Co je hliník: vzorec, reakce, vlastnosti a aplikace

Hliník je prvek třetího období periodické tabulky s atomovým číslem 13. Z hlediska její prevalence je to první z kovů a třetí z chemických prvků zemské kůry (po kyslíku a křemíku). Zjistíme podrobněji, co je hliník a jaké vlastnosti má.

Obecné charakteristiky

Takže co je hliník? Především je to lehký paramagnetický kov bílo-stříbrné barvy, který je velmi tvárný pro zpracování (lití, tváření, obrábění atd.). Chemický vzorec hliníku je znám všem z kurzu školní chemie - Al. Má vysokou elektrickou a tepelnou vodivost, stejně jako odolnost vůči korozi. Tato druhá vlastnost je způsobena schopností hliníku rychle vytvářet oxidové filmy, které chrání její povrch.

Historické pozadí

Světové společenství se dozvědělo, co je hliník v roce 1825 díky dánskému fyzikovi Hansovi Oerstedovi. Vědec provedl interakci amalgámu draslíku s chloridem hlinitým a následnou extrakcí rtuti. Chemický prvek získal své jméno z latinského slova alumen, který je přeložen jako "alum".

Před průmyslovým způsobem výroby hliníku byl tento kov oceňován více než zlato. V roce 1889 chtěla ctít nádherný dar D.I. Mendelejev, britští mu podali měřítko ze zlata a hliníku.

Získání

Kov tvoří silnou vazbu s kyslíkem - oxidem hlinitým. Ve srovnání s ostatními známými kovy je jeho využití z rudy mnohem pracnější. Důvodem je vysoká reaktivita a vysoká teplota tání hliníku, a zejména jeho rudy. Metoda přímé redukce uhlíkem se nepoužívá, protože redukční schopnost tohoto kovu je vyšší než u uhlíku. Nepřímé využití je možné. Zahrnuje přípravu meziproduktu Al4C3, který se rozkládá při teplotě asi 2000 ° C za vzniku hliníku. Zatím je tato metoda ve vývoji, ale je již známo, že bude vyžadovat méně energie než metoda Hall - Eru.

Technologie Hall - Eru, která je dnes nejrozšířenějším, byla vyvinutá v roce 1886 paralelou dvěma vědci - americkou Charles Hall a francouzským P. Erou. Jeho podstatou spočívá v rozpouštění oxidu hlinitého (Al2O3) v Na3AlF6 (kryolitové tavenině) a následné elektrolýze za použití anodových elektrod (koksu nebo grafitu). Vzhledem k tomu, že tato metoda je velmi drahá, byla široce používána pouze ve dvacátém století.

Výroba jedné tuny hliníku ponořuje 1,92 tun oxidu hlinitého, 0,6 tuny elektrod, 0,065 tun kryolitu, 0,035 tun fluoridu hlinitého a asi 61 GJ elektřiny.

Pokud jde o laboratorní metodu výroby hliníku, vynalezl v roce 1827 Friedrich Wohler. Podstata metody spočívá v redukci bezvodého chloridu hlinitého s kovovým draslíkem. Reakce probíhá při zahřátí bez přístupu vzduchu.

Místo v přírodě

Hmotnostní koncentrace této látky v zemské kůře se odhaduje na 7,45-8,14%. Podle tohoto ukazatele je hliník prvním z kovů a třetím mezi chemickými prvky obecně.

V přírodě se díky chemické aktivitě kovu vyskytuje převážně ve formě sloučenin. Hlavní minerály z hliníku: bauxit, korund, nefelin, oxid hlinitý, alunit, živce, beryl, kaolinit a chryzoberyl. Ve výstupech sopky, ve kterých byly vytvořeny specifické redukční podmínky, bylo nalezeno malé množství nativního kovu.

V přírodních vodách je hliník reprezentován ve formě nízko toxických sloučenin, například fluoridu. Vzhled kationu nebo anionu je ovlivněn především kyselostí média. V sladké vodě může být koncentrace roztoku hliníku od 0,001 do 10 mg / l a ve slané vodě přibližně 0,01 mg / l.

Složení přírodního hliníku dominuje stabilní izotop ²⁷ Al a jsou zde zanedbatelné stopy ²⁶ Al.

Fyzikální vlastnosti

Hlavní fyzikální vlastnosti materiálu:

1. Hustota - 2712 kg / m ³ .
2. Bod varu - 2500 ° С.
3. Teplota tání - 660 ° C.
4. Specifická tepelná kapacita - 897 J / kg * K.
5. Tvrdost Brinella - od 24 do 32 kgf / mm².
6. Plastnost čistého materiálu - 50%.
7. Youngův modul - 70 GPa.
8. Elektrická vodivost - 37 * 10 ⁶ Cm / m.
9. Tepelná vodivost - 203,5 W / (m * K).

Hliník může vytvářet slitiny s téměř všemi kovy. Dural (slitina s mědí a hořčíkem) a silumin (slitina s křemíkem) jsou nejčastěji používány.

Chemické vlastnosti

Za normálních podmínek je tento kov pokryt tenkou, ale velmi trvanlivou vrstvou oxidu, která je odolná vůči účinkům standardních oxidačních činidel: vody, kyslíku a také kyseliny dusičné a kyseliny sírové. Hliník však reaguje kyselina chlorovodíková. Kvůli těmto vlastnostem není kov náchylný k korozi a je velmi populární v průmyslu.

Při destrukci filmu může hliník působit jako aktivní redukční kov. Aby se zabránilo tvorbě filmu, do něj se přidává gallium, cín nebo indium.

Zvažte základní rovnice z hliníku.

S jednoduchými látkami tvoří tento kov následující sloučeniny:

1. S oxidem kyslíkem. 4Al + 3O2 = 2Al2O3.
2. S halogeny (s výjimkou fluoru) - chlorid, jodid a bromid. 2Al + 3Hal2 = 2AlHal3 (Hal = Cl, Br, I).
3. S fluorem (při zahřátí) - fluoridem. 2Al + 3F2 = 2AlF3.
4. Síra (při zahřátí) - sulfid. 2Al + 3S = Al2S3.
5. S dusikem (při zahřátí) - nitridem. 2Al + N2 = 2AlN.
6. S uhlíkem (při zahřátí) - karbid. 4Al + 3C = Al4C3.

Sulfidy a karbidy hliníku může být plně hydrolyzován.

Reakce hliníku s komplexními látkami vypadají takto:

1. S vodou - po odstranění ochranného filmu. 2Al + 6H20 = 2Al (OH) ₃ + 3H2.
2. S alumináty alkalických kovů. 2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na [AI (OH) ₄ ] + 3H2.
3. S chlorovodíkovou a zředěnou kyselinou sírovou - se v nich rozpouští. 2Al + 6HCl = 2AlC13 + 3H2.
4. S kyselinovými oxidačními činidly, které tvoří rozpustné soli - rozpouští se v nich při zahřátí. 8A1 + 15H2S04 = 4Al2 (SO4) ₃ + 3H2S + 12H20.
5. S kovovými oxidy - obnovuje kovy z nich (aluminothermie). 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe.

Výroba

Až do konce 19. století nebyl hliník vyráběn v průmyslovém měřítku. Henri St. Clair Deville, jehož práce byla financována Napoleonem III (doufal, že použije materiál pro armádu), vynalezl první metodu průmyslové výroby kovu až v roce 1854. Podstatou metody bylo přeměnit hliník z dvojitého chloridu sodného a hliníku s použitím kovového sodíku. V roce 1855 byl vyroben první ingot, jehož hmotnost byla asi 7 kg. Během následujících 36 let tato metoda produkovala 200 tun hliníku. A to i přesto, že již v roce 1856 vyvinul stejný vědec novou metodu založenou na elektrolýze taveniny výše uvedeného chloridu.

V roce 1885 byla v městě Gmelingham (Německo) postavena závod na výrobu hliníku podle technologie Nikolaje Beketova. Tato metoda se nijak nelišila od toho, co vyvinul Deville, ale bylo to poněkud jednodušší. Byla založena na interakci mezi kryolitem a hořčíkem. Za pět let provozu rostlina vyrobila 58 tun hliníku - více než 25% světové produkce pro roky 1854-1890.

Metoda Hall - Eru byla začátkem moderní technologické a moderní výroby kovů. Od té doby se při vývoji elektrotechniky vyvinuly technologie výroby hliníku. Pozoruhodný příspěvek k rozvoji tohoto směru využili i ruští vědci: Bayer, Penyakov, Kuznetsov, Žukovský, Jakovkin a mnoho dalších.

V Rusku byla v roce 1932 postavena první továrna na výrobu hliníku ve městě Volkhov. V roce 1939 vyrobil metalurgický průmysl SSSR téměř 50 tisíc tun tohoto kovu ročně.

Druhá světová válka se stala motivací pro uvolnění mnoha materiálů, včetně hliníku. Takže do roku 1943 činila světová produkce téměř 2 miliony tun. Každý rok, i po skončení války, se toto číslo zvýšilo. V roce 1980 to bylo 16 milionů tun, v roce 1990 - 18 milionů tun, v roce 2008 - asi 40 milionů tun a v roce 2016 - téměř 60 milionů tun.

Hodnocení zemí, které vyrábějí hliník ve velkém množství, je následující:

1. Čína
2. Rusko
3. Kanada
4. Spojené státy.
5. Austrálie

Světová zásoba bauxitu je téměř neomezená a neslučitelná s dynamikou poptávky. V budoucnosti může být mnoho linek pro výrobu hliníku přeorientováno na výrobu například kompozitních materiálů. Cena tohoto kovu při dražbě světových komoditních burz za posledních deset let se pohybovala v rozmezí 1250-3300 dolarů za tunu.

Použití

Hliník je široce používán jako konstrukční materiál. Jeho hlavními přednostimi jsou lehkost, odolnost proti korozi, odolnost proti děrování, vysoké teplo a zdraví a neškodnost. Nedávné vlastnosti způsobily, že materiál byl velmi oblíbený při výrobě kuchyňského náčiní a lepícího filmu. Díky prvním třem vlastnostem se hliník stal hlavní surovinou pro letecký a letecký průmysl. Hlavní nevýhodou tohoto konstrukčního materiálu je jeho nízká pevnost. Pro kalení se obvykle používá ve slitinách s malým množstvím mědi a hořčíku (dural).

Hliník je v elektrické vodivosti 1,7krát nižší než měď, ale vzhledem k tomu, že jeho hustota je 3,3krát menší, potřebuje polovinu hmotnosti, aby získala přibližně stejný odpor. Kromě toho je hliník asi čtyřikrát levnější než měď. To je způsobeno rozsáhlým používáním tohoto materiálu v elektrotechnice (výroba a stínění vodičů) a mikroelektroniky (ukládání vodičů na povrchu mikroobvodů). Hlavní nevýhodou hliníku jako materiálu pro elektrotechniku ​​je tvorba silného dielektrického filmu na jeho povrchu. Komplikuje spárování a způsobuje ohřev spár, což snižuje kvalitu kontaktu a spolehlivost izolace. Chcete-li vyrovnat tuto funkci, použijte hliníkové vodiče s velkým průřezem.

Kromě toho se hliník používá v těchto směrech:

1. Šperky Samozřejmě, to je především doba, kdy byl hliník velmi drahý. Dnes se používá v klenotnictví a v Japonsku tento materiál nahrazuje stříbro při výrobě tradičních šperků.
2. Příbory. V tomto směru byl hliník použit v době Napoleona III., Ale i nyní je možné nalézt příbory z něj v restauracích.
3. Výroba skla. V této oblasti se používá fosfát, fluorid a oxid hlinitý.
4. Potravinářský průmysl. Tento kov je registrován jako potravinářská přídatná látka E173.
5. Vojenský průmysl. Vzhledem k nízkým nákladům a nízké hmotnosti hliníku se používá při výrobě pistolí a automatických strojů.
6. Raketová technologie. Hliník a jeho sloučeniny byly použity jako raketové palivo ve dvoukomponentních raketových palivech.
7. Energie. Hliník se používá jako sekundární nosič energie.

Hliník se používá jako redukční činidlo v následujících oblastech:

1. Jako součást směsí pro aluminothermii.
2. Jako redukční činidlo vzácných kovů z jejich oxidů a halogenidů.
3. V pyrotechnice.
4. S anodickou ochranou jako ochranou.

Používejte slitiny

Ne čistý hliník, ale slitiny na něm založené, se často používají jako stavební materiál.

Slitiny hliníku a hořčíku . Jsou charakterizovány kombinací vysoké plasticity, uspokojivé pevnosti, odolnosti proti korozi, dobré svařitelnosti a vysoké odolnosti proti vibracím. Nejčastěji v průmyslu používají slitiny, v nichž obsah hořčíku kolísá v rozmezí 1-5%. Čím vyšší je rychlost, tím spolehlivější je slitina. Každé procento dává dalších 30 MPa maximální pevnost.

Slitiny s obsahem až 3% hmotnostních hořčíku jsou strukturálně stabilní při normálních a zvýšených teplotách, a to i v tvrzeném stavu. S rostoucím obsahem hořčíku se stabilita snižuje. S nárůstem na 6% se korozní odolnost slitiny zhoršuje. Proto pro další zlepšení pevnostních charakteristik jsou systémy hliník-hořčík dotovány titanem, manganem, chromem, vanadiem nebo křemíkem. Vniknutí mědi a železa do těchto slitin je nežádoucí. To vede ke snížení svařitelnosti a odolnosti proti korozi.

Slitiny hliníku a manganu . Mají vysokou pevnost, tvárnost, zpracovatelnost, odolnost proti korozi a svařitelnost. V systémech hliníku a manganu jsou hlavními nečistotami železa a křemíku. Tyto prvky snižují rozpustnost manganu v hliníku. Pro získání jemnozrnné struktury jsou tyto slitiny legovány titanem. Dostatečné množství manganu zajišťuje stabilní strukturu tvrdého kovu při jakékoliv teplotě.

Slitiny hliníku a mědi . Podle svých mechanických vlastností v tepelně zesíleném stavu může tento systém vynechat nízkouhlíkové oceli. Takové slitiny jsou velmi technologické. Jejich jedinou nevýhodou je nízká odolnost proti korozi. Tento problém je řešen pomocí ochranných povlaků.

Jako legovací přísady se používá železo, hořčík, mangan a křemík. Hořčík především ovlivňuje vlastnosti slitiny, což výrazně zvyšuje mezní hodnoty výtěžnosti a pevnosti systému. Silikon zvyšuje schopnost slitiny uměle stárnout a železo s niklem - jeho tepelnou odolností. Spojování těchto systémů po uhasení zrychluje umělé stárnutí a také zvyšuje jejich odolnost vůči korozi a pevnost.

Slitiny hliníku, zinku a manganu . Vyhodnoceno pro vysokou pevnost a zpracovatelnost. Vysoké tuhnutí je dosaženo díky dobré rozpustnosti složek při zvýšených teplotách, které při ochlazování prudce klesají. Hlavním a velmi významným nedostatkem těchto systémů je jejich nízká odolnost proti korozi. Pro zvýšení tohoto indikátoru se používá dopování mědi. Také v 60. letech minulého století bylo zjištěno, že přítomnost lithia v systémech z hliníku, zinku a manganu umožňuje zpomalit přirozené a urychlit umělé stárnutí. Kromě toho lithium snižuje hmotnost slitiny a zvyšuje její pevnost.

Siluminas (slitiny hliníku a křemíku) jsou také používány v průmyslu, od kterého jsou odlity obaly všech druhů mechanismů a složité slitiny (dýchací cesty).

Toxicita

Při zodpovězení otázky o tom, co je hliník, stojí za zmínku toxicitu tohoto kovu. I přes širokou distribuci v přírodě je hliník mrtvou hmotou, tzn. Není používán živými bytostmi v metabolismu. Samotný kov má mírný toxický účinek, ale mnoho jeho anorganických sloučenin rozpustných ve vodě může mít škodlivý účinek na teplokrevné přežvýkavce a na člověka. Pro člověka mají tyto dávky sloučenin kovů (mg / kg tělesné hmotnosti) toxický účinek:

1. Acetát - 0,2-0,4.
2. Hydroxid - 3.7-7.3.
3. Alum - 2.9.

Při požití vodou působí sloučeniny hliníku na nervový systém, což může vést k závažným poruchám. Pozitivní je skutečnost, že akumulace kovu v těle brání mechanismu vylučování. Až 15 mg prvku lze vyloučit denně močí. Takže negativní účinek sloučenin hliníku může ovlivnit pouze lidi trpící poruchou funkce renálního vylučování.