Термодинамічні характеристики алюмінію

Алюміній належить до головної підгрупи третьої групи періодичної системи елементів, його порядковий номер – 13. Електронна конфігурація алюмінію – 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. На зовніш­ньому енергетичному рівні знаходяться три валентні електрони, тому в хімічних сполуках алюміній зазвичай тривалентий. Менш характерні ступені окиснення +1 і +2 можливі тільки вище 800 °C у газовій фазі. Енергія іонізації алюмінію Al⁰ → Al⁺ → Al²⁺ → Al³⁺ відповідно дорівнює 5,984, 18,828, 28,44 еВ.

Спорідненість до електрона 0,5 еВ. Електронегативність за Полінгом – 1,61, атомний радіус – 0,143 нм, йонний радіус Al³⁺ (у дужках указанні координаційні числа) – 0,053 нм (4), 0,062 нм (5), 0,067 нм (6).

Алюміній – хімічно активний елемент. У електрохімічному ряді напруг він стоїть поряд з лужними й лужноземельними елементами. Його стандартний електродний потенціал дорівнює – 1,67 В.

За звичайних умов алюміній легко взаємодіє з киснем повітря і покривається тонкою (2 · 10⁻⁵ см), але міцною оксидною плів­кою Аl₂О₃ (пасивація), яка захищає його від подальшого окис­лення, обумовлюючи цим високу корозійну стійкість, надає йому матового вигляду й сіруватого кольору. Однак при вмісті в алюмінію чи навколишньому середовищі ртуті, натрію, магнію, кальцію, силіцію, міді і деяких інших елементів міцність оксидної плівки та її захисні властивості різко знижуються.

При 25 °C алюміній реагує з хлором, бромом, йодом, утворю­ючи відповідно хлорид алюмінію AlCl₃, бромід алюмінію AlBr₃, йодид алюмінію AlI₃, при 600 °C – з фтором, утворюючи фторид алюмінію AlF₃.

Порошкоподібний алюміній при температурі вище 800 °C утворює з азотом нітрид алюмінію. При взаємодії атомарного водню з парами алюмінію при –196 °C утворюється гідрид (AlH)_x (x = 1, 2). Вище 200 °C алюміній реагує із сіркою, даючи сульфід Al₂S₃. З фосфором при 500 °C утворює фосфід AlP. При взаємодії розплавленого алюмінію з бором утворюються бориди AlB₂, AlB₁₂. При 1 200 °C алюміній реагує з вуглецем, утво­рюючи карбід алюмінію Al₄C₃. У присутності розплавлених солей (кріоліт та ін.) ця реакція протікає за меншої температурі – 1 000 °C

Вище 800 °C можуть утворюватись сполуки одновалентного алюмінію, наприклад

З рядом металів і неметалів алюміній утворює сплави, у яких містяться інтерметалічні сполуки – алюмініди, зазвичай досить тугоплавкі й володіють високою твердістю та жаростійкістю.

Завдяки утворенню оксидної плівки алюміній досить стійкий не тільки щодо повітря, а й води. З водою алюміній не взаємодіє навіть при нагріванні. Але коли оксидну плівку зруйнувати, алюміній енергійно взаємодіє з водою, витісняючи водень:

Алюміній має амфотерні властивості, він реагує з кислотами й лугами.

Також легко взаємодіє з розбавленими азотною й сульфатною кислотами:

;

Дуже розбавлені, а також дуже міцні HNO₃ і H₂SO₄ на алюміній майже не діють. Щодо ортофосфатної і оцтової кислот алюміній стійкий. Чистий метал також стійкий до хлоридної кислоти, але звичайний технічний у ній розчиняється.

У розчинах сильних лугів (NaOH, KOH) алюміній розчиня­ється з виділенням водню і утворенням алюмінатів:

Досить енергійно він роз’їдається також розчином NH<sub>4OH.

Механічні властивості

Механічні властивості алюмінію значною мірою залежать від кількості домішок у ньому, його попередньої механічної оброб­ки й температури. З збільшенням вмісту домішок міцнісні властивості алюмінію зростають, а пластичність зменшується, причому ці властивості проявляються навіть при невеликій зміні чистоти алюмінію від 99,5 до 99,00 %. При охолодженні нижче 120 К міцнісні властивості алюмінію, на відміну від більшості металів зростають, а пластичні не змінюються.

Основні механічні властивості алюмінію характеризуються такими показниками:

– модуль пружності (Юнга) E – відношення докладеного зусилля до лінійної деформації в межах пружної ділянки розтя­гу. Для алюмінію чистотою 99,25 % при кімнатній температурі він дорівнює 710 МН/м², а для алюмінію чистотою 99,98 % – тільки 670 МН/м²;

– стискуваність алюмінію характеризується зміною об’єму при високому тиску (V) до об’єму при нормальному тиску (V ₀). Дані V/V ₀ для алюмінію чистотою 99,999 % наведені в табл. 11.6;

Таблиця 11.6

Дані V/V ₀ для алюмінію чистотою 99,999 %

– твердість за Брінелем для відпаленого алюмінію становить 170 МПа, для холоднокатаного – 270 МПа;

– межа розтягу σ_р для відпаленого алюмінію становить 50 МПа, для холоднокатаного – 115 МПа;

– межа міцності σ_м – напруження, відповідне найбільшому навантаженню перед руйнуванням, при кімнатній температурі для алюмінію чистотою 99,99% становить 4,5; 99,8 % – 6,3; 99,7 % – 6,7; 99,6 % – 0,7 МН/м²;

– відносне видовження характеризує пластичність алюмінію і при кімнатній температурі для відпаленого алюмінію чистотою 99,5 % становить 45 %, а при чистоті алюмінію 99,99 % – 61 %, збільшуючись при температурі 427 °C до 131 %. Для холоднока­таного алюмінію відносне видовження становить 5,5 % при кімнатній температурі.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: