Металл алюминий — мечта многих производств. Коррозия ему не страшна, он прекрасно проводит электрический ток, цветной металл легче железа почти в три раза, отличается прочностью. Не магнитится, легко образует сплавы с металлами.
Второе имя алюминия — крылатый металл. Появление чистого алюминия открыло человеку дорогу в небо.
Содержание
Как искали неизвестный алюминий
История открытия алюминия вяло тянулась с античности. Плиний пишет о квасцах (Alumen). Но под квасцами понимались разные вещества. Это антимоний, тартар, щелочь, гипс.
Лавуазье высказал здравую мысль: алюмина является окислом неизвестного металла. Тут химики оживились и стали пытаться «выцепить» незнакомца. Попыток было много, но только в 1825 году датчанин Эрстед извлек-таки неизвестный металл, напоминающий олово. Назвали его алюминием.
Свойства крылатого металла
Алюминий (Aluminium) имеет несчастливый 13 номер в периодической таблице Менделеева. Однако на счастливую судьбу металла это не повлияло.
Этот легкий серебристый металл послушно поддается механической обработке и литью, имеет большую тягучесть.
Редкая способность — быстро образовывать окисные пленки на поверхности чистого металла. Но эти пленки не слишком хорошо защищают от коррозии. Надежнее химическое и электрохимическое оксидирование. Формула оксидной пленки А12Оз.
Химические и физические характеристики алюминия:
- плотность 2,7 г/см3;
- температура плавления 660°С;
- кипит цветной металл при температуре 2518°С;
- строение кристаллической решетки гранецентрированное, кубическое;
- степени окисления 0; +3.
С помощью металлического алюминия (его взаимодействия с оксидами металлов) получают трудновосстанавливаемые металлы. Этот метод называется алюминотермия.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Алюминий / Aluminium (Al), 13 |
| Группа, период, блок | 13, 3, |
| Атомная масса (молярная масса) |
26,9815386(8)[1] а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Ne] 3s2 3p1 |
| Электроны по оболочкам | 2, 8, 3 |
| Радиус атома | 143 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 121 ± 4 пм |
| Радиус Ван-дер-Ваальса | 184 пм |
| Радиус иона | 51 (+3e) пм |
| Электроотрицательность | 1,61 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | −1,66 В |
| Степени окисления | 0; +3 |
| Энергия ионизации | 1‑я: 577,5 (5,984) кДж/моль (эВ)
2‑я: 1816,7 (18,828) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Термодинамическая фаза | Твёрдое вещество |
| Плотность (при н. у.) | 2,6989 г/см³ |
| Температура плавления | 660 °C, 933,5 K |
| Температура кипения | 2518,82 °C, 2792 K |
| Уд. теплота плавления | 10,75 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 284,1 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,35[2] 24,2[3] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 10,0 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая гранецентрированая |
| Параметры решётки | 4,050 Å |
| Температура Дебая | 394 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 237 Вт/(м·К) |
| Скорость звука | 5200 м/с |
| Номер CAS | 7429-90-5 |
Алюминий имеет один стабильный изотоп, 27Al.
Неправда, но хорошо придумано
В печатных изданиях, а сейчас и в интернете гуляет история о крестьянине, который вел «крамольные беседы о полете на Луну». Крестьянина (или мещанина), по одним сведениям Петрова, по другим Никифорова, сослали в киргизский поселок Байконур» Якобы известие о факте напечатано был в Московских губернских новостях», в 1848 году. Сейчас, когда с космодрома Байконура ушли в космос не один десяток спутников и станций, этот факт выглядит пророческим и мистическим.
Алюминиевые сплавы, плюсы и минусы
Чистый алюминий в строительных конструкциях применять нецелесообразно. Прочностные характеристики у него «так себе». А вот алюминиевые сплавы — другое дело. Сейчас известны и используются около 60 сплавов. Можно выбрать для любых нужд, на любой вкус.
Классификация сплавов проводится по составу, свойствам, по способности к термической обработке.
Добавки меди, магния и марганца, цинка существенно улучшают характеристики сплава в сравнении с чистым металлом. Этими металлами чаще всего легируют алюминий. Титан, литий, ванадий, церий, скандий, некоторые редкоземельные элементы для легирования применяются реже, но свойства этих сплавов также востребованы в промышленности.
Дюраль
Дюралюмины — сплавы алюминия с медью (4%), магнием (0,5%) и небольшого количества железа, марганца, кремния. Недостаток дюралей — подверженность коррозии; с ней справляются, применяя анодирование, плакировку, авиационную грунтовку, окрашивание.
Востребованные свойства сплава: хорошая статическая и усталостная прочность, высокая вязкость разрушения.
Широко применяется в деталях и конструкциях, где большую роль играет масса изделия. Главные потребители сплава — авиация, судостроение, космонавтика.
Сплав 7075
Разрабатывался компанией Sumitomo Metal Corporation (Япония) в строжайшей тайне.
Представляет соединение алюминия с цинком (до 6%), магния (2-2,5%), меди (до 1,5%). В тот же сплав добавлены титан, кремний, марганец, хром, железо. Добавки эти составляют не более 0,5%, но свой вклад в свойства сплава вносят.
Модификации сплава:
- 7075-0;
- 7075-06;
- 7075-Т651;
- 7075-Т7;
- 7075-АСР.
Сплавы устойчивы к коррозии, хорошо полируются.
Применяются в производстве винтовок для армии и граждан. Промышленности автомобильная, авиационная, морская активно используют сплав. Его минус — достаточно высокая цена.
Сплавов разных много
В России довольно много сплавов с разными свойствами:
- D1, D16, 1161, 1163 — алюминий, магний, медь;
- АМГ1 — АМГ6, сплав алюминия и магния;
- AD31, AD33, AD35, AB — алюминий, кремний, магний. Список легко продолжить.
Старость в радость
Не всегда старость — это плохо. Металл — как человек или вино; с возрастом свойства алюминия меняются; он становится лучше, крепче, сильнее.
Естественное старение металла происходит при нормальных условиях; можно сказать, что металл «дозревает».
Искусственное старение проходит при термообработке и пластическом деформировании.
Термическая обработка бывает разных видов. Выбор зависит от назначения будущего сплава.
| Вид термообработки | Что дает термообработка |
| Закалка с полным искусственным старением | Высокая прочность сплава, но некоторое снижение пластичности |
| Закалка со стабилизирующим старением | Хорошая прочность, довольно высокая стабильность структуры |
| Закалка с последующим смягчающим отпуском | Хорошая пластичность, но снижение прочности сплава |
| Искусственное старение | Повышает прочность сплава, улучшает возможность обработки резанием |
| Отжиг | Повышение пластичности, уменьшение остаточных напряжений металла |
| Закалка | Улучшает прочностные характеристики |
| Закалка и неполное искусственное старение | Повышает прочность при сохранении пластичности |
Минералы, месторождения…а самородный алюминий?
Запасы алюминия в природе огромны. Среди металлов он держит первое место по распространенности. Но «общительность», активность элемента привела к тому, что в чистом виде металл практически отсутствует.
Минералов, содержащих алюминий, много:
- бокситы;
- глиноземы;
- полевые шпаты;
- нефелины;
- корунды.
Так что добыча алюминиевого сырья не составляет большого труда.
Если все запасы на Земле истощатся (что сомнительно), то алюминий можно добывать из морской воды. Там его содержание составляет 0,01 мг/л.
Кто захочет увидеть самородный алюминий, тому придется опускаться в жерла вулканов.
Происхождением такой металл из самых глубин нашей планеты.
Как производят крылатый металл
Производство металла можно разделить на две стадии.
- Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
- Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.
Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.
Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.
Бывает технический и сверхчистый
Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.
Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.
Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.
Металл для крыльев
Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.
Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.
Где применяется
Применение легкого и прочного металла необходимо не только в авиации.
В пуленепробиваемых и бронированные стеклах, экранчиках смартфонов присутствует сапфир. У таких стекол высокая прочность на сжатие.
Из алюминия делают фольгу, которую используют в электрических конденсаторов. Домохозяйки с удовольствием запекают в фольге вкусняшки для домашних. Кастрюли, сковородки, другие изделия для домашнего хозяйства производят из «крылатого металла».
Тонко молотый порошок металла используют для производства прочной краски.
Вы удивитесь, но алюминиевая кастрюлька в кухне, самолет и перстень с сапфиром — родня. В каждом есть наш герой.
Оксид алюминия — это корунд. А к ним относятся сапфиры, рубины, изумруды — все эти короли драгоценных камней содержат алюминий. Сам корунд используют как наждак.
Купить металл
Стоимость металла на бирже 148 USD за тонну (на 05.05.2020).
