Физические и химические свойства алюминия
Алюминий (Al) — это лёгкий, прочный и стабильный металл, который занимает первое место по распространенности в земной коре среди других металлов и третье среди всех элементов периодической таблицы. За счёт сочетания лёгкости с прочностью, привлекательного вида и простоты обработки алюминий получил широкое применение в промышленности, строительстве, дизайне, а также других областях. Из его сплавов изготавливают практически все виды проката: листы, трубы, уголки, профили, проволоку, фольгу и пр. В этой статье мы подробно рассмотрим химические и физические свойства алюминия, чтобы определить, почему этот металл является одним из самых востребованных.
Физические свойства алюминия
Алюминий относится к легким металлам. Он отличается светлым серебристым оттенком, матовой фактурой. Среди его физических свойств можно выделить следующие:
- низкая температура плавления — около 660°C;
- малая плотность — 2,7 г/см3;
- высокая теплопроводность — 203,5 Вт/(м·К);
- низкое удельное электрическое сопротивление — (0,027 Ом·мм2/м);
- высокая электропроводность — 0,0265 мкОм·м;
- хорошая пластичность — от 35 до 50%.
Большая часть этих свойств обеспечивают одно из главных преимуществ алюминия: простоту литья, механической обработки. Металл можно раскатать в фольгу, он хорошо режется, полируется, сваривается, штампуется. Однако, в чистом виде его используют крайне редко. В основном — в составе сплавов. Разные легирующие добавки усиливают или нивелируют физические свойства Al, например, делают его прочнее или более устойчивым к коррозии.
Также среди физических характеристик алюминия:
- Разная степень очистки. Технический металл используют для получения сплавов, производства металлического проката, проводов, кабелей и различных проводников. Al высокой степени очистки применяется при изготовлении микросхем, деталей специального назначения.
- Электропроводность. Высокие показатели электропроводности обеспечили алюминию практически такое же широкое применение в сфере электротехнике, как меди. Этот показатель повышают с помощью длительного отжига.
- Теплопроводность. Чем больше чистота алюминия, тем большей теплопроводностью он обладает. Ухудшают это свойство легирующие добавки в виде марганца и магния, а повышают серебро и медь. Металл с хорошими показателями теплопроводности активно используется для производства автомобильных радиаторов, отопительных приборов.
Химические свойства алюминия
Алюминий в таблице Менделеева находится на 13 месте, впервые он был получен в 1825 году. Одним из основных химических свойств алюминия является устойчивость к коррозии. Под воздействием кислорода на поверхности металла образуется прочная оксидная плёнка, которая защищает его структуру от влаги и многих агрессивных веществ (например, кислот).
Разрушить эту плёнку можно с помощью сильно разбавленной азотной кислоты, щелочью в горячем состоянии или ртутью. В этих случаях оксидная пленка не является защитой, и металл вступает в реакцию с веществами. При разрушении пленки алюминий выступает как металл-восстановитель: он может выделять другие металлы из определённых соединений. Этот процесс называется алюминотермией.
Алюминий можно растворить в серной и соляной кислоте — так получают алюминиевые соли. В реакции с галогенами металл образует хлорид, бромид, иодид, с фтором — фторид, с серой — сульфид алюминия и пр.
В чистом виде металл полностью безопасен и не выделяет токсичных соединений, поэтому его широко используют в пищевой промышленности, а также для изготовления посуды, тары, фольги для продуктов.
Сферы применения алюминия с учетом его свойств
Физические и химические свойства алюминия обеспечили ему широкое применение во всех сферах промышленности. По размерам производства и потребления Al находится на первом месте среди цветных металлов. Рассмотрим подробнее, где именно он используется.
Производство различных видов транспорта
Сочетание лёгкости и прочности — одна из основных причин, почему алюминий так востребован в транспортной промышленности. Целью производства транспорта, особенно воздушного, является максимальное облегчение конструкции с одновременным сохранением свойств, присущих металлу: прочности, износостойкости.
Самолетостроение
Сейчас из алюминия состоят от 50% до 90% самолётов и космических кораблей. Из алюминиевых сплавов изготавливают фюзеляж, элементы каркаса, заклепки, крепежные детали, колеса шасси, несущие конструкции, лопасти пропеллеров, топливные трубопроводы и многое другое. Чаще всего в самолетостроении применяется сплав 7075, который состоит из алюминия с добавками цинка, магния и меди. По прочности он практически не уступает среднепрочным сталям, но по массе втрое легче.
Создание объектов космической техники
В ракетно-космической промышленности физико-технические свойства металла также высоко ценятся. На данный момент спрос на алюминиевые полуфабрикаты в мировой аэрокосмической отрасли приблизился к отметке 33,5 тысяч тонн, и эта цифра продолжает расти. Из металла изготавливают корпуса, топливные баки, трубопроводы, элементы систем жизнеобеспечения, силовые детали. Современные сплавы позволяют снизить вес ракет без потери прочности. Сейчас для производства космических шаттлов или спутников чаще всего используют марочный алюминий 2219.
Судостроение
Малый удельный вес в сочетании с коррозионной стойкостью сделали алюминий востребованным при изготовлении речных и морских судов. Как правило, для изготовления корпусов используют алюминиево-магниевые сплавы, которые демонстрируют хорошую устойчивость к коррозии как в пресной, так и в солёной морской воде. Высокая ремонтопригодность металла, прочность, устойчивость к вибрационным нагрузкам также являются большим плюсом при производстве судов. Из алюминиевых сплавов делают практически все виды водного транспорта — яхты, катеры, экранопланы, глубоководные аппараты и пр.
Железнодорожный транспорт
В производстве ж/д транспорта также ценится лёгкость, прочность, стойкость к внешним воздействиям и вибрационным нагрузкам. Поэтому металл активно применяется в этой сфере. Например, корпус вагонов электропоездов «Ласточка» и «Сапсан» сделаны именно из Al. Изначально алюминий оценили в качестве отличного материала для изготовления грузовых вагонов, поскольку его малый вес позволил увеличить полезную массу составов. Но постепенно он охватил и пассажирский сектор. Отмечается, что срок службы алюминиевых вагонов на 6 лет превышает аналогичный показатель стальных. Кроме того, химическая стойкость металла и отсутствие искрообразования позволяет транспортировать опасные вещества: кислоты, топливо.
Автомобильный транспорт
В автомобильной промышленности лёгкий металл также помогает снизить массу транспортных средств с минимальной потерей прочности. Из него изготавливают элементы обшивки кузова, бамперы, радиаторы систем охлаждения, колесные диски, части подвески и прочее. Во многих популярных автомобилях алюминиевые детали составляют не менее 60% массы кузова. При изготовлении общественного транспорта алюминиевые полуфабрикаты также служат в качестве элементов отделки салона. Например, полы часто покрывают рифлеными листами, которые обладают противоскользящими свойствами.
Применение алюминия в металлургии
В металлургической промышленности алюминий получил широкое применение за счёт таких физических и химических свойств как высокая тепло- и электропроводность, а также высокая активность: он является сильным раскислителем. По этой причине металл используется в качестве мощного восстановителя при производстве хрома, кальция, марганца. Al также обладает отличными литейными свойствами, поэтому отлично подходит для создания сложных форм и деталей.
Прочие области применения алюминия и его сплавов
- Строительство. Лёгкие конструкции из алюминиевых сплавов снижают нагрузку на фундамент, поэтому металл часто используется при создании каркасных конструкций, оснований под здания. Из него также делают различные внутренние элементы: профили для дверных и оконных проемов, подвесные потолки, стеновые панели, кровли и т.д.
- Нефтепереработка, химическая индустрия. Из металла изготавливают бурильное, насосное, компрессорное оборудование, а также различные трубы и сосуды, которые эксплуатируются под высоким давлением.
- Электротехника. Сюда относится кабельная продукция, шнуры, шины, каналы для прокладки кабелей, радиаторы-гребенки и пр.
- Фармацевтика. Химические соединения на основе Al способны усилить действие вакцин и препаратов для лечения различных заболеваний.
- Производство предметов быта. Это посуда, фольга, корпусы бытовой техники, различная тара и упаковочные изделия.
Физические и химические свойства алюминия сделали его одним из самых популярных металлов, без которого сложно представить многие сферы жизни. Это действительно уникальный по совокупности характеристик химический элемент. Заказать алюминиевые полуфабрикаты из разных сплавов можно в нашей компании: мы поставляем продукцию напрямую с заводов, поэтому гарантируем 100% качество и соответствие ГОСТ.
Источник фото: stock.adobe.com, freepik.com
вопросы?