Каковы основные характеристики алюминия

Алюминий — серебристо-белый легкий металл. Расположен в III группе Периодической системы элементов Д.И.Менделеева под номером 13; атомная масса алюминия — 26,98. Конфигурация внешней электронной оболочки 3 s 2 Зр; атомный радиус — 0,143 мм, ионный радиус Аl 3+ (в скобках указаны координационные числа) 0,053 нм (4); 0,062 нм (5); 0,067 нм ( 6 ); сродство к электрону 0,5 эВ; электроотрицательность по Поллингу — 1,5; поперечное сечение захвата тепловых нейтронов — 215*10 -25 м 2 . Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку с параметрами: а = 0,40403 нм, z = 4, пространственная группа Fm 3 m . В природе существует один стабильный изотоп 27 Аl .

Отличительные особенности алюминия — высокая электропроводимость, теплопроводность, коррозионная стойкость, малая плотность и отличная обрабатываемость давлением в холодном состоянии.

Физические свойства алюминия

Плотность (99,996% Аl), г/см 3 , при температуре:

Давление пара, Па, при температуре:

Удельная теплоемкость, Дж/(кг*К), при температуре:

Коэффициент линейного расширения при температуре 20-100 °С, К . 24,58*10 -6

Теплопроводность, Вт/( м*К), при температуре:

Электропроводность по отношению к меди при температуре 20 °С, % . 65,5

Удельное электросопротивление, мк*Ом*м. 0,0265

Температурный коэффициент электросопротивления. 0,042

Динамическая вязкость (99,85% Аl), Н*с/м 2 , при температуре:

11 23°С . 1,5* 10 -3

Модуль нормальной упругости Е, МПа, при температуре:

Модуль сдвига при температуре 20 °С, МПа. 2,7* 10 4

Магнитная характеристика алюминия. Слабо парамагнитен

Механические свойства алюминия

Временное сопротивление разрыву σ_в, МПа:

в отожженном состоянии. 50

в деформированном (холоднокатаном) состоянии. 115

Предел текучести σ _0,2 , МПа:

в отожженном состоянии. 50-80

в деформированном состоянии. 120

Предел усталости (500*10 6 циклов) σ _-1 , МПа:

в отожженном состоянии. 40

в деформированном состоянии. 50

Предел ползучести, МПа, при температуре:

Предел прочности при срезе σ _ср , МПа:

в отожженном состоянии. 60

в деформированном состоянии. 100

Относительное удлинение δ, %:

в отожженном состоянии. 30-40

в деформированном состоянии. 5-10

Относительное сужение Ψ, %:

в отожженном состоянии. 70-90

в деформированном состоянии. 50-60

Ударная вязкость при температуре 20 °С, МПа. 140

Твердость по Бринеллю, НВ:

в литом состоянии. 20

в отожженном состоянии. 25

в деформированном состоянии. 30-35

При охлаждении алюминия до температуры ниже 120 К его прочностные свойства в отличии от большинства металов возрастают, а пластичность не изменяется (табл. 1).

Табл. 1. Механические свойства алюминия различной чистоты

Состояние

Содержание Al , %

Предел прочности при растяжении, МПа

Предел текучести при растяжении, МПа

Относительное удлинение, %

Твердость по Бринеллю. НВ

99 , 9

99 , 5

99 , 0

99 , 0

99 , 0

98 , 0

Технологические свойства алюминия

горячей обработки. 350-450

Линейная усадка, %. ……………………….…. 2,7

Допускаемая деформация (холодная и горячая), % ……………. … 75-90

Начало рекристаллизации, °С. ……………………………..… 150

Жидкотекучесть, мм. ………………………… 317

Коррозионные свойства алюминия

Алюминий и его сплавы характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях как сельской местности, так и городских промышленных районов.

Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия и его сплавов. Алюми­ний практически не корродирует в дистиллированной и чистой пресной (естественной) воде даже при высоких температурах (до 180 °С). Действие пара на алюминий и его сплавы также незначи­тельно.

Вода, содержащая примеси щелочей, резко повышает скорость коррозии алюминия. При ком­натной температуре скорость коррозии алюминия в аэрированной воде содержащей 0 , 1 % едкого натрия — 16 мм/год; 0,1% соляной кислоты — 1 мм/год и 1% соды — 4 мм/год.

Алюминий и его сплавы, не содержащие меди, достаточно стойки в естественной (не загряз­ненной) морской воде. Сернокислые соли магния, натрия, алюминия, а также гипосульфит прак­тически не действуют на технический алюминий. Скорость коррозии алюминия возрастает в при­сутствии в воде солей ртути, меди или ионов хлора, разрушающих защитную оксидную пленку на алюминии.

В концентрированной азотной кислоте при комнатной температуре алюминий и его сплавы устойчивы, но быстро разрушаются в разбавленных кислотах.

Слабые растворы серной кислоты, концентрацией до 10%, при комнатной температуре незна­чительно влияют на технический алюминий, но с повышением концентрации и температуры ско­рость коррозии резко возрастает. В концентрированной серной кислоте алюминий практически устойчив.

Соляная кислота быстро разрушает алюминий и его сплавы, особенно с повышением темпера­туры. Такое ж e действие на алюминий оказывают растворы плавиковой и бромистоводородной кислот. Слабые растворы фосфорной (менее 1%), хромовой (до 10%) и борной (при всех концен­трациях) кислот на алюминий и его сплавы действуют незначительно.

Органические кислоты — уксусная, масляная, лимонная, винная, а также кислые (незагрязнен­ные) фруктовые соки, вино оказывают слабое действие на алюминий и его сплавы, за исключени­ем щавелевой и муравьиной кислот.

Алюминий и его сплавы быстро разрушаются в растворах едких щелочей, однако в растворах , аммиака они довольно стойки, особенно сплавы, содержащие магний. Амины на них действуют также незначительно.

Следует отметить, что алюминий и однофазные сплавы на алюминиевой основе более стойки в коррозионном отношении, чем сплавы двухфазные и многофазные.

Влияние примесей на свойства алюминия

На коррозионные, физические, механические и технологические свойства алюминия оказывают значительное влияние примеси различных элементов. Так, например, большинство примесей снижают электропроводность алюминия (рис. 1 ) .

Основные примеси в алюминии — железо и кремний. Железо снижает коррозионную стойкость, электропроводность и пластичность алюминия, но несколько повышает его прочность. Диаграмма состояния системы Al — Fe , приведенная на рис. 2, показывает, что железо незначительно раство­ряется в алюминии в твердом состоянии. При температуре эвтектики (655°С) растворимость железа достигает 0,052% и с понижением температуры граница твердого раствора α резко сдвигается в сторону алюминия.

Железо в алюминии присутствует в виде самостоятельной фазы A ₃ Fe . Железо — вредная примесь не только в алюминии, но и в сплавах алюминия с кремнием и магнием. Однако в жаропрочных алюминиевых сплавах железо (в сочетании с никелtм) является полезной примесью.

Обычная примесь в алюминии — кремний. В сплавах на алюминиевой основе кремний наряду с медью, магнием, цинком, а также марганцем, никелем и хромом вводится в качестве основного компонента. Образующиеся при этом соединения CAl ₂ , Mg ₂ Si , CuMgAl ₂ и др. являются эффективными упрочнителями алюминиевых сплавов.

Из диаграммы состояния алюминий-кремний (рис. 3) видно, что при температуре эвтектики 577°С в алюминии растворяется до 1,65% кремния. С понижением температуры область твердого раствора а резко уменьшается.

Примеси кальция и других элементов, присутствующих в стандартных марках алюминия в незначительном количестве, не имеют практического значения. Небольшие добавки церия, натрия и титана оказывают существенное влияние на структуру и свойства определенных алюминиевых сплавов.

Водород хорошо растворяется в алюминии и оказывает отрицательное влияние на его свойства, вызывая при литье пористость. Азот при высоких температурах вступает в реакцию с алюминием с образованием тугоплавкого соединения.

Общая характеристика алюминия

Алюминий – самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8% (масс.).

Алюминий – серебристо-белый (рис. 1) легкий металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.

При комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой пленкой оксида, обладающего очень сильным защитным действием.

Рис. 1. Алюминий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса алюминия

Относительной молекулярная масса вещества (M_r) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A_r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии алюминий существует в виде одноатомных молекул Al, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 26,9815.

Изотопы алюминия

Известно, что в природе алюминий может находиться в виде одного стабильного изотопа 27 Al. Массовое число равно 27. Ядро атома изотопа алюминия 27 Al содержит тринадцать протонов и четырнадцать нейтронов.

Существуют радиоактивные изотопы алюминия с массовыми числами от 21-го до 42-х, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 26 Al, период полураспада которого составляет 720 тысяч лет.

Ионы алюминия

На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеется три электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 1 .

В результате химического взаимодействия алюминий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Молекула и атом алюминия

В свободном состоянии алюминий существует в виде одноатомных молекул Al. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу алюминия:

Энергия ионизации атома, эВ

Радиус атома, нм

Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25 o С, кДж/моль

Сплавы алюминия

Основное применение алюминия – производство сплавов на его основе. Легирующие добавки (например, медь, кремний, магний, цинк, марганец) вводят в алюминий главным образом для повышения его прочности.

Широкое применение имеют дуралюмины, содержащие медь и магний, силумины, в которых основной добавкой служит кремний, магналий (сплав алюминия с 9,5-11,5% магния).

Алюминий – одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка и железа.

Примеры решения задач

Задание	Для сварки рельсов по методу алюмотермии используют смесь алюминия и оксида железа Fe3O4. Составьте термохимическое уравнение реакции, если при образовании железа массой 1 кг (1000 г) выделяется 6340 кДж тепла.
Решение	Запишем уравнение реакции получения железа алюмотермическим методом:

Найдем теоретическую массу железа (рассчитанная по термохимическому уравнению реакции):

m(Fe) = 9 × 56 = 504 г.

Пусть в ходе реакции выделится х кДж теплоты. Составим пропорцию:

1000 г – 6340 кДж;

Отсюда х будет равен:

х = 540 ×6340 / 1000 = 3195.

Значит в ходе реакции получения железа алюмотермическим методом выделяется 3195 кДж теплоты. Термохимическое уравнение реакции имеет вид:

Ответ В ходе реакции выделяется 3195 кДж теплоты.

Задание	Алюминий обработали 200 г 16%-го раствора азотной кислоты, при этом выделился газ. Определите массу и объем выделившегося газа.
Решение	Запишем уравнение реакции растворения алюминия в азотной кислоте:

Рассчитаем массу растворенного вещества азотной кислоты:

m(HNO₃) = 20 ×96% / 100% =19,2 г.

Найдем количество вещества азотной кислоты:

M(HNO₃) = Ar(H) + Ar(N) + 3×Ar(O) = 1 + 14 + 3×16 = 63 г/моль.

n(HNO₃) = 19,2 / 63 = 0,3моль.

Согласно уравнению реакцииn(HNO₃) :n(H₂) = 6:3, т.е.

Тогда масса и объем выделившегося водорода будут равны:

M(H₂) = 2×Ar(H) = 2×1 = 2 г/моль.

Ответ В результате реакции выделяется водород массой 0,3 г и объемом 3,36 л.

Копирование материалов с сайта возможно только с разрешения
администрации портала и при наличие активной ссылки на источник.

Алюминий представляет собой самый распространенный металл в земной коре. Он относится к группе легких металлов, имеет небольшую плотность и температуру плавления. При этом пластичность и электропроводность находятся на высоком уровне, что обеспечивает его повсеместное использование. Итак, давайте узнаем, каковы удельная температура плавления алюминия и его сплавов (пр. в сравнении с железом и свинцом), тепло- и электропроводность, плотность, другие свойства, а также в чем особенности структуры сплавов алюминия и химического их состава.

Состав и структура алюминия

Для начала нашему рассмотрению подлежат структура и хим.состав алюминия. Предел прочности чистого алюминия крайне небольшой и составляет до 90 МПа. Если же к его составу добавить в небольшом соотношении марганец, медь, цинк или магний, прочность может возрасти до 700 МПа. К такому же результату приведет использование особой термической обработки.

Металл, обладающий наиболее высокой чистотой (99,99% алюминия), может применяться в специальных и лабораторных целях, в остальных же случаях используется алюминий с технической чистотой. Наиболее распространенными примесями в нем могут выступать кремний и железо, которые практически не растворяются в алюминии. В результате их добавки уменьшается пластичность и повышается прочность конечного металла.

Теперь поговорим о свойствах металла алюминия.

Данное видео расскажет о структуре алюминия:

Свойства и характеристики

Свойствами металла служат его высокие показатели тепло- и электропроводности, невосприимчивость к коррозии, высокая пластичность и устойчивость к низким температурам. При этом главное его свойство – это небольшая плотность (около 2,7 г/см 3 .).

Механические, технологические, а также физико-химические свойства этого металла имеют непосредственную зависимость от входящих в его состав примесей. К естественным его компонентам относится кремний и железо.

Давайте узнаем далее, какая температура плавления алюминия и его сплавов

Основные параметры

• Плотность алюминия составляет 2,7*10 3 кг/м 3 ;
• Удельный вес — 2,7 г/cм 3 ;
• Температура плавления алюминия 659°C;
• Температура кипения 2000°C;
• Коэффициент линейного расширения составляет — 22,9 *10 6 (1/град).

Теперь рассмотрению подлежат теплопроводность и электропроводность алюминия.

Данное видео сравнивает температуры плавления алюминия и других наиболее часто используемых металлов:

Электропроводность

Важным показателем алюминия является его электропроводность, которая уступает по величине лишь золоту, серебру и меди. Высокий коэффициент электропроводности в сочетании с небольшой плотностью обеспечивает материалу высокую конкурентоспособность в кабельно-проводниковой области.

Помимо основных примесей на этот показатель также влияет титан, марганец и хром. Если алюминий предназначен для производства проводников тока, то суммарное количество примесей не должно превышать 0,01%.

• Показатель электропроводности может варьироваться, в зависимости от состояния, в котором находится алюминий. Процесс длительного отжига увеличивает этот показатель, а нагартовка, напротив, уменьшает его.
• Удельное сопротивление при температуре 20 0 С в зависимости от марки металла находится в пределах 0,0277-0,029 мкОм*м.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности металла составляет около 0,50 кал/см*с*С и увеличивается со степенью его чистоты.

Это значение меньше, чем у меди и серебра, но больше, чем у остальных металлов. Благодаря ему, алюминий активно используется в производстве теплообменников и радиаторов.

Коррозионная стойкость

Сам металл является химически активным веществом, благодаря чему его используют в алюмотермии. При контакте с воздухом на нем образуется тончайшая пленка из окиси алюминия, которая имеет химическую инертность и высокую прочность. Ее главное назначение – это защищать металл от последующего процесса окисления, а также от воздействия коррозии.

• Если алюминий обладает высокой чистотой, то эта пленка не имеет пор, полностью покрывает его поверхность и обеспечивает надежным сцеплением. В результате металл устойчив не только к воде и воздуху, но и к щелочам и неорганическим кислотам.
• В тех местах, где находятся примеси, защитный слой пленки может быть поврежденным. Такие места становятся уязвимыми для коррозии. Поэтому на поверхности может наблюдаться коррозия точечного типа. Если марка содержит 99,7% алюминия и менее 0,25% железа, скорость коррозии составляет 1.1, при содержании алюминия на 99,0% этот показатель увеличивается до 31.
• Содержащееся железо также уменьшает устойчивость металла к щелочам, но не меняет устойчивость к серной и азотной кислотам.

Взаимодействие с разными веществами

Когда алюминий обладает температурой 100 0 С, он способен взаимодействовать с хлором. Независимо от степени нагрева, алюминий растворяет водород, но при этом не ступает в реакцию с ним. Именно потому он является главным составляющим элементом газов, которые присутствуют в металле.

В целом алюминий устойчив в следующих средах:

• Пресная и морская вода;
• Соли магния, натрия и аммония;
• Серная кислота;
• Слабые растворы из хрома и фосфора;
• Раствор аммиака;
• Уксусная, яблочная и прочие кислоты.

Алюминий не устойчив:

• Раствор из серной кислоты;
• Соляная кислота;
• Едкие щелочи и их раствор;
• Щавелевая кислота.

Про токсичность и экологичность алюминия читайте ниже.

Электропроводность меди и алюминия, а также иные сравнения двух металлов представлены в таблице ниже.

Сравнение характеристик алюминия и меди

Токсичность

Хотя алюминий весьма распространен, но он не используется в метаболизме, ни у одного живого существа. Он обладает незначительным токсическим действием, но многие его неорганические соединения, которые растворяются в воде, способны длительное время пребывать в таком состоянии и негативно сказываться на живых организмах. Наиболее ядовитыми веществами выступают ацетаты, хлориды и нитраты.

Еще больше полезной информации о свойствах алюминия содержит данное видео:

Понравился сайт? Расскажи друзьям!