Легкие металлы

Алюминии—химический элемент третьей группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 13, атомная масса 26,98. Устойчивых нзотопов алюминии не имеет.

Будучи амфотерным, Алюминий растворяется в соляной кислоте и в растворах щелочей. В серной кислоте и в разбавленной азотной Алюминий растворяется медленно; в концентрированной азотной кислоте, в органических кислотах и в воде Алюминий устойчив.

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность — 2,7 г/см³, температура  плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты  — 660 °C, удельная теплота плавления  — 390 кДж/кг, температура кипения  — 2500 °C, удельная теплота испарения  — 10,53 МДж/кг, временное сопротивление  литого алюминия — 10…12 кг/мм², деформируемого — 18…25 кг/мм², сплавов — 38…42 кг/мм².

В твердом виде Алюминий легко подвергается ковке, прокатке, волочению, резанию. Из него можно вытягивать тончайшую проволоку и катать фольгу.

Пластичность алюминия возрастает по мере повышения, его чистоты. Временное  сопротивление литого алюминия технической  чистоты составляет 88—118 Па, прокатанного 176—275 Па. Относительное удлинение  соответственно равно 18—25 и 3—5 %, а  твердость по Бринеллю НВ 235—314 и 440—590.

Алюминий имеет высокую  теплопроводность и электропроводность.

Алюминий образует сплавы почти  со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые  сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением, поэтому они  должны обладать высокой пластичностью. Из деформируемых сплавов широкое  применение нашли дуралюмины — сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем. Имея небольшую плотность, дуралюмины по механическим свойствам близки к  мягким сортам стали. Из деформируемых  алюминиевых сплавов, а также  из чистого алюминия в результате обработки давлением (прокатка, 
штамповка) получают листы, полосы, фольгу, проволоку, стержни различного профиля, трубы. Расход алюминия на изготовление этих полуфабрикатов составляет около 70 % его мирового производства. Остальной Алюминий применяется для изготовления литейных сплавов, порошков, раскислителей, а также для других целей.

В настоящее время Алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов—авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.

Из алюминия и его сплавов  изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали. 
Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготовляют корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы.

Широко применяют Алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении Алюминий и его сплавы используют в производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов.

Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности Алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется Алюминий при изготовлении тары для консервирования и храпения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, Алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.

Алюминий высокой чистоты  находит широкое применение в  новых областях техники — ядерной  энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия различных химических веществ и  атмосферной коррозии. Высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из пего отражающих поверхностей нагревательных и осветительных  рефлекторов и зеркал.

В металлургической промышленности Алюминий используют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома, кальция, марганца) алюмотермическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей. 
Полученный при электролизе глинозема алюминий-сырец содержит

металлические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы,

главным из которых является водород, и неметаллические включения,

представляющие собой частицы  глинозема, угля и криолита. В таком  состоянии он

непригоден для применения, так  как имеет низкие свойства, поэтому  его

обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газообразные примеси

удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси  можно

удалить только сложными электролитическими способами.

После рафинирования получают торговые сорта алюминия. Чистота алюминия

является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому

химический состав положен в  основу классификации алюминия.

К алюминиевому сырью относятся  бокситы, нефелин-апатитовые и алунитовые руды, нефелиновые концентраты. Исходным сырьём для производства кристаллического кремния являются высококачественные кварциты, для производства фтористых солей — концентраты плавикового шпата (флюорита).

Наиболее  важными рудами алюминия являются бокситы, нефелины, алуниты, кианиты, минеральная  часть углей, каолины, глины, но главным  сырьем остаются до сих пор боксит (более 95% мирового производства глинозема).

К бесщелочным алюмосиликатам относят кианиты, каолины, глины, минеральную часть углей. Кианитовые (силлиманитовые) породы сосредоточены в основном на Кольском полуострове. В породе содержится много примесей, но при обогащении ее отходит кианитовый концентрат с содержанием Al₂O₃ до 60%; SiO₂ – 37%; Fe₂O₃ – 1,5%; TiO₂ –1.2%; CaO + MgO –0.6%.

Очень широко распространены повсюду  месторождения каолинов и глин, основным минералом которых является каолинит – Al₂O₃2SiO₂·2H₂O.

Химический состав глин весьма разнообразен и зависит в первую очередь  от его минералогического состава, присутствия остатков первичной  материи породы и содержания различных  примесей, внесенных при переотложении глинистого вещества.

Минеральная часть углей (золы углей, отходы углеобогащения и др.) является существенным сырьевым источником получения  глинозема. Так, в настоящее время  только с минеральной частью подмосковного  и экибастузского углей выбрасываются в отвалы свыше 6 млн. т. окисла алюминия. К источникам алюминиевого сырья следует также отнести глиноземистые доменные шлаки

Глиноземом называется кристаллическая  окись алюминия Она является основным сырьем для получения алюминия. Алюминий получают из глинозема электролизом. Глинозем используется также и в других отраслях промышленности (например, для отбеливания бумаги, производства специальных сортов цемента, цеолитов -веществ, поглощающих определенный сорт молекул в присутствии других молекул и пр.). Кроме того, иногда бывает рентабельно в состав производства глинозема включать производство редких металлов, сопутствующих алюминию в руде (таких, как галлий, ванадий и пр.).

Глинозем. Физические свойства. Бесцветные кристаллы (природный корунд иногда окрашен - рубин, сапфир). Т. плавл. 2010-2050°; т. кип. 2980°; плоти. 3,5-3,97. Природный минерал тверд и негигроскопичен, искусственно полученная Al2O3 гигроскопична. В воде нерастворим, растворяется в кислотах и щелочах.

Описание: технический глинозем представляет собой кристаллический порошок, состоящий из различных модификаций  оксида алюминия.

Физико-химические свойства криолито-глиноземного расплава определяются свойствами его компонентов и продуктов их взаимодействия. К основным физико-химическим свойствам относятся: температура плавления, растворимость глинозема, плотность, электропроводность, вязкость, поверхностное натяжение и давление насыщенных паров.

Из различных алюминиевых руд  глинозем можно получать щелочными  и кислотными способами вследствие наличия у него амфотерных свойств. В промышленности применяются пока только щелочные способы; чисто кислотные и кислотно-щелочные способы находятся в стадии лабораторных и полузаводских исследований.

Промышленные щелочные способы  производства глинозема из бокситов, нефелинов и алунитов подразделяют на:

1. гидрохимический (способ Байера);
2. способ спекания;
3. комбинированный способ – сочетание способа Байера со способом спекания в параллельном или последовательном варианте.

Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электролитическим.

При растворении гидроксида алюминия п щелочах образуются соли мстаалюминиевой кислоты HAlO₂, которые носят название алюминатов, например A1(OH)₃+NaOH=NaA1O₂+2H₂O .

Ллюмииаты образуются также при нагревании смеси оксида или гидроксида алюминия с соединениями щелочных или щелочноземельных металлов до 800 "С и выше, например Аl₂O₃+ +Na₂CO₃=2NaA1O₂+CO₂. Часто формулу алюмината пишут иначе: Na₂O.Al₂O₃ .

На природу алюминатных  растворов существует несколько  взглядов. Согласно наиболее распространенному  из них, алюминатный раствор представляет собой раствор алюмината натрия (или калия) как химического соединения NaA1O₂, т. с. является истинным (ионным) раствором. Значит, алюминат натрия можно 
рассматривать как соль, образованную слабой кислотой (гидроксид алюминия) и сильным основанием (едкий натр). Как известно, такие соли способны подвергаться обменному разложению 
с водой (гидролизу) с образованием малодиссониироваиной или трудиорастворпмой кислоты и основания, в пашем случае—по реакции NaA1O₂+2H₂O⇄ NaOH+Al(OH)₃.

Одним из характерных свойств  алюминатных растворов является их способность самопроизвольно  разлагаться с выделением в осадок гидроксида алюминия. Поэтому промышленные алюминатные растворы содержат некоторое количество свободной щелочи, которая делает алюминатный раствор более стойким. Состав алюминатных растворов прежде всего характеризуется концентрацией глинозема Al₂O₃ и щелочи Na₂O. Кроме этих основных компонентов, алюминатные растворы содержат в виде различных химических соединений примеси кремнезема, серы, хлора, железа, фтора, галлия, ванадия, органических веществ и др.

Важным показателем, характеризующим  алюмниатный раствор, является его модуль, под которым понимают молярное отношение концентраций Na₂O и Al₂O₃ в растворе. Иными словами, модуль показывает, сколько молей щелочи в растворе приходится па каждый моль оксида алюминия. Различают общий (α_о) и каустический (α_k) модули раствора. Общин модуль находится как молярное отношение концентрации титруемой щелочи и оксида 
алюминия, а каустический — как молярное отношение концентраций каустической щелочи н оксида алюминия:

Важнейшей характеристикой алюминатного раствора служит его каустическое отношение  или каустический модуль. Под этим термином понимают молекулярное отношение  каустической щелочи к глинозему, содержащемуся  в paстворе, т. е. мол. Na2O кауст/ Al2O3 = a. Если, например, абсолютная концентрация в растворе составляет, соответственно, для Na2O кауст — 200 г/л и Al2O3 — 180 г/л, то каустический модуль этого раствора будет

a=200:62/180:102=1,90,

где 62 и 102 — молекулярные веса Na2O и Al2O3

  Аналогично этому молекулярное  отношение Na2O общ / Al2O3 носит название общещелочного модуля. Каустический модуль промышленных алюминатных растворов, в зависимости от способа производства глинозема, изменяется в достаточно широких границах — почти от нуля т до 4,5.

Боксит, поступающий со склада, дробят, после чего размалывают в  среде концентрированного щелочного  раствора. Этим раствором боксит затем  выщелачивают, чтобы перевести оксид  алюминия в раствор. Для более  полного перевода оксида алюминия в  раствор выщелачивание часто  ведут в присутствии небольших  количеств извести. Полученная в  результате выщелачивания пульпа состоит  из раствора алюмината натрия и нерастворимого 
остатка боксита — красного шлама. Шлам отделяют от алюминатного раствора отстаиванием (сгущением), после чего промывают водой и направляют в отвал, а промывные воды используют для разбавления пульпы.

Алюминатный раствор для  более полного отделения от него частиц шлама фильтруют. Чистый алюминатный  раствор поступает на разложение (декомпозицию), которое достигается  длительным перемешиванием алюмннатного раствора со значительным количеством затравочного гндроксида алюминия. Полученная 
в результате декомпозиции пульпа состоит из выпавшего в осадок гидроксида алюминия и маточного щелочного раствора. Гидроксид 
алюминия отделяют от маточного раствора сгущением. Часть полученного гидроксида алюминия возвращают в виде затравки в следующие порции раствора, идущего на декомпозицию, остальной гидроксид после фильтрации и промывки 'прокаливают (кальцинируют) при высокой температуре. При прокаливании гидроксид 
алюминия обезвоживается и превращается и глинозем.