2.2.3. Характерные химические свойства алюминия.

Оксид алюминия

Оксид алюминия
Al2O3 — в природе распространён как глинозём, нестехиометрическая смесь оксидов алюминия, калия, натрия, магния и т. д.

Теплофизические свойства оксидов металлов

В таблице представлены теплофизические свойства оксидов (спеченных окислов) металлов при различной температуре. Даны значения свойств следующих плотных спеченных окислов: оксиды алюминия и магния Al2O3, MgO, оксид кальция CaO, оксид кремния SiO2, оксид никеля NiO, оксид титана TiO, оксид циркония ZrO2, оксид урана UO2, оксид тория ThO2, оксид плутония PuO2
Теплопроводность спеченных окислов в таблице указана при температуре от 127 до 1727 °С в зависимости от пористости. Коэффициент линейного теплового расширения (КТР) указан при температуре от 300 до 400 К. Плотность оксидов металлов дана при комнатной температуре.

Теплопроводность спеченных оксидов металлов зависит от чистоты и кристаллической структуры исходных порошков, метода и степени прессования и режимов спекания. Теплопроводность порошкообразных окислов зависит от плотности, размера зерен и влажности; для любых порошкообразных оксидов металлов (не спеченных) теплопроводность лежит в пределах 0,1…1,1 Вт/(м·град).

В таблице даны следующие свойства оксидов металлов:

• температура плавления, К;
• коэффициент линейного теплового расширения (КТР), 1/град;
• плотность, кг/м3;
• пористость, %;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

Алюминий. Химия алюминия и его соединений

Бинарные соединения алюминия

Алюминий

Положение в периодической системе химических элементов

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение алюминия и свойства

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии :

+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s

2s 2p 3s 3p

Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии :

+13Al * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 1s

2s 2p 3s 3p

Теплопроводность плотных спеченных оксидов металлов

В таблице представлены значения теплопроводности плотных спеченных оксидов металлов (пористость равна нулю) в зависимости от температуры. Теплопроводность дана для следующих оксидов металлов: оксид алюминия Al2O3, оксид бериллия BeO, оксид кальция CaO, оксид кремния SiO2, оксид магния MgO, оксид никеля NiO, оксид титана TiO2, оксид циркония ZrO2. Теплопроводность окислов металлов приведена при температуре от 100 до 2000 К.

Видно, что в основном, теплопроводность оксидов снижается при росте температуры. В таблице также указана плотность оксидов металлов (оксидная керамика) при комнатной температуре.

Алюминий

Алюминий — химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное — оксид Al2O3.

Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3 ) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 °C. 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:

• Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] .

• Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:
• 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
• Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
• Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4].
• Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:
• 2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2.
• Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 — белое, полупрозрачное, студенистое вещество.
• В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый — среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия — боксит содержит 28-60% глинозема — оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе. Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита NaAlF4 при температуре 950 °C. Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Плотность алюминия, удельный вес и другие характеристики.

• Плотность — 2,7*10 3 кг/м 3 ;
• Удельный вес — 2,7 г/cм 3 ;
• Удельная теплоемкость при 20°C — 0,21 кал/град;
• Температура плавления — 658,7°C ;
• Удельная теплоемкость плавления — 76,8 кал/град;
• Температура кипения — 2000°C ;
• Относительное изменение объема при плавлении (ΔV/V) — 6,6%;
• Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20°C) : — 22,9 *10 6 (1/град);
• Коэффициент теплопроводности алюминия — 180 ккал/м*час*град;

Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

Отражение света алюминием

Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

ОКСИД АЛЮМИНИЯ Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов — лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей — наждак, применяются как абразивные материалы.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

Оксид алюминия (Al2O3) обладает исключительным набором свойств:

• высокая твердость;
• хорошая теплопроводность;
• отличная коррозионная стойкость;
• низкая плотность;
• сохранение прочности в широком диапазоне температур;
• электроизоляционные свойства;
• невысокая стоимость относительно других керамических материалов.

Эти сочетания делают материал незаменимым при изготовлении коррозионностойких, износостойких, электроизоляционных и термостойких изделий для самых разных отраслей промышленности.

Основные области применения:

• подшипники для насосов и компрессоров;
• кольца торцовых уплотнений;
• керамические плунжеры;
• элементы клапанов и запорной арматуры;
• футеровка для защиты от износа и коррозии;
• мелящие тела;
• футеровка для циклонов и кальцинаторов для цементных заводов;
• сопла;
• тигли, лодочки;
• чехлы и трубки термопар, стержни;
• горелки;
• электротехническая керамика;
• изделия для стекольной промышленности;
• фурнитура и футеровка печей;
• позиционные и сварочные штифты для автомобильной промышленности;
• изделия для бумагоделательной и печатной промышленности;
• волоки, глазки, фильеры, нитеводы;
• подложки, пластины;
• изделия для металлургической промышленности;
• абразивные и строительные материалы, инструмент, сварочная керамика;
• изделия для химии и нефтехимии.

Различают два основных вида оксида алюминия:

• плотный оксид алюминия (Al2O3)
• огнеупорный оксид алюминия (Al2O3)

Плотный оксид алюминия (Al2O3)

Данный материал применяется для изготовления ответственных и механически нагруженных изделий, т.е. в основном как инженерная и конструкционная керамика. Материал обладает отличными коррозионностойкими, износостойкими, электроизоляционными и термостойкими свойствами, кроме стойкости к термоудару. Если при эксплуатации присутствует термоудар, то рекомендуется применять огнеупорные материалы.

Существует несколько модификаций плотного оксида алюминия в зависимости от содержания основной фазы и примесей, которые отличаются прочностью и химической стойкостью (ALOX-AP, ALOX-HP).

Основные свойства материала

Консультацию по любому интересующему Вас вопросу Вы можете получить у наших специалистов.