Алюминий

Нахождение в природе и значение

Самый легкий металл имеет около 30 собственных минералов, но только 5 из них используются в промышленности: пенталит, амблигонит, лепидолит, циннвальдит и сподумен. Кроме того, находится он в солёных озёрах. Всего в земной коре содержится 0,005 % этого металла.

Большие промышленные запасы лития находятся на всех континентах. Его добывают в Бразилии, Австралии, ЮАР, Канаде, США и других странах. После чего применяют его в электронике, металлургии, лазерных материалах, ядерной энергетике и даже медицине.

Большое содержание лития есть в гумусах, что говорит о его участии в круговороте природных веществ. Металл присутствует в организме животных, а также во многих растениях. Литием богаты персики, грибы, редис, картофель, морковь.

В нашем организме он содержится в печени, крови, лёгких, костях и других органов. Недостаток лития приводит к нарушениям в работе нервной системы и мозга. Он повышает устойчивость организма к болезням, активизирует деятельность ферментов. С помощью него борются с болезнью Альцгеймера, психическими расстройствами, склерозом, а также различными зависимостями.

Нахождение в природе

Распространённость

По распространённости в земной коре занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14 %.

Природные соединения алюминия

В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из природных минералов алюминия:

• Бокситы — Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)
• Нефелины — KNa34
• Алуниты — (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3
• Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)
• Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al2O3
• Полевые шпаты — (K,Na)2O·Al2O3·6SiO2, Ca
• Каолинит — Al2O3·2SiO2 · 2H2O
• Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al2О3 · 6SiO2
• Хризоберилл (александрит) — BeAl2O4.

Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях (жерла вулканов) найдены ничтожные количества самородного металлического алюминия.

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в водоёмах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л. В морской воде его концентрация 0,01 мг/л.

Изотопы алюминия

Основная статья: Изотопы алюминия

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al с ничтожными следами 26Al, наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при расщеплении ядер аргона 40Arпротонами космических лучей с высокими энергиями.

Как производят металлы?

Металлы добываются из руд. Для определения их вкладов используются различные сложные методы и системы расчетов. Производство металлов осуществляется в несколько этапов:

1. Разработка рудного месторождения. Он может быть открытым или закрытым. Иногда методы добычи комбинируются. Метод открытого разреза менее опасен.
2. Очистка руды. Этот процесс осуществляется для извлечения полезных компонентов (рудного концентрата), которые будут использоваться в дальнейшем производстве.
3. Добыча металла. Осуществляется с использованием электролитических или химических методов восстановления.
4. Выплавка металлов. Это достигается в технологических печах, где сырье нагревается до повышенной температуры. Кроме того, используется восстановитель.

Разработка рудного месторождения (Фото: Instagram / polyus_official)

Алюминий и его сплавы

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью, высокой электропроводностью, температура плавления 660° С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применяется ограниченно.

Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Cu, Сr, Mg, Si, Zn, Mn, Ni).

В зависимости от содержания постоянных примесей различают:

• алюминий особой чистоты марки А999 (0,001 % примесей);
• алюминий высокой чистоты – А935, А99, А97, А95 (0,005…0,5 % примесей);
• технический алюминий – А35, А3, А7, А5, А0 (0,15…0,5 % примесей).

Технический алюминий выпускают в виде полуфабрикатов для дальнейшей переработки в изделия. Алюминий высокой чистоты применяют для изготовления фольги, токопроводящих и кабельных изделий.

Сплавы на основе алюминия классифицируются по следующим признакам:

• по технологии изготовления;
• по степени упрочнения после термической обработки;
• по эксплуатационным свойствам.

Деформируемые сплавы

К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы:

• алюминия с марганцем марки АМц;
• алюминия с магнием марок АМг; АМгЗ, АМг5В, АМг5П, АМг6.

Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Из них изготовляют бензиновые баки, проволоку, заклепки, а также сварные резервуары для жидкостей и газов, детали вагонов.

В группе деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, различают сплавы:

• нормальной прочности;
• высокопрочные сплавы;
• жаропрочные сплавы;
• сплавы для ковки и штамповки.

Сплавы нормальной прочности

К сплавам нормальной прочности относятся сплавы системы Алюминий + Медь + Магний (дуралюмины, дюралюмины), которые маркируются буквой «Д». Дюралюмины (Д1, Д16, Д18) характеризуются высокой прочностью, достаточной твердостью и вязкостью. Для упрочнения сплавов применяют закалку с последующим охлаждением в воде. Закаленные дуралюмины подвергаются старению, что способствует увеличению их коррозионной стойкости.

Дуралюмины широко используются в авиастроении: из сплава Д1 изготовляют лопасти винтов, из Д16 – несущие элементы фюзеляжей самолетов, сплав Д18 – один из основных заклепочных материалов.

Высокопрочные сплавы

Высокопрочные сплавы алюминия (В93, В95, В96) относятся к системе Алюминий + Цинк + Магний + Медь. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эффект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свойств, сплавы закаливают с последующим старением. Высокопрочные сплавы по своим прочностным показателям превосходят дюралюмины, однако менее пластичны и более чувствительны к концентраторам напряжений (надрезам). Из этих сплавов изготовляют высоконагруженные наружные конструкции в авиастроении – детали каркасов, шасси и обшивки.

Жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы алюминия (АК4-1, Д20) имеют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими элементами. Жаропрочность сплавам придает легирование, замедляющее диффузионные процессы.

Детали из жаропрочных сплавов используются после закалки и искусственного старения и могут эксплуатироваться при температуре до 300° С.

Сплавы для ковки и штамповки

Сплавы для ковки и штамповки (АК2, АК4, АК6, АК8) относятся к системе Алюминий + Медь + Магний с добавками кремния. Сплавы применяют после закалки и старения для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (АК6) и высоконагруженных штампованных деталей – поршни, лопасти винтов, крыльчатки насосов и др.

Литейные сплавы

Для изготовления деталей методом литья применяют алюминиевые сплавы систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg. Для улучшения механических свойств сплавы легируют титаном, бором, ванадием. Главным достоинством литейных сплавов является высокая жидкотекучесть, небольшая усадка, хорошие механические свойства.

Источник

Физические свойства

Алюминий не имеет каких-либо уникальных физических свойств, но их сочетание делает металл одним из самых широко востребованных.

Твердость чистого алюминия по шкале Мооса равняется трем, что значительно ниже, чем у большинства металлов. Данный факт является практически единственным препятствием для использования чистого металла.

Если внимательно рассмотреть таблицу физических свойств алюминия, то можно выделить такие качества, как:

• Малую плотность (2.7 г/см3);
• Высокую пластичность;
• Низкое удельное электрическое сопротивление (0,027 Ом·мм2/м);
• Высокую теплопроводность (203.5 Вт/(м·К));
• Высокую светоотражательная способность;
• Низкую температуру плавления (660°С).

Такие физические свойства алюминия, как высокая пластичность, низкая температура плавления, отличные литейные качества, позволяют использовать данный металл в чистом виде и в составе сплавов на его основе для производства изделий любой самой сложной конфигурации.

Вместе с этим, это один из немногих металлов, хрупкость которого не возрастает при охлаждении до сверхнизких температур. Данное свойство определило одну из областей применения в конструктивных элементах криогенной техники и аппаратуры.

Детали из алюминия

Существенно более высокую прочность, сравнимую с прочностью некоторых сортов стали, имеют сплавы на основе алюминия. Наибольшее распространение получили сплавы с добавлением магния, меди и марганца – дюралюминиевые сплавы и с добавлением кремния – силумины. Первая группа отличается высокой прочностью, а последняя одними из самых лучших литейных качеств.

Невысокая температура плавления снижает затраты на производство и себестоимость технологических процессов при производстве конструкционных материалов на основе алюминия и его сплавов.

Для изготовления зеркал используется такое качество, как высокий коэффициент отражения, сравнимый с показателем серебра, легкость и технологичность вакуумного напыления алюминиевых пленок на различные несущие поверхности (пластики, металл, стекло).

При плавке алюминия и выполнения литья особое внимание обращается на способность расплава поглощать водород. Не оказывая действий на химическом уровне, водород способствует уменьшению плотности и прочности за счет образования микроскопических пор при застывании расплава

Благодаря низкой плотности и малому электрическому сопротивлению (ненамного выше меди), провода из чистого алюминия находят преимущественное применение при передаче электроэнергии в линиях электропередач, всего диапазона токов и напряжений в электротехнике, как альтернатива медным силовым и обмоточным проводам. Сопротивление меди несколько меньше, поэтому провода из алюминия необходимо использовать большего сечения, но итоговая масса изделия и его себестоимость оказываются в несколько раз меньше. Ограничением служит только несколько меньшая прочность алюминия и высокая сопротивляемость пайке из-за пленки окислов на поверхности. Большую роль играет наличие сильного электрохимического потенциала при контакте с таким металлом, как медь. В результате, в месте механического контакта меди и алюминия образуется прочная пленка окисла, имеющего высокое электрическое сопротивление. Это явление приводит к нагреву места соединения вплоть до расплавления проводников. Существуют жесткие ограничения и рекомендации по применению алюминия в электротехнике.

Алюминий в строительстве

Высокая пластичность позволяет изготавливать тонкую фольгу, которая используется в производстве конденсаторов высокой емкости.

Легкость алюминия и его сплавов стали основополагающими при использовании в авиакосмической отрасли при изготовлении большинства элементов конструкции летательных аппаратов: от несущих конструкций, до элементов обшивки, корпусов приборов и оборудования.

Что делают из чёрного металла

Граница, разделяющая чёрные и цветные металлы, не всегда выглядит чёткой и однозначной. Поэтому на обыденном уровне к чёрным металлам относят углеродистые и низколегированные марки стали, а также нелегированный чугун. Мы можем назвать следующие примеры чёрных металлов, а точнее – продукции из них:

• строительную арматуру всех классов;
• листовой, сортовой и фасонный прокат из перечисленных марок стали, в том числе с оцинкованным покрытием;
• трубы;
• стальное и чугунное литьё общего назначения – например, корпуса трубопроводной арматуры.

Детализированный перечень продукции из чёрных металлов можно продолжать почти до бесконечности. Однако не забывайте: не всё, что ржавеет, является чёрным металлом.

Другие испытания

Вместо маятника может использоваться молот. Помимо ударной прочности заготовки из стали и металла требуется проверить на растяжку и кручение, на излом. Все это дает полную комплексную картину о том или ином материале для строительства.

Таблица с показателями

Каждый раз проводить эксперименты не требуется, так как большинство из них уже произведено. Достаточно только пользоваться предложенными ГОСТами. Вот показатели различных наиболее распространенных марок:

Сталь	Толщина проката	Ударная вязкость, Дж/см2, не менее
KCU	KCV
Ст3пс	3,0 — 5,0	—	49	—	9,8
Ст3сп	5,1 — 10,0	108	34	—
Ст3Гпс	10,1 — 26,0	98	29	—
Ст3Гсп	26,1 — 40,0	88	—	—
Для Ст3кс — не нормируется

Коррозия алюминия и методы его защиты

Алюминий и его сплавы отличаются отличной устойчивостью к разрушениям различного характера. Однако, несмотря на это — коррозия алюминия представляет собой не такое уж и редкое явление. Различные формы коррозии представляют собой основную причину порчи этих материалов. Для борьбы с разрушительными процессами необходимо обязательно понимать факторы, которые являются причиной их появления.

Коррозия алюминия представляет собой реакцию, которая имеет место между металлом и окружающей средой. Этот процесс может иметь как естественное, так и химическое происхождение. Самой распространенной формой разрушения металла можно назвать появление на его поверхности процессов ржавления.

Особенностью всех видов металлов можно назвать их свойство вступать в реакцию с водой и окружающей средой. Отличием для каждого вида металла считается только интенсивность данного процесса. К примеру, у благородных металлов типа золота скорость такой реакции не будет слишком быстрой, а вот железо, в том числе и алюминий, будут реагировать на воздействия такого характера достаточно быстро.

Можно выделить два фактора, которые оказывают непосредственное влияние на интенсивность протекания процесса коррозии. Одним из них можно назвать степень агрессивности окружающей среды, а вторым металлургическую или химическую структуру. Атмосфере, которая нас окружает, всегда характерен определенный уровень влажности. Кроме того, ей характерен определенный уровень загрязнений и отходов.

Если учесть, что свойства атмосферы часто определяются регионом и степенью индустриализации, на сегодняшний день можно выделить:

• сельская местность (малая степень загрязнений и средний уровень влажности);
• приморские области (средняя степень загрязнений и высокий уровень влажности);
• городская местность (средний уровень влажности и средний уровень продуктов распадов жидкого топлива, серы и окислов углерода);
• промышленные и индустриальные зоны (большое количество серы, окислов углеродов и кислот, а также средний уровень влажности)

Для большинства случаев, кислоты неорганического типа, даже при низкой концентрации смогут растворить алюминий. И даже натуральная пленка оксида алюминия не сможет стать достаточной защитой от возникновения коррозийных процессов.

Самыми мощными растворителями можно назвать фтор, калий и натрий. Кроме того, алюминию характерна довольно низкая сопротивляемость к соединениям хлора и брома. Весьма агрессивны к различным сплавам алюминиевых металлов, являются известковые и цементные растворы.

Можно выделить несколько разновидностей проявления коррозии алюминия и его сплавов:

1. Поверхностная. Данный тип разрушения встречается чаще всего и является наименее вредоносным. Его легче всего заметить на поверхности. Это дает возможность своевременно использовать предохранительные средства. Поверхностные разрушения очень часто встречаются на анодированных профилях для строительства.
2. Локальная. Такие разрушения проявляются в виде форм, углублений и пятен. Такой тип коррозии бывает поверхностного и междукристаллического типа. Разрушения такого характера являются особенно опасными, по причине того, что их достаточно сложно обнаружить. Такая коррозия очень часто разрушает именно труднодоступные части конструкций и узлов.
3. Нитеподобная или филигранная. Этот вид разрушения алюминия часто появляется под покрытиями органического типа, а также на граничных поверхностях обработки. Нитеподобная коррозия появляется в ослабленных местах повреждения органического покрытия или краях отверстий;

Довольно часто, естественных антикоррозийных способностей алюминия и его сплавов для защиты от разрушений бывает недостаточно. А длительный период эксплуатации изделий из этих металлов, в обязательном порядке потребует использования дополнительных методов защиты. К самым частым методам протекции металлов от коррозии можно отнести:

• анодирование окисление (исследования немецких специалистов показывают, что данный вид защиты используется на 15% от общего количества производства строительных профилей в мире);
• покрытие поверхности металлов порошковыми составами;
• защита от контакта с другими металлами

Анодирование

Анодированное покрытие представляет собой покрытие, которое создает на поверхности алюминия прочную пленку из оксида алюминия, которая не поддается воздействию агрессивных сред. Такая обработка позволяет создать на поверхности металла такой слой пленки, который просто не оставляет алюминию возможности контактировать с внешней средой и ограждает его от процессов окисления.

[править] Физические свойства

Физические свойства алюминия

Алюминий — серебристо-белый легкий металл, хороший проводник тепла и электричества, пластичен, легко поддается механической обработке.

Кристаллическая структура и атомный радиус

Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (пространственная группа Fm3m). Ближайшее расстояние между двумя атомами составляет 2,863Å. Период кристаллической решетки алюминия a = 4,0414 Å при комнатной температуре. Кристаллическая решетка стабильна при температурах от 4К и до температуры плавления 933К. Параметр решетки очень слабо меняется от наличия примесей.

Атомный радиус алюминия определяется как половина расстояния между ближайшими атомами-соседями в кристаллической структуре и равен 1,43Å. В кристаллической структуре алюминия металлическая связь.

Плотность

Теоретическая плотность алюминия рассчитана по параметрам его кристаллической решетки составляет 2,69872 г / см³. Экспериментальные данные плотности для поликристаллического алюминия 99,996 % чистоты составляют 2,6989 (20 °C) г / см, а для монокристаллов — на 0,34 % выше.

Так, плотность расплавленного алюминия чистотой 99,996 % на 6,6 % меньше, чем у твердого металла, и при температуре 973 К составляет 2357 кг / м³ и почти линейно снижается до 2304 кг / м³ при температуре 1173 К.

Термическое расширение

Коэффициент термического расширения α отожженного алюминия чистотой 99,99 % при температуре 293 К составляет 23 · 10−6 и практически линейно возрастает до 37,3 · 10−6 К−1 при температуре 900 К.

Теплопроводность Теплопроводность полностью отожженного алюминия в твердом состоянии снижается с ростом температуры от 2,37 (298 К) до 2,08 Вт · см−1 · К−1 (933,5 К) и при температурах выше 100 К она малочувствительна к чистоте металла.

При нагревании алюминия и переходе его из твердого состояния в жидкое у него резко уменьшается теплопроводность: с 2,08 до 0,907 Вт · см−1 · К−1, а дальше с ростом температуры она увеличивается и при температуре 1000 ° C составляет уже 1, 01 Вт · см−1 · К−1.

Электропроводность

Удельное сопротивление алюминия высокой чистоты (99,99 %) при температуре 20 °C составляет 2,6548 · 10−8. Проводимость алюминия сильно зависит от его чистоты, причем влияние различных примесей зависит не только от концентрации этой примеси, но и от того она находится в твердом растворе или вне его. Наиболее сильно повышают сопротивление алюминия примеси хрома, лития, марганца, магния, титана и ванадия. Удельное сопротивление ρ (мкОм · м) отожженной алюминиевой проволоки в зависимости от содержания примесей (%) можно приблизительно определить по следующей формуле:

ρ = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04 (Ti + V + Cr + Mn)

При температуре 1,175 ± 0,001 К алюминий переходит в сверхпроводящее состояние.

Удельное сопротивление алюминия при переходе из твердого состояния в жидкое скачком возрастает с 11 до 24 мкОм · см.

Плавление и кристаллизация

Температура плавления алюминия очень чувствительна к чистоте металла и для высокочистого алюминия (99,996 %) составляет 933,4 К (660,3 °C), а температура начала кристаллизации алюминия по Шкале температур Кельвина (1968 г.) считается равной 660,37 °C и используется на протяжении десятков лет для калибровки термопар. Повышение внешнего давления увеличивает температуру плавления алюминия, и она достигает 700 °C при давлении около 100 МПа.

Температура кипения алюминия составляет примерно 2452 ° C, скрытая теплота плавления чистого алюминия — 397 Дж · ч−1, а скрытая теплота испарения 9462 Дж · ч−1.

Удельная теплоемкость С_р алюминия при 0 °C составляет 0,90 Дж · ч−1 · К−1, с увеличением температуры вони растет и определяется уравнением:

Ср = С0 + bT,

где С — теплоемкость при температуре 0 °C; b = 2,96 · 10−3; T — температура (в К).

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение σ имеет максимальное значение при температуре плавления и с ростом температуры он снижается:

σ = 868 — 0,152 (t — tп),

где σ — поверхностное натяжение, Н / м; t — температура, ° C; t_п — температура плавления алюминия, °C.

Вязкость

Вязкость алюминия при температуре плавления составляет 0,012 Па · с и увеличивается при наличии даже небольшого содержания твердых включений, например, оксида алюминия и нерастворимых примесей. С ростом температуры вязкость снижается. Легирующие добавки Ti, Fe, Cu увеличивают, а Si и Mg снижают вязкость сплава.

Производство алюминия

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы — руда, представляющая собой в основном гидратированный оксид алюминия Al2O3Ч2H2O. Мировым лидером по производству алюминия являются США, затем Россия, Канада и Австралия. Алюминий наиболее известен как сырье для производства сплавов, используемых для изготовления пищевых емкостей (бидонов, баллонов, банок и т.п.), легкой кухонной посуды и другой домашней утвари. Неочищенный алюминий был впервые выделен Х.Эрстедом в 1825, хотя еще в 1807 Х.Дэви обнаружил неизвестный металл при обработке глины серной кислотой. Дэви не смог выделить металл из соединений, но назвал его алюминум (от лат. alumen — квасцы), а его оксид — глиноземом (alimina); вскоре это название металла по аналогии с названиями других металлов изменили на «алюминий», что стало общепринятым.

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Достоинства пищевого алюминия

Алюминий пищевой имеет множество достоинств, среди которых можно выделить следующие:

1. Не подвержен воздействию коррозии. Благодаря этому кухонное оборудование и инструменты способны длительное время находиться в воде без вреда для себя.
2. Пищевой алюминий не деформируется под воздействием высокой температуры.
3. Несмотря на его вступление в контакт с материалами, обладающими органолептическими свойствами, не происходит изменение свойств продуктов. Также сохраняются все имеющиеся в них витамины.
4. Благодаря достаточной жесткости, материал во время приготовления пищи не деформируется.
5. Пищевой алюминий абсолютно безвреден для человеческого организма и полностью гигиеничен.
6. Посуда из этого материала способна использоваться при приготовлении пищи в духовых и микроволновых печах.

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.

[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.

Электролиз окиси алюминия

Основным оборудованием для электролиза является специальная ванна, футерованная углеродистыми блоками. К ней подводят электрический ток. В ванну погружаются угольные аноды, сгорающие при выделении из окиси чистого кислорода и образующие окись и двуокись улглерода. Ванны, или электрилизеры, как их называют специалисты, включаются в электрическую цепь последовательно, образуя серию. Сила тока при этом составляет 150 тысяч ампер.

Аноды могут быть двух типов: обожженные из больших угольных блоков, масса которых может быть больше тонны и самообжигающиеся, состоящие из угольных брикетов в алюминиевой оболочке, которые спекаются в процессе электролиза под действием высоких температур.

Рабочее напряжение на ванне обычно составляет около 5 вольт. Оно учитывает и напряжение, необходимое для разложения окиси, и неизбежные потери в разветвленной сети.

Из растворенной в расплаве на основе криолита окиси алюминия жидкий металл, который тяжелее солей электролита, оседает на угольном основании ванны. Его периодически откачивают.

Процесс производства алюминия требует больших затрат электроэнергии. Чтобы получить одну тонну алюминия из глинозема, нужно израсходовать около 13,5 тысяч кВт*ч электроэнергии постоянного тока. Поэтому еще одним условием создания крупных производственных центров является работающая рядом мощная электростанция.

Распространенность в природе

По степени распространенности в земле алюминий занимает лидирующую позицию среди всех металлов и третью между элементами периодической таблицы. По исследованиям разных ученых его концентрация в почве колеблется от 7,4 до 8,1%. Молярная масса атома — 26,9815386 г/моль. У вещества высокая химическая активность, поэтому чаще всего оно встречается в виде соединений.

К природным минералам алюминия относятся:

• хризоберилл или александрит;
• бокситы;
• берилл, аквамарин, изумруд;
• нефелины;
• каолинит;
• алуниты;
• полевые шпаты;
• глиноземы — смесь каолинов с песком, магнезитом или известняком.

Но в специфических условиях — жерлах вулканов, например, есть незначительное количество самородного металла белого цвета. Содержат его и природные воды, но вещество приобретает вид малотоксичных соединений. Тип аниона или катиона зависит только от кислотности окружающей среды.