Семінар

Тема: “Алюміній” температура плавління, вага, усадка

з поліграфічних матеріалів

учня группи Ко1

Науменко Ілля

Алюміній — сріблясто-білий легкий метал, добрий провідник тепла і електрики, пластичний, легко піддається механічній обробці.

Кристалічна структура і атомний радіус

Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну ґратку (просторова група Fm3m). Найближча відстань між двома атомами становить 2,863Å. Прийнятий період кристалічної ґратки алюмінію a = 4,0414 Å при кімнатній температурі^[6]. Кристалічна ґратка стабільна при температурах від 4К і до температури плавлення 933К. Параметр ґратки дуже слабо змінюється від наявності домішок.

Атомний радіус алюмінію визначений як половина між найближчими атомами-сусідами в кристалічній структурі і рівний 1,43Å. В кристалічній структурі алюмініюметалічний зв'язок.

Густина

Теоретична густина алюмінію обрахована за параметрами його кристалічної гратки становить 2,69872 г/см³. Експериментальні дані густини для полікристалічногоалюмінію 99,996% чистоти становлять 2,6989 (при 20 °C) г/см³, а для монокристалів — на 0,34% вище.

Так, густина розплавленого алюмінію чистотою 99,996% на 6,6% менше, ніж у твердого металу, і при температурі 973 К становить 2357 кг/м³ і майже лінійно знижується до 2304 кг/м³ при температурі 1173 К.

Термічне розширення

Коефіцієнт термічного розширення α відпаленого алюмінію чистотою 99,99% при температурі 293 К становить 23·10⁻⁶ і практично лінійно зростає до 37,3·10⁻⁶ К⁻¹ при температурі 900 К.

Теплопровідність

Теплопровідність повністю відпаленого алюмінію в твердому стані знижується з ростом температури від 2,37 (298 К) до 2,08 Вт·см⁻¹·К⁻¹ (933,5 К) і при температурах вище 100 К вона малочутлива до чистоти металу.

При нагріванні алюмінію і переході його з твердого стану в рідкий у нього різко зменшується теплопровідність: з 2,08 до 0,907 Вт·см⁻¹·К⁻¹, а далі з ростом температури вона збільшується і при температурі 1000 °C становить вже 1,01 Вт·см⁻¹·К⁻¹.

Електропровідність

Питомий опір алюмінію високої чистоти (99,99%) при температурі 20 °C становить 2,6548·10⁻⁸. Провідність алюмінію сильно залежить від його чистоти, причому вплив різних домішок залежить не тільки від концентрації цієї домішки, а й від того чи вона знаходиться в твердому розчині чи поза ним. Найбільш сильно підвищують опір алюмінію домішки хрому, літію, мангану, магнію, титану і ванадію. Питомий опір ρ (мкОм·м) відпаленого алюмінієвого дротика в залежності від вмісту домішок (%) можна приблизно визначити за наступною формулою:

ρ = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04(Ti + V + Cr +Mn)

При температурі 1,175 ± 0,001 К алюміній переходить в надпровідний стан.

Питомий опір алюмінію при переході з твердого стану в рідкий стрибком зростає з 11 до 24 МкОм·см.

Плавлення і кристалізація

Температура плавлення алюмінію дуже чутлива до чистоти металу і для високочистого алюмінію (99,996%) становить 933,4 К (660,3 °C), а температура початку кристалізації алюмінію за Міжнародною шкалою температур (1968 р.) вважається рівною 660,37 °C і використовується протягом десятків років для калібруваннятермопар. Підвищення зовнішнього тиску збільшує температуру плавлення алюмінію, і вона досягає 700 °C при тиску близько 100 МПа.

Температура кипіння алюмінію становить приблизно 2452 °C, прихована теплота плавлення чистого алюмінію — 397 Дж·г⁻¹, а прихована теплота випаровування 9462Дж·г⁻¹.

Питома теплоємність С_р алюмінію при 0 °C становить 0,90 Дж·г⁻¹·К⁻¹, зі збільшенням температури воні зростає і визначається рівнянням:

С_р = С₀ + bT,

де С₀ — теплоємість при температурі 0 °C; b = 2,96·10⁻³; T — температура, К.

Поверхневий натяг

Поверхневий натяг σ має максимальне значення при температурі плавлення і з ростом температури він знижується:

σ = 868 — 0,152(t — t_п),

де σ — поверхневий натяг, Н/м; t — температура, °C; t_п — температура плавлення алюмінію, °C.

В'язкість

В'язкість алюмінію при температурі плавлення становить 0,012 Па·с і збільшується при наявності навіть невеликого вмісту твердих включень, наприклад, оксиду алюмінію і нерозчинних домішок. З ростом температури в'язкість знижується. Легуючі добавки Ti, Fe, Cu збільшують, а Si і Mg знижують в'язкість сплаву.

Термодинамічні властивості

Основні термодинамічні властивості алюмінію в рідкому і твердому станах наведені в таблиці (температура в Кельвінах, теплоємність, ентропія і ентальпія в Дж·моль⁻¹·К⁻¹).

Термодинамічні характеристики алюмінію
Температура T	Теплоємність Cp	Ентропія S	Ентальпія H-H298
0	0,000	0,000	-4,580
200	21,59	19,14	-2,290
400	25,64	35,68	2,550
600	28,12	46,53	7,920
800	30,64	54,96	13,790
1000	29,31	73,29	30,620
1200	29,31	78,64	36,480
1400	29,31	83,15	42,340

' Алюміній належить до головної підгрупи третьої групи періодичної системи елементів, його порядковий номер — 13. Електронна конфігурація алюмінію — 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. На зовнішньому енергетичному рівні знаходиться три валентних електрони, тому в хімічних сполуках алюміній зазвичай трьохвалентий. Менш характерні ступені окиснення +1 і +2, можливі тільки вище 800 °C в 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⁺ (в дужках вказанні координаційні числа) 0,053 нм (4), 0,062 нм (5), 0,067 нм (6).

Алюміній — хімічно активний елемент. У електрохімічному ряді напруг він стоїть поруч з лужними і лужноземельними елементами. Його стандартний електродний потенціал рівний −1,67 В.

При звичайних умовах алюміній легко взаємодіє з киснем повітря і вкривається тонкою (2·10⁻⁵ см), але міцною оксидною плівкою Al₂О₃ (пасивація), яка захищає його від дальшого окислення, обумовлюючи цим високу корозійну стійкість, надає йому матового вигляду і сіруватого кольору. Однак при вмісті в алюмінію чи навколишньому середовищі ртуті, натрію, магнію, кальцію, силіцію, міді і деяких інших елементів міцність оксидної плівки і 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 фторомутворюючи 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 з сіркою даючи сульфід Al₂S₃. З фосфором при 500 °C утворює фосфід AlP. При взаємодії розплавленого алюмінію з бором утворюються бориди AlB₂, AlB₁₂. При 1200 °C алюміній реагує з вуглецем утворюючи карбід алюмінію Al₄C₃. В присутності розплавлених солей (кріоліт та ін.) ця реакція протікає при меншій температурі — 1000 °C

Вище 800 °C можуть утворюватись сполуки одновалентного алюмінію, наприклад

З рядом металів і неметалів алюміній утворює сплави, в яких містяться інтерметалічні сполуки — алюмініди, зазвичай досить тугоплавкі і володіють високою твердістю і жаростійкістю.

Завдяки утворенню оксидної плівки алюміній досить стійкий не тільки у відношенні 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 і лугами.

Він легко взаємодіє з розбавленими азотною і сульфатною кислотами:

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

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

Досить енергійно він роз'їдається також розчином NH₄OH.

Механічні властивості алюмінію в значній мірі залежать від кількості домішок в ньому, його попередньої механічної обробки і 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 прикладеного зусилля до лінійної деформації в межах пружньої 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 (V₀). Данні V/V₀ для алюмінію чистотою 99,999% наведені нижче:

Тиск, ·102 МПа	Об'ємний стиск V/V0	Тиск, ·102 МПа	Об'ємний стиск V/V0
5	0,9937	30	0,9650
10	0,9876	35	0,9597
15	0,9817	40	0,9546
20	0,9760	45	0,9497
25	0,9704

• 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;

• границя 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.