Алюминий

Общие сведения и методы получения

Алюминий(А1) — серебристо-белый металл; при обычных условиях по­крыт тонкой пленкой оксидов. Название алюминий происходит от ла­тинского alumen (алюминиевые квасцы). Впервые алюминий в свобод­ном виде получил в 1825 г. датский ученый Эрстед, воздействуя амальгамой калия на хлорид алюминия. Двумя годами позже, в 1827 г., не­мецкий химик Ф. Вёлер также получил алюминий, заменив амальгаму калия металдическим калием. Первый промышленный способ производ­ства алюминия предложен в 1854 г. французским ученым Сенг-Клер-Девилем. В 1865 г. русский физико-химик Н. Н. Бекетов предложил способ получения алюминия путем вытеснения его магнием из рас­плавленного криолита. В 1886 г, Эру во Франции и Холл в США не­зависимо друг от друга предложили способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном кри­олите.

По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов. Его содержание в земной коре 8,8 % (по массе). Алю­миний входит в состав бокситов, нефелинов, алунитов, каолинов и дру­гих горных пород. Наиболее ценная алюминиевая руда — бокситы, в них содержится около 50 % оксида алюминия.

Производство алюминия состоит из трех технологических процессов:

1) получение из алюминиевых руд глинозема (АI₂0₃);

2) получение первичного алюминия электролизом глинозема, раство­ренного в расплавленном криолите;

3) рафинирование первичного алюминия.

Глинозем получают из руд щелочным, кислотным, электротермиче­ским или комбинированным методами. Выбор метода зависит от состава и характера примесей, входящих в состав алюминиевой руды.

Металлический алюминий получают электролизом глинозема (АI₂0₃), растворенного в криолите (Na₃AIF₆) ; в состав электролита входят не­большие добавки других солей CaF₂, MgF₂, NaCl, которые повышают эффективность работы электролизера. В электролите содержится обычно 6—8 % глинозема; после того как в процессе электролиза коли-.чество глинозема уменьшается до 1,5—2 %. вводят очередную его пор­цию. Электролиз ведут при температуре около 950 °С и напряжении '4,0—4,5 В. Расход электроэнергии иа 1 т алюминия составляет ,~ 15000 кВт 'Ч. Катодом служит подина ванны, анодом — погруженные в распаав угольные обожженные блоки или набивные самообжигаю-тциеся электроды. Черновой алюминий содержит ряд примесей, поэтому его очищают продувкой хлором при 750—770°С в течение 10—15 мин, а затем разливают в чушки. Таким путем получают алюминий чистотой 99,7—99,5 %. При условии применения очень чистых исходных материалов удается получить первичный алюминий марок А85 и А8

Для получения алюминия высокой чистоты (А995—А95) первичный алюминий технической чистоты дополнительно электролитически рафи­нируют по трехслойному способу в расплавленных солях. Алюминий особой чистоты (А999) получают илн зонной плавкой, или дистилля­цией через субгалогениды электрически рафинированного алюминия.

Первичный алюминий поставляют в форме чушек, слитков, катанки, ленты и т. д.

Алюминий особой чистоты марки А999 контролируют по величине остаточного электрического сопротивления при температуре жидкою гелия, которое ие должно превышать 4*10^-12 Ом-м.

Допускается контроль чистоты алюминия марки А999 по величине затухания ультразвука, характеризуемого временем звучания, которое не должно превышать 500 мкс.

В алюминии марок А5Е и А7Е, предназначенных для изготовления проводов и других кабельных изделий, ограничивается содержание ти­тана, ванадия, марганца, хрома, так как они наиболее сильно снижают электропроводность.

Удельное электрическое сопротивление р при 20 °С проволоки, изго­товленной из алюминия марок А7Е и А5Е и отожженной при 350± ±20°С в течение 3 ч, должно быть не более 0,0277 мкОм-м для марки А7Е и 0,0280 мкОм-м для марки А5Е.

Алюминий технической чистоты для производства деформируемых полуфабрикатов поставляется в чушках с отношением примесей железа к кремнию не менее 1,2: 1,0, а в слитках —не менее 1,0: 1,0. Для про­изводства деформируемых сплавов системы алюминий—магний алюми­ний высокой и технической чистоты поставляют с содержанием натрия s£ 0,002 %.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 13, атомная масса 26,981 а. е. м., атомный объем 10,0*10^—6 м³/моль, атомный радиус 0,143 нм, ионный радиус АI³+ 0,057 нм. Электронная конфигурация внешней оболочки атома алюминия 3s²3p. Электроотрнцательиость 1,5. Значения потенциалов ионизации 7(эВ): 5,984, 18,82, 28,44. Алюминий состоит из одного стабильного изотопа ²⁷ AI. Установлено существова­ние нескольких радиоактивных изотопов алюминия с массовыми числа­ми 24, 25, 26, 28, 29 с периодами полураспада соответственно равными: 2,1; 7,6; 6,7; 138; 394 с.

Алюминий имеет г. ц. к. решетку с периодом (при 298 К) 0,404958 нм для алюминия чистотой 99,9998 % и 0,404947 нм для алюминия 99,99 %. Величина параметра решетки алюминия сильно зависит от температуры (данные для алюминия чистотой 99,99 %):

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции А1—Зе^=А1³⁺ ф₀= —1,66 В. Электрохимический эквивалент равен 0,09316 мг/Кл

Во всех устойчивых соединениях алюминий имеет степень окисления + 3, при высоких температурах он может проявлять степень окисления + 1 и значительно реже +2.

Алюминий имеет высокую химическую активность, в ряду напряже­ний он расположен среди наиболее электроотрицательных элементов.

Алюминий восстанавливает большинство металлических оксидов до металла, энергично реагирует с галогенами, а при высоких температу­рах — с серой, азотом и фосфором В щелочах алюминий растворяется, образуя алюминаты. При нагревании алюминий легко растворяется в

разведенных азотной и серной кислотах, но холодная азотная кислота его пассивирует.

Обладая большим сродством к кислороду, алюминий на воздухе быстро покрывается сплошной тонкой очень прочной и беспористой ок­сидной пленкой. Слой оксидов образуется в сухой атмосфере в течение нескольких минут, достигая при комнатной температуре толщины 5—• 10 нм. Если этот слой повредить, то немедленно возникает новый (са­мозащита). Пленка имеет высокое электрическое сопротивление (на­пряжение пробоя превышает 500 В) и в отличие от органических изо­ляторов выдерживает высокие температуры.

Окисление алюминия ускоряется выше температуры его плавле­ния; мелко раздробленный алюминий при нагревании на воздухе сго­рает. Присутствие примесей магния, натрия, меди, кремния усиливает окисление алюминия.

При температурах выше 100 "С алюминий образует с хлором соеди­нение А1С1₃. Прн атмосферном давлении хлорид алюминия возгоняется, не плавясь, при 183 °С. Металлический алюминий образует с хлористым алюминием при нагреве в вакууме выше 1000 °С субхлорид алюминия А1С1; при охлаждении до 800 °С субхлорид алюминия вновь распада­ется на алюминий и нормальный хлорид алюминия.

С фотором алюминий образует соединение, которое возгоняется, не плавясь, при температурах 1000—1100°С и атмосферном давлении.

При температуре выше 1000 °С алюминий образует с серой сульфид A1₂S₃, имеющий температуру плавления 1100"С. Сульфид алюминия полностью разлагается водой с образованием сероводорода.

Карбид алюминия АЦСз образуется при нагреве на воздухе до 2000°С; в вакууме —при 1000—1200°С. При нагреве выше 2000°С А1₄С_Э распадается с выделением графита.

С азотом алюминий начинает соединяться при 700 °С с образова­нием нитрида A1N; наиболее энергично взаимодействие алюминия с азо­том протекает при 830 °С. Нитрид алюминия легко гидролизуется: A1N+3H₂0-WU(0H)₃+NH₃.

При нагревании алюминий реагирует с фосфором (500°С), образуя соединение А1Р. Фосфид алюминия очень гигроскопичен, поэтому его применяют в качестве осушающего вещества.

При взаимодействии алюминия с молекулярным водородом гидриды не образуются. Однако водород — единственный газ, заметно растворя­ющийся и в жидком, и в твердом алюминии.

Растворимость водорода в алюминии (см³/Ю0 г):

Вследствие резкого уменьшения растворимости водорода при перехо­де металла из жидкого состояния в твердое происходит выделение ею из алюминия, что приводит к пористости отливок и развитию дефектов (расслоений) при их последующей деформации. Присутствие в алюми­нии легирующих присадок сильно сказывается на растворимости в нем водорода, особенно в жидком состоянии. Установлено, что медь, крем-

иий, олово снижают растворимость водорода в алюминии, а марганец, хром, железо, церий и магний повышают.

Все металлы ограниченно растворяются в твердом алюминии; мак­симальной растворимостью в твердом состоянии обладают магний, медь, цинк, серебро, галлий, германий; ряд элементов (К, Na , Rb , Cs , In , TI , Pb , Bi ) имеет ограниченную растворимость в жидком состоянии и прак­тически не растворяется в твердом состоянии.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью, что связа­но с его способностью легко пассивироваться. Наличие оксидной пленки на поверхности алюминия создает существенную разницу между ста­ционарным потенциалом алюминия в кислых и нейтральных средах и стандартным электродным потенциалом алюминия. Коррозионная стой­кость алюминия различных сортов определяется главным образом со­держанием железа; и меньшей степени влияет кремний при содержании до 0,3 %, так как в отсутствие железа ои находится в твердом раство­ре. Влияние железа зависит от рН среды. В кислой среде, где процесс идет с водородной деполяризацией, железо сильно снижает коррозион­ную стойкость алюминия; в нейтральной и щелочной средах содержание железа до 0,5 % практически не влияет на коррозионную стойкость.

Области применения

Благодаря хорошему сочетанию физических, механических и технологи­ческих свойств алюминий широко применяется в различных областях народного хозяйства.

Широко используются алюминиевые сплавы в строительстве для из­готовления ограждающих и несущих конструкций, строительства мосюв, силосных башен, бассейнов и т. д.

Свариваемые, коррозионностойкие алюминиевые сплавы (АД1, АМц, АМгЗ, АМг5; АМгб и др.) применяют в судостроении для изготовления корпусов судов и их надстроек, трубопроводов, различного судового оборудования. Применение алюминиевых сплавов позволяет значитель­но облегчить судно, что приводит к повышению его грузоподъемности или улучшению технических характеристик (повышение скорости).

Алюминиевые сплавы системы Al — Mg и Al — Zn — Mg применяют в железнодорожном и автомобильном транспорте для изготовления гру­зовых пассажирских вагонов, цистерн, кузовов автомашин, что связано с высокой удельной прочностью сплавов, позволяющей снизить массу, и, следовательно, уменьшить расход горючего, высокой коррозионной стойкостью и сопротивлением истиранию сыпучими грузами.

В нефтяной и химической промышленности алюминий и его сплавы иашли широкое применение в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей нефтепромыслового оборудования (буриль­ные трубы, буровые вышки), аппаратуры для переработки нефти и хи­мических процессов (конденсаторы, емкости, колонны). К достоинствам алюминия и его сплавов в этом случае относится образование продук­тов коррозии, не окрашивающих среду, не способных к ценообразова­нию, отсутствие воздействия ча жизнедеятельность микроорганизмов.

Высокая электропроводность алюминия позволяет использовать его для изготовления проводов, кабелей, электротехнических шин и т. д. Относительно низкое сечение захвата тепловых нейтронов и малая чув­ствительность структуры и свойств к радиационным воздействиям, хо­рошая коррозионная стойкость в средах-теплоносителях позволяют использовать алюминий и некоторые его сплавы в атомном реакторо-строении для изготовления защитных оболочек тепловыделяющих эле­ментов, трубопроводов и т. д. Наиболее часто используют технический алюминий в реакторах с водяным охлаждением при температурах до 130 "С. С середины 20-х годов началось широкое применение алюми­ния и его сплавов в авиастроении. Чистый алюминий применяют глав­ным образом в виде фольги для сотовых конструкций. Высокопрочные сплавы систем Al —Си— Mg и Al — Zn — Mg —Си используют для сило­вых элементов планера и крыльев самолетов. Ковочные и жаропрочные сплавы используют для изготовления шасси, лопастей воздушных вин­тов, шпангоутов, а также для различных деталей двигателей. Около 70 % материалов, применяемых в современных дозвуковых самолетах, приходится на алюминиевые сплавы.

Успешно применяют алюминиевые сплавы в военной технике для корпусов и баков горючего ракет, для брони бронетранспортеров и легких танков и т. д

В металлургии алюминий используют для раскисления стали, полу­чения некоторых металлов методом алюмотермии.

Особенно широко алюминии и его малолегированные сплавы при­меняют для изготовления предметов широкого потребления: посуда и домашняя утварь; бытовые электроприборы, мебель и спортивный ин­вентарь; тара ДЛя хранения и транспортировки пищевых продуктов. В последнее время большим спросом пользуется алюминиевая посуда с отделкой наружной поверхности цветным эмалированием и антипригарным покрытием рабочей поверхности. Для упаковочных материалов применяют алюминиевую фольгу, а использование алюминиевых кон­сервных банок позволяет уменьшить потребление дефицитного в на­стоящее время олова.