Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Физические свойства алюминия и меди: теплопроводность

Физические свойства алюминия и меди: теплопроводность

Теплопроводность алюминия

Тяжело представить современный мир без такого металла, как алюминий. Благодаря таким своим качествам, как лёгкость, стойкость к коррозии, прочность и возможности входить в соединения с другими металлами алюминий стал важнейшим конструкционным материалом XX и XXI века.

Этот серебристый металл применяется во многих отраслях промышленности: в автомобилестроении, самолётостроении, в строительстве и безусловно, в электроэнергетике. Алюминий является 13 элементом в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. На данный момент подсчитано, что на него приходится примерно 8% от всей массы твёрдой земной коры и он является 3 химическим элементом по распространённости на планете Земля, уступая место только кислороду и кремнию.

История открытия

История открытия алюминия

Но так как алюминий обладает высокой химической активностью, то в чистом виде он практически не встречается в природе, поэтому в отличие от многих других металлов о нём стало известно только в начале XIX века, когда алюминий был формально получен.

В 1824 году датский физик в процессе электролиза впервые получил алюминий. Хотя металл и содержал примеси ртути и калия, этот случай является первым доказанным случаем получения алюминия в лабораторных условиях.

Имя учёного, привёдшего к революционному методу, было Ханс Кристиан Эрстед. Но понадобилось ещё почти полвека, чтобы разработать технологии для получения его в промышленном производстве. Больше всего природный алюминий встречается в составе минералов квасцов. Именно благодаря этому минералу алюминий и получил своё название, которое на латыни звучит Alumen.

Алюминиевая руда

В современном мире при производстве алюминия применяют широко распространённую в природе алюминиевую руду — бокситы. Бокситы являются глинистой горной породой, в состав которой входят разнообразные модификации гидроксида с такими примесями, как хром, кремний, титан, сера, ванадий, карбонатные соли магния, кальций, железо.

В бокситах можно встретить почти половину таблицы химических элементов Менделеева. Ценность этой руды состоит в том, что помимо одной тонны алюминия, добытой из четырёх тонн бокситов, ценность для промышленности имеют и примеси. Из бокситов в процессе переработки получают белый порошок — оксид алюминия (Al2O3), который ещё имеет название «глинозём». Именно из глинозёма путём электролиза на современных предприятиях производят металл.

Роль электроэнергетики в производстве

Провода из алюминия на производстве

При производстве алюминия затрачивается колоссальное количество электроэнергии. Для того чтобы получить одну тонну металла, энергии тратится столько, что её хватило бы на нужды 100-квартирного дома на протяжении целого месяца. А именно 15 МВт*ч. Поэтому большинство алюминиевых заводов располагаются недалеко от гидроэлектростанций, атомных электростанций или имеют собственные тепловые электростанции, а также развитую структуру электроэнергетических систем и сетей.

Свойства алюминия

В алюминии заложено редкое сочетание таких свойств, как:

  • небольшой вес;
  • пластика, электропроводность;
  • возможность образовывать сплавы с другими металлами.

Поверхность алюминия всегда покрыта тончайшей оксидной плёнкой, которая является очень прочной и не позволяет алюминию подвергаться коррозии. Этот материал и в горячем, и в холодном состоянии легко поддаётся обработке давлением. Такие методы обработки, как прокатка, штамповка, волочение часто производятся на предприятии при производстве тех или иных деталей.

Свойства и преимущества алюминия

Ещё одна ценность алюминия заключается в том, что он не токсичен, не подвержен горению и не нуждается в дополнительной окраске: это делает его применение в авто- и авиастроении незаменимым элементом. Ковкость алюминия удивляет: из него удалось изготовить лист и очень тонкую проволоку толщиной всего в 4 микрона, а толщины фольги — добиться в три раза тоньше волоса человека.

Благодаря возможности алюминия образовывать соединения с большой группой химических элементов появилась большая группа сплавов. Например, сочетание алюминия и цинка используется в создании корпусов различных видов планшетов и телефонов, алюминий в сочетании магния и кремния используется при производстве различных типов двигателей, в составе элементов шасси и всевозможных двигателей. Различные сплавы применяются и в электроэнергетике.

Современная наука продолжает изучать и изобретать новейшие типы алюминиевых сплавов. Сегодня не существует ни одной отрасли промышленности, где бы не использовался алюминий. Можно с уверенностью сказать, что такие виды промышленности, как авиационная, космическая, энергетическая, автомобильная, пищевая, электронная получили своё современное развитие благодаря алюминию и его сплавам.

Нельзя не упомянуть о таком важном свойстве, как теплопроводность. Ведь именно это свойство металла требуется при производстве систем отопления, электропродукции, в авто- и авиастроении, при изготовлении тормозных систем и тому подобных. Теплоёмкость — это процесс переноса тепловой энергии в физических телах или их частицах от горячих объектов к холодным на основе закона Фурье. Конкурентом алюминия в данной области является медь.

Читайте так же:
Легкая электропила для женщины

Трубы из алюминия - особенности

Так какой же металл имеет большую теплопроводность? Это не совсем однозначный вопрос. Известно, что алюминий по теплопроводности уступает меди при средних температурах, но когда заходит речь о низких температурах, а именно при 50 К, тогда теплопроводность алюминия значительно возрастает, в то время как у меди теплопроводность становится ниже. Температура плавления алюминия составляет 933,61 К, это примерно 660 °C, в этот момент свойства Al, такие как теплопроводность и плотность, уменьшаются.

Плотность серебристого металла определяется его температурой и зависит от его состояния. Так, при температуре в 27 °C, плотность алюминия соответственно равна 2697 кг/м 3 , а при температуре плавления, равной 660 °C, его плотность равняется 2368 кг/м 3 . Снижение плотности метала в зависимости от температуры обуславливается его расширением при непосредственном нагревании.

Таблицы свойств алюминия и меди

Далее, рассмотрим таблицы физических свойств и теплопроводности алюминия и меди при соответствии разных температур.

  • плотность Cu и Al, кг/м 3 ;
  • удельная теплоёмкость Cu и Al, Дж/(кг·K);
  • температуропроводность Cu и Al, м 2 /с;
  • теплопроводность Cu и Al, Вт/(м·K);
  • удельное электрическое сопротивление Cu и Al, Ом·м;
  • функция Лоренца Cu и Al;

Таблица физических свойств алюминия

T, Kкг/м 3Дж/(кг·K)м 2 /сВт/(м·K)Ом·мL/L0
5035813500.0478/0.0476
1002.725483.6228300.4/3020.442/0.440
2002.715800.2109236.8/2371.587/1.5840.78
3002.697903.793.8235.9/2372.733/2.7330.88
4002.675951.393.6238.8/2403.866/3.8750.94
5002.665991.888.8234.7/2364.995/5.0200.96
6002.6521036.783.7230.1/2306.130/6.1220.95
7002.6261090.278.4224.4/2257.350/7.3220.96
8002.5951153.873.6220.4/2188.700/8.6140.97
9002.5601228.269.2217.6/21010.18/10.0050.99
933.61s2.5501255.868.0217.7/20810.74/10.5651
933.61l2.3681176.735.298.1— 24.771.06
10002.3501176.736.4100.6— 25.881.06
12002.2901176.739.5106.4— 28.951.04
14001176.742.4— 31.77
16001176.744.8— 34.40
18001176.746.8— 36.93

Таблица физических свойств меди

T, Kкг/м 3Дж/(кг·K)м 2 /сВт/(м·K)Ом·мL/L0
5012500.0518
1004820.348
2001304131.048
3008.933385.0117401.9/4011.7250.945
4008.8703.97.7111391.5/3932.4020.961
5008.628408.0107385.4/3863.0900.976
6008.779416.9103376.9/3793.7920.976
7008.726425.199.7369.7/3734.5140.976
8008.656432.996.3360.8/3665.2620.973
9008.622441.793.3355.3/3596.0410.979
10008.567451.490.3349.2/3526.8680.979
11008.509464.385.5337.6/3467.7170.972
12008.451480.880.6327.5/3398.6260.970
13008.394506.575.8322.1/3329.5920.972
1357.6s8.361525.272.331710.1710.972
1357.6l8.00513.941.217521.011.08
14007.98513.942.717521.431.08

Из всего вышеперечисленного ясно видно, что алюминий является одним из приоритетных металлов в промышленности, но у него есть ещё одно свойство: этот металл и его сплавы можно переплавлять, причём неоднократно, без потерь его характеристик. Помимо прочего, это экономически выгоднее, чем добыча из руды. Так, на одной электроэнергии экономия превышает 14 кВт/ч. По подсчётам, 75% добытого за всё время алюминия и его сплавов используются по настоящее время.

Физические и химические свойства 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.

Внешний вид алюминия

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.

Читайте так же:
Как открутить сломанную шпильку из блока двигателя

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/см 3 );
  • Высокую пластичность;
  • Низкое удельное электрическое сопротивление (0,027 Ом·мм 2 /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

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

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.

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.

Химические свойства алюминия

Химические свойства алюминия

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.

Читайте так же:
Ножницы для полипропиленовых труб рейтинг

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.

Химические свойства алюминия и основные реакции

Алюминий впервые получен химическим путем немецким химиком Ф. Велером в 1827 г., а в 1856 г. французский химик Сен-Клер Девиль выделил его электрохимическим методом.
Алюминий является самым распространенным в природе металлом. Содержание его в земной коре составляет 7,45% (по массе). Важнейшие природные соединения алюминия — алюмосиликаты, боксит, корунд и криолит.
Алюмосиликаты составляют основную массу земной коры. Продукт их выветривания — глина и полевые шпаты (ортоклаз, альбит, анортит). Основной состав глин (каолин) соответствует формуле Аl2O3•2SiO2•2Н2O.
Боксит — горная порода, из которой получают алюминий. Состоит главным образом из гидратов оксида алюминия Аl2O3•nН2O .

Физические свойства

Физические свойства алюминия хорошо изучены. Это — серебристо-белый легкий металл, плавящийся при 660°С. Он очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и раскатывается в листы. Из алюминия можно изготовить фольгу толщиной менее 0,01мм. Алюминий обладает очень большой тепло- и электропроводностью. Сплавы алюминия с различными металлами обладают большой прочностью и легкостью.

Химические свойства

Алюминий очень активный металл. В ряду напряжений он стоит после щелочных и щелочноземельных металлов. Однако на воздухе он довольно устойчив, так как его поверхность покрывается очень плотной пленкой оксида, предохраняющей его от дальнейшего контакта с воздухом. Если с алюминиевой проволоки снять защитную оксидную пленку, то алюминий начнет энергично взаимодействовать с кислородом и водяными парами воздуха, превращаясь в рыхлую массу гидроксида алюминия. Эта реакция сопровождается выделением тепла. Очищенный от защитной оксидной пленки алюминий взаимодействует с водой с выделением водорода:

Алюминий хорошо растворим в разбавленных серной и соляной кислотах:

Разбавленная азотная кислота на холоду пассивирует алюминий, но при нагревании алюминий растворяется в ней с выделением монооксида азота, гемиоксида азота, свободного азота или аммиака, например:

Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий.
Так как оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами, то алюминий легко растворяется в водных растворах всех щелочей, кроме гидроксида аммония:

Порошкообразный алюминий легко взаимодействует с галогенами, кислородом и всеми неметаллами. Для начала реакций необходимо нагревание. В дальнейшем реакции протекают очень интенсивно и сопровождаются выделением большого количества тепла:

Сульфид алюминия может существовать только в твердом виде. В водных растворах он подвергается полному гидролизу с образованием гидроксида алюминия и сероводорода:

Алюминий легко отнимает кислород и галогены у оксидов и солей других металлов. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла:

Процесс восстановления металлов из их оксидов алюминием называется алюмотермией. Алюмотермией пользуются при получении некоторых редких металлов, которые образуют прочную связь с кислородом (ниобий, тантал, молибден, вольфрам и др.).
Смесь мелкого порошка алюминия и магнитного железняка называется термитом. После поджигания термита с помощью специального запала реакция протекает самопроизвольно и температура смеси повышается до 3500°С. Железо при такой температуре находится в расплавленном состоянии. Эту реакцию используют для сваривания рельсов.

Получение

Впервые алюминий был получен восстановлением хлорида алюминия металлическим натрием:

В настоящее время его получают электролизом расплавленных солей. В качестве электролита служит расплав, содержащий 85— 90% комплексной соли 3NaF • A1F3 (или Na3AlFe) — криолита и 10–15% оксида алюминия Al2O3 — глинозема. Такая смесь плавится при температуре около 1000°С. При растворении в расплавленном криолите глинозем ведет себя как соль алюминия и алюминиевой кислоты и диссоциирует на катионы алюминия и анионы кислотного остатка алюминиевой кислоты:

При пропускании электрического тока катионы алюминия и натрия движутся к катоду — графитовому корпусу ванны, покрытому на дне слоем расплавленного алюминия, получаемого в процессе электролиза. Так как алюминий менее активен, чем натрий, то он восстанавливается в первую очередь. Восстановленный алюминий в расплавленном состоянии собирается на дне ванны, откуда его периодически выводят.
Анионы AlO3 3− и A1F6 3− движутся к аноду — графитовым стержням или болванкам. На аноде в первую очередь разряжается анион AlO3 3− :

Оксид алюминия вновь диссоциирует, и процесс повторяется. Расход глинозема все время восполняется. Количество криолита практически не меняется. Незначительные потери криолита происходят вследствие образования на аноде тетрафторида углерода CF4 . Электролитическое производство алюминия требует больших затрат электроэнергии (на получение 1 т алюминия расходуется около 20 тыс. квт • ч электроэнергии), поэтому алюминиевые заводы строят вблизи электростанций.

Читайте так же:
Дробилка для изготовления щепы

Применение

Алюминий находит самое широкое применение. Он используется в электротехнике, его сплавы, отличаясь большой легкостью и прочностью, применяются в самолето- и машиностроении, он все больше вытесняет стали в производстве теплообменных аппаратов, из него изготовляют фольгу, применяемую в радиотехнике и для упаковки пищевых продуктов. Алюминием покрывают стальные и чугунные изделия в целях предохранения их от коррозии: изделия нагревают до 1000° С в смеси алюминиевого порошка (49%), оксида алюминия (49%) и хлорида аммония (2%). Этот процесс называется алитированием. Алитированные изделия выдерживают нагревание°С, не подвергаясь коррозии.

Оксид алюминия Al2O3

Представляет собой белое вещество, обладающее высокой температурой плавления (2050°С). В природе оксид алюминия встречается в виде корунда и глинозема. Иногда встречаются прозрачные кристаллы корунда красивой формы и окраски. Корунд, окрашенный соединениями хрома в красный цвет, называют рубином, а окрашенный соединениями титана и железа в синий цвет — сапфиром. Рубин и сапфир являются драгоценными
камнями. В настоящее время их довольно легко получают искусственно.
Оксид алюминия обладает амфотерными свойствами, но он не растворяется в воде, кислотах и щелочах. При кипячении оксида алюминия в концентрированном растворе щелочи он частично переходит в раствор. Оксид алюминия переводят в растворимое состояние сплавлением со щелочами или с пиросульфатом калия:

Полученные сплавы растворяются в воде. При сплавлении оксида алюминия с поташом или содой образуются алюминаты, которые легко растворяются в воде:

Природный корунд — очень твердое вещество. Он применяется для изготовления наждачных кругов и шлифовальных порошков. Рубин используют для изготовления втулок часовых и других точных механизмов.
Глинозем используется как сырье для получения алюминия. Обезвоженный оксид алюминия применяется как адсорбент при очистке и разделении органических веществ методом хроматографии.

Гидроксид алюминия Al (ОН)3

Представляет собой белое вещество, которое при нагревании теряет воду, превращаясь оксид алюминия. Гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами. Свежеосажденный гидроксид легко растворяется в кислотах и щелочах (кроме гидроксида аммония):

Гидроксид алюминия является слабым основанием и еще более слабой кислотой, поэтому соли алюминия находятся в растворе только в присутствии избытка кислоты, а алюминаты — только в присутствии избытка щелочи. При разбавлении растворов водой эти соединения сильно гидролизуют.
Высушенный гидроксид алюминия теряет часть воды, не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах и этим напоминает оксид алюминия.
Гидроксид алюминия обладает свойством поглощать различные вещества, поэтому его применяют при очистке воды.

Физические свойства алюминия химия

Алюминий-серебристо-белый металл, обладающий высокой электропроводностью и теплопроводностью. (Теплопроводность алюминия в 1,8 раз больше, чем у меди, и в 9 раз больше, чем у нержавеющей стали.) Он имеет невысокую плотность — приблизительно втрое меньше, чем у железа, меди и цинка. И все же это очень прочный металл.

Три электрона из внешней оболочки атома алюминия делокализованы по кристаллической решетке металлического алюминия. Эта решетка имеет грансцентрированную кубическую структуру, подобную решетке олова и золота (см. разд. 3.2). Поэтому алюминий обладает хорошей ковкостью.

Химические свойства

Алюминий образует соединения ионного и ковалентного типа. Он характеризуется высокой энергией ионизации (табл. 15.1). Плотность заряда (отношение заряда к радиусу) для иона очень велика по сравнению с катионами других металлов того же периода (см. табл. 15.2).

Рис. 15.2. Гидратированный ион алюминия.

Таблица 15.2. Отношение заряда к радиусу катионов

Поскольку ион имеет высокую плотность заряда, он обладает большой поляризующей способностью. Этим объясняется то, что изолированный ион обнаруживается лишь в очень немногих соединениях, например в безводном фториде алюминия и оксиде алюминия, причем даже эти соединения обнаруживают заметный ковалентный характер. В водном растворе ион поляризует молекулы воды, которые вследствие этого гидратируют катион (см. рис. 15.2). Эта гидратация характеризуется большой экзотермичностью:

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал алюминия равен — 1,66 В:

Поэтому в электрохимическом ряду элементов алюминий расположен довольно высоко (см. разд. 10.5). Это заставляет предположить, что алюминий должен легко реагировать с кислородом и разбавленными минеральными кислотами. Однако, когда алюминий реагирует с кислородом, на его поверхности образуется тонкий непористый слой оксида. Этот слой предохраняет алюминий от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Оксидный слой можно удалить с поверхности алюминия, натирая ее ртутью. После этого алюминий способен соединяться непосредственно с кислородом и другими неметаллами, например серой и азотом. Взаимодействие с кислородом приводит к реакции

Анодирование. Алюминий и легкие алюминиевые сплавы можно защитить еще больше, сделав толще естественный оксидный слой при помощи процесса, который называется анодированием. В этом процессе алюминиевый предмет помещают в качестве анода в электролизер, где в качестве электролита используется хромовая кислота либо серная кислота.

Читайте так же:
Makita rt 0700 cx2

Алюминий реагирует с горячими разбавленными соляной и серной кислотами, образуя водород:

Сначала эта реакция протекает медленно из-за наличия оксидного слоя. Однако по мере того, как он удаляется, реакция становится все более интенсивной.

Концентрированная и разбавленная азотная кислота, а также концентрированная серная кислота делают алюминий пассивным. Это означает, что он не реагирует с указанными кислотами. Такая пассивность объясняется образованием тонкого слоя оксида на поверхности алюминия.

Растворы гидроксида натрия и других щелочей взаимодействуют с алюминием, образуя тетрагидроксоалюминат(III)-ионы и водород:

Если оксидный слой удален с поверхности, алюминий может выступать в роли восстановителя в окислительно-восстановительных реакциях (см. разд. 10.2). Он вытесняет металлы, расположенные ниже его в электрохимическом ряду, из их растворов. Например

Наглядным примером восстановительной способности алюминия является алюмотермитная реакция. Так называется реакция между порошкообразным алюминием и

оксидом В лабораторных условиях ее обычно инициируют, используя в качестве запала ленточку магния. Эта реакция протекает очень бурно, и в ней выделяется такое количество энергии, которого достаточно, чтобы расплавить образующееся железо:

Алюмотермитную реакцию используют для проведения алюмотермитной сварки; например, таким способом соединяют рельсы.

Оксид алюминия Оксид алюминия, или, как его часто называют, глинозем, представляет собой соединение, которое обладает как ионными, так и ковалентными свойствами. Он имеет температуру плавления и в расплавленном состоянии представляет собой электролит. По этой причине его часто считают ионным соединением. Однако в твердом состоянии оксид алюминия имеет каркасную кристаллическую структуру.

Корунд. Безводные формы оксида алюминия образуют в природных условиях минералы группы корундов. Корунд-это очень твердая кристаллическая форма оксида алюминия. Он используется в качестве абразивного материала, так как по твердости уступает только алмазу. Крупные и прозрачные, нередко окрашенные, кристаллы корундов ценятся как драгоценные камни. Чистый корунд бесцветен, однако наличие в нем небольшого количества примесей оксидов -металлов придает драгоценным корундам характерную окраску. Например, окраска рубина обусловлена наличием в корунде ионов а окраска сапфиров — наличием ионов кобальта Фиолетовая окраска аметиста обусловлена наличием в нем примеси марганца. Сплавляя глинозем с оксидами различных -металлов, можно получать искусственные драгоценные камни (см. также табл. 14.6 и 14.7).

Оксид алюминия нерастворим в воде и обладает амфотерными свойствами, вступая в реакцию как с разбавленными кислотами, так и с разбавленными щелочами. Реакция с кислотами описывается общим уравнением:

Реакция со щелочами приводит к образованию -иона:

Галогениды алюминия. Строение и химическая связь в галогенидах алюминия описаны в разд. 16.2.

Хлорид алюминия можно получать, пропуская сухой хлор либо сухой хлороводород над нагретым алюминием. Например

За исключением фторида алюминия, все остальные галогениды алюминия гидролизуются водой:

По этой причине галогениды алюминия в контакте с влажным воздухом «дымят».

Ионы алюминия. Мы уже указывали выше, что ион гидратируется в воде. При растворении солей алюминия в воде устанавливается следующее равновесие:

В этой реакции вода выступает в роли основания, так как она акцептирует протон, а гидратированный ион алюминия выступает в роли кислоты, так как он донирует протон. По этой причине соли алюминия обладают кислотными свойствами. Если в

Таблица 15.3. Наиболее распространенные квасцы

раствор какой-либо соли алюминия добавить щелочь, например или происходит осаждение гидратированного оксида алюминия:

Однако добавление избыточного количества щелочи приводит к растворению этого осадка вследствие образования растворимого аниона:

В этой реакции гидратированный гидроксид алюминия выступает в роли кислоты. Однако он реагирует также с кислотами:

Таким образом, гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами.

Сульфат алюминия и квасцы. Квасцы — это двойные соли, имеющие общую формулу . В этой формуле однозарядный ион, например или трехзарядный ион. например или . В табл. 15.3 указаны названия и формулы некоторых наиболее распространенных квасцов.

При растворении квасцов они образуют простые ионы. Например, калиевые квасцы образуют в растворе ионы Кристаллы квасцов имеют октаэдрическую структуру.

Протравы. Калиевые квасцы и сульфат алюминия используются в качестве протравы в процессе крашения тканей. С этой целью ткань замачивают в растворе калиевых квасцов или сульфата алюминия, а затем добавляют в раствор какую-либо щелочь. Раствор соли действует как слабая кислота, и в нем образуется гидроксид алюминия (см. выше). Гидроксид алюминия осаждается на нитях ткани и «разъедает» ткань. Кроме того, он поглощает краситель и тем самым связывает его с тканью. Свое название протравы получили от термина «травить» (разъедать).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector