[править] Биологическая роль
Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих обнаружено от 10 −3 до 10 −5 % алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения — от 4 мг (мёд) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (говядина). В дневном рационе человека содержание алюминия достигает 35-40 мг. Известны организмы — концентраторы алюминия, например плауны (Lycopodiaceae), которые содержат в золе до 5,3 % алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2-0,8 % Алюминия.
Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).
Температура плавления алюминия
Получение алюминиевого расплава, как и многих других материалов, происходит после того, как к исходному металлу подвели тепловую энергию. Она может быть подведена как непосредственно в него, так и снаружи.
Температура плавления алюминия напрямую зависит от уровня его чистоты:
- Сверхчистый алюминий плавится при температуре 660, 3°C.
- При количестве алюминия 99,5% температура плавления составляет 657°C.
- При содержании этого металла в 99% расплав можно получить при 643°C.
Алюминиевый расплав
Процесс получения алюминия
Алюминиевый сплав может включать в свой состав различные вещества, в том числе и легирующие. Их наличие приводит к снижению температуры плавления. Например, при наличии большого количества кремния, температура может понизиться до 500°C. На самом деле понятие температуры плавления относят к чистым металлам. Сплавы не обладают какой-то постоянной температурой плавления. Этот процесс происходит в определенном диапазоне нагрева.
В материаловедении существует понятие – температура солидус и ликвидус.
Первая температура обозначает ту точку, в которой начинается плавление алюминия, а вторая, показывает, при какой температуре, сплав будет окончательно расплавлен. В промежутке между ними сплав будет находиться в кашеобразном состоянии.
Свойства и характеристики
Алюминий – это металл с серебристо-белой поверхности. Как уже отмечалось, его плотность составляет 2,7 кг/м3. Температура составляет 660°C.
Его электропроводность равняется 65% от меди и ее сплавов. Алюминий и бо́льшая часть сплавов из него стойко воспринимает воздействие коррозии. Это связано с тем, что на его поверхности образуется оксидная пленка, которая и защищает основной материал от воздействия атмосферного воздуха.
В необработанном состоянии его прочность равна 60 МПа, но после добавления определенных добавок она вырастает до 700 МПа. Твердость в этом состоянии достигает 250 по НВ.
Алюминий хорошо обрабатывается давлением. Для удаления наклепа и восстановления пластичности после обработки алюминиевые детали подвергают отжигу, при этом температура должна лежать в пределах 350°C.
[править] Получение
Получение алюминия Алюминий получают электролизом раствора глинозема (техн. Al2O3) в расплавленном криолите Na3[AlF6] при 950—960 °C. Состав электролита 75-90 % по массе Na3[AlF6], 5-12 % AlF3, 2-10 % CaF2, 1-10 % Al2O3, молярное отношение NaF / AlF3 = 2,20-2 85.
Промышленный комплекс по получению алюминия включает производство глинозема из алюминиевых руд, криолита и других фторидов, углеродистых анодных и футеровочных материалов и собственно электролитическое получение алюминия.
Электролиз проводят в аппаратах катодом в которых служит дно ванны, анодом — предварительно обожженные угольные блоки или электроды, помещенные в расплавленный электролит.
Расплавленный алюминий при температуре электролиза тяжелее, чем электролит, поэтому накапливается на дне ванны. На аноде выделяется O2, который взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя СО и СО2.
Плотность тока на аноде 0,7-0,9 А / см, на катоде — 0,4-0,5 А / см, для различных типов электролизеров сила тока составляет 100—250 кА, рабочая напряжение 4,2-4,5 В.
Для получения 1 т чернового алюминия расходуется 14500-17500 кВт · ч электроэнергии, 1925—1930 кг глинозема, 500—600 кг анодного материала, 50-70 кг фтористых солей. Суточная производительность одной ванны средней мощности — от 550 до 1200 кг алюминия. Алюминий отбирают из электролизера один раз в 1-2 суток.
Алюминий высокой чистоты (не более 0,05 % примесей) получают электролитическим рафинированием чернового алюминия, содержащий до 1 % примесей. В качестве электролита чаще всего используют расплав Na3[AlF6], BaCl2 (до 60 %) NaCl (до 4 %). Для получения алюминия особой чистоты (не более 0,001 % примесей) применяют зонную плавку.
Алюминий разливают в слитки, которые затем перерабатывают в листы, фольгу, профили, проволока. Он хорошо сваривается, поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению и прессованию, а также обрабатывается методами порошковой металлургии.
Общие сведения:
| 100 | Общие сведения | |
| 101 | Название | Алюминий |
| 102 | Прежнее название | |
| 103 | Латинское название | Aluminium |
| 104 | Английское название | Aluminium, Aluminum (в США и Канаде) |
| 105 | Символ | Al |
| 106 | Атомный номер (номер в таблице) | 13 |
| 107 | Тип | Металл |
| 108 | Группа | Амфотерный, лёгкий, цветной металл |
| 109 | Открыт | Ханс Кристиан Эрстед, Дания, 1825 г. |
| 110 | Год открытия | 1825 г. |
| 111 | Внешний вид и пр. | Мягкий, лёгкий и пластичный металл серебристо-белого цвета |
| 112 | Происхождение | Природный материал |
| 113 | Модификации | |
| 114 | Аллотропные модификации | |
| 115 | Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга | |
| 116 | Конденсат Бозе-Эйнштейна | |
| 117 | Двумерные материалы | |
| 118 | Содержание в атмосфере и воздухе (по массе) | 0 % |
| 119 | Содержание в земной коре (по массе) | 8,1 % |
| 120 | Содержание в морях и океанах (по массе) | 5,0·10-7 % |
| 121 | Содержание во Вселенной и космосе (по массе) | 0,005 % |
| 122 | Содержание в Солнце (по массе) | 0,006 % |
| 123 | Содержание в метеоритах (по массе) | 0,91 % |
| 124 | Содержание в организме человека (по массе) | 0,00009 % |
Строение атома и кристаллическая решетка
В Периодической системе Д.И. Менделеева порядковый номер алюминия 13, его атомная масса составляет 26,9815 (по углероду 12С) и 26,98974 (по кислороду 16O).
Основным изотопом является 27Al, который устойчив и состоит из 14 нейтронов и 13 протонов. Кроме одного изотопа 26Al, период полураспада которого равен 106 лет, установлено существование еще шести изотопов с массовыми числами 23, 24, 25, 26, 28 и 29 и с малыми периодами полураспада (от 0,13 до 396с), а также пренебрежимо малой распространенностью в природе (от 2×10-5 до 1,5×10-4 %).
Алюминий трехвалентен, и 13 его электронов распределены на электронных оболочках ls2
, 2s
2
,
2р6,
3
s2
, 3
р1.
На внешнем электронном слое
М
находятся три валентных электрона: два на 3
s
-орбите с потенциалами ионизации 1800 и 2300 кДж/моль и один на 3
p
-орбите с потенциалом 574,5 кДж/моль, и поэтому в химических соединениях алюминий обычно трехвалентен (Al3+). Так как электрон на
p
-орбите с ядром атома связан слабее, чем два спаренных электрона на s-орбите, то при определенных условиях, теряя р-электрон, атом алюминия становится одновалентным ионом (Al+), образуя соединения низшей валентности (субсоединения), и еще реже — Al2+.
Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10-10 м, а атомный объем 9,999×10-6 м3/г-атом . Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки.
Понятие кристаллической решетки + классификация
Перед углублением в сложные темы по химии и физике школьной программы, я хотел бы выдать вам исчерпывающую информацию в отношении терминологии и классификации металлических элементов сквозь призму промышленности.
1) Промышленное подразделение металлов + их атомно-кристаллическое строение
Начало эры металлов началось в 20 веке. Медь, железо, серебро и прочие элементы стали неотъемлемой частью быта и промышленности населения большинства развитых стран. Базовые характеристики металлов, такие как упругость, пластичность и прочность, определяются их атомным + кристаллическим строением.
2 единицы измерения, какова температура кипения железа
Знание этих свойств позволит умело оперировать свойствами и применять их для получения эталонных комбинаций элементов. В индустриальном плане металлы подразделяют на 5 больших коопераций. Детальнее по каждой из них я расскажу в отдельной таблице.
| Группа | Описание | Распространение (из 5 ★) |
| Черные | В категории расположилось большинство распространенных металлов планеты, такие как хром и железо. Сюда же включены и сплавы из комбинаций черных металлов по типу ферросплавов. Мировое использование черных металлов составляет 88% всей мировой потребности. | ★★★★★ |
| Цветные (легкие) | Магний, титан и прочие элементы с низким показателем плотности. По добыче дороже черных + встречаются в природе по залежам реже. Применяются в точном строительстве, и для деталей, где их применение финансово обосновано. | ★★★★ |
| Цветные (тяжелые) | Отличительная черта – повышенный удельный вес + превосходная проводимость электрического тока. Применяются в качестве реакционных катализаторов при производстве плат и прочей электронике. | ★★★ |
| Благородные | Защита от коррозии и малый удельный вес. В современном обществе, приоритетно, используются как инструмент для накопления финансов странами и украшения. Яркие представители –платина и золото. | ★★ |
| Редкоземельные | Итрий, лантан и прочие химические элементы редкоземельного типа из группы металла. Имеют весомый удельный вес и очень активны химически, что обуславливает их использование в приборостроении и смежных направлениях. | ★★★ |
Выделяют еще и щелочные металлы, но обычно их предпочитают относить в одну группу с редкоземельными, ибо по базовым характеристикам они весьма похожи между собой. Натрий, литий и прочие элементы группы при химических реакциях с водой образуют щелочи – отсюда и название группы. Используются при производстве всяческих моющих.
Обратите внимание: атомно-кристаллическое строение металлов напрямую влияет на их физические и химические свойства. Особенно важную роль в промышленности отыгрывает параметр электропроводимости.
Кристаллическое строение характерно металлическим элементам, которые пребывают в твердой фазе состояния. Атомы самостоятельно располагаются в четкой (иногда расплывчатой) геометрической фигуре объемного типа. Получаемые соединения и местоположения атомов принято называть кристаллической решеткой. С научной точки зрения термин подается практически также.
Кристаллическая решетка (КР) – сетчатый геометрический образ для исследований структуры кристаллов. Состоит из узлов, в которых могут располагаться молекулы/ионы/атомы, и соединений этих элементов.
Какие параметры используют при исследовании:
- ЕКР;
- константа КР;
- плотность упаковки;
- значение координации.
Металлическая кристаллическая решетка – это совокупность из элементарных ячеек, определяющая симметричные свойства всей структуры в целом. Признаки по структурным частям кристаллической решетки описываются за счет 3 правил Бреве.
2) Классификация кристаллических решеток
Распределение по типам кристаллических решеток производится на основании природного происхождения частиц + типам химических связей между базовыми элементами структуры. Беря в учет оговоренное, можно выделить 4 типа КР. Детальнее по 3-м из них предоставлю информацию в отдельной таблице, а что собой представляет металлическая кристаллическая решетка разберем отдельным пунктом статьи чуть ниже.
| Тип КР | Особенности |
| Ионная | По названию понятно, что узловыми элементами структуры являются ионы. Связываются между собой ячейки за счет электростатики, что придает ИКР электронейтральность. Отсутствие насыщенности с направленностью характеризует решетку крупными числами координации. По физике — — большая твердость, тугоплавкость и нелетучесть. Также ионные соединения характеризуются повышенной ломкостью. Даже мелкие сдвиги приводят к разрушению огромной площади КР. |
| Атомная | Ячейки КР соединяются между собой за счет связи ковалентного типа. Здесь идет подразделение на 3 категории в зависимости от структуры – каркас (алмаз), слоистость (графит) и цепочка (асбест). К базовым физическим свойствам атомных кристаллических решеток отнесу высокий запас твердости, тугоплавкость, нерастворимость в воде и отсутствие летучести. В своем большинстве, АКР характерная для сложных веществ по типу оксида алюминия или оксида кремния. |
| Молекулярная | По узлам структуры располагаются молекулы, а их соединение образуется за счет все тех же сил молекулярного типа. Их часто называют водородными или вандерваальсовскими связями. Простейшими примером веществ с молекулярной кристаллической решёткой является лед и йод. |
Кристаллическая структура характерна не только для чистых веществ, но и разнообразных соединений неорганики. Особенно это актуально для металлических соединений по типу сплавов. Учитывая распространение металлов в промышленности и бытовой сфере, разбору понятия металлической кристаллической решетки нужны уделить особое внимание. Чем я дальше и займусь.
СВОЙСТВА
Самородный алюминий. Поле зрения 5 x 4 мм. Азербайджан, Гобустанский район, Каспийское море, Хере-Зиря или остров Булла
Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью, парамагнетик. Температура плавления 660°C. 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. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона.
Физические свойства алюминия:
| 400 | Физические свойства | |
| 401 | Плотность* | 2,70 г/см3 (при 20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело), 2,375 г/см3 (при температуре плавления 660,32 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость), 2,289 г/см3 (при 1000 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества –жидкость) |
| 402 | Температура плавления* | 660,32 °C (933,47 K, 1220,58 °F) |
| 403 | Температура кипения* | 2470 °C (2743 K, 4478 °F) |
| 404 | Температура сублимации | |
| 405 | Температура разложения | |
| 406 | Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом | |
| 407 | Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл)* | 10,71 кДж/моль |
| 408 | Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип)* | 284 кДж/моль |
| 409 | Удельная теплоемкость при постоянном давлении | 0,903 Дж/г·K (при 25 °C) |
| 410 | Молярная теплоёмкость* | 24,20 Дж/(K·моль) |
| 411 | Молярный объём | 9,993 см³/моль |
| 412 | Теплопроводность | 237 Вт/(м·К) (при стандартных условиях), 237 Вт/(м·К) (при 300 K) |
| 413 | Коэффициент теплового расширения | 23,1 мкм/(М·К) (при 25 °С) |
| 414 | Коэффициент температуропроводности | |
| 415 | Критическая температура | |
| 416 | Критическое давление | |
| 417 | Критическая плотность | |
| 418 | Тройная точка | |
| 419 | Давление паров (мм.рт.ст.) | |
| 420 | Давление паров (Па) | |
| 421 | Стандартная энтальпия образования ΔH | |
| 422 | Стандартная энергия Гиббса образования ΔG | |
| 423 | Стандартная энтропия вещества S | |
| 424 | Стандартная мольная теплоемкость Cp | |
| 425 | Энтальпия диссоциации ΔHдисс | |
| 426 | Диэлектрическая проницаемость | |
| 427 | Магнитный тип | |
| 428 | Точка Кюри | |
| 429 | Объемная магнитная восприимчивость | |
| 430 | Удельная магнитная восприимчивость | |
| 431 | Молярная магнитная восприимчивость | |
| 432 | Электрический тип | |
| 433 | Электропроводность в твердой фазе | |
| 434 | Удельное электрическое сопротивление | |
| 435 | Сверхпроводимость при температуре | |
| 436 | Критическое магнитное поле разрушения сверхпроводимости | |
| 437 | Запрещенная зона | |
| 438 | Концентрация носителей заряда | |
| 439 | Твёрдость по Моосу | |
| 440 | Твёрдость по Бринеллю | |
| 441 | Твёрдость по Виккерсу | |
| 442 | Скорость звука | |
| 443 | Поверхностное натяжение | |
| 444 | Динамическая вязкость газов и жидкостей | |
| 445 | Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных | |
| 446 | Взрывоопасные концентрации смеси газа с кислородом, % объёмных | |
| 446 | Предел прочности на растяжение | |
| 447 | Предел текучести | |
| 448 | Предел удлинения | |
| 449 | Модуль Юнга | |
| 450 | Модуль сдвига | |
| 451 | Объемный модуль упругости | |
| 452 | Коэффициент Пуассона | |
| 453 | Коэффициент преломления |
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Аллюминий, агрегированный с коркой байерита на поверхности. Узбекистан, Навойская область, Учкудук
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. 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.
Выбор формы для литья
При выборе формы для отливки алюминия домашний мастер должен понимать, а для какой цели он обрабатывает алюминий. Если будущая отливка будет предназначена для использования в качестве припоя, то использовать, какие-то специальные формы, нет необходимости. Для этого можно использовать металлический лист, на котором можно остудить расплавленный металл.
Но если возникает необходимость получения даже простой детали, то мастер должен определиться с типом формы для литья.
Форму можно изготовить из гипса. Для этого, гипс в жидком состоянии заливают в обработанную маслом форму. После того, как начнет застывать, в него устанавливают литейную модель. Для того, чтобы в форму можно было залить расплавленный металл необходимо сформировать литник. Для этого в форму устанавливают цилиндрическую деталь. Формы бывают разъемные и нет. Процесс изготовления разъемной формы усложняется тем, что модель будет находиться в двух полуформах. После застывания их разделяют, удаляют модель и соединяют снова. Форма готова к работе.
Кокиль для литья алюминия
Для получения качественных отливок целесообразно использовать металлические формы (кокили), но изготавливать их целесообразно только в заводских условиях.
