Контрольная работа по "Химии". 80

1. Опишите производство алюминия. Укажите исходные материалы и их подготовку к плавке, технологию получения глинозема и его электролиз, способы рафинирования алюминия. Укажите сорта алюминия, его сплавы, классификацию, условные обозначения и области применения алюминия и его сплавов.

 Алюминий — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Впервые алюминий был получен  датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от лат. aluminis — квасцы.

Основным современным  способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий  из двух стадий. Первая - это получение  глинозема (Al₂O₃) из рудного сырья и вторая — получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Алюминий в бокситах находится  главным образом в виде гидроксидов  алюминия (гиббсита, бемита и др.), корунда  и каолинита. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35—60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe₂O₃ 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al₂O₃ К SiO₂ по массе — так называемый кремневый модуль.

Кремневый модуль бокситов, поступающих для получения глинозема, должен быть не ниже 2,6. Для бокситов среднего качества этот модуль составляет 5—7 при 46-48 %тном содержании Al₂O₃, а модуль высококачественных — около 10 при 50 %-ном содержании Al₂O₃. Бокситы с более высоким содержанием Al₂O₃ (52%) и модулем (10-12) идут для производства электрокорунда.

К числу крупных месторождений  бокситов служащих сырьем для производства алюминия в нашей стране относится  Тихвинское (Ленинградская область), Северо-уральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябинская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область).

Нефелины служащие сырьем для производства алюминия входят в  состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов  находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита — нефелин  и апатит 3Са₃(РO₄)₂ • CaF₂. Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового и апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приготовления фосфорных удобрений, а нефелиновый - для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20-30 Al₂O₃, 42-44 SiO₂, 13-14 Na₂O, 6-7 K₂O, 3-4 Fe₂O₃ и 2-3 CaO.

Алуниты представляют собой  основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K₂SO₄ • Al₂(SO₄)₃ • 4Аl(ОН)₃. Содержание Al₂O₃ в них невысокое (20-22%), но в, них находятся другие ценные составляющие: серный ангидрид SO₃ (~20%) и щелочь Na₂O • К₂O (4-5 %). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы  служащие сырьем для производства алюминия. При производстве глинозема применяют  щелочь NaOH, иногда известняк СаСО₃, при электролизе глинозема криолит Na₃AlF₆ (3NaF • AlF₃) и немного фтористого алюминия AlF₃, а также CaF₂ и MgF₂.

Сначала из добытой и обогащенной руды извлекают так называемый глинозем — оксид алюминия (Al₂O₃) (рис. 2).

Несмотря на название, по виду он не имеет ничего общего с глиной или черноземом — скорее, он похож на муку или очень белый песок. Затем глинозем методом электролиза превращают в алюминий. Из двух тонн глинозема выходит одна тонна алюминия.

Бокситы содержат 40-60% глинозема, а также кремнезем, оксид железа и диоксид титана. Чтобы выделить из них чистый глинозем, используют процесс Байера. Сначала руду нагревают в автоклаве с едким натром, затем охлаждают и отделяют от жидкости твердый осадок — «красный шлам». После этого из полученного раствора осаждают гидроокись алюминия и прокаливают ее, чтобы получить чистый глинозем.

Заключительный этап — собственно восстановление алюминия процессом Холла-Эру. Он основан на следующем принципе: при электролизе раствора глинозема в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) выделяется алюминий. Дно электролизной ванны служит катодом, а угольные бруски,погруженные в криолит — анодами. Под раствором криолита с 3-5% глинозема осаждается расплавленный алюминий. При этом температура процесса достигает 950° С, что значительно выше температуры плавления самого металла — 660° С.

При электролизе Холла-Эру чрезвычайно быстро расходуются угольные аноды и постоянно требуется установка новых. Эту проблему можно решить с помощью возобновляемого электрода Содерберга. Он формируется в специальной восстановительной камере из коксосмоляной пасты, которая набивается в открытую с обоих концов оболочку из листовой стали. Паста добавляется в верхнее отверстие по мере необходимости. Опускаясь вниз, она успевает нагреться до того, как достигнет ванны с расплавом.

Рис. 2 - Технология получения алюминия

Меньшими затратами на электроэнергию и влиянием на окружающую среду характеризуется технология производства алюминия с использованием заранее обожженных анодов, которая практикуется на многих европейских и американских алюминиевых заводах. Аноды обжигают в огромных газовых печах, а затем опускают в расплав, укрепив в анододержателе. Израсходованные электроды заменяют новыми, а оставшиеся «кончики» отправляют на переработку.

В связи с повысившимися в последнее время требованиями к защите окружающей среды, на предприятиях, работающих по технологии Содерберга, серьезно встал вопрос о сокращении вредных выбросов. Сейчас его активно решают с помощью внедрения коллоидных анодов, сделанных из специальной коллоидной массы, термически устойчивой в широком диапазоне температур. По экологическим показателям этот метод сравним с технологией обожженного анода. Раз в сутки или реже металл забирают из электролизных ванн и разливают по формам.

Производство алюминия является исключительно  энергоемким. Поэтому алюминиевые заводы наиболее выгодно строить в регионах, где есть свободной доступ к источникам электроэнергии.

Рафинирование алюминия 
Алюминий, извлекаемый из электролизных ванн, называют алюминием-сырцом. Он содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические примеси, а также газы (водород, кислород, азот, оксиды углерода, сернистый газ). Неметаллические примеси — это механически увлеченные частицы глинозема, электролит, частицы футеровки и др.

Для рафинирования от механически  захваченных примесей, растворенных газов, а также от Na, Ca и Mg алюминий подвергают хлорированию. Для этого  в вакуум-ковш вводят трубку, через  которую в течение 10—15 мин подают газообразный хлор, причем для увеличения поверхности соприкосновения газа с металлом на конце трубки крепят пористые керамические пробки, обеспечивающие дробление струи газа на мелкие пузырьки. Хлор энергично реагирует с алюминием, образуя хлористый алюминий AlСl₃. Пары хлористого алюминия поднимаются через слой металла и вместе с ними всплывают взвешенные неметаллические примеси, часть газов и образующиеся хлориды Na, Ca, Mg и Н₂.

Далее алюминий заливают в электрические  печи-миксеры или в отражательные  печи, где в течение 30—45 мин происходит его остаивание. Цель этой операции — дополнительное очищение (рафинирование  алюминия) от неметаллических и газовых  включений и усреднение состава  путем смешения алюминия из разных ванн. Затем алюминий разливают либо в чушки на конвейерных разливочных  машинах, либо на установках непрерывного литья в слитки для прокатки или  волочения. Таким образом получают алюминий чистотой не менее 99,8% алюминий.

Алюминий более высокой степени чистоты в промышленном масштабе получают путем последующего электролитического рафинирования алюминия по так называемому трехслойному методу. Электролизная ванна имеет стенки из магнезита, угольную подину (анод) и подвешенные сверху графитированные катоды. На подину через боковое отверстие порциями заливают исходный алюминий, поддерживая здесь анодный слой,определенной толщины; выше него располагается слой электролита из фтористых и хлористых солей, а над электролитом — слой рафинированного алюминия, который легче электролита; в этот слой погружены концы катодов.

Для того, чтобы рафинируемый алюминий находился внизу, его утяжеляют, формируя в анодном слое сплав  алюминия с медью (в слое растворяют 30—40% меди). В процессе электролиза  ионы алюминия перемещаются из анодного слоя через слой электролита в  катодный слой и здесь разряжаются. Накапливающийся на поверхности  ванны чистый катодный металл вычерпывают  и разливают в слитки. Этим способом получают алюминий чистотой 99,95-99,99%. Расход электроэнергии равен ~ 18000 кВт - ч на 1т алюминия. Более чистый алюминий получают методом зонной плавки или  дистилляцией через субгалогениды.

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

Природный алюминий состоит  практически полностью из единственного  стабильного изотопа Al со следами Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося  в атмосфере при бомбардировке  ядер аргона протонами космических лучей.

По распространённости в  земной коре Земли занимает 1-е среди  металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры^[3].

В природе алюминий в связи  с высокой химической активностью  встречается почти исключительно  в виде соединений. Некоторые из них:

• Бокситы — Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)
• Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄
• Алуниты — (Na,K)₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃
• Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)
• Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al₂O₃
• Полевые шпаты — (K,Na)₂O·Al₂O₃·6SiO₂, Ca[Al₂Si₂O₈]
• Каолинит — Al₂O₃·2SiO₂ · 2H₂O
• Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al₂О₃ · 6SiO₂
• Хризоберилл (александрит) — BeAl₂O₄.

Тем не менее, в некоторых  специфических восстановительных  условиях возможно образование самородного  алюминия.

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных  химических соединений, например, фторида  алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности  водной среды. Концентрации алюминия в  поверхностных водных объектах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л, в морской воде 0,01 мг/л.

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°);O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH₄⁺, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

• с кислородом, образуя оксид алюминия:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

• с галогенами (кроме фтора), образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:

2Al + 3Hal₂ = 2AlHal₃ (Hal = Cl, Br, I)

• с другими неметаллами реагирует при нагревании
• с фтором, образуя фторид алюминия:

2Al + 3F₂ = 2AlF₃

с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃

• с азотом, образуя нитрид алюминия:

2Al + N₂ = 2AlN

• с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al + 3С = Al₄С₃

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃+ 3CH₄

Со сложными веществами:

• с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

• со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

2(NaOH•H₂O) + 2Al = 2NaAlO₂ + 3H₂

• Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂

2Al + 3H₂SO₄(разб) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

• При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

8Al + 15H₂SO₄(конц) = 4Al₂(SO₄)₃ + 3H₂S + 12H₂O

Al + 6HNO₃(конц) = Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

• восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr

Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как  конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

• Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
• Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.
• Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.
• В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
• Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
• Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
• Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя

• Как компонент термита, смесей для алюмотермии
• Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала  обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе. Нумерация  серий сплавов в данной статье приведена для США (стандарт маркировки компании Alcoa)

Алюминиевый прокат

• Алюминиево-магниевые Al-Mg (серия 5ххх). Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.

В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая система соединения Al₃Mg₂ c твердым раствором на основе алюминия. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %.

Рост содержания Mg в сплаве существенно  увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности  сплава на 30 МПа, а предел текучести — на 20 МПа. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30…35 %.

Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в нагартованном состоянии структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава.

Для улучшения прочностных характеристик  сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания  в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они  снижают их коррозионную стойкость  и свариваемость.

• Алюминиево-марганцевые Al-Mn (серия 3ххх). Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Основными примесями в сплавах  системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость  марганца в алюминии. Для получения  мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном.

Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры  нагартованного металла при комнатной  и повышенной температурах.

• Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg) (серия 2ххх). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток — низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

В качестве легирующих добавок могут  встречаться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное  влияние на свойства сплава оказывает  последний: легирование магнием заметно повышает предел прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии.

Нагартовка этих сплавов после  закалки ускоряет искусственное  старение, а также повышает прочность  и сопротивление коррозии под  напряжением.

• Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu) (серия 7ххх). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы — сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17,4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

Однако существенным недостатком  этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов  под напряжением можно легированием медью.

Нельзя не отметить открытой в 60-е  годы закономерности: присутствие лития  в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития  уменьшает удельный вес сплава и  существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы  сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li.

• Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
• Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
• Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом  многих сплавов. Например, в алюминиевых  бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

Ювелирные изделия

Алюминиевое украшение для японских причёсок

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные  изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые  пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя серебро.

Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован в  качестве пищевой добавки Е173.

Алюминий и его соединения в  ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного  горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие  соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

• Порошковый алюминий как горючее в твердых ракетных топливах. Применяется также в виде порошка и суспензий в углеводородах.
• Гидрид алюминия.
• Боранат алюминия.
• Триметилалюминий.
• Триэтилалюминий.
• Трипропилалюминий.

Триэтилалюминий (обычно, совместно  с триэтилбором) используется также  для химического зажигания (то есть, как пусковое горючее) в ракетных двигателях, так как самовоспламеняется в газообразном кислороде.