродистых анодных и футеровочных материалов и собственно электролитич. получение алюминия.

Жидкий алюминий накапливается на подине ванны. на аноде выделяется О2. образующий с его материалом СО и СО2. Плотность тока на аноде 0,7-0,9 А/см 2. на катоде 0,4-0,5 А/см 2 ; для разл. типов электролизеров сила тока составляет 100-250 кА, рабочее напряжение 4.2-4,5 В (поддерживается автоматически); на получение 1 т чернового алюминия расходуется 14-16 тыс. кВт*ч электроэнергии, 1,92-1,95 т А12 О3. 0,5-0,6 т анодного материала; суточная производительность ванны средней мощности от 550 до 1200 кг. Алюминий отбирают из электролизера один раз в 1-2 сут.

Алюминий высокой чистоты (не более 0,05% примесей) получают электролитич. рафинированием чернового алюминия, содержащего до 1% примесей; в кач-ве электролита чаще всего используют расплав Na3 [A1F6 ], ВаС12 (до 60%) и NaCl (до 4%). Для получения алюминия особой чистоты (не более 0,001% примесей) применяют зонную плавку или хим. транспортную р-цию: 2А1 (жидкость ) + А1F3 (газ )3А1F(газ ).

Алюминий разливают в чушки или плоские слитки, к-рые затем перерабатывают в листы, фольгу, профили, проволоку. Он хорошо сваривается, поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению и прессованию, а также обрабатывается методами порошковой металлургии. Алюминий в виде порошка производят распылением струи жидкого чистого алюминия упругой струей смеси N2 и О2 (2-8%). Частицы порошка при этом покрываются пленкой А12 О3. содержание к-рого колеблется от 6 до 17%. При содержании О2 в газовой струе менее 2% порошок самопроизвольно возгорается на воздухе. при содержании О2 более 8%-горит при распылении. Сухим и мокрым размолом порошка в шаровых мельницах получают алюминий соотв. в виде пудры и пасты.

Порошок алюминия со средним размером частиц до 20 мкм пирофорен; т. самовоспл. 490°С, т. воспл. 420°С; ниж. КПВ 0,025-0,045 кг/м 3. Аэрозоль алюминия в воздухе воспламеняется при 645°С.

Определение. Алюминий обнаруживают по образованию окрашенных соед. с ализарином. алюминоном, морином или с помощью эмиссионного спектрального анализа. Гравиметрич. методы определения основаны на выделении алюминия в виде гидроксида. бензоата, гидроксихинолината и послед. прокаливании их при 1200°С до А12 О3. к-рый взвешивают. При титриметрич. определении алюминий при рН 4,5 связывают в комплекс динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной к-ты, избыток к-рой оттитровывают р-ром соли Zn. Для количеств. определения алюминия используют также фотометрич. (с помощью 8-гидроксихинолина, алюминона, эриохромцианина, хромазурола S) и атомно-абсорбционный (с использованием резонансного излучения с длиной волны 309,3 нм) методы анализа.

Применение. Алюминий используют гл. обр. для получения алюминиевых сплавов. Чистый алюминий-конструкц. материал в стр-ве жилых и обществ. зданий, с.-х. объектов, в судостроении, для оборудования силовых подстанций и др. Применяют алюминий также для изготовления кабельных, токопроводящих и др. изделий в электротехнике, корпусов и охладителей диодов, спец. хим. аппаратуры, товаров народного потребления и др. Покрытия из алюминия наносят на стальные изделия для повышения их коррозионной стойкости. Способы нанесения: распыление (для защиты стальных конструкций, эксплуатирующихся в приморских зонах, на хим. предприятиях и др.); погружение в расплав (для получения алюминированных стальных лент); плакирование прокаткой (биметаллич. ленты); вакуумное напыление (для алюминирования лент из стали, тканей. бумаги и пластмасс. инструментальных зеркал и др.); электрохим. способ (для получения материалов и изделий с защитно-декоративными св-вами).

Алюминий - в виде порошка и гранул - раскислитель чугуна и стали, восстановитель оксидов при получении металлов (напр. Сr, Мn, Са) и сплавов (напр. ферромолибдена, феррониобия, ферровольфрама) методом алюминотермии. компонент твердых ракетных топлив. пиротехн. составов, ВВ. Алюминиевая пудра и паста - пигменты лакокрасочных материалов ; пудра используется также как газообразователь в произ-ве ячеистых бетонов.

По объему произ-ва алюминий занимает среди металлов второе место после стали (в развитых капиталистич. странах - 12 млн т в 1980). В стр-ве и транспортном машиностроении расходуется приблизительно по 24% чистого алюминия и его сплавов. в произ-ве упаковочных материалов и консервных банок - ок. 17%, в электротехнике - ок. 10%, в произ-ве потребительских товаров-ок. 8%.

Металлич. алюминий впервые получен в 1825 X. К. Эрстедом.


===
Исп. литература для статьи «АЛЮМИНИЙ». Беляев А. И. Металлургия легких металлов. 6 изд. М. 1970; Aluminium-Taschenbuch, 13 Aufl. Diisseldorf, 1974. А.Ф.Белов.

Рекомендуем ознакомится: http://www.xumuk.ru