Atom hliníku. Hliník Obecná charakteristika

Hliníková charakteristika

kvalita hliníkového kovového průmyslu

Hliník je nejhojnějším kovem v zemské kůře. Jeho obsah se odhaduje na 7,45% (více než železo, z toho pouze 4,2%). Hliník jako prvek byl objeven nedávno, v roce 1825, kdy byly získány první malé hrudky tohoto kovu. Začátek průmyslového rozvoje sahá až do konce minulého století. Impulsem pro to byl vývoj v roce 1886 způsobu jeho přípravy elektrolýzou oxidu hlinitého rozpuštěného v kryolitu. Princip metody je základem moderní průmyslové těžby hliníku z hliníku ve všech zemích světa.

Vzhled je hliník lesklý stříbrný bílý kov. Ve vzduchu rychle oxiduje a zakryje se tenkou bílou matnou AlO fólií. Tento film má vysoké ochranné vlastnosti, a proto je hliník odolný proti korozi, protože je potažen takovým filmem.

Hliník je docela snadno zničen roztoky louhu, zásad, kyseliny chlorovodíkové a kyseliny sírové. V koncentrované kyselině dusičné a organických kyselinách je vysoce odolný.

Nejcharakterističtějšími fyzikálními vlastnostmi hliníku jsou jeho nízká relativní hustota rovna 2,7 a relativně vysoká tepelná a elektrická vodivost. Při 0 ° C je elektrická vodivost hliníku, tj. elektrická vodivost hliníkového drátu o průřezu 1 mm a délce 1 m je 37 1 ohmů.

Odolnost proti korozi a zejména elektrická vodivost hliníku je vyšší, čím je čistší, tím méně nečistot v něm je.

Teplota tání hliníku není vysoká, je přibližně 660 ° C. Jeho latentní teplo tání je však velmi velké - asi 100 kalorií, a proto roztavení hliníku vyžaduje hodně tepla, než roztavení stejného množství, například žáruvzdorné mědi, která má teplotu tání 1083 ° C, a latentní teplo tání je 43 kal.

Mechanické vlastnosti hliníku se vyznačují vysokou tažností a nízkou pevností. Laminovaný a žíhaný hliník má \u003d 10 kg mm a tvrdost HB25 \u003d 80% a \u003d 35%.

Mřížka z hliníkového krystalu je kostka zaměřená na obličej, která má parametr (velikost strany) 4,04 při 20 ° C. Hliník nemá allotropické transformace.

V přírodě je hliník ve formě hliníkových rud: bauxit, nefelin, alunit a kaolin. Nejdůležitější rudou, na které je založena většina hliníkového průmyslu, je bauxit.

Výroba hliníku z rud se skládá ze dvou po sobě jdoucích fází - nejprve se vyrábí oxid hlinitý (AlO) a poté se z něj vyrábí hliník.

V současnosti známé způsoby výroby oxidu hlinitého lze rozdělit do tří skupin: alkalické, kyselé a elektrotermální. Nejčastěji používané jsou alkalické metody.

V některých typech alkalických metod je bauxit dehydratovaný při 1000 ° C rozdrcen v kulových mlýnech, smísen v určitých poměrech s křídou a sodou a slinován reakcí za účelem výroby ve vodě rozpustného pevného hlinitanu sodného reakcí

Al O + Na CO \u003d Al O Na O + CO

Slinutá hmota se rozemele a vyluhuje se vodou, zatímco hlinitan sodný prochází do roztoku.

U jiných odrůd alkalické metody je oxid hlinitý obsažený v bauxitu vázán na hlinitan sodný přímým zpracováním rudy zásadami. V tomto případě se okamžitě získá roztok hlinitanu ve vodě.

V obou případech vede tvorba vodného roztoku hlinitanu sodného k jeho oddělení od nerozpustných složek rudy, kterými jsou hlavně oxidy a hydroxidy křemíku, železa a titanu. Oddělení roztoku od nerozpustné sraženiny, zvané červené bahno, se provádí v sedimentačních nádržích.

Vápno se přidá k výslednému roztoku při 125 ° C a tlaku 5 hodin, což vede k desiliconizaci - vysráží se CaSiO, čímž se vytvoří bílá kaše. Roztok vyčištěný z křemíku po jeho oddělení od bílého kalu se zpracuje s oxidem uhličitým při 60 až 80 ° C, čímž se vysráží krystalický hydrát oxidu hlinitého:

AlONaO + 3H20 + CO \u003d 2Al (OH) + Na CO.

Promývá se, suší se a kalcinuje se. Kalcinace vede k tvorbě aluminy:

2Al (OH) \u003d AlO + 3H20.

Popsaná metoda poskytuje poměrně úplnou extrakci aluminy z bauxitu - asi 80%.

Získání kovového hliníku z aluminy spočívá v jeho elektrolytickém rozkladu na jednotlivé složky - na hliník a kyslík. Elektrolytem v tomto procesu je roztok aluminy v kryolitu (AlF 3NaF). Kryolit, který má schopnost rozpouštět aluminu, současně snižuje jeho teplotu tání. Alumina taje při teplotě asi 2000 ° C a teplota tání roztoku, sestávajícího například z 85% kryolitu a 15% aluminy, je 935 ° C.

Schéma elektrolýzy aluminy je poměrně jednoduchá, ale technologicky je tento proces složitý a vyžaduje velké množství elektřiny.

Ve spodní části lázně s dobrou tepelnou izolací 1 a ucpávkou uhlí 2 jsou položeny katodové sběrnice 3, připojené k zápornému pólu zdroje elektrického proudu. Elektrody 5 jsou připojeny k anodové sběrnici 4. Před zahájením elektrolýzy je na dno lázně nalita tenká vrstva koksu, elektrody jsou spuštěny, aby se jí dotkly a proud je zapnut. Při zahřívání uhlí se postupně zavádí kryolit. Když je tloušťka roztavené kryolitové vrstvy 200 až 300 mm, je alumina nanášena rychlostí 15% z množství kryolitu. Proces probíhá při 950 - 1 000 ° C.

Oxid hlinitý pod vlivem elektrického proudu rozkládá hliník a kyslík. Tekutý hliník 6 se hromadí na dně uhlí (dně uhelné lázně), což je katoda, a kyslík se kombinuje s uhlíkem anod a postupně je spaluje. Kryolit se mírně spotřebovává. Pravidelně se přidává oxid hlinitý, elektrody pro kompenzaci spálené části se postupně snižují a nahromaděný kapalný hliník se v určitých intervalech uvolňuje do pánve 8.

Během elektrolýzy na 1 tunu hliníku se spotřebuje asi 2 tuny aluminy, 0,6 tun uhlíkových elektrod sloužících jako anody, 0,1 tuny kryolitu a od 17 000 do 18 000 kWh elektřiny.

Surový hliník získaný během elektrolýzy aluminy obsahuje kovové nečistoty (železo, křemík, titan a sodík), rozpuštěné plyny, z nichž hlavní je vodík, a nekovové inkluze, což jsou částice aluminy, uhlí a kryolitu. V tomto stavu je nevhodné k použití, protože má nízké vlastnosti, proto musí být upřesněno. Nekovové a plynné nečistoty se odstraní přetavením a propláchnutím kovu chlorem. Kovové nečistoty lze odstranit pouze komplexními elektrolytickými metodami.

Po rafinaci se získají komerční druhy hliníku.

Čistota hliníku je rozhodujícím ukazatelem ovlivňujícím všechny jeho vlastnosti, a proto je chemické složení základem pro klasifikaci hliníku.

Nevyhnutnými nečistotami z výroby hliníku jsou železo a křemík. Oba jsou škodlivé v hliníku. Železo se nerozpouští v hliníku, ale tvoří s ním křehké chemické sloučeniny FeAl a Fe2Al. U křemíku tvoří hliník eutektickou mechanickou směs s 11,7% Si. Protože je rozpustnost křemíku při pokojové teplotě velmi malá (0,05%), i při malém množství, tvoří eutektikum Fe + Si a zahrnutí velmi tvrdých (HB 800) křehkých krystalů křemíku, které snižují tažnost hliníku. Při kombinované přítomnosti křemíku a železa se tvoří trojitá chemická sloučenina a trojitá eutektika, což také snižuje tažnost.

Kontrolovanými nečistotami v hliníku jsou železo, křemík, měď a titan.

Hliník všech tříd obsahuje více než 99% hliníku. Kvantitativní překročení této hodnoty ve stotinách nebo desetinách procenta je uvedeno ve značce za počátečním písmenem A. Ve značce A85 tedy obsahuje 99,85% Al. Výjimkou z této zásady označování jsou třídy A AE, ve kterých je obsah hliníku stejný jako ve stupních A0 a A5, ale rozdílný poměr složek nečistot železa a křemíku.

Písmeno E ve značce AE znamená, že hliník této značky je určen k výrobě elektrických vodičů. Dalším požadavkem na vlastnosti hliníku je nízký elektrický odpor, který by u drátu vyrobeného z něj neměl být větší než 0,0280 ohm mm m při 20 ° C.

Hliník se používá k výrobě produktů a slitin na jejich bázi, jejichž vlastnosti vyžadují vysoký stupeň čistoty.

V závislosti na účelu může být hliník vyráběn v různých formách. Hliník všech jakostí (vysoká a technická čistota), určený k přetavování, je odlit ve formě ingotů o hmotnosti 5; 15 a 1 000 kg. Jejich mezní hodnoty jsou následující: výška od 60 do 600 mm, šířka od 93 do 800 mm a délka od 415 do 1000 mm.

Pokud je hliník určen pro válcování plechů a pásek, pak se odlévají ploché ingoty sedmnácti velikostí kontinuální nebo polokontinuální metodou. Jejich tloušťka se pohybuje od 140 do 400 mm, šířka je od 560 do 2025 mm a hmotnost 1 m délky ingotu je od 210 do 2190 kg. Délka ingotu je dohodnuta se zákazníkem.

Hlavním typem kontroly hliníku v ingotech i v ingotech je kontrola chemického složení a jeho shody s ročníkem. Na ingoty a ingoty určené k tlakovému zpracování jsou kladeny další požadavky, jako je například nepřítomnost skořepin, plynových bublin, trhlin, strusky a jiných cizích inkluzí.

Pro deoxidaci oceli během tavení, jakož i pro výrobu feroslitin a pro aluminotermii lze použít levnější hliník nižší čistoty, než je uvedeno v tabulce „Čistota hliníku různých tříd“. Za tímto účelem průmysl vyrábí v ingotech o hmotnosti od 3 do 16,5 kg, které obsahují od 98,0 do 87,0% hliníku, šest jakostí hliníku. Obsah železa v nich dosahuje 2,5% a křemík a měď až 5%.

Použití hliníku je způsobeno zvláštností jeho vlastností. Kombinace lehkosti a dostatečně vysoké elektrické vodivosti umožňuje použití hliníku jako vodiče elektrického proudu a jeho nahrazení dražší mědí. Rozdíl v elektrické vodivosti mědi (631 ohmů) a hliníku (371 ohmů) je kompenzován zvýšením průřezu hliníkového drátu. Malá hmotnost hliníkových drátů umožňuje provádět jejich zavěšení v mnohem větší vzdálenosti než v případě měděných drátů mezi podpěrami, aniž by se obávalo přetržení drátu vlivem jeho vlastní hmotnosti. Z toho jsou také vyrobeny kabely, pneumatiky, kondenzátory, usměrňovače. Vysoká odolnost hliníku proti korozi z něj činí v některých případech nepostradatelný materiál v chemickém inženýrství, například pro výrobu zařízení používaných při výrobě, skladování a přepravě kyseliny dusičné a jejích derivátů.

To je také široce používané v potravinářském průmyslu, různé nádobí je vyrobeno z toho. V tomto případě se používá nejen jeho odolnost vůči působení organických kyselin, ale také vysoká tepelná vodivost.

Vysoká plasticita umožňuje válcování hliníku do fólie, která v současné době zcela nahrazuje dříve dražší cínovou fólii. Fólie slouží jako obal pro širokou škálu potravinářských výrobků: čaj, čokoláda, tabák, sýr atd.

Hliník se používá stejným způsobem jako antikorozní povlak jiných kovů a slitin. Může být aplikován opláštěním, difúzní metalizací a dalšími metodami, včetně natírání barev a laků obsahujících hliník. Obzvláště běžné je hliníkové opláštění plochých výrobků z hliníkových slitin méně odolných vůči korozi.

Chemická aktivita hliníku s ohledem na kyslík se používá pro deoxidaci při výrobě poloklidné a měkké oceli a pro výrobu těžce redukovaných kovů vytlačováním hliníku z jejich sloučenin kyslíku.

Hliník se používá jako legující prvek v široké škále ocelí a slitin. Poskytuje jim specifické vlastnosti. Například zvyšuje tepelnou odolnost slitin na bázi železa, mědi, titanu a některých dalších kovů.

Lze uvést i další oblasti aplikace hliníku o různých stupních čistoty, ale jeho největší částka se vynakládá na získávání různých lehkých slitin na něm založených. Informace o hlavních jsou uvedeny níže.

Obecně se použití hliníku v různých odvětvích hospodářství s využitím příkladu rozvinutých zemí kapitálu odhaduje na následujících číslech: dopravní inženýrství 20-23% (včetně automobilového 15%), stavebnictví 17-18%, elektrotechnika 10-12%, výroba obalových materiálů 9-10% , výroba spotřebního zboží dlouhodobé spotřeby 9-10%, všeobecné inženýrství 8-10%.

Hliník dobývá stále nové oblasti použití, a to i přes konkurenci jiných materiálů a zejména plastů.

Hlavními průmyslovými rudami obsahujícími hliník jsou bauxit, nefelin, alunit a kaolin.

Kvalita těchto rud je hodnocena obsahem aluminy Al O, která obsahuje 53% Al. Mezi další ukazatele kvality hliníkových rud patří nejdůležitější složení nečistot, jejichž škodlivost a užitečnost jsou stanoveny použitím rudy.

Bauxit je nejlepší a celosvětově hlavní surovinou pro hliník. Používá se také pro výrobu umělých korundů, vysoce žáruvzdorných výrobků a pro jiné účely. Chemické složení této sedimentární horniny je směsí hydrátů aluminy AlO nH2O s oxidy železa, křemíku, titanu a dalších prvků. Nejběžnějšími hydráty aluminy, které tvoří bauxit, jsou minerály: diaspory, boehmity a hydrargellity. Obsah aluminy v bauxitu i v jednom ložisku kolísá ve velmi širokém rozmezí, od 35 do 70%.

Minerály, které tvoří bauxit, tvoří velmi tenkou směs, což ztěžuje obohacení. Průmysl používá hlavně surovou rudu. Proces těžby hliníku z rudy je složitý, velmi energeticky náročný a skládá se ze dvou fází: nejprve se extrahuje hliník a poté se z něj získá hliník.

Předmětem světového obchodu je bauxit samotný a oxid hlinitý získaný z něj nebo z jiných rud.

V CIS jsou bauxitová ložiska rozložena nerovnoměrně a bauxit z různých ložisek má nerovnoměrnou kvalitu. Vklady nejkvalitnějšího bauxitu se nacházejí v Uralu. Velké zásoby bauxitu jsou k dispozici také v evropské části SNS a v západním Kazachstánu.

Z průmyslově vyspělých zemí je nyní prakticky poskytována pouze Francie, kde se její vývoj poprvé začal. Její spolehlivé a pravděpodobné rezervy v této skupině států byly v roce 1975 odhadnuty na 4,8 miliardy tun (včetně Austrálie ve 4,6 miliardách tun), zatímco v rozvojových zemích to bylo 12,5 miliard tun, zejména v Africe a Latinské Americe ( nejbohatší jsou Guinea, Kamerun, Brazílie, Jamajka).

V poválečném období se dramaticky rozšířil okruh zemí, kde se těží bauxit a kde se vyrábí primární hliník. V roce 1950 se bauxit těžil pouze v 11 zemích, nepočítaje SSSR, včetně tří v množství přes 1 milion tun (Surinam, Gayyana, USA) a ve čtyřech více než 0,1 milionu tun (Francie, Indonésie, Itálie, Ghana). V roce 1977 se produkce zvýšila dvanáctkrát a její geografie se dramaticky změnila (více než polovina světové kapitalistické produkce byla v rozvojových zemích).

Na rozdíl od rozvojových zemí, Austrálie, která je bohatá na palivo, zpracovává většinu těženého bauxitu (hlavně na York poloostrově v největším ložisku bauxitu na světě) na oxid hlinitý, což hraje rozhodující roli v jeho globálním exportu. Karibské a západoafrické země nejsou příkladem, ale hlavně exportují bauxit. To je způsobeno jak politickými důvody (výroba oxidu hlinitého je výhodnější než světové monopoly na bázi hliníku mimo těžbu bauxitu a závislé země), tak čistě ekonomické: bauxity, na rozdíl od těžkých neželezných kovů, jsou přepravitelné (obsahují 35 - 65% oxidu hlinitého), a výroba oxidu hlinitého vyžaduje značné jednotkové náklady, které velká většina zemí těžby bauxitu nemá.

Ve snaze čelit diktátům světových hliníkových monopolů vytvořily v roce 1973 země vyvážející bauxity organizaci „Mezinárodní asociace zemí těžby bauxitu“ (IABS). Zahrnovalo Austrálii, Guineji, Guyanu, Jamajku a Jugoslávii; později se k ní připojila Dominikánská republika, Haiti, Ghana, Sierra Leone, Surinam a Řecko a Indie se staly pozorovatelskými zeměmi. Za rok vytvoření tvořily tyto státy přibližně 85% produkce bauxitu v nesocialistických státech.

Hliníkový průmysl je charakterizován územní propastí jak mezi těžbou bauxitu a výrobou aluminy, tak mezi těžbou bauxitu a tavením primárního hliníku. Největší produkce oxidu hlinitého (až 1–1,3 milionu tun ročně) je lokalizována jak v závodech na výrobu hliníku (například v kanadském závodě v Arvidě v Quebecu, který zabírá 0,4 milionu tun hliníku ročně podle výrobní kapacity), a v přístavech vyvážejících bauxit (například , Paranam v Surinamu), stejně jako na trasách bauxitu od druhého do prvního - například v USA na Mexickém zálivu (Corpus Christi, Point Comfort).

V naší zemi je veškerý těžený bauxit rozdělen do deseti stupňů. Hlavní rozdíl mezi bauxity různých stupňů spočívá v tom, že obsahují různá množství hlavní regenerovatelné složky aluminy a mají různé hodnoty křemíkového modulu, tj. rozdílný obsah aluminy na obsah nečistot siliky (AlO SiO) škodlivých v bauxitu. Křemíkový modul je velmi důležitým ukazatelem kvality bauxitu, jeho aplikace a technologie zpracování do značné míry na něm závisí.

Obsah vlhkosti v bauxitu všech stupňů byl stanoven v závislosti na jejich poli: nejnižší vlhkost (ne více než 7%) byla stanovena pro bauxit v ložiskách na jihu Uralu a v případě ložisek na severu Uralu, Kamensku-Uralu a Tikhvinu ne více než 12, 16 a 22%. . Ukazatel vlhkosti není znakem odmítnutí a používá se pouze pro dohody se spotřebitelem.

Bauxit se dodává v kusech o velikosti nejvýše 500 mm. Přepravují jej hromadně na platformách nebo v gondolách.

Je to nejběžnější kov v zemské kůře. Patří do skupiny lehkých kovů, má nízkou hustotu a teplotu tání. Současně jsou tažnost a elektrická vodivost na vysoké úrovni, což ji zajišťuje. Pojďme tedy zjistit, jaká je specifická teplota tání hliníku a jeho slitin (např. Ve srovnání s a), tepelná a elektrická vodivost, hustota, další vlastnosti a také jaké jsou strukturní vlastnosti hliníkových slitin a jejich chemické složení.

Za prvé, struktura a chemické složení hliníku podléhají naší úvaze. Pevnost v tahu z čistého hliníku je extrémně malá a činí 90 MPa.  Pokud se ke složení přidá mangan nebo hořčík v malém poměru, může se pevnost zvýšit na 700 MPa. Použití speciálního tepelného zpracování povede ke stejnému výsledku.

Kov s nejvyšší čistotou (99,99% hliníku) lze použít pro speciální a laboratorní účely, v ostatních případech s technickou čistotou. Nejběžnějšími nečistotami v něm mohou být křemík a železo, které jsou prakticky nerozpustné v hliníku. Výsledkem je, že jejich přísady snižují tažnost a zvyšují pevnost finálního kovu.

Struktura hliníku je představována jednotkovými buňkami, které se zase skládají ze čtyř atomů. Hustota tohoto kovu je teoreticky 2698 kg / m3.

Nyní pojďme mluvit o vlastnostech hliníkového kovu.

Toto video bude hovořit o struktuře hliníku:

Vlastnosti a vlastnosti

Vlastnosti kovu jsou jeho vysoká tepelná a elektrická vodivost, odolnost proti korozi, vysoká tažnost a odolnost vůči nízkým teplotám. Kromě toho je jeho hlavní vlastností nízká hustota (asi 2,7 g / cm3).

Mechanické, technologické a fyzikálně-chemické vlastnosti tohoto kovu jsou přímo závislé na jeho složkách. Mezi její přirozené složky patří a.

Klíčové parametry

• Hustota hliníku je 2,7 x 103 kg / m3;
• Specifická gravitace - 2.7 g/ cm 3;
• Teplota tání hliníku 659 ° C;
• Bod varu 2000 ° C;
• Koeficient lineární expanze je - 22,9 * 106 (1 / deg).

Nyní je třeba brát v úvahu tepelnou vodivost a elektrickou vodivost hliníku.

Toto video porovnává teploty tání hliníku a dalších běžně používaných kovů:

Elektrická vodivost

Důležitým ukazatelem hliníku je jeho elektrická vodivost, která je na druhém místě pouze za zlato, stříbro a. Vysoký koeficient elektrické vodivosti v kombinaci s nízkou hustotou poskytuje materiálu vysokou konkurenceschopnost v poli kabel-vodič.

Kromě hlavních nečistot je tento indikátor ovlivněn také manganem a chromem. Pokud je hliník určen k výrobě proudových vodičů, nemělo by celkové množství nečistot přesáhnout 0,01%.

• Index vodivosti se může lišit v závislosti na stavu, ve kterém je hliník. Proces dlouhodobého žíhání tento indikátor zvyšuje a omezování naopak snižuje.
• Rezistivita při teplotě 20 ° C v závislosti na druhu kovu je v rozsahu 0,027-0,029 μOhm * m.

Tepelná vodivost

Tepelná vodivost kovu je asi 0,50 cal / cm * s * C a zvyšuje se stupněm čistoty.

Tato hodnota je menší než hodnota stříbra, ale více než hodnota ostatních kovů.  Díky němu se hliník aktivně používá při výrobě tepelných výměníků a radiátorů.

Odolnost proti korozi

Samotný kov je chemicky aktivní látka, díky níž se používá v aluminotermii. Při kontaktu se vzduchem se vytvoří tenký film oxidu hlinitého, který má chemickou inertnost a vysokou pevnost. Jeho hlavním účelem je ochrana kovu před následným oxidačním procesem, jakož i před účinky koroze.

• Pokud má hliník vysokou čistotu, pak tento film nemá póry, zcela zakrývá svůj povrch a poskytuje spolehlivou přilnavost. Výsledkem je, že kov je odolný nejen vůči vodě a vzduchu, ale také vůči zásadám a anorganickým kyselinám.
• Na místech, kde jsou nečistoty, může dojít k poškození ochranné vrstvy filmu. Taková místa se stávají náchylnými k korozi. Proto může být na povrchu pozorována koroze typu jamky. Obsahuje-li jakost 99,7% hliníku a méně než 0,25% železa, je korozní poměr 1,1 a obsah hliníku 99,0% se tento údaj zvyšuje na 31.
• Obsažené železo také snižuje odolnost kovu vůči zásadám, ale nemění odolnost vůči kyselinám sírovým a dusičným.

Interakce s různými látkami

Pokud má hliník teplotu 100 0 C, je schopen interakce s chlorem.  Bez ohledu na stupeň zahřívání hliník rozpouští vodík, ale s ním nereaguje. Proto je to hlavní složka plynů přítomných v kovu.

Hliník je obecně stabilní v následujících prostředích:

• Sladká a mořská voda;
• Soli hořčíku, sodíku a amonia;
• Kyselina sírová;
• Slabé roztoky chromu a fosforu;
• Roztok amoniaku;
• Kyselina octová, jablečná a jiné kyseliny.

Hliník není stabilní:

• Roztok kyseliny sírové;
• Kyselina chlorovodíková;
• Leptavé zásady a jejich řešení;
• Kyselina šťavelová.

Přečtěte si o toxicitě a šetrnosti k životnímu prostředí hliníku níže.

V následující tabulce je uvedena elektrická vodivost mědi a hliníku, jakož i další srovnání těchto dvou kovů.

Porovnání charakteristik hliníku a mědi

Toxicita

Ačkoli je hliník velmi běžný, nepoužívá se v metabolismu v žádné živé bytosti. Má mírný toxický účinek, ale mnoho z jeho anorganických sloučenin, které se rozpouštějí ve vodě, jsou schopné zůstat v tomto stavu po dlouhou dobu a nepříznivě ovlivňovat živé organismy. Nejvíce toxické látky jsou acetáty, chloridy a dusičnany.

Podle předpisů může být v pitné vodě obsaženo 0,2-0,5 mg na 1 litr.

Toto video obsahuje ještě užitečnější informace o vlastnostech hliníku:

Jedním z nejvhodnějších materiálů při zpracování jsou kovy. Mezi nimi také mají své vlastní vůdce. Například základní vlastnosti hliníku jsou lidem známy již dlouhou dobu. Jsou tak vhodné pro domácí použití, že se tento kov stal velmi populární. Jaké jsou jako jednoduchá látka a jako atom, budeme se zabývat v tomto článku.

Historie objevu hliníku

Již dlouho je známo, že člověk zpracovává sloučeninu daného kovu - byl používán jako prostředek, který by mohl bobtnat a spojovat složky směsi, což bylo také nutné při oblékání kožených výrobků. Existence čistého oxidu hlinitého se stala známou v XVIII. Století, v jeho druhé polovině. To však nebylo přijato.

Vědec H.K. Oersted byl poprvé schopen izolovat kov od svého chloridu. Byl to on, kdo zpracoval amalgám draselný solí a izoloval šedý prášek ze směsi, což byl čistý hliník.

Pak bylo jasné, že chemické vlastnosti hliníku se projevují ve své vysoké aktivitě, silné redukční schopnosti. Proto s ním nikdo dlouho nepracoval.

V roce 1854 však Francouz Deville dokázal získat kovové ingoty elektrolýzou v tavenině. Tato metoda je pro tento den relevantní. Zejména masová výroba cenného materiálu začala ve 20. století, kdy byly vyřešeny problémy získávání velkého množství elektřiny v podnicích.

Tento kov je dnes jedním z nejpopulárnějších a používaných ve stavebnictví a v domácnostech.

Obecná charakteristika atomu hliníku

Pokud charakterizujeme uvažovaný prvek podle pozice v periodickém systému, můžeme rozlišit několik bodů.

1. Sériové číslo je 13.
2. Nachází se ve třetím malém období, ve třetí skupině, hlavní podskupině.
3. Atomová hmotnost je 26,98.
4. Počet valenčních elektronů je 3.
5. Konfigurace vnější vrstvy je vyjádřena vzorcem 3s 2 3p 1.
6. Název prvku je hliník.
7.   silně vyjádřeno.
8. Nemá izotopy v přírodě, existuje pouze v jedné formě a má hmotnost 27.
9. Chemický symbol je AL, ve vzorcích se označuje jako „hliník“.
10. Oxidační stav je jeden, roven +3.

Chemické vlastnosti hliníku jsou plně potvrzeny elektronovou strukturou jeho atomu, protože má velký atomový poloměr a nízkou afinitu k elektronům a je schopen působit jako silné redukční činidlo, jako všechny aktivní kovy.

Hliník jako jednoduchá látka: fyzikální vlastnosti

Pokud mluvíme o hliníku jako o jednoduché látce, jedná se o stříbrně bílý lesklý kov. Rychle oxiduje ve vzduchu a zakryje se hustým oxidovým filmem. Totéž se stane s koncentrovanými kyselinami.

Přítomnost takové funkce činí z tohoto kovu odolné vůči korozi, což je samozřejmě pro lidi velmi výhodné. Proto se hliník ve stavebnictví tak hojně používá. také zajímavé v tom, že tento kov je velmi lehký, přitom odolný a měkký. Kombinace těchto charakteristik není k dispozici pro každou látku.

Lze rozlišit několik základních fyzikálních vlastností, které jsou charakteristické pro hliník.

1. Vysoký stupeň tažnosti a tažnosti. Tento kov se používá k výrobě lehkých, silných a velmi tenkých fólií, je také válcován do drátu.
2. Bod tání - 660 0 C.
3. Bod varu - 2450 0 С.
4. Hustota - 2,7 g / cm3.
5. Krystalová mříž je kovově orientovaná na obličej.
6. Typ připojení - kov.

Fyzikální a chemické vlastnosti hliníku určují rozsah jeho použití a použití. Pokud mluvíme o každodenním životě, pak vlastnosti, které jsme již zvažovali výše, hrají velkou roli. Jako lehký, odolný a antikorozní kov se hliník používá v letectví a stavbě lodí. Proto jsou tyto vlastnosti velmi důležité znát.

Chemické vlastnosti hliníku

Z hlediska chemie je dotyčný kov silným redukčním činidlem, které je schopné vykazovat vysokou chemickou aktivitu a je čistou látkou. Hlavní věc je odstranit oxidový film. V tomto případě se aktivita prudce zvyšuje.

Chemické vlastnosti hliníku jako jednoduché látky jsou určeny jeho schopností reagovat s:

• kyseliny;
• alkálie;
• halogeny;
• šedá.

Za normálních podmínek nereaguje s vodou. Kromě toho reaguje pouze s jodem z halogenů bez zahřívání. Pro jiné reakce je nutná teplota.

Mohou být uvedeny příklady ilustrující chemické vlastnosti hliníku. Rovnice reakcí interakce s:

• kyseliny  - AL + HCL \u003d AlCL3 + H2;
• alkálie  - 2Al + 6H20 + 2NaOH \u003d Na + 3H2;
• halogeny  - AL + Hal \u003d ALHal 3;
• šedá  - 2AL + 3S \u003d AL2S3.

Obecně je nejdůležitější vlastností dané látky její vysoká schopnost obnovit z jejích sloučenin další prvky.

Schopnost zotavení

Redukční vlastnosti hliníku jsou dobře vidět při reakcích s jinými oxidy kovů. Snadno je extrahuje ze složení látky a umožňuje jí existovat v jednoduché formě. Například: Cr203 + AL \u003d AL203 + Cr.

V metalurgii existuje celá technika výroby látek na základě podobných reakcí. Říká se tomu aluminotermie. Proto se v chemickém průmyslu tento prvek používá konkrétně pro výrobu jiných kovů.

Šíří se v přírodě

Z hlediska převahy mezi ostatními kovovými prvky je hliník na prvním místě. Jeho v zemské kůře obsahuje 8,8%. Ve srovnání s nekovy bude na třetím místě po kyslíku a křemíku.

Vzhledem ke své vysoké chemické aktivitě se nenachází v čisté formě, ale pouze ve složení různých sloučenin. Například je známo mnoho rud, minerálů, hornin, které obsahují hliník. Těží se však pouze z bauxitů, jejichž obsah v přírodě není příliš velký.

Nejběžnější látky obsahující dotyčný kov:

• živce;
• bauxit;
• žuly;
• oxid křemičitý;
• hlinitokřemičitany;
• čediče a další.

V malém množství je hliník nezbytně součástí buněk živých organismů. Některé druhy rybářů a mořských obyvatel jsou schopni akumulovat tento prvek uvnitř svého těla během života.

Získávání

Fyzikální a chemické vlastnosti hliníku umožňují jej získat pouze jedním způsobem: elektrolýzou taveniny odpovídajícího oxidu. Tento proces je však technologicky komplikovaný. Teplota tání AL203 přesahuje 2 000 0 C. Z tohoto důvodu není možné jej přímo elektrolyzovat. Proto postupujte následovně.

Výtěžek produktu je 99,7%. Je však možné získat ještě více čistého kovu, který se používá pro technické účely.

Aplikace

Mechanické vlastnosti hliníku nejsou tak dobré, aby byly použity v čisté formě. Proto se nejčastěji používají slitiny založené na této látce. Je jich mnoho, ty základní lze nazvat.

1. Duralumin.
2. Hliník-mangan.
3. Hliník-hořčík.
4. Hliník-měď.
5. Siluminy.
6. Avial.

Jejich hlavním rozdílem jsou samozřejmě přísady třetích stran. Základem je hliník. Jiné kovy činí materiál trvanlivějším, odolnějším vůči korozi, odolným proti opotřebení a tvárným při zpracování.

Můžeme jmenovat několik hlavních oblastí aplikace hliníku jak v čisté formě, tak ve formě jejích sloučenin (slitin).

Spolu se železem a jeho slitinami je hliník nejdůležitějším kovem. Právě tito dva zástupci periodického systému našli v rukou člověka nejrozsáhlejší průmyslovou aplikaci.

Vlastnosti hydroxidu hlinitého

Hydroxid je nejčastější sloučenina, která tvoří hliník. Jeho chemické vlastnosti jsou stejné jako vlastnosti samotného kovu - je amfoterní. To znamená, že je schopen projevovat dvojí povahu a vstupovat do reakce s kyselinami i zásadami.

Hydroxid hlinitý jako takový je bílá želatinová sraženina. Lze jej snadno získat reakcí hliníkové soli s alkálií nebo při reakci s kyselinami dává tento hydroxid obvyklou odpovídající sůl a vodu. Pokud se jedná o reakci s alkálií, vytvoří se hydroxidy hliníku, jejichž koordinační číslo je 4. Příklad: tetrahydroxoaluminát sodný.

HLINÍKOVÉ VLASTNOSTI

Obsah:

Hliníkové třídy

Fyzikální vlastnosti

Korozní vlastnosti

Mechanické vlastnosti

Technologické vlastnosti

Aplikace

Stupně hliníku.

Hliník se vyznačuje vysokou elektrickou a tepelnou vodivostí, odolností proti korozi, tažností, mrazuvzdorností. Nejdůležitější vlastností hliníku je jeho nízká hustota (asi 2,70 g / cm3), teplota tání hliníku je asi 660 C.

Fyzikálně-chemické, mechanické a technologické vlastnosti hliníku jsou velmi závislé na druhu a množství nečistot, zhoršují většinu vlastností čistého kovu. Hlavní přírodní nečistoty v hliníku jsou železo a křemík. Například železo je přítomno jako nezávislá fáze Fe-Al, snižuje elektrickou vodivost a odolnost proti korozi, zhoršuje tažnost, ale mírně zvyšuje pevnost hliníku.

V závislosti na stupni čištění se primární hliník dělí na hliník vysoké a technické čistoty (GOST 11069-2001). Technický hliník zahrnuje také známky označené AD, AD1, AD0, AD00 (GOST 4784-97). Technický hliník všech jakostí se získává elektrolýzou tavenin kryolitu a aluminy. Hliník o vysoké čistotě se získá dodatečným čištěním průmyslového hliníku. V knihách se berou v úvahu vlastnosti vlastností hliníku o vysoké a vysoké čistotě.

1) Hutnictví hliníku a jeho slitin. Ed. I.N. Fridlyander. M. 1971.2) Mechanické a technologické vlastnosti kovů. A.V. Bobylev. M. 1980.

Níže uvedená tabulka obsahuje zkrácené informace o většině druhů hliníku. Uvádí se také obsah hlavních přírodních nečistot - křemíku a železa.

Značka	Al, %	Si,%	Fe,%	Aplikace
Hliník s vysokou čistotou
A995	99.995	0.0015	0.0015	Chemické vybavení Kondenzátorová fólie Zvláštní cíle
A98	99.98	0.006	0.006
A95	99.95	0.02	0.025
Hliník technické kvality
A8 AD000	99.8	0.10 0.15	0.12 0.15	Drátěný prut pro výrobu kabelové produkty (od A7E a A5E). Suroviny pro výrobu hliníkových slitin Fólie Pronájem (tyče, pásky, plechy, dráty, trubky)
A7 AD00	99.7	0.15	0.16 0.25
A6	99.6	0.18	0.25
A5E	99.5	0.10	0.20
A5 AD0	99.5	0.25 0.25	0.30 0.40
AD1	99.3	0.30	0.30
A0 HELL	99.0	0.95 Celkem až 1,0%

Hlavní praktický rozdíl mezi technickým a vysoce čištěným hliníkem souvisí s rozdíly v odolnosti vůči korozi v určitých prostředích. Čím vyšší je stupeň čištění hliníku, tím je samozřejmě dražší.

Hliník s vysokou čistotou se používá pro speciální účely. Průmyslový hliník se používá k výrobě hliníkových slitin, výrobků z kabelů a drátů a válcovaných výrobků. Dále budeme hovořit o technickém hliníku.

Elektrická vodivost.

Nejdůležitější vlastností hliníku je jeho vysoká elektrická vodivost, ve které je na druhém místě pouze pro stříbro, měď a zlato. Kombinace vysoké elektrické vodivosti s nízkou hustotou umožňuje hliníku konkurovat mědi v oblasti kabelů a drátěných výrobků.

Kromě železa a křemíku silně ovlivňují elektrickou vodivost hliníku chrom, mangan a titan. Proto je v hliníku, který je určen k výrobě proudových vodičů, regulován obsah několika dalších nečistot. Takže v hliníku třídy A5E s povoleným obsahem železa 0,35% a křemíku 0,12% by součet nečistot Cr + V + Ti + Mn neměl překročit pouze 0,01%.

Elektrická vodivost závisí na stavu materiálu. Dlouhodobé žíhání při 350 ° C zlepšuje vodivost a vysokoteplotní vodivost se zhoršuje.

Hodnota elektrického odporu při teplotě 20 ° C jeOhm * mm 2 / m nebo μOhm * m :

0,0277 –A7E žíhaný hliníkový drát

0,0280 - Žíhaný hliníkový drát A5E

0,0290 - po lisování, bez tepelného zpracování z hliníku třídy AD0

Elektrický odpor hliníkových vodičů je tedy přibližně 1,5krát vyšší než elektrický odpor měděných vodičů. V souladu s tím je elektrická vodivost (reciproční měrný odpor) hliníku 60-65% elektrické vodivosti mědi. Elektrická vodivost hliníku se zvyšuje se snížením množství nečistot.

Teplotní koeficient elektrického odporu hliníku (0,004) je přibližně stejný jako koeficient mědi.

Tepelná vodivost

Tepelná vodivost hliníku při 20 ° C je přibližně 0,50 cal / cm * s * C a zvyšuje se zvyšující se čistotou kovu. Pokud jde o tepelnou vodivost, hliník je sekundární pouze ke stříbru a mědi (přibližně 0,90), třikrát vyšší než tepelná vodivost měkké oceli. Tato vlastnost určuje použití hliníku v chladicích radiátorech a výměnících tepla.

Další fyzikální vlastnosti.

Hliník má velmi vysokou hodnotu měrné teplo  (přibližně 0,22 cal / g * C). To je výrazně více než u většiny kovů (pro měď - 0,09). Specifické teplo fúze  také velmi vysoký (přibližně 93 cal / g). Pro srovnání, v mědi a železa je tato hodnota přibližně 41-49 cal / g.

Odrazivost  hliník je vysoce závislý na jeho čistotě. U hliníkové fólie s čistotou 99,2% je koeficient odrazu bílého světla 75% a pro fólii s obsahem hliníku 99,5% je odrazivost již 84%.

Korozní vlastnosti hliníku.

Hliník sám o sobě je velmi reaktivní kov. To souvisí s jeho použitím v aluminotermii a při výrobě výbušnin. Ve vzduchu je však hliník potažen tenkou vrstvou oxidu hlinitého (asi mikronu). Má vysokou pevnost a chemickou inertnost, chrání hliník před další oxidací a určuje jeho vysoké antikorozní vlastnosti v mnoha prostředích.

U hliníku o vysoké čistotě je oxidový film kontinuální a neporézní a má velmi silnou přilnavost k hliníku. Proto je vysoce a vysoce čistý hliník velmi odolný vůči anorganickým kyselinám, louhům, mořské vodě a vzduchu. Adheze oxidového filmu k hliníku v místech nečistot se výrazně zhoršuje a tato místa se stávají náchylnými ke korozi. Hliník technické čistoty má proto menší odolnost. Například s ohledem na slabou kyselinu chlorovodíkovou je odolnost rafinovaného a průmyslového hliníku desetkrát odlišná.

Na hliníku (a jeho slitinách) se obvykle pozoruje důlková jamka. Stabilita hliníku a jeho slitin je proto v mnoha prostředích určována nikoli změnou hmotnosti vzorků a nikoli rychlostí penetrace koroze, ale změnou mechanických vlastností.

Hlavním účinkem na korozní vlastnosti průmyslového hliníku je obsah železa. Míra koroze v 5% roztoku HC1 pro různé stupně je tedy (v%)):

Značka	ObsahAl	Obsah Fe	Míra koroze
A7	99.7 %	< 0.16 %	0.25 – 1.1
A6	99.6%	< 0.25%	1.2 – 1.6
A0	99.0%	< 0.8%	27 - 31

Přítomnost železa snižuje odolnost hliníku vůči zásadám, ale neovlivňuje odolnost vůči kyselině sírové a kyselině dusičné. Obecně se odolnost průmyslového hliníku vůči korozi v závislosti na jeho čistotě zhoršuje v tomto pořadí: A8 a AD000, A7 a AD00, A6, A5 a AD0, AD1, A0 a AD.

Při teplotách nad 100 ° C hliník reaguje s chlorem. Hliník nereaguje s vodíkem, ale dobře ho rozpouští, takže je hlavní složkou plynů přítomných v hliníku. Vodní pára se při 500 ° C rozkládá škodlivě na hliník, při nižších teplotách je účinek páry zanedbatelný.

Hliník je stabilní v následujících prostředích:

Průmyslová atmosféra

Přírodní sladká voda až do teploty 180 ° C. Rychlost koroze se zvyšuje s aerací,

nečistoty hydroxidu sodného, \u200b\u200bkyseliny chlorovodíkové a soda.

Mořská voda

Koncentrovaná kyselina dusičná

Kyslé soli sodíku, hořčíku, amonia, hyposulfitu.

Slabé (až 10%) roztoky kyseliny sírové,

100% kyselina sírová

Slabé roztoky kyseliny fosforečné (do 1%), chrómu (do 10%)

Kyselina boritá v jakékoli koncentraci

Acetické, citronové, víno. kyselina jablečná, kyselé ovocné šťávy, víno

Roztok amoniaku

Hliník je v takových prostředích nestabilní.:

Zředěná kyselina dusičná

Kyselina chlorovodíková

Zředěná kyselina sírová

Kyseliny fluorovodíkové a bromovodíkové

Kyselina šťavelová, kyselina mravenčí

Žíravé roztoky

Voda obsahující soli rtuti, mědi, chlorových iontů, které ničí oxidový film.

Kontaktní koroze

Při kontaktu s většinou průmyslových kovů a slitin slouží hliník jako anoda a jeho koroze se zvýší.

Mechanické vlastnosti

Modul pružnosti E \u003d 7000-7100 kgf / mm2 pro technický hliník při 20 ° C. Se zvyšováním čistoty hliníku se jeho hodnota snižuje (6700 pro A99).

Smykový modul G \u003d 2700 kgf / mm2.

Hlavní parametry mechanických vlastností technického hliníku jsou uvedeny níže:

Parametr	Jednotky rev.	Deformované	Žíhaná
Výtěžnost? 0.2	kgf / mm2	8 - 12	4 - 8
Pevnost v tahu? v	kgf / mm2	13 - 16
Prodloužení při přetržení?		5 – 10	30 – 40
Relativní zúžení při přerušení		50 - 60	70 - 90
Smyková síla	kgf / mm2
Tvrdost	HB	30 - 35

Uvedené indikátory jsou velmi indikativní:

1) U žíhaného a litého hliníku závisí tyto hodnoty na stupni technického hliníku. Čím více nečistot, tím větší pevnost a tvrdost a nižší tažnost. Například tvrdost litého hliníku je: pro A0 - 25NV, pro A5 - 20NV a pro vysoce čistý hliník A995 - 15NV. Pevnost v tahu pro tyto případy je: 8,5; 7,5 a 5 kgf / mm2 a prodloužení 20; 30 a 45%.

2) U deformovaného hliníku závisí mechanické vlastnosti na stupni deformace, typu válcovaného kovu a jeho rozměrech. Například pevnost v tahu je nejméně 15-16 kgf / mm2 pro drát a 8 - 11 kgf / mm2 pro trubky.

V každém případě je však technický hliník měkký a křehký kov. Nízká mez kluzu (iu pražených výrobků nepřesahuje 12 kgf / mm 2) omezuje použití hliníku pro přípustné zatížení.

Hliník má nízkou mez tečení: při 20 ° C - 5 kgf / mm2 a při 200 ° C - 0,7 kgf / mm2. Pro srovnání: v mědi jsou tyto ukazatele 7 a 5 kgf / mm2.

Nízká teplota tání a teplota počátku rekrystalizace (pro technický hliník je přibližně 150 ° C), nízká tečení omezuje teplotní rozsah provozu hliníku ze strany vysokých teplot.

Tažnost hliníku se při nízkých teplotách až do helia nezhorší. Když teplota klesne z +20 ° C na - 269 ° C, pevnost v tahu se čtyřikrát zvýší u technického hliníku a 7krát u vysoce čistého hliníku. Mez pružnosti se v tomto případě zvyšuje 1,5krát.

Odolnost hliníku proti mrazu umožňuje jeho použití v kryogenních zařízeních a strukturách.

Technologické vlastnosti.

Vysoká tažnost hliníku umožňuje výrobu fólie (tloušťka až 0,004 mm), produktů hlubokého tažení a použití pro nýty.

Hliník technické kvality vykazuje křehkost při vysokých teplotách.

Obrobitelnost je velmi nízká.

Teplota rekrystalizačního žíhání je 350 až 400 С, teplota temperování je 150 С.

Svařitelnost.

Problémy při svařování hliníku jsou způsobeny 1) přítomností silného filmu inertního oxidu, 2) vysokou tepelnou vodivostí.

Hliník je však považován za dobře svařitelný kov. Svar má pevnost základního kovu (v žíhaném stavu) a stejné korozní vlastnosti. Podrobnosti o svařování hliníku viz napříkladwww. weldingsite.com.ua.

Aplikace.

Díky své nízké pevnosti se hliník používá pouze pro nezatížené konstrukční prvky, kde je důležitá vysoká elektrická nebo tepelná vodivost, odolnost proti korozi, tažnost nebo svařitelnost. Díly jsou spojeny svařováním nebo nýty. Technický hliník se používá jak pro lití, tak pro výrobu válcovaných výrobků.

Ve skladu společnosti jsou neustále listy, dráty a pneumatiky z technického hliníku.

(viz odpovídající stránky. web). Na vyžádání jsou k dispozici ingoty A5-A7.

Definice

Hliník  nachází se ve třetím období, skupina III hlavní (A) podskupiny periodické tabulky. Toto je první p-element 3. periody.

Metal Označení - Al. Sériové číslo - 13. Relativní atomová hmotnost - 26,981 amu

Elektronická struktura atomu hliníku

Atom hliníku se skládá z pozitivně nabitého jádra (+13), uvnitř kterého je 13 protonů a 14 neutronů. Jádro je obklopeno třemi pouzdry, po kterých se pohybuje 13 elektronů.

Obr. 1. Schematické znázornění struktury atomu hliníku.

Distribuce elektronů v orbitálech je následující:

13Al) 2) 8) 3;

1s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 1 .

Na vnější energetické hladině hliníku jsou tři elektrony, všechny elektrony 3. podúrovně. Energetický diagram má následující podobu:

Teoreticky je možné excitovaný stav atomu hliníku v důsledku přítomnosti neobsazeného 3 dorbitaly. Párování elektronů 3 s-sub-level se ve skutečnosti nestane.

Příklady řešení problémů

PŘÍKLAD 1