Алюминий и его сплавы, техника безопасности в производстве алюминия

         Российский государственный

            социальный университет 

Факультет охраны труда и занятости 

Курсовая работа по химии на тему: 

   Алюминий

                и

        его сплавы,

техника безопасности в производстве алюминия.

          Москва 2005 год

                       Содержание: 

1.Введение …………………………………………………………………3                     

2.История алюминия и его сплавов……………………………………....4

3.Свойства алюминия ……………………………………………………..6

       3.1 Физические свойства…………………………………………..6

            3.2 Химические свойства…………………………………………..8

            3.3 Ядерные свойства ……………………………………………...12

4.Сплавы алюминия………………………………………………...............13

5.Получение…………………………………………………………………20   6.Применение ……………………………………………………………....24

7. Алюминий и жизнь……………………………………………………....26

8.Главные проблемы алюминия…………………………………………...28

9.Техника безопасности в производстве алюминия ……………………..29

       9.1 безопасная организация рабочих мест …………………….....29

       9.2 безопасность при обслуживании электролизов ……………..32

       9.3 техника безопасности при основных технологических

                     операциях алюминиевого производства ……………………..34

10.Заключение……………………………………………………................37

11.Список литературы……………………………………………………...38  
 
 

      ^{1. Введение} 

^{С давних пор простые  вещества разделяли  на металлы и неметаллы.}

^{К металлам относили вещества с характерным  «металлическим» блеском, ковкие. М.В. Ломоносов в своем труде «Первые основы металлургии» (1763г) писал: «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно». По мере развития химии было обнаружено много других отличных свойств, присущих металлам. Если в периодической системе элементов провести диагональ от бора к астату, то в правой верхней части периодической системы будут находиться неметаллы (исключая элементы побочных подгрупп), а в левой нижней – металлы. Элементы, расположенные вблизи диагонали (например, Al, Ti, Ga, Nb, Sb), обладают двойственным характером ( промежуточными свойствами).}

^{Металлы, отражающие примерно в одинаковой степени  все световые лучи видимого спектра, имеют  серебристо-белый  цвет. Алюминий и  магний сохраняют  металлический блеск  даже в порошкообразном состоянии; они способны отражать радиоволны, что используется в радиолокации (обнаружение различных объектов в воздухе, на воде и на суше).}

^{Металлы отличаются также  своим отношением к магнитным полям. По этому свойству они делятся на три группы:}

        ^{ферромагнитные металлы  – способные намагничиваться при действии слабых магнитных полей (железо, кобальт, никель и гадолиний);}

        ^{парамагнитные металлы  – проявляющие слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром, титан и большая часть лантаноидов);}

        ^{диамагнитные металлы  – не притягивающие к магниту и даже слегка отталкивающие от него (висмут, олово, медь)}

^{В периодической таблице  металлы по своим  свойствам делятся  на группы. Рассмотрим металлы главной подгруппы III группы. К металлам главной подгруппы III группы относятся алюминий, галлий, индий и таллий. Эти металлы являются p – элементами. Их атомы содержат на внешнем энергетическом уровне по три валентных электрона – два на s – подуровне и один на p – подуровне. При возбуждении атома рассматриваемых элементов один из s – электронов внешнего уровня переходит на  p – подуровень. Поэтому для них характерно трехвалентное состояние, а для таллия также одновалентное. Металлические свойства элементов усиливаются от алюминия к таллию.}

^{Подробнее рассмотрим алюминий…} 

^{2. История алюминия и его сплавов} 

^{Первые  упоминания о «легком серебристом металле» можно встретить Плиния старшего, и относятся они к событиям почти двух тысячелетней давности.}

^{В XVI веке талантливый немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, исследуя различные вещества и минералы, в том числе квасцы, установил, что они «есть соль некоторой квасцовой земли», в состав которой входит окись неизвестного металла, впоследствии названная глиноземом.}

^{Квасцы, заинтересовавшие Парацельса, были известны с давних времен. По свидетельству  греческого историка Геродота, жившего  в V веке до н. э., древние  народы применяли  при крашении тканей для закрепления  их цвета минеральную  породу, которую они называли «алюмен», т. е. «свяжущая». Этой породой и были квасцы.}

^{В 1754 году немецкий химик  Маргграф сумел выделить «квасцовую землю», о которой 200 лет  до этого писал  Парацельс. Прошло еще  несколько десятков лет, прежде чем англичанин Дэви попытался получить металл, скрывающийся в квасцах. В 1807 году ему удалось электролизом щелочей открыть натрий и калий, но разложить с помощью электрического тока глинозем он так и не сумел. Зато он дал металлу название – алюминий.}

^{Первым, кому удалось получить металлический алюминий, был датский ученый Эрстед. В 1825 году в одном из химических журналов он опубликовал свою статью, в которой писал, что в результате проведенных им опытов образовался «кусок металла, с цветом и блеском, несколько похожим на олово». Однако журнал этот был не очень известен, и сообщение Эрстеда осталось почти незамеченным в научном мире. Да и сам ученый не придавал своему открытию большого значения.}

^{Вскоре, опыты Эрстеда  продолжил другой ученый – Вёлер, который  в конце 1827 года, наконец, опубликовал свои методы получения метала. Еще 18 лет у него ушло на модернизацию своего метода. В 1855 году на парижской выставке был показан алюминий, полученный по технологии французского химика Сент-Клер Девиля, но металл, разработанный по его технологии оставался весьма дорогим. Тем не менее, он все же построил первый алюминиевый завод.}

^{В 1865 году известный русский  ученый Н. Н. Бекетов  предложил интересный способ, который быстро нашел применение на алюминиевых заводах  Франции, а в1886 году, независимо друг от друга американский студент Холл и французский инженер Эру разработали электролитический способ производства этого металла, без которого немыслимо получение металла и сегодня.}

^{Примерно  в это время  алюминий из драгоценного, постепенно становится промышленный металлом. Это произошло как раз во время, т.к. начинало развиваться машиностроение и вот-вот должна было появится авиация – индустрия, немыслимая без этого металла.}

^{У алюминия в то время  был только один недостаток – прочность. Но в  начале 20 века немецкий химик Вильм запатентовал сплав, впоследствии названный дюралем или дюралюминием и имевший прочности в два раза большую, чем у самого алюминия. Вскоре появились первые самолеты, сделанные из этого сплава, и в дальнейшем алюминий твердо стал «крылатым металлом».} 
 
 
 
 
 

     ^{3. Свойства алюминия}

^{3.1 Физические свойства алюминия} 

^{Алюминий (лат. Aluminium, от alumen - квасцы) - химический элемент III гр. периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154.}  

 Положение алюминия в периодической системе и строение его атома. Алюминий находится в главной подгруппе 3 группы.

Схема расположения электронов по энергетическим уровням следующая: 

                                    +13 Al 2е-, 8е-, 3е- 

                            Al0 – 3е- - Al⁺³ 

Так как у атомов алюминия на внешнем уровне 3 электрона, то алюминия в соединениях проявляет  степень окисления +3.

^{Особенность алюминия заключается  в существовании  свободных d – подуровней во внешнем электронном слое его атома. Благодаря этому координационное число алюминия в его соединениях может равняться не только четырем, но и шести.}

  Серебристо-белый металл, легкий (p= 2,7 г/см3) плотность алюминия почти в три раза меньше, чем у стали и в 3,3 раза – чем у меди.

Алюминий  становится легче от добавки в  него магния и системы Al – Mg изучена достаточно хорошо. Плавится при 660°С. ^{Пластичный, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в листы и фольгу. По электрической проводимости уступает лишь серебру и меди (она составляет 2/3 от электрической проводимости меди). Химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой).По распространенности в природе занимает 4-е место среди элементов и 1-е среди металлов (8,8% от массы земной коры). Известно несколько сотен минералов Алюминия (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и др.) Алюминий имеет решётку гранецентрированного куба, устойчив при температурах от -269 °С до точки плавления (660 °С). Алюминий не имеет аллотропических изменений, элементарная ячейка состоит из 4 атомов, атомный диаметр 2,86×10-10 м. Экспериментальные значения 
для поликристаллического материала находятся в пределах от 2696,6 до 2698,8 кг/м3. Электросопротивление алюминия высокой чистоты (99,99%) при 20°С составляет 2,6548×10-8 Ом×м, или 65% 
электросопротивления международного эталона из отожжённой меди. Отражательная способность полированной поверхности составляет более 90%.}

^{Хорошая теплопроводность превратила алюминий в перспективный  материал для различных теплообменных аппаратов, в том числе автомобильных радиаторов. Этот металл очень хорошо поддаетсяпереработке.}  
 
 

Температура плавления К: 933,52 

Температура кипения К: 2740 

Плотность кг/м³: 2698 (293К), 2390 (жидкость при т.пл.) 

Теплопроводность Вт/м*К: 237 (300К) 

Электрическое сопротивление  Ом*м:2,6548 * 10^-8 (293К) 

Удельная  магнитная восприимчивость  м3/кг: +7,7*10 (тв)

Мольный объем см³: 10,00 

Температурный коэффициент линейного  расширения К^-1: 23,03*10^-6 

Тип кристаллической  решетки (параметры ячейки, пм): пространственная группа 

                ГЦК (а = 404,959), Fm3m 

Относительная атомная масса = 26,98154 
 
 
 
 
 

                  3.2 Химические свойства.

В электрохимическом  ряду напряжения алюминий помещается за самыми активными металлами. Однако из повседневного опыта известно, что на алюминиевые изделия (посуду и т.д.) не действует ни кислород, ни вода даже при температуре её кипения. На алюминий не действует также концентрированная холодная азотная кислота. Это объясняется наличием на поверхности алюминия тонкой оксидной пленки, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Если поверхность алюминий потереть солью ртути, то происходит реакция: 

                         2Al + 3HgCl2 = 2AlCl3 + 3Hg 

Выделившаяся ртуть  растворяет, алюминий, и образует его сплав с ртутью – амальгама алюминия. На амальгамированной поверхности пленка не удерживается, поэтому алюминий реагирует с водой при обычных условиях: 

                         2Al + 6HOH = 2Al(OH) 3 + 3H2 

При повышенной температуре алюминий реагирует со многими неметаллами и сложными веществами без амальгамирования: 

Чрезвычайно широкого применения в виде металла и сплавов  в самолетостроении, строительной промышленности, для изготовления контейнеров, фольги и т.п. 

Растворим в горячих  концентрированных растворах HCl и NaOH. 

                   2Al + 6 HCl = 2AlCl3 + 3H2 

            2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2

                                                       Алюминат натрия 
 

Радиус  пм: Al⁺³ 57, ковалентный 125, атомный 143,1, вандерваальсов 205. 

Электроотрицательность: 1,61 (по Полингу); 1,47 (по Оллреду); 3,23 эВ (абсолютная) 

Эффективный заряд ядра: 3,50 (по Слейтеру); 4,07 (по Клементи); 3,64 (по Фрезе-Фишеру)  

Важнейшие соединения алюминия. Оксид алюминия Al2O3 можно получить следующим способами: 

1.непосредственным сжиганием порошка металлического алюминия (вдуванием порошка алюминия в пламя горелки) 

                               4Al + 3O2 = 2Al2O3 

2.путем превращения по приведенной ниже схеме: 

Оксид алюминия – твердое, тугоплавкое вещество белого цвета.

По  химическим свойствам  это амфотерный оксид. Реагирует с кислотами, проявляет свойства основных оксидов: 

            Al2O3 +6HCl 2AlCl3 +H2O 

      Al2O3 + 6H⁺ +6Cl^- 2Al⁺³ + 6Cl^- + 3H2O 

            Al2O3 + 6H⁺ 2Al⁺³ + 3H2O 

Оксид алюминия реагирует со щелочами и проявляет свойства кислотных оксидов. Причем при сплавлении образуются соли метаалюминиевой кислоты HAlO2, т.е. метаалюминаты: 

            Al2O3 +NaOH 2NaAlO2 + H2O

В присутствии воды реакция протекает иначе: 

            Al2O3 + 2NaOH + H2O = 2[NaAlO2 * H2O] 

Это объясняется тем, что в водном растворе алюминат натрия NaAlO2 присоединяет одну или две молекулы воды, что можно изобразить так:  

                  а) NaAlO2 * H2O или NaH2AlO3 

                 б) NaAlO2 * 2H2O, или NaAl(ОН) 4 

Гидроксид алюминия Al(ОН) 3 получают при взаимодействии раствора щелочи с растворами солей алюминия (раствор щелочи нельзя брать в избытке): 

                AlCl3 + 3NaOH = Al(ОН) 3 + 3NaCl 

   Al⁺³ + 3Cl^- +3Na⁺ + 3ОН^- = Al(ОН) 3 +3Na⁺ + 3Cl^- 

                             Al⁺³ + 3ОН^- = Al(ОН) 3     

Если белую желеобразную массу гидроксида алюминия выделить из раствора и высушить, то получается белое кристаллическое вещество, практически не растворяющееся в воде.

Гидроксид ал (как  и его оксид) обладает амфотерными свойствами. Подобно всем основаниям гидроксид ал реагирует с кислотами. при сплавлении гидроксида ал  со щелочами образуются метаалюминаты, а в водных растворах – гидраты метаалюминатов: 

             Al(ОН) 3  + NaOH NaAlO2  + 2H2O  

                Al(ОН) 3  + NaOH = NaH2AlO3 + H2O 

Соли  алюминия получают в  основном при взаимодействии металлического алюминия с кислотами.

По физическим свойствам  это твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Химические свойства солей алюминия аналогичны свойствам других солей. Так как соли алюминия образованы слабым основанием и сильной кислотой, то они в водных растворах подвергаются гидролизу.    
 
 

Генетическая связь между алюминием и его важнейшими                                                                                           соединениями 

              Стандартный потенциал восстановления Е , В  

Состояние окисления

Al I     AlCl (в газовой фазе)

Al II    Al2O3 (амфорный), AlO(OH), [Al(H2O)6] 3+  , (ag),

 соли  Al3+ , AlН3 , LiAlH4, AlF3, Na3AlF6, Al2Cl6. 

      3.3 Ядерные свойства 

Сечение захвата тепловых нейтронов, барн: 0,233

Число изотопов (с учетом ядерных изомеров): 11

Диапазон  изотопных масс: 22-31

ЯМР                                                                            27 Al

Относительная чувствительность (1Н=1,00):   0,21

Восприимчивость (13С=1,00):                             1,17*103

Гиромагнитное отношение, рад/(Тл*с):           6,9704*107 
 

Квадрупольный момент, м²:                            0,4193*10-28

Частота (1Н=100МГц; 2,3488 Тл), МГц:             26,057

Стандарт  Al(H2O)6 ⁺³ 
 

Св-ва электронной оболочки 

Основное  электронное состояние: [Ne] 3s2 3p1

Терм: 2P1/2

Сродство  к электрону (М-М-), кДж/моль: 44 
 
 
 
 
 
 
 

         4. Сплавы алюминия 

^{Прочность чистого алюминия не удовлетворяет  современные промышленные нужды, поэтому для  изготовления любых  изделий, предназначенных  для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его  сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.}

^{Введение  различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а  иногда придает ему  новые специфические  свойства.}

^{При различном легировании  повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих  случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается относительная плотность. Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.}

  ^{Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы: деформируемые и литейные. Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов: деформируемые имеют высокую пластичность в нагретом состоянии, а литейные -хорошую жидкотекучесть. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.}

^{Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением. Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.}