Температура горения алюминия

Горение алюминия

Горение алюминия в воздухе

В отличие от магния, одиночные частицы алюминия при нагревании в воздухе или водяном паре до 2100 К не воспламеняются. Для поджигания алюминия использовали горящие частицы магния. Последние помещали на поверхности нагревательного элемента, а частицы алюминия – на острие иглы на расстоянии 10-4 м над первыми.

Воспламенение частиц алюминия при его поджигании происходит в паровой фазе, причем интенсивность зоны свечения, появляющейся вокруг частицы, увеличивается медленно. Стационарное горение характеризуется существованием зоны свечения, которая не изменяет своих размеров почти до полного выгорания металла. Отношение размеров зоны свечения и частицы составляет 1,6-1,9. В зоне свечения образуются мелкие капельки оксида, которые при столкновении сливаются.

Остаток после сгорания частицы представляет собой полую оболочку, не содержащую внутри металла. Зависимость времени горения частицы от ее размера выражается формулой (горение симметричное).

Горение алюминия в водяном паре

Воспламенение алюминия в водяном паре происходит гетерогенно. Выделяющийся при реакции водород способствует разрушению оксидной пленки; при этом жидкий оксид (или гидроксид) алюминия разбрызгивается в виде капель диаметром до 10-15 мкм. Такие разрушения оксидной оболочки периодически повторяются. Это говорит о том, что значительная доля металла сгорает па поверхности частицы.

В начале горения отношение rсв/r0 равно 1,6-1,7. В процессе горения размер частицы уменьшается, а отношение гсв/?о растет до 2,0-3,0. Скорость горения алюминиевой частицы в водяном паре почти в 5 раз больше, чем в воздухе.

Горение алюминиево-магниевых сплавов

Горение алюминиево-магниевых сплавов в воздухе

Воспламенение частиц алюминиево-магниевых сплавов переменного состава в воздухе, кислород-аргонных смесях, водяном паре и диоксиде углерода протекает, как правило, аналогично воспламенению частиц магния. Началу воспламенения предшествуют окислительные реакции, протекающие на поверхности.

Горение алюминиево-магниевых сплавов существенно отличается от горения как алюминия, так и магния и сильно зависит от соотношения компонентов в сплаве и от параметров окислительной среды. Важнейшей особенностью горения частиц сплавов является двустадийность процесса (рис. 2.6). На первой стадии частица окружена совокупностью факелов, образующих неоднородную зону свечения продуктов реакции. Сравнивая характер и размеры зоны свечения, окружающей частицу сплава во время первой стадии горения, с характером и размером светящейся зоны вокруг горящей частицы магния (см. рис. 2.4), можно заключить, что на этой стадии из частицы выгорает в основном магний.

Рис. 2.6. Горение частицы сплава 30% А1 + 70% Mg при нормальном атмосферном давлении в смеси, содержащей по объему 15% O2 и 85% Аr:

1, 2 – выгорание магния; 3-6 – выгорание алюминия

Особенностью первой стадии горения сплава является постоянство размеров частицы и зоны пламени. Это означает, что жидкая капля сплава заключена внутри твердой оксидной оболочки. В оксидной пленке преобладает оксид магния. Через дефекты пленки происходит истечение магния, сгорающего в парофазном диффузионном пламени.

В конце первой стадии увеличивается протекание гетерогенных реакций, о чем свидетельствует появление очагов яркого свечения па поверхности частицы. Тепло, выделяющееся при гетерогенных реакциях, способствует нагреванию частицы до температуры плавления оксида и началу второй стадии горения.

На второй стадии горения частицу окружает однородная, более яркая зона свечения, которая уменьшается по мере выгорания металла. Однородность и сферичность зоны пламени показывают, что оксидная пленка на поверхности частицы расплавлена. Диффузия металла через пленку обеспечивается низким диффузионным сопротивлением жидкого оксида. Размер зоны пламени значительно превышает размер частицы, что говорит о горении металла в паровой фазе. Сравнение характера второй стадии горения с известной картиной горения алюминия указывает на большое сходство, вероятно, на этой стадии процесса горит алюминий. По мере его выгорания происходит уменьшение размеров пламени, а следовательно, и горящей капли. Сгоревшая частица длительное время светится.

Изменение размеров зоны свечения частицы, горящей в соответствии с описанным механизмом, является сложным (рис. 2.7). После воспламенения величина rсв/r0 быстро (за -0,1 мс) достигает максимального значения (участок аб). Далее в основное время первой стадии горения отношение rсв/r0 остается постоянным (участок бв). Когда выгорание магния заканчивается, rcв/r0 уменьшается до минимума (точка г), а затем, с началом горения алюминия, возрастает (участок гд). Наконец, но мере выгорания алюминия rсв/r0 монотонно уменьшается (участок де) до конечного значения, соответствующего размеру образовавшегося оксида.

Рис. 2.7. Зависимость отношения радиуса зоны свечения к начальному радиусу частицы алюминиево-магниевого сплава от относительного времени ее горения q:

1 – сплав 30% Al + 70% Mg, воздух; 2 – сплав 30% А1 + 70% Mg, смесь 15% O2 + 85% Аr; 3 – сплав 50% А1 + 50% Mg, воздух

Механизм и параметры процесса горения алюминиевомагниевых сплавов существенно зависят от состава сплава. Со снижением содержания магния в сплаве уменьшается размер зоны свечения во время первой стадии горения и продолжительность этой стадии. При содержании магния в сплаве менее 30% процесс остается двухстадийным, но становится прерывистым. В конце первой стадии зона свечения уменьшается до размера самой частицы, процесс горения прекращается, и выгорание алюминия происходит только после повторного воспламенения частицы. Частицы, которые повторно не воспламеняются, представляют собой полые пористые оксидные оболочки, содержащие внутри капли несгоревшего алюминия.

Зависимость времени горения частиц от их начального диаметра выражается следующими эмпирическими формулами:

Горение алюминиево-магниевых сплавов в смесях кислорода с аргоном, в водяном паре и в диоксиде углерода.

Характер горения частиц алюминиево-магниевых сплавов в кислород-аргонных смесях таков же, как и в воздухе. С уменьшением содержания кислорода размер зоны свечения во время выгорания магния заметно уменьшается. Зависимость времени горения частиц сплава 50% А1 + 50% Mg от размеров частиц и содержания кислорода в смеси в объемных процентах выражается формулой

(2.2)

Горение сплавов в водяном паре существенно отличается (рис. 2.8). Образующаяся во время первой стадии оксидная пленка разрушается водородом, и частица приобретает вид коралла. Оставшийся в коралле алюминий воспламеняется только спустя 1-10 мс после окончания первой стадии. Такая прерывистость процесса характерна для сплавов любого состава.

Рис. 2.8. Горение частиц алюминиево-магниевого сплава (50 : 50) сферической (а) и неправильной (б) форм в среде водяного пара при нормальном атмосферном давлении:

1 – исходная частица; 2 – частица перед воспламенением; 3 – выгорание магния; 4 – выгорание алюминия; 5 – коралл, образующийся после частицы

При горении алюминиево-магниевых сплавов в диоксиде углерода из частицы выгорает только магний, после чего процесс горения прекращается.

Горение алюминиево-магниевых сплавов в высокотемпературном пламени

Для исследования процесса горения металлических частиц при высоких температурах под частицей, насаженной на острие иглы, сжигалась прессованная таблетка из смесей перхлората аммония и уротропина, имеющих расчетные температуры горения 2500, 2700 и 3100 К.

Горение частиц алюминиево-магниевых сплавов в этих условиях происходит, как правило, со взрывом. Наличие взрыва характерно для частиц всех составов. В результате взрыва образуется значительная по размерам зона свечения, что является признаком преобладания парофазного горения. Фотографии горящей частицы в начале горения (рис. 2.9, а) показывают, что на всей поверхности оксидной оболочки протекают гетерогенные реакции. За счет тепла гетерогенных реакций происходит бурное испарение металла (рис. 2.9, б), способствующее разрыву оксидной оболочки и разбрызгиванию неиспарившейся капли (рис. 2.9, в).

Рис. 2.9. Горение частицы сплава 95% Al с 5% Mg в окислительном пламени (температура 2700 К):

а – начальная стадия горения; б – стационарное горение; в – дробление

По мнению Б. Г. Лрабея, С. Е. Салибекова и Ю. В. Ленинского [1] , дробление частиц алюминиево-магниевых сплавов вызывается очень большой разностью температур кипения магния и алюминия, вследствие чего кипение магния при нахождении частицы в зоне высоких температур носит взрывной характер и приводит к дроблению оставшегося алюминия. Температура 2500 К уже достаточна для возникновения взрывного горения, что вполне естественно, поскольку эта температура превышает температуру кипения обоих компонентов.

Алюминий

Алюминий — химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное — оксид Al2O3.

Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3 ), пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 o C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия. Оксид алюминия (Al2O3) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 — белое, полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый — среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия — боксит содержит 28-60% глинозема — оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.

Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита NaAlF4 при температуре 950oC.

Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Характеристики алюминия

  • Плотность алюминия — 2,7*10 3 кг/м 3 ;
  • Удельный вес алюминия — 2,7 г/cм 3 ;
  • Удельная теплоемкость алюминия при 20 o C — 0,21 кал/град;
  • Температура плавления алюминия — 658,7 o C ;
  • Удельная теплоемкость плавления алюминия — 76,8 кал/град;
  • Температура кипения алюминия — 2000 o C ;
  • Относительное изменение объема при плавлении (дельтаV/V) — 6,6%;
  • Коэффициент линейного расширения алюминия (при температуре около 20 o C) : — 22,9 *106(1/град);
  • Коэффициент теплопроводности алюминия — 180ккал/м*час*град;

Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

Наименование материала Модуль Юнга, кГ/мм 2 Модуль сдвига, кГ/мм 2 Коэффициент Пуассона
Алюминиевая бронза, литье 10500 4200
Алюминиевая проволока тянутая 7000
Алюминий катаный 6900 2600-2700 0,32-0,36

Отражение света алюминием

Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

Наименование волн Длина волны Отражение света, %
Ультрафиолетовые 1880 25
2000 31
2510 53
3050 64
3570 70
Видимые 5000
6000
7000
Инфакрасные 8000
10000 74
50000 94
100000 97

Оксид алюминия Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов — лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей — наждак, применяются как абразивные материалы.

Производство алюминия

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия — оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 o C), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 o C. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите — минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 o C на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3 , плавится при 960 o C и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 o C.

Читайте также  Как почистить алюминий от окисления

Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это — алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

Сплавы алюминия

Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин — легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Магналии — сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).

Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна. Алюминий — одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа. Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) — насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 oC) и сопротивления атмосферной коррозии.

научная статья по теме ГОРЕНИE ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ Химия

Горение металлов

По характеру горения металлов их делят на две группы: ле­тучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительно низкими температурами фазового перехода — температура плав­ления менее 1000 К, температура кипения не превышает 1500 К. К этой группе относятся щелочные металлы (литии, натрий, ка­лий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Температуры фазового перехода нелетучих металлов значительно выше. Тем­пература плавления, как правило, выше 1000 К. а температура кипения — больше 2500 К (табл. 1).
Механизм горения металлов во многом определяется состоянием их окисла. Температура плавления летучих металлов зна­чительно ниже температуры плавления их окислов. При этом по­следние представляют собой достаточно пористые образования.

При поднесении источника зажигания к поверхности металла происходит его испарение и окисление. При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу, про­исходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанав­ливается у поверхности, большая доля тепла перелается металлу, и он нагревается до температуры кипения. Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую окисную пленку, посту­пают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение окисной пленки, что интенсифицирует горение. Про­дукты горения (окислы металлов) диффундируют не только к по­верхности металла, способствуя образованию корки окисла, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твер­дые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.

У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весь­ма плотная окисная пленка, которая хорошо сцепляется с по­верхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, на­пример, алюминия и бериллия, гореть не способны. Как правило, пожары таких металлов имеют место в том случае, когда они находятся в виде стружки, порошков и аэрозолей. Их горение происходит без образования плотного дыма. Образование плот­ной окисной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление особенно часто наблюдается при движении частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под окисной пленкой с последую­щим внезапным ее разрывом. Это, естественно, приводит к рез­кой интенсификации горения.

Основными параметрами их горения являются время воспламе­нения и сгорания. Из теории диффузионного горения следует, что время сгорания частицы металла tг пропорционально квадрату ее диаметра do. Экспериментальные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической. Так, для алюминия tг

Повышение концентрации кислорода в атмосфере интенсифицирует горение металла. Частички алюминия диаметром (53 ÷ 66) 10 -3 мм в атмосфере, содержащей 23% кис­лорода, сгорают за 12,7·10 -3 с, а при повышении концентрации окислителя до 60% — за 4,5·10 -3 с.

Однако для пожарно-технических расчетов большой интерес представляет не время сгорания частицы металла, а скорость рас­пространения пламени по потоку взвеси частиц металла в окис­лителе. В табл.2 приведены экспериментальные данные по скорости распространения пламени и массовой скорости выгора­ния взвеси частиц диаметрами менее 10 -2 мм и 3·10 -2 мм алю­миния в воздухе при различном коэффициенте избытка воздуха.

научная статья по теме ГОРЕНИE ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ Химия

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2012, том 31, № 3, с. 26-31

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

ГОРЕН^ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ © 2012 г. А. А. Борисов*, П. В. Комиссаров, Г. Н. Соколов

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва

*Е-таП Поступила в редакцию 15.06.2011

Опыты в реакторе постоянного объема и в модельной ракетной камере сгорания продемонстрировали возможность конвективного горения смесей вода + частицы чешуйчатого алюминия марки ПАП-2 с образованием оксида алюминия и водорода. Показано, что пористость смеси — важный фактор, определяющий характер горения. Горение происходит при давлении в несколько сот атмосфер в конвективном режиме.

Ключевые слова: алюминий, частицы, вода, горение конвективное.

Водород — идеальное горючее практически для всех энергетических установок. Продукты его горения экологически чистые, теплотворная способность у него высокая, сам он экологически безвреден. К сожалению, ряд существенных обстоятельств сдерживают развитие водородной энергетики. В отличие от большинства углеводородных горючих он газообразен в очень широком диапазоне условий, в результате чего возникает острая проблема его хранения и транспортировки, а синтез водорода энергозатратен, тогда как углеводороды в большинстве своем — либо природные ископаемые, либо могут быть синтезированы из природного сырья без значительных затрат энергии. Электролиз воды, который можно считать наиболее прямым методом получения водорода, нельзя рассматривать в качестве перспективного метода для производства топлива, особенно для мобильных энергетических установок, поскольку достаточно экономичные и безопасные способы транспортировки водорода еще находятся в стадии разработки. Следовательно, желательно синтезировать водород непосредственно на месте его применения, используя для реакции синтеза компоненты с высокой экономичностью, доступностью и безопасностью их транспортировки и обращения с ними. Подходящим способом получения водорода, удовлетворяющим поставленным условиям, может быть реакция алюминия с водой. Известно, что эта реакция, хотя и идет с выделением большого количества тепла, требует высокой температуры для ее инициирования, поэтому нет сомнения, что потребуются очень специфические условия, чтобы организовать самоподдерживающийся режим горения в системе алюминий + вода. Если же удастся организовать такой режим, то можно бы-

ло бы синтезировать водород непосредственно рядом с любой энергетической установкой, используя алюминиевый порошок и воду. При этом большое количество тепла, выделяющееся в реакции, можно использовать и для генерации пара, направляемого, например, в турбину, и для облегчения инициирования проведения реакции синтеза водорода. Конденсированный продукт реакции — окись алюминия может быть возвращен на восстановление до алюминия. Снимается необходимость перевозки, хранения, а также компри-мирования водорода, поскольку он может вырабатываться в сменных кассетах, в которых при условии зажигания давление будет поддерживаться за счет реакции.

Возможность горения алюминия в воде была продемонстрирована в ряде работ [1—6], однако в большинстве из них (за исключением [5, 6]) исследовались горение и воспламенение порошков с субмикронным размером частиц и высокой активностью. В настоящей работе предпринята попытка организовать горение в системе вода + порошок алюминия марки ПАП-2, который дешев и производится в большщом количестве.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Опыты проводили в реакторе постоянного объема и в модельной ракетной камере сгорания. Схема манометрической бомбы номинальным объемом 57.4 см3 представлена на рис. 1. Исследуемую смесь помещали в зарядную капсулу 2 внутренним диаметром 12 мм, которая помещалась в оболочку манометрической бомбы 1. Сверху на нее помещали бустер 7 (стехиометрическая смесь алюминия и перхлората аммония) массой 1.5 г и воспламенитель, состоящий из 1.2 г дымного ру-

Рис. 1. Реактор постоянного объема: 1 — корпус, 2 — зарядная капсула, 3 — датчик давления, 4 — заглушка с электровводами, 5 — крышка, 6 — электроввод, 7 — бустер и инициатор заряда, 8 — исследуемая смесь.

жейного пороха (ДРП). Воспламенитель зажигали путем подачи электрического импульса на ни-хромовую проволочку. Давление в ходе эксперимента регистрировалось датчиком Т-6000 с усилителем заряда.

Для обеспечения полного сгорания алюминия использовали слегка бедную смесь горючего и окислителя (Н2О). Смесь приготавливали следующим образом:

• в смесительный стаканчик наливали 8 мл воды при температуре 20°С;

• добавляли 6.7 г алюминия марки ПАП-2;

• вводили ПАВ (Fairy) в количестве менее 1 мл;

• смесь тщательно перемешивали до образования однородной массы.

Принятая процедура приготовления смеси позволила решить важную задачу формирования водно-алюминиевых гранул размером 300—800 мкм без гелеобразующих добавок. Это позволило приготовить заряды смеси с пористостью, регулируемой в широких пределах простым компактирова-нием и достаточной для создания условий, необходимых для организации в них режима конвективного горения, распространяющегося с высокими скоростями.

90 80 70 60 50 40 30 20 10

Рис. 2. Давление в бомбе постоянного объема: 1 — бустер: стехиометрическая смесь А1 + ПА, масса — 1.5 г, плотность — 1.6 г/см3, воспламенитель: 1 г ДРП + 0.2 г. молотого ДРП, песок с водой объемом 1.6 см3; 2 — воспламенитель, бустер и 2 г смеси вода + алюминий плотностью 0.8 г/см3; 3 — воспламенитель, бустер и 6.7 г смеси А1 + ЩО плотностью 0.8 г/см3.

Повышение начального давления в реакторе и зажигание смеси производились с помощью навесок дымного пороха и стехиометрической смеси А1 + перхлорат аммония, помещаемой на смесь алюминия с водой. Рисунок 2, на котором представлены зависимости давления от времени в опытах только с воспламеняющим составом и с различными количествами исследуемой смеси алюминий + вода, демонстрирует быстрый рост давления за счет сгорания инициирующей навески и затем медленный его рост, вызванный горением водно-алюминиевых гранул. В опыте, в котором сжигали только ДРП и бустер вместо исследуемой водно-алюминиевой смеси в реактор помещали смесь песок + вода в объеме, приблизительно равном объему, занимаемому двумя граммами исследуемой смеси при ее плотности, равной 0.8 г/см3. Как видно, несмотря на то, что навески ДРП и смеси алюминий + перхлорат аммония были по возможности одинаковыми во всех опытах, время сгорания воспламеняющих составов разное. Несколько, по-видимому, различаются также и максимальные давления, достигаемые при полном сгорании бустера. Различная форма записей давления на начальной стадии в холостом опыте и в опытах с водно-алюминиевой смесью объясняется тем, что смесь песок + вода практически не пористая, в то время как пористость исследуемых смесей несколько превышала 40%. Продукты горения воспламенителя проникали в исследуемую смесь и охлаждались, уменьшая скорость нарастания давления в конце стадии воспламенения. Быстрый спад давления на

начальном участке сигнала, полученного в опыте без смеси алюминий + вода, можно также объяснить проникновением продуктов горения воспламеняющего состава в узкие зазоры между капсулой и стенками бомбы и конденсацией воды.

Хотя повышение давления за счет сгорания частиц алюминия в воде очевидно, его максимальная величина только качественно соответствует количеству смеси, т.е. чем больше смеси, тем больше рост давления. Однако абсолютные значения максимального давления оказались существенно ниже, чем можно было бы ожидать при полном превращении алюминия в окись алюминия. При этом следует отметить, что несгоревший алюминий в конденсированных продуктах реакции не был обнаружен. По-видимому, искать объяснение такого противоречия следует в механизме реагирования смеси. Как видно из рис. 2, скорость нарастания давления за счет сгорания смеси алюминия с водой быстро уменьшается со временем. Для того чтобы выяснить природу процесса горения смеси, оценим приближенно скорость ее горения по регистрациям давления. По стехиометрическому соотношению при сгорании 1 г смеси должно выделяться 0.029 моля водорода (или 0.015 моля Н2 на 1 г сгоревшего алюминия). Горение смеси начинается, когда инициатор полностью сгорает, так что в дальнейшем давление возрастает за счет поступления водорода при сгорании исследуемой смеси. Для простоты анализа будем считать, что температуры продуктов горения инициатора и смеси близки (во всяком случае, для последующих оценок). Действительно, температура смеси продуктов горения инициатора не превышает 3500 К. Учитывая то, что теплоемкость этой смеси значительно выше, чем теплоемкость водорода, выделяющегося при горении смеси алюминий + вода, температура газа в реакторе в процессе горения не будет сильно отличаться от начального ее значения. В соответствии со стехиометрическим уравнением окисления алюминия водой 2/3 моля прореагировавшего алюминия приводит к образованию 1 моля водорода. В предположении, что давление в реакторе после срабатывания инициатора возрастает только за счет поступления в газовую фазу водорода, имеем

Читайте также  Химическая полировка алюминия

где V — объем реактора; Т — температура газовой фазы, которую для оценки можно принять постоянной и равной температуре продуктов горения инициатора; шм — масса сгоревшего алюминия; цА1 — атомный вес алюминия. Для нахождения Т

используем уравнение состояния идеального газа для продуктов горения инициатора:

Статьи

Свойства алюминия

Свойства 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 3s 2 3р; атомный радиус — 0,143 мм, ионный радиус А1 3+ (в скобках указаны координационные числа) 0,053 нм (4); 0,062 нм (5); 0,067 нм (6); энергия ионизации А1 -» А1 + -> А1 2+ —> А1 3+ — соответственно 5,984; 18,828; 28,44 эВ; сродство к электрону 0,5 эВ; электроотрицательность по Поллингу — 1,5; поперечное сечение захвата тепловых нейтронов — 215*10 -25 м 2 [3]. Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кри­сталлическую решетку с параметрами: а = 0,40403 нм, z = 4, пространственная группа Fm3m. В природе существует один стабильный изотоп 27 А1.

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

Физические свойства алюминия [2-6]

Механические свойства алюминия [4-6]

При охлаждении алюминия до температуры ниже 120 К его прочностные свойства в отличии от большинства металлов возрастают, а пластичность не изменяется (табл. 1.7).

Механические свойства алюминия различной чистоты

Состояние Содержание Аl, % Предел прочности при растяжении σв2МПа Предел текучести при растяжении σ.00,2, МПа Относительное удлинение δ, % Твердость по Бринеллю, НВ
Литой в землю 99,996 50 45 13-15
Литой в землю 99,5 75 29 20
Литой в землю 99.0 85 20 25
Литой в кокиль 99,0 90 25 25
Деформированный и отожженный 99.0 90 30 30 25
Деформированный 99,0 140 100 12 32
Литой в землю 98,0 90 35 12,5 28

Технологические свойства алюминия [6]

Коррозионные свойства алюминия [6].

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 же 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. 1.1). 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. 1.2, 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 а резко сдвигается в сторону алюминия. Железо в алюминии присутствует в виде самостоятельной фазы Al3Fe.

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 никелм) 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 CuAl2, Mg2Si, CuMgAl2 и др. являются эффек­тивными упрочнителями алюминиевых сплавов.

Из диаграммы состояния алюминий-кремний (рис. 1.3) видно, что при температуре эвтектики 577°С в алюминии растворяется до 1,65% кремния. С понижением температуры область твердого раствора α 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.

Токсикологические свойства алюминия [7]. В соответствии с ГОСТом по степени воздейст­вия на организм человека алюминиевую пыль относят к III классу опасности. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) в воздухе пыли металлического алюминия и его оксидов состав­ляет 2 мг/м 3 .

При постоянном вдыхании пыли металлического алюминия и его оксида может возникнуть алюминоз легких. Рабочие, подвергшиеся воздействию пыли, должны проходить периодически флюорографическое обследование. У рабочих, занятых в производстве алюминия, часты катары верхних дыхательных путей (рипиты, фарингиты).

Наибольшую опасность для здоровья представляет процесс электролиза глинозема, протекаю­щий в расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре 950 °С. Электролиз расплавленных со­лей может сопровождаться выбросами большого количества фторидной пыли, фторсодержащих газов, а также паров и частиц битума-компонента анодной массы. Рабочим, занятым на этой опе­рации, также грозят ожоги кожи и глаз при попадании на них расплавленного металла. Во избежании несчастных случаев электролизные ванны необходимо надежно изолировать, рабочие должны иметь средства индивидуальной защиты:, противопылевые маски, очки. перчатки, фартуки, сапоги и т.д. В электролизных цехах должен регулярно проводиться контроль за содержанием пыли в воздухе.

ПДК алюминия и его оксида по ГОСТу и нормативам США приведены ниже:

* Предел кратковременного влияния, т.е. максимальная концентрация, воздействию которой человек может подвергаться не более 15 минут подряд при условии, что в течении дня допускается не более 4-х таких воздействий с промежутками не менее 60 минут.

** Величина порогового предела концентрации вещества, устанавливаемая американской конференцией государственных гигиенистов и определенная для 8-часового рабочего дня и 40-часовой рабочей недели.

Алюминий, свойства, сплавы, производство

Алюминий

Алюминий — химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное — оксид Al2O3.

Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3 ) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 °C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия.

  • Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона:
    • Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] .
  • Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:
    • 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
  • Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
    • Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4].
  • Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:
    • 2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2.
  • Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 — белое, полупрозрачное, студенистое вещество.
  • В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый — среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия — боксит содержит 28-60% глинозема — оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе. Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита NaAlF4 при температуре 950 °C. Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Плотность алюминия, удельный вес и другие характеристики.

  • Плотность — 2,7*10 3 кг/м 3 ;
  • Удельный вес — 2,7 г/cм 3 ;
  • Удельная теплоемкость при 20°C — 0,21 кал/град;
  • Температура плавления — 658,7°C ;
  • Удельная теплоемкость плавления — 76,8 кал/град;
  • Температура кипения — 2000°C ;
  • Относительное изменение объема при плавлении (ΔV/V) — 6,6%;
  • Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20°C) : — 22,9 *10 6 (1/град);
  • Коэффициент теплопроводности алюминия — 180 ккал/м*час*град;

Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

Наименование материала Модуль Юнга, кГ/мм 2 Модуль сдвига, кГ/мм 2 Коэффициент Пуассона
Алюминиевая бронза, литье 10500 4200
Алюминиевая проволока тянутая 7000
Алюминий катаный 6900 2600-2700 0,32-0,36

Отражение света алюминием

Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

Наименование волн Длина волны Отражение света, %
Ультрафиолетовые 1880
2000
2510
3050
3570
25
31
53
64
70
Видимые 5000
6000
7000


Инфакрасные 8000
10000
50000
100000

74
94
97

ОКСИД АЛЮМИНИЯ Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов — лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей — наждак, применяются как абразивные материалы.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия — оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 °C), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите — минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 °C на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

Читайте также  Технология плавки алюминия

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3 , плавится при 960 °C и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 °C.

Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это — алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий , обладающий большей плотностью , чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ

Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин — легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Магналии — сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).

Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

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

Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) — насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.

Какая температура кипения алюминия

Свойства металла

Алюминий представляет собой пластичный легкий металл серебристого цвета. Для ученых — это химический элемент с атомным номером 13. Он обладает устойчивостью к коррозии за счет образования тонкой защитной оксидной пленки, которая разрушается при реакции со щелочами или ртутью. Имеет высокую теплопроводность.

Впервые химический элемент был извлечен в результате взаимодействия соединения ртути и калия на хлорид металла. До разработки промышленной технологии получения этот химический элемент ценился наряду с золотом.

Метод получения чистого материала, который применяется в промышленности, заключается в растворении оксида металла в криолите с последующим электролизом. Химический элемент является самым распространенным в природе. Среди наиболее известных минеральных соединений находятся такие руды:

  • бокситы, содержащие оксид алюминия с примесями соединений железа и кремния;
  • нефелины;
  • глиноземы;
  • полевые шпаты,
  • каолинит — минерал, образованный в результате разрушения пород;
  • бериллы, среди которых находятся драгоценные камни аквамарин и изумруд;
  • александрит;
  • корунд — минерал твердостью 9, уступающий алмазу.

Самородный химический элемент встречается редко в особых условиях с восстановительной средой. В водах химический элемент находится в виде соединения с фтором. Концентрация в морской воде достигает показателя 0,01 мг/л.

Какая температура кипения алюминия

1. Положение алюминия в периодической системе химических элементов 2. Электронное строение алюминия 3. Физические свойства 4. Нахождение в природе 5. Способы получения 6. Качественные реакции 7. Химические свойства 7.1. Взаимодействие с простыми веществами 7.1.1. Взаимодействие с галогенами 7.1.2. Взаимодействие с серой 7.1.3. Взаимодействие с фосфором 7.1.4. Взаимодействие с азотом 7.1.5. Взаимодействие с углеродом 7.1.6. Горение 7.2. Взаимодействие со сложными веществами 7.2.1. Взаимодействие с водой 7.2.2. Взаимодействие с минеральными кислотами 7.2.3. Взаимодействие с серной кислотой 7.2.4. Взаимодействие с азотной кислотой 7.2.5. Взаимодействие с щелочами 7.2.6. Взаимодействие с окислителями

Оксид алюминия 1. Способы получения 2. Химические свойства 2.1. Взаимодействие с основными оксидами 2.2. Взаимодействие с основаниями 2.3. Взаимодействие с водой 2.4. Взаимодействие с кислотными оксидами 2.5. Взаимодействие с кислотами 2.6. Взаимодействие с восстановителями 2.7. Вытеснение более летучих оксидов из солей

Гидроксид алюминия 1. Способы получения 2. Химические свойства 2.1. Взаимодействие с кислотами 2.2. Взаимодействие с кислотными оксидами 2.3. Взаимодействие с щелочами 2.4. Разложение при нагревании

Соли алюминия

Бинарные соединения алюминия

Алюминий

Положение в периодической системе химических элементов

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение алюминия и свойства

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии:

+13Al 1s22s22p63s23p1 1s 2s 2p 3s 3p

Показатель плотности металла

Параметр плотности любого вещества рассчитывается как соотношение массы к объему и измеряется в г/ см³. Использование этого показателя для арифметических расчетов позволяет определить вес заготовок или изделий.

Часто для оценки количества материала в единице объема используют показатель удельного веса, который в отличие от плотности имеет только количественную характеристику.

Алюминий, плотность которого составляет 2712 кг/м3, является самым популярным материалом для различных отраслей промышленного производства. Благодаря особым физическим и химическим характеристикам металл используют в качестве лигатурного компонента сплава с золотом.

Температура плавления равна 660 °C. Кипит металл при температуре 2519 °C. Плотность жидкого металла составляет 2560–2640 кг/м3, в твердом состоянии показатель равен 2712 кг/м3. Расплавленный химически чистый металл при температуре 660 °C имеет плотность 2,368 г/см³, а при 1173 °C – 2,304 г/см³.

Алюминий обладает высокой теплопроводностью, которая учитывается наряду с физическими параметрами состава. Плотность алюминиевых сплавов незначительно отличается от показателя плотности для чистого металла.

Плотность алюминия и другие его физические свойства

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

Читать также: Стиральные машины как выбрать отзывы специалистов

Рис. 1. Алюминий. Внешний вид.

Алюминий характеризуется большой тягучестью и высокой электропроводностью, составляющей приблизительно 0,6 электропроводности меди. С этим связано его использование в производстве электрических проводов (которые при сечении, обеспечивающем равную электропроводность, вдвое легче медных). Важнейшие константы алюминия представлены в таблице ниже:

Таблица 1. Физические свойства и плотность алюминия.

Плотность, кг/м 3

Температура плавления, o С

Температура кипения, o С

Энергия ионизации атома, эВ

Радиус атома, нм

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

Технические параметры сплавов на основе алюминия

Наличие лигатуры в составе практически не влияет на упругость материала, но увеличивает текучесть, что позволяет использовать его для производства конструкций с разным уровнем нагрузки.

Предел прочности или устойчивости материала к разрушению или деформации под воздействием механических нагрузок зависит от типа обработки и его состава. Для сплавов металла он составляет 38–42 кг/мм², литого алюминия 10–12 кг/мм, деформируемого – 18–25 кг/мм².

Чистый материал обладает высокой пластичностью, а наличие лигатурных компонентов изменяет свойства состава, что позволяет применять материал в разных сферах производства.

Большинство сплавов с большей степенью легирования имеют низкий показатель электропроводности. Теплопроводность многих составов вдвое ниже, чем у чистого алюминия, но этот показатель выше, чем у стали.

Наиболее известными сплавами с алюминием являются такие составы:

  • дюралюминий, включающий лигатурные добавки меди и магния;
  • силумин — соединение с кремнием.


Алюминий,теплоемкий и пластичный , образует различные сплавы

Устойчивость материала к воздействию среды повышают с помощью добавок галлия, олова, индия. Наилучшие коррозионные свойства имеют сплав с марганцем и магнием, а худшие — составы с высокой прочностью.

В зависимости от номинального содержания лития, показатель плотности материала изменяется. При наличии 1,3% лития плотность составляет 2,59 г/см³, 2,2% – 2,58 г/см³, 2,0% – 2,55 г/см³.

Устойчивость к воздействию внешних условий зависит от режима обработки материала. Многие составы, упрочняемые термическим путем, подвержены коррозии под напряжением.

Среди составов на основе алюминия хорошо сваривается авиаль — авиационный алюминий, в составе которого находятся магний, кремний и примеси марганца, меди и хрома. Для большинства сплавов применяется точечная сварка.

С увеличением степени легирования увеличивается прочность материалов и уменьшается пластичность. С ростом температуры прочность материалов меняется в разной степени, что определяет их применение в зависимости от диапазона температур.

Тип упрочнения составов улучшает механические свойства материала: прессованные изделия имеют высшую прочность, чем горячекатаные.

Алюминиевые сплавы

Влияние легирования

Различия в плотности различных алюминиевых сплавов обусловлены тем, что они содержат различные легирующие элементы и в разных количествах. С другой стороны, одни легирующие элементы легче алюминия, другие — тяжелее.

Легирующие элементы легче алюминия:

Легирующие элементы тяжелее алюминия:

Влияние легирующих элементов на плотность алюминиевых сплавов демонстрирует график на рисунке ниже [1].

Плотность промышленных алюминиевых сплавов

Плотность алюминия и алюминиевых сплавов, которые применяются в промышленности, представлены в таблице ниже для отожженного состояния (О). В определенной степени она зависит от состояния сплава, особенно для термически упрочняемых алюминиевых сплавов.

Читать также: Как сделать гидроколун для дров своими руками

Алюминиево-литиевые сплавы

Самую малую плотность имеют знаменитые алюминиево-литиевые сплавы.

  • Литий является самым легким металлическим элементом.
  • Плотность лития при комнатной температуре составляет 0,533 г/см³ — этот металл может плавать в воде!
  • Каждый 1 % лития в алюминии снижает его плотность на 3 %
  • Каждый 1 % лития увеличивает модуль упругости алюминия на 6 %. Это очень важно для самолетостроения и космической техники.

Популярными промышленными алюминиево-литиевыми сплавами являются сплавы 2090, 2091 и 8090:

  • Номинальное содержание лития в сплаве 2090 составляет 1,3 %, а номинальная плотность – 2,59 г/см 3 .
  • В сплаве 2091 номинальное содержание лития составляет 2,2 %, а номинальная плотность – 2,58 г/см 3 .
  • У сплава 8090 при содержании лития 2,0 % плотность составляет 2,55 г/см 3 .

Отрасли применения алюминия

Легкость, устойчивость к коррозии позволяют применять металл в качестве конструкционного материала, из которого производят такие виды проката:

  • трубы;
  • ленты;
  • фольгу;
  • листы;
  • проволоку.
  1. Алюминий является популярным материалом для изготовления фольги, производства кухонной посуды. Устойчивость к коррозии и прочность сплава металла сделали его основным сырьем в строительстве самолетов и космических ракет.
  2. Алюминий применяется для изготовления проводов, напыления на поверхность кристаллов микросхем. Благодаря высокой теплопроводности его применяют при изготовлении теплового оборудования.
  3. Устойчивость к низким температурам позволяет использовать материал в криогенной технике. Высокий коэффициент отражения материала делает его незаменимым при изготовлении зеркал.
  4. Алюминием покрывают поверхности изделий из стали для придания устойчивости к коррозионным процессам, его используют в качестве добавки к другим сплавам, например в фехраль, состоящий из хрома, кремния, марганца и железа.
  5. В ювелирном производстве металл для изготовления украшений применяют в Японии. В результате формирования соединения алюминия и золота образуется аметистовое и фиолетовое золото. Фиолетовый цвет сохраняется при наличии в составе 15% алюминия. Хрупкий состав разрушается при механическом воздействии, поэтому его часто используют в качестве вставок в изделия.


    Фиолетовое золото – сплав алюминия и золота

    Краткое описание химических свойств и плотность алюминия

    При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом – при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

    2Al + 3F2 = 2AlF3 (t o = 600 o C);

    2Al + 2S = Al2S3 (t o = 150 – 200 o C);

    2Al + N2 = 2AlN (t o = 800 – 1200 o C);

    4Al + P4 = 4AlPt o = 500 – 800 o C, в атмосфере H2);

    4Al + 3C = Al4C3 (t o = 1500 – 1700 o C).

    По отношению к воде алюминий практически вполне устойчив. Сильно разбавленные, а также очень концентрированные растворы азотной и серной кислот на алюминий почти не действуют, тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется.

    Читать также: Как снять болт с сорванной головкой

    По отношению к уксусной и ортофосфорной кислотам алюминий устойчив. Чистый металл довольно устойчив также и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический в ней растворяется. Алюминий легко растворим в сильных щелочах: