На каких физических и химических свойствах основано применение алюминия

Алюминий – металл, содержание которого в природе самое большое среди всех известных. Позднее начало его применения вызвано тем, что, поскольку он обладает высокой химической активностью, то находится в земной коре только в составе различных химических соединений. Восстановление чистого металла сопряжено с рядом трудностей, преодолеть которые стало возможным только с развитием технологий добычи металлов.

Чистый алюминий – мягкий ковкий металл серебристо-белого цвета. Это один из легчайших металлов, который, к тому же, хорошо поддается разнообразной механической обработке, штамповке, прокатке, литью. На открытом воздухе практически моментально покрывается тонкой и прочной пленкой окисла, которая противодействует дальнейшему окислению.

Механические свойства алюминия, такие как мягкость, податливость штамповке, легкость в обработке, послужили широкому распространению во многих отраслях промышленности.  Особенно часто алюминия используется в составе сплавов с другими металлами.

Физические и химические свойства сплавов алюминия послужили поводом к широкому использованию их в качестве конструкционных материалов, снижающих общий вес конструкции без ухудшения прочностных качеств.

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.

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.

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.

Химические свойства

Являясь довольно химически активным металлом, алюминий активно сопротивляется коррозии. Это происходит благодаря образованию на его внешней поверхности очень прочной оксидной пленки под действием кислорода.

Прочная пленка оксида хорошо защищает поверхность даже от таких сильных кислот, как азотная и серная. Это качество нашло распространение в химии и промышленности для транспортировки концентрированной азотной кислоты.

Разрушить пленку можно сильно разбавленной азотной кислотой, щелочами при нагреве или при контакте с ртутью, когда на поверхности образуется амальгама. В перечисленных случаях оксидная пленка не является защитным фактором и алюминий активно взаимодействует с кислотами, щелочами и окислителями. Оксидная пленка также легко разрушается в присутствии галогенов (хлор, бром). Таким образом, соляная кислота HCl, хорошо взаимодействует с алюминием при любых условиях.

Химические свойства алюминия зависят от чистоты металла. Использование состава легирующих присадок некоторых металлов, в частности марганца, позволяет увеличить прочность защитной пленки, повысив, таким образом, коррозионную устойчивость алюминия. Некоторые металлы, к примеру, никель и железо, способствуют снижению коррозионную стойкость, но повышают жароустойчивость сплавов.

Оксидная пленка на поверхности алюминиевых изделий играет отрицательную роль при проведении сварочных работ. Мгновенное окисление ванны расплавленного металла при сварке не позволяет сформировать сварочный шов, поскольку окись алюминия имеет очень высокую температуру плавления. Для сварки алюминия используют специальные сварочные аппараты с неплавящимся электродом (вольфрам). Сам процесс ведется в среде инертного газа – аргона. При отсутствии процесса окисления сварочный шов получается прочным, монолитным. Некоторые легирующие добавки в сплавы дополнительно улучшают сварочные свойства алюминия.

Чистый алюминий практически не образует ядовитых соединений, поэтому активно используется в пищевой промышленности при производстве кухонной посуды, упаковки пищевых продуктов, тары для напитков. Оказывать негативное действие могут лишь некоторые неорганические соединения. Исследованиями также установлено, что алюминий не используется в метаболизме живых существ, его роль в жизнедеятельности ничтожна.

Одними из самых удобных в обработке материалов являются металлы. Среди них также есть свои лидеры. Так, например, основные свойства алюминия известны людям уже давно. Они настолько подходят для применения в быту, что данный металл стал очень популярным. Каковы же свойства алюминия как простого вещества и как атома, рассмотрим в данной статье.

История открытия алюминия

Издавна человеку было известно соединение рассматриваемого металла – алюмокалиевые квасцы. Оно использовалось как средство, способное набухать и связывать между собой компоненты смеси, это было необходимо и при выделке кожаных изделий. О существовании в чистом виде оксида алюминия стало известно в XVIII веке, во второй его половине. Однако при этом чистое вещество получено не было.

Сумел же выделить металл из его хлорида впервые ученый Х. К. Эрстед. Именно он обработал амальгамой калия соль и выделил из смеси серый порошок, который и был алюминием в чистом виде.

Тогда же стало понятно, что химические свойства алюминия проявляются в его высокой активности, сильной восстановительной способности. Поэтому долгое время с ним никто больше не работал.

Однако в 1854 году француз Девиль смог получить слитки металла методом электролиза расплава. Этот способ актуален и по сей день. Особенно массовое производство ценного материала началось в XX веке, когда были решены проблемы получения большого количества электроэнергии на предприятиях.

На сегодняшний день данный металл – один из самых популярных и применяемых в строительстве и бытовой промышленности.

Общая характеристика атома алюминия

Если характеризовать рассматриваемый элемент по положению в периодической системе, то можно выделить несколько пунктов.

1. Порядковый номер – 13.
2. Располагается в третьем малом периоде, третьей группе, главной подгруппе.
3. Атомная масса – 26,98.
4. Количество валентных электронов – 3.
5. Конфигурация внешнего слоя выражается формулой 3s23p1.
6. Название элемента – алюминий.
7. Металлические свойства выражены сильно.
8. Изотопов в природе не имеет, существует только в одном виде, с массовым числом 27.
9. Химический символ – AL, в формулах читается как “алюминий”.
10. Степень окисления одна, равна +3.

Химические свойства алюминия полностью подтверждаются электронным строением его атома, ведь имея большой атомный радиус и малое сродство к электрону, он способен выступать в роли сильного восстановителя, как и все активные металлы.

Алюминий как простое вещество: физические свойства

Если говорить об алюминии, как о простом веществе, то он представляет собой серебристо-белый блестящий металл. На воздухе быстро окисляется и покрывается плотной оксидной пленкой. Тоже самое происходит и при действии концентрированных кислот.

Наличие подобной особенности делает изделия из этого металла устойчивыми к коррозии, что, естественно, очень удобно для людей. Поэтому и находит такое широкое применение в строительстве именно алюминий. Свойства вещества также еще интересны тем, что данный металл очень легкий, при этом прочный и мягкий. Сочетание таких характеристик доступно далеко не каждому веществу.

Можно выделить несколько основных физических свойств, которые характерны для алюминия.

1. Высокая степень ковкости и пластичности. Из данного металла изготовляют легкую, прочную и очень тонкую фольгу, его же прокатывают в проволоку.
2. Температура плавления – 660 0С.
3. Температура кипения – 2450 0С.
4. Плотность – 2,7 г/см3.
5. Кристаллическая решетка объемная гранецентрированная, металлическая.
6. Тип связи – металлическая.

Физические и химические свойства алюминия определяют области его применения и использования. Если говорить о бытовых сторонах, то большую роль играют именно уже рассмотренные нами выше характеристики. Как легкий, прочный и антикоррозионный металл, алюминий применяется в самолето- и кораблестроении. Поэтому эти свойства очень важно знать.

Химические свойства алюминия

С точки зрения химии, рассматриваемый металл – сильный восстановитель, который способен проявлять высокую химическую активность, будучи чистым веществом. Главное – это устранить оксидную пленку. В этом случае активность резко возрастает.

Химические свойства алюминия как простого вещества определяются его способностью вступать в реакции с:

• кислотами;
• щелочами;
• галогенами;
• серой.

С водой он не взаимодействует при обычных условиях. При этом из галогенов без нагревания реагирует только с йодом. Для остальных реакций нужна температура.

Можно привести примеры, иллюстрирующие химические свойства алюминия. Уравнения реакций взаимодействия с:

• кислотами – AL + HCL = AlCL3 + H2;
• щелочами – 2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2;
• галогенами – AL + Hal = ALHal3;
• серой – 2AL + 3S = AL2S3.

В целом, самое главное свойство рассматриваемого вещества – это высокая способность к восстановлению других элементов из их соединений.

Восстановительная способность

Восстановительные свойства алюминия хорошо прослеживаются на реакциях взаимодействия с оксидами других металлов. Он легко извлекает их из состава вещества и позволяет существовать в простом виде. Например: Cr2O3 + AL = AL2O3 + Cr.

В металлургии существует целая методика получения веществ, основанная на подобных реакциях. Она получила название алюминотермии. Поэтому в химической отрасли данный элемент используется именно для получения других металлов.

Распространение в природе

По распространенности среди других элементов-металлов алюминий занимает первое место. Его в земной коре содержится 8,8 %. Если же сравнивать с неметаллами, то место его будет третьим, после кислорода и кремния.

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.

Получение

Физические и химические свойства алюминия позволяют получать его только одним способом: электролизом расплава соответствующего оксида. Однако процесс этот технологически сложен. Температура плавления AL2O3 превышает 2000 0С. Из-за этого подвергать электролизу непосредственно его не получается. Поэтому поступают следующим образом.

1. Добывают бокситы.
2. Очищают их от примесей, оставляя лишь оксид алюминия.
3. Затем плавят криолит.
4. Добавляют туда оксид.
5. Данную смесь элекролизуют и получают чистый алюминий и углекислый газ.

   

Выход продукта составляет 99,7 %. Однако возможно получение и еще более чистого металла, который используется в технических целях.

Применение

Механические свойства алюминия не столь хороши, чтобы применять его в чистом виде. Поэтому чаще всего используются сплавы на основе данного вещества. Таких много, можно назвать самые основные.

1. Дюралюминий.
2. Алюминиево-марганцевые.
3. Алюминиево-магниевые.
4. Алюминиево-медные.
5. Силумины.
6. Авиаль.

Основное их отличие – это, естественно, сторонние добавки. Во всех основу составляет именно алюминий. Другие же металлы делают материал более прочным, стойким к коррозии, износоустойчивым и податливым в обработке.

Можно назвать несколько основных областей применения алюминия как в чистом виде, так и в виде его соединений (сплавов).

1. Для изготовления проволоки и фольги, используемой в быту.
2. Изготовление посуды.
3. Самолетостроение.
4. Кораблестроение.
5. Строительство и архитектура.
6. Космическая промышленность.
7. Создание реакторов.

   

Вместе с железом и его сплавами алюминий – самый важный металл. Именно эти два представителя периодической системы нашли самое обширное промышленное применение в руках человека.

Свойства гидроксида алюминия

Гидроксид – самое распространенное соединение, которое образует алюминий. Свойства химические его такие же, как и у самого металла, – он амфотерный. Это значит, что он способен проявлять двойственную природу, вступая в реакции как с кислотами, так и со щелочами.

Сам по себе гидроксид алюминия – это белый студенистый осадок. Получить его легко при взаимодействии соли алюминия с щелочью или гидроксидом аммония. При взаимодействии с кислотами данный гидроксид дает обычную соответствующую соль и воду. Если же реакция идет с щелочью, то формируются гидроксокомплексы алюминия, в которых его координационное число равно 4. Пример: Na[Al(OH)4] – тетрагидроксоалюминат натрия.