Химия какие свойства алюминия лежат в основе его применения 7 класс
Химия
7 класс
Впервые алюминий был получен в 1825 г. датским физиком X. К. Эрстедом из природного глинозема с помощью электрического тока.
Название металла происходит от латинского слова alumen, что означает «квасцы». Квасцы — это очень важные соли серной кислоты и некоторых металлов, в том числе алюминия.
Алюминий сразу после его открытия привлек химиков своей красотой и легкостью. Внешне он походит на серебро, но примерно в три раза легче железа и меди. Алюминий обладает прекрасной пластичностью: его можно прокатать в тонкую фольгу, сделать тончайшие украшения, придать нужную форму. Вот только прочность чистого алюминия невелика, однако в сплавах она увеличивается весьма значительно. Поэтому он стал основой многих легких сплавов, и в первую очередь «крылатого» сплава — дюралюминия. Уже созданы сплавы алюминия с прочностью в 10 раз выше, чем стали.
Первоначально алюминий из-за несовершенного способа получения был необычайно дорог — почти в 10 раз дороже золота.
Первые алюминиевые украшения и изделия были доступны только очень богатым людям. Император Наполеон III заменил серебряную посуду в своем дворце на более дорогую и уникальную — алюминиевую. Так, не ведая того, французский император заглянул в XX в., когда алюминиевая посуда стала обычной в любом доме. На балах знатные дамы во времена Наполеона III нередко щеголяли ювелирными украшениями, изготовленными из алюминия. В знак признания выдающихся заслуг Д. И. Менделеева, который был назначен управляющим Главной палатой мер и весов, ему были преподнесены в подарок весы, одна чаша которых была сделана из золота, а вторая — из алюминия.
Алюминий — третий по распространению в земной коре элемент (после кислорода и кремния) и самый распространенный в ней металл. Многочисленные минералы и горные породы в своем составе содержат алюминий. Это глины, полевые шпаты, многие полудрагоценные и драгоценные камни: гранаты, рубины, сапфиры, александриты (рис. 117). Корону Российской империи украшает драгоценная шпинель, в состав которой также входит алюминий. Вот только в природных соединениях алюминий прочно связан с другими элементами. Поэтому получение алюминия требует больших затрат электроэнергии. Большая часть этой энергии расходуется на расплавление глинозема — основного природного сырья для получения алюминия.
Рис. 117.
Природный гранат и обработанный александрит — камни, содержащие алюминий
Однажды американский студент-химик Ч. М. Холл услышал от своего учителя, с какими трудностями сопряжено получение алюминия и как, должно быть, разбогатеет и прославится тот, кто предложит более дешевый способ получения этого металла. Молодой человек оборудовал небольшую лабораторию и довольно скоро обнаружил, что глинозем можно не расплавлять, а растворять в расплавленном минерале криолите. Температура плавления криолита в два раза меньше, чем глинозема, что и привело к значительному удешевлению получения алюминия.
Удивительно, что в том же 1885 г. французский металлург П. Эру разработал тот же самый способ получения алюминия.
С открытием метода Холла — Эру производство алюминия стремительно возросло, цена металла стала падать. За последние 10 лет XIX в. выплавка этого металла составила 28 тыс. т, а в 1930 г. мировое производство металла составило 300 тыс. т. Сейчас ежегодно в мире получают более 10 млн т алюминия.
Алюминий используется для изготовления проводов электрических передач, алюминиевых труб для нефтяной промышленности. Если поверхность алюминия отполировать, он становится очень блестящим. Это свойство металла используется для производства зеркал, прожекторов, мощных отражателей. Станция «Чертановская» Московского метрополитена освещена люстрами, которые состоят из пластинок алюминия (рис. 118).
Рис. 118.
Люстры из пластинок алюминия
Пластичность и нетоксичность алюминия лежат в основе его использования в производстве различных упаковочных материалов для пищевых продуктов. Вспомните хотя бы алюминиевую фольгу для обертки шоколада или приготовления пищи, алюминиевые банки для прохладительных напитков, крышки пластиковых баночек с йогуртом.
Большая часть производимого алюминия идет на получение сплавов. Благодаря легкости и прочности они широко используются в авиационной и космической промышленности (рис. 119). Недаром алюминий называют крылатым металлом.
Рис. 119. Алюминиевые сплавы — основа авиатехники
Способность порошка алюминия гореть ослепительным пламенем используется в пиротехнике — производстве бенгальских огней, салютов, фейерверков (рис. 120).
Рис. 120. Порошок алюминия используется в пиротехнике
Вопросы, рассмотренные в материале:
- Как был открыт алюминий и каковы его основные свойства
- Основные физические свойства алюминия
- Основные химические свойства алюминия
- Как применяют основные свойства алюминия
- Как используют основные свойства алюминия в строительстве
Основные свойства алюминия делают этот материал по-настоящему универсальным и ценным. Его используют во всех видах промышленного производства, в сельском хозяйстве, в быту, в коммерции. Обладает огромным количеством преимуществ по отношению к стали и другим видам металла.
Самые популярные сферы применения алюминия – изготовление металлоконструкций и металлообработка. О том, какие свойства металла и где конкретно они нашли свое применение, читайте далее.
Как был открыт алюминий и каковы его основные свойства
Алюминий представляет собой парамагнитный металл, достаточно легкий, имеющий серебристый цвет. Он хорошо поддается механической обработке и литью, просто формуется. В земной коре этот элемент третий по распространенности, впереди только кислород и кремний. Наши недра содержат целых 8 % данного металла, что значительно больше золота, количество которого составляет не более пяти миллионных долей процента.
Алюминий активно используется в большинстве сфер производства. Его сплавы применяются для изготовления бытовой техники, транспорта, в машиностроении и электротехнике. Капитальное строительство также не может обойтись без него.
Он чрезвычайно распространен в земной коре, являясь первым из металлов и третьим химическим элементом (первое место у кислорода, второе – у кремния). Доля алюминия в наших недрах – 8,8 %. Металл является частью большого количества горных пород и минералов, основной из которых – алюмосиликат.
В виде соединений алюминий находится в базальтах, полевых шпатах, гранитах, глине и пр. Однако в основном его получают из бокситов, которые достаточно редко встречаются в виде месторождений. В России такие залежи есть только на Урале и в Сибири. В промышленных масштабах алюминий можно также добывать из нефелинов и алунитов.
Ткани животных и растений содержат алюминий в виде микроэлемента. Некоторые организмы, например, моллюски и плауны, являются его концентраторами, накапливая в своих органах.
Человечеству с давних времен знакомо соединение алюминия под названием алюмокалиевые квасцы. Применялось оно в процессе выделки кожи, в качестве средства, которое, набухая, связывает различные компоненты смеси. Во второй половине XVIII в. ученые открыли оксид алюминия. А вот вещество в чистом виде получили значительно позже.
Впервые это удалось Ч. К. Эрстеду, который выделил алюминий из хлорида. Проводя опыт, он обрабатывал соли калия амальгамой, в результате чего выделился порошок серого цвета, признанный всеми чистым алюминием.
В дальнейшем, исследуя металл, ученые определили его химические свойства, проявляющиеся в высокой способности к восстановлению и активности. Именно поэтому с алюминием долгое время не работали.
Но уже в 1854 г. французский ученый Девиль, применив электролиз расплава, сумел получить металл в слитках. Данный метод используется и сейчас. В промышленных масштабах алюминий стали производить в начале XX в., когда предприятия смогли получить доступ к большому количеству электроэнергии.
Сегодня алюминий является одним из самых используемых в производстве бытовой техники и строительстве металлом.
Основные физические свойства алюминия
Основные характеристики алюминия – высокая электро- и теплопроводность, пластичность, устойчивость к холоду и коррозии. Его можно обрабатывать посредством прокатки, ковки, штамповки, волочения. Алюминий прекрасно поддается сварке.
Примеси, присутствующие в металле в различных количествах, значительно ухудшают механические, технологические и физико-химические свойства чистого алюминия. Основными из них являются титан, кремний, железо, медь и цинк.
По степени очистки алюминий разделяют на технический металл и высокой чистоты. На практике различия данных типов – в стойкости к коррозии в различной среде. Стоимость напрямую зависит от чистоты алюминия. Технический металл подходит для производства проката, различных сплавов, кабельно-проводниковых изделий. Чистый используют для специальных целей.
Алюминий обладает высокой электропроводностью, уступая только золоту, серебру, меди. Однако сочетание данного показателя с малой плотностью позволяет использовать его при производстве кабельно-проводниковых изделий наравне с медью. Электропроводность металла может увеличиваться при длительном отжиге или ухудшаться при нагартовке.
Увеличивая чистоту алюминия, производители повышают его теплопроводность. Снизить данное свойство способны примеси меди, марганца и магния. Более высокую теплопроводность имеют исключительно медь и серебро. Именно благодаря данному свойству данный металл используют для производства радиаторов охлаждения и теплообменников.
Удельная теплоемкость алюминия, как и температура его плавления, достаточно высока. Данные показатели значительно превышают аналогичные значения большей части металлов. С повышением чистоты металла увеличивается и его способность отражать от поверхности световые лучи. Алюминий хорошо поддается полировке и прекрасно анодируется.
Металл близок по свойствам к кислороду, его поверхность на воздухе быстро затягивается пленкой из оксида алюминия – тонкой и прочной. Обладая антикоррозионными свойствами, она защищает металл от образования ржавчины и предупреждает дальнейшее окисление. Алюминий не взаимодействует с азотной кислотой (концентрированной и разбавленной) и органическими кислотами, он стоек к воздействию пресной, соленой воды.
Эти особенности алюминия придают ему устойчивость к коррозии, что и используется людьми. Именно поэтому его особенно широко применяют в строительстве. Интерес к нему увеличивается еще и по причине его легкости в сочетании с прочностью и мягкостью. Такие характеристики есть далеко не у всякого вещества.
Помимо вышеуказанных, алюминий имеет еще несколько интересных физических свойств:
- Ковкость и пластичность – алюминий стал материалом изготовления прочной и легкой тонкой фольги, а также проволоки.
- Плавление происходит при температуре +660 °С.
- Температура кипения +2 450 °С.
- Плотность – 2,7 г/см³.
- Наличие объемной гранецентрированной металлической кристаллической решетки.
- Тип связи – металлический.
Области использования алюминия определяются его химическими и физическими свойствами. Характеристики металла, рассмотренные выше, применяются в бытовых целях. Основные свойства алюминия, как прочного, особо легкого, антикоррозийного материала, используются в судо- и авиастроении. Именно поэтому важно их знать.
Основные химические свойства алюминия
С химической точки зрения алюминий является чрезвычайно сильным восстановителем, имеющим способность в чистом виде быть высоко активным веществом. Основное условие – убрать оксидную пленку.
Алюминий способен вступать в реакции с:
- щелочными соединениями;
- кислотами;
- серой;
- галогенами.
Алюминий не взаимодействует в обычных условиях с водой. Йод – единственный из галогенов, с которым у металла происходит реакция без нагревания. Для взаимодействия с прочими требуется увеличение температуры.
Рассмотрим несколько примеров, показывающих химические свойства данного металла. Это уравнения, иллюстрирующие взаимодействие с:
- щелочами: 2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2;
- кислотами: AL + HCL = AlCL3 + H2;
- серой: 2AL + 3S = AL2S3;
- галогенами: AL + Hal = ALHal3.
Основным свойством алюминия считается его способность восстанавливать иные вещества из их соединений.
Реакции его взаимодействия с оксидами иных металлов хорошо показывают все восстановительные свойства вещества. Алюминий прекрасно выделяет металлы из различных соединений. Примером может служить: Cr2O3 + AL = AL2O3 + Cr.
Металлургическая промышленность активно использует эту способность алюминия. Методика получения веществ, которая основывается на данной реакции, называется алюминотермия. Химическая индустрия использует алюминий чаще всего для получения иных металлов.
Как применяют основные свойства алюминия
Алюминий в чистом виде имеет слабые механические свойства. Именно поэтому наиболее часто применяют его сплавы.
Таких сплавов достаточно много, вот основные из них:
- алюминий с марганцем;
- дюралюминий;
- алюминий с магнием;
- алюминий с медью;
- авиаль;
- силумины.
В основе этих сплавов лежит алюминий, отличаются они исключительно добавками. Последние же делают материал прочным, легким в обработке, более стойким к износу, коррозии.
Есть несколько основных областей применения алюминия (чистого или в виде сплава). Из металла изготавливают:
- фольгу и проволоку для бытового использования;
- посуду;
- морские и речные суда;
- самолеты;
- реакторы;
- космические аппараты;
- архитектурные и строительные элементы и конструкции.
Алюминий является одним из самых важных металлов наравне с железом и его сплавами. Эти два элемента таблицы Менделеева наиболее широко применяются человеком в своей деятельности.
Как используют основные свойства алюминия в строительстве
Строительство – одна из основных отраслей-потребителей алюминия. 25 % всего вырабатываемого металла используется именно в ней. Современный облик мегаполисов был бы невозможен без использования алюминия. Он дает возможность создавать функциональные и красивые здания, стремящиеся ввысь. Небоскребы офисных центров имеют фасады из стекла, закрепленные на прочных, легких рамах из алюминия.
Современные торговые, развлекательные и выставочные центры в основе своей имеют каркас из алюминия. Конструкции из данного металла используются для возведения бассейнов, стадионов и других спортивных строений. Алюминий – один из самых востребованных у архитекторов, строителей, дизайнеров металлов. Почему? Давайте разберемся.
Алюминий – прочный и легкий металл, не поддающийся коррозии, имеющий долгий срок службы и совершенно нетоксичный. Он легко поддается обработке, сварке, паянию, его просто сверлить, распиливать, связывать и соединять шурупами. Этот металл способен принять любую форму посредством экструзии. Алюминий поможет воплотить самый смелый замысел архитектора. Из него изготавливаются конструкции, которые невозможно сделать из иных материалов: пластика, дерева или стали.
За прошлый век алюминий прошел путь от металла, редко используемого в строительстве из-за дороговизны и недостаточных объемов производства, до наиболее часто применяемого. 1920-е годы стали переломными. Благодаря электролизной технологии значительно снизилась стоимость его производства – в 5 раз. Алюминий стали применять в производстве стеновых панелей и водостоков, декоративных элементов, а не только для сводов и отделки крыш.
Empire State Building – первый небоскреб, при возведении которого широко применялся алюминий. Он был построен в 1931 году и оставался самым высоким в мире до 1970 г.
Алюминий активно использовался в конструкциях этого здания. В интерьере его также применяли достаточно широко. Фреска, расположенная на стенах и полке лобби, являющаяся визитной карточкой сооружения, сделана из алюминия и золота в 23 карата.
80 лет – таков минимальный срок эксплуатации конструкций из алюминия. Применение этого металла не ограничено климатическими условиями, его свойства остаются прежними при температурах от -80 °С и до +300 °C. Пожары редко могут разрушить алюминиевые сооружения. Низкие же температуры, наоборот, увеличивают его прочность.
Примером может служить алюминиевый сайдинг. Отражающее покрытие в виде фольги и теплоизоляция создают вместе с ним прекрасную защиту от холода, которая в 4 раза более эффективна, чем облицовка кирпичом толщиной 10 см или камнем толщиной 20 см. Именно поэтому алюминий все чаще можно встретить при строительстве объектов в условиях холодного климата: в РФ – на Северном Урале, в Якутии и Сибири.
Но еще более важным качеством алюминия является его легкость. При одинаковой жесткости пластина из алюминия в два раза легче стальной. И все благодаря низкому удельному весу. Если посчитать, то выйдет, что вес алюминиевой конструкции при равной несущей способности в два, а иногда и в три раза ниже массы стальной и в семь раз ниже железобетонной.
В настоящее время алюминий используют для строительства небоскребов и иных высоких строений. Металл делает здание значительно легче, что удешевляет постройку за счет меньшей глубины фундамента. Ведь чем больший вес имеют сооружения, тем фундамент должен быть глубже. Разводные мосты, выполненные из алюминия, также имеют небольшой вес, что облегчает работу механизмов, противовесы для таких конструкций должны быть минимальными. Данный металл вообще дает возможность архитекторам не ограничивать фантазию. Да и работать с таким легким материалом значительно проще, быстрее и удобнее.
Почему следует обращаться именно к нам
Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.
Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:
- цветные металлы;
- чугун;
- нержавеющую сталь.
При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.
Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.
Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.
Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.
Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.