Aliuminis ir jo lydiniai

Home / Chemija / Aliuminis ir jo lydiniai

Įvadas

ALIUMINIS – vienas iš labiausia paplitusių žemės plutos elementų: trečias po deguonies ir silicio ir pirmas iš metalų. Jis yra vienas iš gausiausių žemės plutos elementų ir sudaro 7,9% jos masės. Aliuminis gerai praleidžia šiluma ir elektros srovę: Jo elektrinis laidumas lygus maždaug 2/3 vario elektrinio laidumo. Aliuminis labai plastiškas Aliuminis yra sidabriškai baltos spalvos. Jis priklauso prie lengvųjų metalų – 2700 kg/m3. Lydymosi temperatūra yra gana žema (6590C); aliuminio folija lengvai lydosi degtuko liepsnoje.

Cheminėse reakcijose aliuminis atiduoda tris išorinio ssluoksnio elektronus ir virsta teigiamuoju jonu Al+3, turinčiu tris krūvio vienetus. Todėl aliuminio oksidacijos laipsnis jo patvariuose junginiuose yra +3.

Įtampų eilėje aliuminis yra arti šarminių ir šarminių žemės metalų ir turėtų būti chemiškai aktyvus metalas. Ar tam neprieštarauja kasdieninė patirtis? Juk aliuminio induose kasdien virinamas vanduo ir verdamas maistas, ir niekas tiems indams neatsitinka. Susidaro įspūdis, kad nei deguonis, nei vanduo net ir virdamas, neveikia aliuminio.

Šio prieštaravimo priežastį padės išsiaiškinti bandymas. Nuožulniai įtvirtiname stove aliuminio vielą ir kaitiname apatinį jos ggalą degiklio liepsna . Įkaites vielos galas staiga nulinksta žemyn. Įsižiūrėjus galima pamatyti, kad aliuminio viela apsitraukė pusiau skaidria plėvele, kurios viduje išsilydęs aliuminis,blizgėdamas kaip sidabras, srūva žemyn ir išpučia apatinį plėvelės galą. Plėvelę sudaro aliuminio oksidas. Vadinasi, kaitinamas ore, aaliuminis neužsidega, bet oksiduojasi iš paviršiaus ir virsta aliuminio oksidu Al2O3:

4Al + 3O2=2 Al2O3 + Q

Aliuminis jungiasi su atmosferos deguonimi ir normalioje temperatūroje. Jo paviršiuje tuoj pat susidaro plonytė, bet labai tanki aliuminio oksido plėvelė. Ji beveik nepraleidžia dujų ir apsaugo metalą nuo tolimesnio oksidavimosi.

Skutant aliuminį,nuo jo paviršiaus, be abejo, pašalina ir apsauginė plėvelė, bet vietoj jos tuoj pat susidaro pažeistame paviršiuje naujas oksido sluoksnis. Tirpinant aliuminį reagentuose, kurie neveikia jo oksido, pavyksta izoliuoti plėvelę plonyčių skaidrių plėvelių pavidalu.

Kad apsauginė plėvelė tikrai yra, galima įrodyti dar taip. Jei gabaliuką aliuminio panardysime į gyvsidabrį ir keliuose vietose aliuminį įbrėšime dilde, tai įbrėžimuose susidarys aliuminio amalgamas – jo lydinys su gyvsidabriu. Amalgamuotame aliuminio paviršiuje oksido plėvelė nesilaiko ir atšoka. Netekęs aapsauginio sluoksnio, išimtas iš gyvsidabrio aliuminis greitai oksiduojasi, virsdamas baltu puriu aliuminio oksidu.

Dabar lengva paaiškinti aliuminio pasyvumą vandens atžvilgiu. Aliuminis nereaguoja su vandeniu todėl, kad dengianti jo paviršiu oksido plėvelė netirpsta vandenyje.

Jeigu šia plėvelę pašalinsime, nugramdydami aliuminį gyvsidabryje, ir po to panardinsime aliuminį į vandenį, tai jis energingai reaguos su vandeniu, išstumdamas iš jo vandenilį:

2Al + 6H2O=2Al(OH)3 + 3 H2

Aliuminio oksidas ir hidroksidas pasižymi amfoterinėmis savybėmis. Jie tirpsta rūgštyse, leisdami rūgščiai prieiti prie metalinio aliuminio.

Su koncentruota azoto rūgštimi, skirtingai negu ssu praskiesta, aliuminis normalioje temperatūroje nereaguoja. Todėl koncentruota azoto rūgštis laikoma aliuminio induose ir pervežama aliuminio cilindruose.

Įkaitintas aliuminis reaguoja su daugelio metalų oksidais, jų tarpe ir su geležies oksidais. Pastaruoju atveju susidaro geležis ir aliuminio oksidas:

8Al + 3Fe3O4=9Fe + 4Al2O3 + 3241kJ

Taigi aliuminis priklauso prie chemiškai aktyvių metalų ir jų tarpe užima vietą tuoj po šarminių ir šarminių žemės metalų.

Aliuminis gaunamas iš aliuminio rūdų: boksito, kaolinito, korundo.Gamtoje aliuminis randamas tik junginiuose. Svarbiausia mineralų grupė – putnagai. Tai vieni iš aliumosilikatų, kurie sudaro apie 50% Žemės plutos masės.

Aliuminis – vienas iš lengviausių metalų, jo lydiniai labai tvirti, nors grynas aliuminis yra gan trapus. Jis geras elektros ir šilumos laidininkas.

Aliuminio istorija

Nors aliuminis yra vienas iš gausiausių žemės plutos metalų ir sudaro net 7,9% žemės plutos masės, gamtoje jis egzistuoja tik kaip labai pastovūs junginiai su kitomis medžiagomis. Dėl šios priežasties aliuminis buvo atrastas ir pavadintas dabartiniu vardu tik 1808m. Prireikė daug metų, kad būtų atrasti būdai kaip išgauti aliuminį.

1808 m. seras Humpris Deividas (Humphry David) nustatė aliuminio egzistavimo faktą ir pavadino metalą.

1821 m. prancūzas P. Bertris (P. Berthier) atrado kietą, rausvą, panašią į molį medžiagą, kurios 52% sudarė aliuminio aksidas. Ši medžiaga buvo rasta netoli Los Baux miestelio ppietų Prancūzijoje ir pavadinta boksitu – pačia dažniausia aliuminio rūda.

1825 m. danas Hansas Kristianas Erstedas (Hans Christian Oersted) pirmasis išgavo aliuminį, nors šis ir nebuvo grynas. Mokslininkas pro įkaitintą ir su anglimi sumaišytą Al2O3 leido chloro dujas ir gavo bevandenį aliuminio chloridą. Kaitindamas AlCl3 su kalio amalaga gavo aliuminio amalagą, iš kurios išgarinęs gyvsidabrį pamatė pilkus miltelius – aliuminį.

1827 m. vokiečių chemikas Frydrichas Vėleris (Friedlich Wöhler) išgavo gryną aliuminį. 1845 m. jis nustatė aliuminio tankį ir vieną iš jo savybių – lengvumą.

1854 m. prancūzas Henris Devilas (Henri Saite-Claire Deville) patobulino Vėlerio metodą gaminti aliuminį komercinui būdu. Metalo kaina, buvusi aukštesnė už aukso ir platinos, nukrito 90% tik per 10 metų.

1855 m. aliuminio luitų gabalai buvo eksponuojami kaip labai brangūs metalai.

1885 m. amerikietis Hamiltonas Y. Kaseris (Hamilton Y. Cassner) patobulino Devilo metodą. Aliuminio gamyba išaugo iki 15 tonų per metus.

1886 m. du niekam nežinomi jauni mokslininkas, prancūzas Paulas Luisas Tosantas Heraultas (Paul Louis Toussaint Héroult) ir amerikietis Čarlis Martinas Halas (Charles Martin Hall), dirbdami atskirai ir nežinodami apie viens kito darbą, vienu laiku išrado naują elektrinį procesą, kuris yra dabartinio aliuminio gamybos proceso pagrindas. Jie atrado, kad jei jie ištirpdys aliuminio ooksidą vonioje su išlydytu kriolitu C.M. Hall ir paleis stiprią elektros srovę per ją, išlydytas aliuminis atsiras vonios paviršiuje.

1888 m. atsirado pirmosios aliuminio gamybos kompanijos Prancūzijoj, Šveicarijoj ir Amerikoj.

1900 m. aliuminio gamyba per metus padidėjo iki 8 tonų.

1913 m. aliuminio gamyba per metus padidėjo iki 65 tonų.

. 1920 m. aliuminio gamyba per metus padidėjo iki 128 tonų.

P. Héroult 1938 m. aliuminio gamyba per metus padidėjo iki 537 tonų.

1946 m. aliuminio gamyba per metus padidėjo iki 681 tonų.

1999 m. aliuminio gamyba per metus tapo 24 mln. tonų.

Aliuminis išgaunamas dar tik 146 metus ir jis dar labai jaunas metalas. Žmonija varį, alavą naudoja tūkstančius metų, bet aliuminio pagaminama daugiau negu visų kitų negeležininių metalų.

Aliuminio radimas ir gamyba

Aliuminio rūda, daugiausia boksitas, yra randama tropinėse ir subtropinėse srityse: Afrikoje, Vakarų Indijoje, pietų Amerikoje ir Australijoje. Be to yra ir keletas aliuminio rūdų radinviečių Europoje.

Nuo keturių iki šešių tonų boksito reikia, norint pagaminti vieną toną gryno aliuminio metalo.

1884 m, kai Vašingtono (Washington) monumento viršutinė dalis buvo uždengta aliumininiu stogeliu, aliuminis tebebuvo pusiau brangus metalas. Jį naudojo juvelyriniams ir dailės dirbiniams. Bet vos po dviejų metų situacija pasikeitė. 1866 m Charles Martin Hall iš JAV ir

Paul Heroult iš Prancūzijos viens nuo kito nepriklausomai surado ekonomiškai priimtiną būdą gaminti aliuminį iš Al2O3 elektrolizės būdu.

Aliuminio gamybos būdas yra puikus pavyzdys, kaip cheminiai dėsningumai panaudojami praktikoje. Svarbiausioji aliuminio rūda – boksitas – turi savyje Fe2O3 priemaišų, kurias būtina pašalinti. Gryninant boksitą pasinaudojama tuo, kad Al2O3 yra amfoterinis oksidas, todėl tirpsta NaOH(aq) tirpale. Fe2O3 šarmų tirpaluose netirpsta.

Al2O3(k) + 2 OH-(aq) + 3 H2O→ 2 [Al(OH)4]-(aq)

[Al(OH)4]- tirpalą silpnai parūgštinus arba praskiedus vandeniu susidaro Al(OH)3(k) nnuosėdos. Kaitinamas Al(OH)3 skyla ir susidaro grynas Al2O3.

Al2O3 lydosi labai aukštoje temperatūroje (2020 °C), o išlydytas yra mažai laidus elektrai. Hall ir Heroult surado tinkamą tirpiklį, kuris lydosi žemesnėje temperatūroje, yra laidus elektrai ir neblogai tirpina Al2O3. Toks tirpiklis yra mineralas kriolitas, kuriame maždaug 1000 °C temperatūroje ištirpsta iki 15% (masės) Al2O3. Nuo to laiko aliuminis gaminamas elektrolizuojant maždaug 950 °C temperatūros Al2O3 tirpalą išlydytame kriolite. Taip gaunamas 99,6-99,8% grynumo aliuminis.

Aliuminio panaudojimas

Aliuminis naudojamas aviacijoje, mechanikoje, elektrotechnikoje, vvirtuvės rakandams. Platų aliuminio panaudojimą lemia jo tvirtumas ir lengvumas. Prieš elektrolizės atradimą aliuminis buvo naudojamas tik dekoratyvinėms detalėms: dažniausia papuošalam.

Aliuminio panaudojimas maisto gamyboje nėra labai saugus. Mes galime saugiai naudoti aliumininius puodus ir įrankius su rūgščiu maistu, pavyzdžiui pomidorais, rrabarbarais, vaisiais. Bet reikia vengti aliuminio kontaktų su šarminiais produktais, nes aliuminis su jais gali sureaguoti.

Aliuminis naudojamas mažiems konteineriams gaminti. Jis gali būti naudojamas gaiviųjų gėrimų skardinėms. Jas ne tik lengva naudota, bet jos lengvai perdirbamos ir neteršia aplinkos.

Aliuminis naudojamas ir kaip elektros laidininkas. Ypač daug jo naudojama aukštos įtampos trasose, kur aliuminio lengvumas yra labai vertinamas.

Aliuminio folija pakeitė alavinę foliją, kuri buvo naudojama maisto produktams pakuoti ir virtuvės reikmėms. Aliuminio folija daug pigesnė, bet jos cheminės savybės labai geros. Grynas aliuminis gali būti iškočiotas iki 0,00127mm storio.

Aluminio pjuvenos gali būti naudojamis dažams, kaip pigmentas. Šie dažai yra puiki antikorozinė medžiaga geležiai ir kitiems metalams.

Aliuminis naudojamas veidrodžiams ir kuria gražesnį atspindį negu sidabras. Daugelis veidrodžių yra dviejų paviršių, kur mmetalą dengia stiklas. Metalui dažniausia naudojamas aliuminis. Sidabras ir plona amalagma buvo naudojami senesniais laikais, bet jie nebuvo tokie tvirti ir ilgalaikiai. Dideli atspindintys teleskopai turi vieno paviršiaus veidrodžius ir aliuminis jiems labai dažnai naudojamas. Kai kurie teleskopai yra aliumininami kas penkis metus.

Plačiai aliuminis buvo naudojamas dar prieš Antrąjį Pasaulinį karą. Aliuminis buvo puiki žaliava aviacijai po to, kai buvo išstumti medžio gaminiai.

Dabar aliuminis visdar vartojamas daugely sričių.

Aliuminis ir jo tara

Aliuminis naudojamas maisto pakavimui, jo kokybės palaikymui. DDažnai aliuminio folija naudojama kepiniams kepti.

Aliuminis ir elektra

Aliuminio didelis laidumas daro jį puikia medžiaga elektros linijoms. Aliuminio kabelių naudojimas sumažina energijos praradimą, todėl saugo elektros energiją.

Aliuminis oro pramonėje

Aliuminis labai plačiai naudojamas aviacijos pramonėje. Standartiniam boingui 747 reikia apie 75,000 kilogramų aliuminio. Dėl to, kad metalas atsparus korozijai, kai kurios kompanijos net nedažo savo lėktuvų ir sumažina jų svorį.

Ekologija

Aliuminis gyvuosiuose organizmuose

Aliuminio yra augalų ir gyvūnų audiniuose. Daugelio augalų sausojoje masėje jo yra apie 0,02%. Mažos aliuminio dozės skatina augalų augimą, didina azoto junginių ir angliavandenių kiekį derliuje. Aliuminio perteklius (ypač rūgščiose dirvose) trukdo fosforui ir kitiems elementams patekti į augalus, mažina azoto junginių ir angliavandenių kiekį derliuje.

1 kg gyvūnų gyvosios masės būna apie 1,6 – 16,0 mg aliuminio. Jis kaupiasi kepenyse, kasoje, inkstuose, kraujyje, skydliaukėje, blužnyje. Per dideli aliuminio kiekiai sunkina fosfatų įsisavinimą, mažina eritrocitų bei hemoglobino kiekį. Aliuminio dulkės dirgina kvėpavimo takus, trukdo kvėpuoti.

Medicinoje vartojami kai kurie aliuminio junginiai. KAl(SO4)2•12H2O krešina kraują, stabdo kraujavimąiš smulkių kapiliarų, Al(OH)3 ir Al2O3 yra viena pagrindinių pastų ir tepalų sudedamųjų dalių.

Aliuminio perdirbimas

Beveik viskas, kas pagaminta iš aliuminio, gali būti perdirbta be jokio medžiagos nuostolio.

Keletas aliuminio perdirbimo faktų:

• Perdirbdami vieną kilogramą aliuminio mes galime išsaugoti apie 8 kilogramus boksito, keturis kilogramus chemikalų ir 114 kilovatų elektros.

• Viskas, kas padaryta iš aliuminio gali būti perdirbtas: ne tik skardinės, bet ir folija, lėkštės, įrankiai, langų rėmai,

sodo baldai. Perdirbus šiuos daiktus juos galima padaryti darkart.

• Panaudotos skardinės į parduotuvių lentynas sugrįžta po 6-8 savaičių tuose miestuose, kurie turi perdirbimo fabrikus.

• Aliuminio skardinės perdirbamos 100%: nelieka jokių išmetamų liekanų.

Aliuminis: nuo kasybos iki perdirbimo fabriko

Aliuminio žymėjimas ir jo lydiniai

Aliumnio lydiniai

Aliuminis naudojamas lydiniams. Dažniausia naudojami duraliuminis ir siluminas.

¤ Sudėtis: 90-95% Al, 1,4-13% ¤ Sudėtis:>85% Al, ~14% Si;

iki 2,8% Mg, iki 1% Mn, iki legiruojamas Cu, Mn, Zn, Be.

6% Si, ~7%Zn. Kad būtų stipresnis, plastiškesnis,

¤ Savybės: lengvas, stiprus, dedama Na ir P.

plastiškas. ¤ Savybės: atsparus korozijai

¤ Naudojimas: automobilių, iš jo lengva lieti detales.

aviacijos pramonė, mašinų ¤ Naudojimas: įv. prietaisų

gamyba korpusams, lėktuvų detalėms,

¤ Pavadinimas kilęs iš Vokietijos vidaus degimo variklių blokams.

miesto Diureno pavadinimo. Jame

buvo pradėta pramoninė lydinio gamyba .

Daugelis aliuminio turinčių mineralų yra vertingi. Korundas kietumu prilygsta deimantui, todėl iš jo gaminami šlifavimo, galandimo įrankiai. Skaidrios spalvos korundo atmainos – rubinas ir safyras – yra brangaakmeniai. Kiti brangaakmeniai – smaragdas, akvamarinas, aleksandritas – yra aliuminio ir berilio mineralai.

Grynas aliuminis kaip konstrukcinė medžiaga nenaudojamas, nes jis per minkštas. Svarbiausi aliuminio lydiniai – duraliuminis ir ssiluminas. Duraliuminis, arba diuralis, – aliuminio lydinys, turintis 4% vario ir nedaug mangano ir silicio priemaišų. Duraliuminio lakštas išvaizda nesiskiria nuo gryno aliuminio lakšto, tačiau lenkiant duraliuminis kietesnis ir elastingesnis, negu grynas aliuminis. Duraliuminis kietumu ir tvirtumu tolygus minkštam plienui. Jis turi didelį aliuminio plastiškumą, ir todėl duraliuminį lengva apdoroti slėgiu – valcuoti, kalti, štampuoti. Tačiau duraliuminio negalima lieti. Liejimui tinkamas lydinys – siluminas – aliuminio lydinys, turinti 12 – 13% silicio. Siluminas ne tiek tvirtas kaip duraliuminis ir dėl menko suslūgimo kietėjant iš jo gaminami labai sudėtingi liejiniai.

Duraliuminis buvo atsitiktinai atrastas 1909 metais, o siluminas buvo pirmą kartą išstatytas automobilių parodoje Berlyne 1921 metais.

Aliuminio lydiniai koroduoja kur kas lengviau, negu grynas aliuminis. Todėl duraliuminio lakštai automobilių, indų gamybai ir kita dažnai plakiruojami iš vienos arba iš abiejų pusių – pritvirtinami ploni gryno aliuminio lakštai.

Siekiant labai padidini plieno ir ketaus gaminių atsparumą karščiui, jie alituojami – gaminių paviršius prisotinimas aliuminio. Tada paviršiuje susidaro geležies ir aliuminio lydinys. Veikiant dideliam karščiui, alituoto gaminio paviršiuje vietoj purių geležies oksidų atsiranda tanki aliuminio oksido pievelė, stabdanti oksidacijos gilyn.

Aliuminis ir jo lydiniai suvirinami ir lituojami, naudojant elektros lanką argono ir atmosferoje arba po storu fliuso sluoksniu; naudojamas ir ultragarsinis lituoklis, kuris mechaniškai suardo oksido

plėvelę.

Aliuminio (~ 90%) lydiniai u siliciu, magniu, variu, cinku, manganu,chromu,beriliu, ličiu, kadmiu, ceriu. Aliuminio lydiniai yra stipresni negu grynas aliumini, 2,56 – 3 kartus lengvesni už plieną,pakankamai laidūs elektrai ir šilumai, lengvai apdirbami mechaniškai. Skirstomi į liejamuosius ir deformuojamuosius. Iš liejamųjų aliuminio lydinių dažniausiai natriu modifikuoti siluminai (aliuminio ir 5 – 13% silicio lydiniai). Iš didelio ir vidutinio stiprumo aliuminio lydinių liejamos fasoninės lėktuvų, automobilių detalės (variklių stūmokliai, cilindrų blokų galvutės, karteriai). Jų liejimo temperatūra 680 – 7800 C. DDeformuojamųjų aliuminio lydinių dažniausi priedai – varis, magnis, manganas, daugiausia vartojami duraliuminiai (Al-Cu-Mg-Mn), avialiai (Al-Mg-Si-Cu), superduraliuminiai (Al-Si-Cu-Mg-Mn). Juos galima kalti,štampuoti, valcuoti ir kitaip deformuoti. Iš deformuotųjų gaminami daugiausia pusfabrikačiai (strypai, lakštai, vamzdžiai, viela, folija, kaltiniai). Deformuojamieji aliuminio lydiniai gali būti termiškai stiprinami: grūdinami nuo 1900 C temperatūroje; taip sustiprinti lydiniai vartojami daugiausia lėktuvams. Iš termiškai nestiprių aliuminio lydinių gaminamos laivų, lėktuvų, raketų,vagonų, šaldytuvų,suvirinamų rezervuarų ir vamzdynų detalės. Yra dar deformuojamųjų sukepusių miltelinių- keraminų aliuminio lydinių, jie gaminami purškiant išlydytą techniškai ggryną aliuminį ar jo lydinį ir briketuojant susidariusius miltelius.šie aliuminio lydiniai atsparūs kaitrai (300-5000 C), ypač atsparūs korozijai. Labai stiprūs, neplastiški. Pirmieji aliuminiio lydiniaisukurti XIX a. Iš pradžių vartoti palyginti nestiprūs, nelabai atsparūs korozijai siluminai . XX amžiaus pradžioje sukurti aaliuminio – vario lydiniai; juos legiravus magniu ir manganu, gauti duraliuminiai tuo pat metu sukurti modifikuoti siluminai, avialis, superduraliuminis.

Žymėjimas

Europoje aliuminis ir jo lydiniai žymimi pagal standartus: EN 1780-1, EN1780-2, EN1780-3.

Techniškai grynas aliuminis pagal standartą LST EN 573 žymimas raidėmis Al ir skaičiais, rodančiais aliuminio kiekį. Pavyzdžiui, Al 99,99 yra 99,99 % Al, Al 99,5 yra 99,5 % Al.

Rusijoje techniškai grynas aliuminis žymimas raide A ir skaičiais, rodančiais, keliomis procento dalimis aliuminis yra grynesnis kaip 99 %; pavyzdžiui, užrašas A99 atitinka 99,99 % Al, A95 – 99,95 % Al, A5 – 99,5 % Al, A0 – 99,0 % Al. Deformuojamasis komercinis aliuminis žymimas raidėmis AD. Jei jis sukietintas šaltai deformuojant, markės pabaigoje rašoma raidė H („нагартованный“). Kai norima pažymėti, kkad aliuminis nesukietintas, markės pabaigoje rašoma raidė M („мягкий“). Kai aliuminis pusiau kietintas, markės pabaigoje rašoma raidė П. Deformacinis sukietinimas stiprumą adidina iki dviejų kartų. adidina iki dviejų kartų.

7.1 pav. Aliuminio A99,2 (0,8 % Mg) mikrostruktūra (tamsūs taškai – titano karbido intarpai aliuminyje), padidinta 200 kartų

Aliuminio stiprumas gerokai padidėja, sulydžius jį su kitais elementais. Pagrindiniai aliuminio lydinių legiravimo elementai yra varis, magnis, silicis, manganas ir cinkas. Daugelis šių elementų su aliuminiu sudaro kietuosius tirpalus. Jie taip pat gali ssudaryti intermetalinius junginius (CuAl2, Al3Mg, Mg2Si). Aliuminio lydiniai skirstomi dvejopai: pagal produkcijos gamybos būdą (į deformuojamuosius ir į liejamuosius) ir pagal terminį apdorojimą (į termiškai stiprinamuosius ir į termiškai nestiprinamuosius).

Termiškai nesustiprinti deformuojamieji lydiniai gaunami sulydžius aliuminį su manganu (1–1,6 %) arba magniu (iki 7 %). Šie lydiniai yra plastiški, lengvai deformuojami, gerai suvirinami, šiek tiek atsparesni korozijai už komercinį aliuminį, tačiau nelabai stiprūs. Šių lydinių ruošiniai – lakštai, strypai, vamzdžiai, įvairūs profiliai bei kaltiniai – tinka laivų bei mažų valčių konstrukcijose, buitiniams gaminiams, statyboje (langų ir durų rėmams, rezervuarams, stogo dangoms ir kitoms įvairioms konstrukcijoms). Rusijoje deformuojamieji termiškai nestiprinamieji Al-Mn lydiniai žymimi raidėmis AМц, o Al-Mg lydiniai – AMг1-AMг6 (skaičius rodo vidutinį magnio kiekį procentais).

Būdingiausia deformuojamųjų termiškai stiprinamų aliuminio lydinių grupė yra duraliuminiai (taip pavadinti pagal juos gaminti pradėjusią „Durenmetal“ gamyklą). Tai aliuminio lydiniai su variu (3,8–4,8 % ), magniu (0,6–1,5 %) ir manganu (0,4–0,8 %). Į jų sudėtį gali įeiti ir kitų priemaišų (pavyzdžiui, struktūrai susmulkinti – 0,1 % titano ). Grūdintasis duraliuminis yra plastiškas, ilgainiui jo stiprumas didėja. Grūdinimo metu užsifiksuoja persotintojo kietojo tirpalo vienfazė struktūra. Grūdintojo ir sendintojo duraliuminio tempimo stiprumo riba sudaro maždaug 440 MPa, t. y. prilygsta plieno Cт3 stiprumui. Technologinio duraliuminio kokybė yyra prasta: sunkiai liejamas, deformuojamas tik nedideliais greičiais, suvirinant trūkinėja, grūdinant tenka laikytis siauro įkaitinimo temperatūros intervalo (pavyzdžiui, 500 ± 5º C).

7.2 pav. Duraliuminio AlCu4Mg1 (4,4 % Cu, 0,6 % Mn, 1,5 % Mg) mikrostruktūra, padidinta 500 kartų

Aliuminio lydiniai Europoje gali būti žymimi ir cheminiais simboliais (pavyzdžiui, duraliuminis – AlCu4Mg2, AlCu4Mg1).

JAV deformuojamieji aliuminio lydiniai žymimi keturženkliu skaičiumi: pirmasis skaitmuo rodo lydinio tipą ir pagrindinį legiravimo elementą (1 – techniškasis aliuminis, 2 – lydinys su variu, 3 – lydinys su manganu, 4 – lydinys su siliciu, 5 – lydinys su magniu, 6 – lydinys su magniu ir siliciu, 7 – lydinys su cinku, 8 – lydinys su kitais elementais); antrasis skaitmuo rodo specifinę lydinio modifikaciją; trečiasis ir ketvirtasis – arba aliuminio grynumą, arba lydinio porūšį (numerį). Rusijoje duraliuminis žymimas raide D ir skaičiumi (pavyzdžiui, D1, D16). Rusiškąjį duraliuminį D16 atitinka JAV 2024 markės lydinys. Rusijoje ir JAV kietintųjų lydinių markės pabaigoje rašoma raidė H, o termiškai apdorotų – T, tačiau įvairios terminio apdirbimo rūšys šiose šalyse žymimos skirtingais skaitmenimis, pavyzdžiui, grūdintasis ir sendintasis lydinys Rusijoje žymimas T1, o JAV – T4.

34

Aviakonstrukciniai elementai iš duraliuminio dažniausiai jungiami kniedėmis. Korozijos atžvilgiu geriausiai tiktų kniedės iš tos pačios markės dduraliuminio, tačiau jas tektų naudoti tuoj po grūdinimo, nes sendinimo inkubacinis periodas labai trumpas, ir gana greitai sumažėja jų plastiškumas. Todėl kniedės daromos iš lydinių, kuriuose mažiau pagrindinių kietinimo elementų, t. y. magnio arba vario. Tai lydiniai B65 (4,2 % Cu; 0,2 % Mg), B94 (2,1 % Cu; 1,4 % Mg; 6,4 % Zn; 0,1 % Ti).

7.3 pav. Silumino AlSi19 (19 % Si, 0,6 % Cu, 0,4 % Mn, 1% Mg) mikrostruktūra, padidinta 100 kartų

Liejamieji aliuminio lydiniai naudojami fasoniniams liejiniams, todėl turi būti mažo subėgimo, gerai užpildyti formą, lengvai apdirbami pjovimo būdu ir pakankamai stiprūs bei atsparūs korozijai, neturi turėti polinkio karštiems liejimo įtrūkimams ir porėtumui. Pagrindiniai jų legiravimo elementai – silicis, varis, magnis, kartais manganas, titanas, nikelis ir berilis.

Europos Sąjungos standarte EN 1706 nurodytos liejamojo aliuminio lydinių markės, kurios sudarytos iš lydinio komponentų raidžių simbolių ir skaičių, rodančių tų elementų kiekį procentais. Pavyzdžiui, AlSi12 lydinys turi iki 12 % Si; AlSi5Cu3 – iki 5 % Si ir iki 3 % Cu.

Liejamieji aliuminio lydiniai Rusijoje žymimi raidėmis AЛ ir numeriu, o JAV – triženkliu skaičiumi, kurių pirmasis skaičius rodo pagrindinį legiravimo elementą (1 – Cu, 2 – Mg, 3 – Si, 6 – Zn, 7

– Sn). Tačiau galimi ir kitokie žymėjimai.

ALIUMINIO OKSIDAI

Al2O3, molžemis, aliuminio junginys su deguonimi , yra baltos spalvos miltelių pavidalo medžiaga. Jis sunkiai lydosi 20500C temperatūroje, labai kietas. Gamtinis aliuminio oksidas – mineralas korundas yra viena kiečiausių gamtoje randamų medžiagų; už jį kietesnis tik deimantas. Iš aliuminio oksido daromi šlifavimo diskai, galąstuvai ir t.t. ir kitiems gaminiams pjauti, šlifuoti ir poliruoti.

Korundas yra labai kietas todėl, kad sudarantieji jo gardelę jonai Al+3 ir O-2 dėl didelių krūvių stipriai taukia vienas kitą. <

Aliuminio oksidas netirpsta vandenyje ir nereaguoja su juo. Aliuminio oksidas yra amfoterinis,vandenyje netirpstantis junginys. Su rūgštimis reaguoja kaip bazinis oksidas – tirpsta rūgščių tirpaluose, sudarydamas aliuminio druskas, pvz.:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O

Žinomos 3 aliuminio oksido kristalinės modifikacijos: , nepatvari  ir .

Gamtoje randamas bespalvis alfa aliuminio oksidas (korundas) ir spalvotas nuo priemaišų (rubinas, safyras). Korundo kristalai heksagonalinės sistemos, kietumas (pagal Mosą) 9, tankis 3960 kg/m3. Kaitinant aliuminio druskas 600 – 900C temperatūroje, gaunamas hidroskopiškas gama aliuminio ooksidas. Jo kritalai kubinės sistemos, tankis 3500 kg/m3. 900 -1200C temperatūroje gama aliuminio oksidas persikristalizuoja į hidroskopišką alfa aliuminio oksidą.

Aliuminio oksidas pramonėje gaunamas iš boksitų, nefelino, kaolino dažniausiai sausuoju šarminiu būdu – boksitų, sodos ir klinčių mišinį kaitinant iki 1200C. <

Gaminamas ir šlapiuoju būdu, tuomet boksitai tirpinami koncentruotame natrio šarmo tirpale 150 – 200C temperatūroje. Ir sausuoju ir šlapiuoju būdu pasigaminęs natrio aliuminatas NaAlO2 hidrolizuojamas iki hidroksido Al(OH)3, kurį iškaitinus 1200 – 1300C temperatūroje gaunamas aliuminio oksidas. Iš aliuminio oksido gaminamas metalinis aliuminis, ugniai atsparios medžiagos, aliuminio druskos. Iš gamtinio ir lydyto korundo – šlifavimo, galandimo įrankiai. Smulkiakristalis aliuminio oksidas vartojamas kaip adsorbentas ir katalizatorius.

ALIUMINIO HIDROKSIDAS

Al(0H)3 – balta, kieta medžiaga, netirpstanti vandenyje. Aliuminio hidroksidas susidaro, reaguojant aliuminio druskoms su šarmais. Pavyzdžiui, jei į aliuminio chlorido tirpalą lašinsime natrio šarmo tirpalą, tai susidarys į drebučius panašios aliuminio hidroksido nuosėdos:

AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3 + 3NaCl

Jei aliuminio paveiksime kokia nors rūgštimi, pavyzdžiui druskos rūgštimi, nuosėdos išnyks ir liks skaidrus tirpalas – vvyksta reakcija kurios metu susidaro tirpstanti vandenyje aliuminio druska ir vanduo:

Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3 H2O

Šioje reakcijoje išryškėja bazinės aliuminio hidroksido savybės.

Tačiau jeigu į aliuminio hidroksidą įpilsime natrio šarmą. Tai irgi gausime skaidrų tirpalą. Šiuo atveju susidaro tirpus vandenyje natrio aliuminatas:

H3AlO3 + NaOH = NaH2AlO3 + H2O

Šioje reakcijoje pasižymi rūgštinės aliuminio hidroksido savybės.

Vadinasi priklausomai nuo sąlygų, pasireiškia bazinės ir rūgštinės savybės, taigi jis yra amfoterinis.

Jeigu aliuminio vielą įkišime į karštą šarmo tirpalą, tai po kurio laiko pradės kilti llabai daug vandenilio burbuliukų. Metalinį aliuminį dengia aliuminio amfoterinio oksido plėvelė. Veikiant ją šarmu susidaro tirpus vandenyje natrio aliuminatas ir vanduo. Netekęs apsauginės plėvelės, aliuminis toliau reaguoja su vandeniu. Naudojant aliuminio gaminius buityje, reikia nepamiršti, kad šarminė aplinka ardo aliuminį.

ALIUMINIO ORGANINIAI JUNGINIAI

R3Al tipo aliuminio organiniai junginiai buvo žinomi dar praeitame šimtmetyje. Tačiau jais ypač susidomėta tik 1955 m., kai vokiečių chemikas K. Cigleris atrado paprastą būdą jiems gauti iš metalinio aliuminio, vandenilio ir etileninių angliavandenilių:

Al + 11/2H2 + 3C2H5 C2H5 – Al = (C2H5)2

Per trumpą laiką išsivystė stambi aliuminio organinių junginių pramonės gamykla. Jie įgijo svarbią reikšmę daugelyje sričių. Pavyzdžiui, jie naudojami kaip polimerizacijos proceso katalizatoriai: be jų neapsieinama, gaminant mažo slėgiiio polietileną, kitus poliolefinus, stereoreguliarų butadieninį ir izopeninį kaučiukus. Aliuminio organiniai junginiai naudojami aukštesniųjų alkoholių sintezei. Iš pradžių iš etilenoir trietilaliuminio gaunami aukštesnieji aliuminiotrialkilai, pavyzdiui;

(C2H5)3Al + 15C2H4(C12H25)3Al

Oksiduojant oro deguonimi aliuminio trialkilai virsta aliuminio alkoholiatais, kurie veikiami vandeniu, skyla į aliuminio hidroksidą ir alkoholį:

(C12H525)3Al + 11/2O2 C12H25O)3Al

(C12H25O)3Al+3H2OAl(OH)3+3 C12H25OH

Iš taip gautų aukštesniųjų alkoholių gaunami flotoreagentai, naudojami spalvotųjų metalų rūdų sodrinimui, sintetinės plaunančios medžiagos.

Aukštesniųjų riebalinių rūgščių sintezei naudojama aliuminio trialkitų ir anglies dioksido reakcijos:

(C12H25O)3Al+3CO2 (C12H25OO)3Al

(C12H25OO)3Al+3H2O3C12H25OOH+Al(OH)3

šios rūgštys taip pat naudojamos plovimo priemonių gamybai.Rūgštys, gautos vykdant aliuminio organine sintezę, turi tik nešakota grandinę kkaip ir rūgštys, randamos maistiniuose riebaluose. Tai gali būti aktualu, ateityje gaminant sintetinius riebalus.

Aliuminio organiniai junginiai per 10 – 15 metų praėjo kelią nuo egzotinių medžiagų iki svarbiausių šiuolaikinės technikos produktų. Visa ši sritis sparčiai vystoma ir dabar.

ALIUMINATAI

Aliuminatai tai aliuminio H3AlO2, HAlO2 ir kitų rūgščių druskos. Šarminių metalų aliuminatai gerai tirpsta vandenyje ir hidrolizuojasi – susidaro aliumonio hidroksidas Al(OH)3. Ne taip aktyvių metalų aliuminatai vandenyje tirpsta prastai. Retųjų elementų aliuminatai labai patvarūs. Šarminių metalų aliuminatai gaunami iš aliuminio ar aliuminio hidroksidų ir šarmų:

Al(OH) + KOH  KAlO2 + 2H2O.

Žemės šarminių metalų aliuminatai susidaro, lydant jų oksidus su aliuminio oksidu Al2O3. Retųjų elementų aliuminatai gaunami, jų oksidus ir aliuminio nitratą Al(NO3)3 tirpinant azoto rūgštyje. Kristalinių aliuminatų yra gamtoje:

1. Paprastasis špinelis Mg(Al2O4).

2. Cinko špinelis Zn(Al2O4).

3. Chrizoberilas Be(Al2O4).

Natrio aliuminatas vartojamas kaip kandiklis tekstilės pramonėje, kaip jonitas vandeniui gryninti. Kalcio aliuminatas – pagrindinė aliuminatinio cemento sudedamoji dalis. Bario aliuminatu iš vandens šalinami sulfato, karbonato ir kalcio jonai. Retųjų elementų aliuminatai vartojami specialiosios keramikos, optinių stiklų gamyboje ir branduolinėjetechnikoje.

ALIUMINATINIS CEMENTAS

Aliuminatinis cementas – greitai kietėjanti hidraulinė rišamoji medžiaga, gaunama susmulkinus išdegtą iki sukepinimo arba sulydymo boksitų ir klinčių arba kalkių mišinį. Svarbiausias mineralas yra kalcio aliuminatas CaO . Al2O3. Aliuminatinis cementas kietėja drėgmėje, išskirdamas daug šilumos. Rištis pradeda nne anksčiau kaip po 30 min., susiriša ne vėliau kaip po 12 valandų. Po paros įgyja 80 – 90% markinio stiprumo. Gaminiai nešildomi ir nešutinami, kad nesumažėtų jų atsparumas. Sukietėjęs aliuminatinis cementas atsparus korozijai, karščiui (1200 – 1400C) ir beveik nepraleidžia vandens. Vartojamas hidro techn. Statyboje, betonavimui žiemą ir avarijos atveju, agresyvaus vandens veikiamoms konstrukcijoms, kaitrai atspariems betonams ir plėtriajam cementui gaminti.

ALIUMININIMAS

Aliumininimas – plieninių ir kitų metalinių detalių paviršiaus dengimas aliuminio plėvele. Aliumininti gaminiai atsparesni kaitrai, korozijai ( ypač jūros vandenyje ir daug sieros junginių turinčioje atmosferoje ).

Yra šie aliumininimo būdai:

1. Plakiravimas – aliuminio ar jo lydinių lakštų užvalcavimas aukštoje temperatūroje ant dengiamojo metalo paviršiaus

2. Alitavimas – mirkymas išlydytame aliuminyje.

3. Išlydyto aliuminio užpurškimas suslėgtomis dujomis.

4. Elektroforezinis aliumininimas organiniuose tirpikliuose.

5. Elektrolitinis aliuminavimas nevandeniniuose tirpaluose.

6. Vakuuminė metalizacija.

7. Aliuminio organinių junginių terminis skaldymas

Aliuminininamos cheminių įrengimų ir radijo detalės ( ypač spausdintinės schemos ), terminių cechų įrengimai, vidaus degimo variklių kameros, išmetimo vamzdžiai.

ALIUMINIO CHLORIDAS

Aliuminio chloridas – AlCl3 – druska. Bespalviai hidroskopiški kritalai. Tankis 2440 kg/m3 . Ore rūksta ir kvepia vandenilio chloridu. Tirpsta vandenyje ir organiniuose tirpikliuose. Iš vandeninių tirpalų kristalizuojasi.

Aliuminio chlorido hidratas – AlCl3 . 6H2O.Aliuminio chloridas gaunamas kaitinant kaoliną, boksitus su chloro ir anglies monoksido mišiniu šachtinėse krosnyse. Vartojamas kaip katalizatorius naftos perdirbime ir organinėje

sintezėje.

ALIUMINIO FLUORIDAS

Aliuminio fluoridas – AlF3 – druska. Bespalviai kristalai. Lydymosi temperatūra 1040C, virimo 1260C, tankis 3100 kg/m3. Blogai tirpsta vandenyje (0,559 g aliuminio fluorido 100 g 25C vandens), geriau vandenilio fluorido rūgštyje HF. Nereaguoja nei su rūgštimis, nei su šarmais (išskyrus verdančią sieros rūgštį). Lydomas su soda, kalcio oksidu ar boro rūgštimi, skyla. Su šarminių metalų fluoridais sudaro kompleksinius junginius – heksafluoro aliuminatus, kurių vienas yra kriolitas

Na3[AlF6].

Bevandenis aliuminio fluoridas gaunamas kaitinant aliuminį arba aliuminio oksidą aliuminio fluorido ssrovėje:

Al2O3 + 6HF  2AlF3 + 3H2O

Lydant natrio hersafluoro aliuminatą su aliuminio sulfatu.

Ekonomiškiausia aliuminio fluoridą gaminti iš vandenilio heksafluoro silikato, gaunamo absorbuojant fluoro junginius, išsiskiriančius superfosfato gamyboje:

H2SiF6 + 2Al(OH)3  2AlF3 + SiO2 . 2H2O + 2H2O

Reakcijoje susidaręs silikagelis SiO2 nusėda, o aliuminio fluoridas sudaro patvarų persotintą tirpalą, iš kurio nufiltravus SiO2, iškristalizuojamas aliuminio fluorido hidratas AlF3 .3H2O. Šiuo būdu aliuminio fluoridą gamina Kėdainių chemijos kombinatas. Aliuminio fluoridas su natrio fluoridu vartojamas gauti kriolitui, kuris reikalingas vonios temperatūrai pažeminti ggaminant aliuminį iš aliuminio oksido.

ALIUMINIO SULFATAS

Aliuminio sulfatas – Al2(SO4)3 – druska. Balti milteliai, kurių tankis 2710 kg/m3 . Tirpsta vandenyje (36,15 g. aliuminio sulfato 100 g. 20C vandens). Iš vandeninių tirpalų kristalizuojasi į hidratus. Gaunamas boksitą arba aliuminio hidroksidą ttirpinant sieros rūgštyje. Vartojamas odai rauginti, audiniams ir sėkloms beicuoti, kaip žaliava kitiems aliuminio junginiams gauti. Aliuminio sulfato yra aliuminio alūnų sudėtyje.

Alūnai – dvigubos druskos, kurių bendra formulė Me1Me3(SO4)2 .12H2O (čia Me1- vienvalentis metalas: natris, kalis, rubidis, cezis, talis arba amonis NH4+; Me3 – trivalentis metalas: aliuminis, galis, indis, titanas, vanadis, geležis, chromas, manganas, rodis, iridis). Alūnai yra kristalinės medžiagos, dažniausiai tirpstančios vandenyje medžiagos. Visi alūnai izomorfiniai – kristalizuojant jų mišinį iš tirpalo, susidaro mišrūs kristalai (kietieji tirpalai). Svarbiausi alūnai: kalio – aliuminio alūnas, arba alūnas KAl(SO4)2 . 12H2O, – bespalviai kristalai; gaunamas kristalizuojant kalio ir aliuminio sulfatų tirpalų mišinį, vartojamas odai rauginti, kaip kandikas dažant pluoštą, popieriaus gamyboje ir medicinoje.

Kalio – chromo alūnas, KCr(SO4)212H2o, – tamsiai violetiniai kkristalai; gaunamas iš kalio ir chromo sulfatų, vartojamas odos pramonėje, kaip kandikas dažant pluoštą, kaip reagentas analizinėje chemijoje.

ALIUMOSILIKATAI

Aliumosilikatai – silikatų klasės mineralai. Jų kristaluose aliuminis, kaip ir silicis, turi keturgubą koordinaciją. Struktūriniame anijonų komplekse trivalentis aliuminio jonas pakeičia keturvalentį silicio joną. Teigiaasis krūvis kristalinėje gardelėje kompensuojamas kalio, natrio, kalcio arba bario katijonais. Aliumosilikatams priklauso visi karkasiniai silikatai:

1. Kalio – natrio fedšpatai – ortoklazas ir mikroklinas K[AlSi3O8], anortoklazas (Na, K)[AlSi3O8].

2. Plagioklazai – albitas Na[AlSi3O8], anortitas Ca[Al2Si2O8].

3. Feldšpatitai – leucitas K[AlSi2O6], nefelinas KNa3[AllSiO4]4.

Be to , aliumosilikatams priklauso skapolitai, ceolitai, lapelinės struktūros žėručiai (pvz., biotitas), chloritai, kai kurie kitų stuktūrinių silikatų tipų mineralai – raginukė, augitas.

Aliumosilikatų yra daugelyje magminių ir metamorfinių uolienų. Dūlėdamijie virsta molių grupės mineralais arba boksitu. Iš aliumosilikatų gaminamas stiklas, keraminės ir ugniai atsparios medžiagos, emaliai, glazūros, cementas. Svarbiausi dirbtiniai aliumo silikatai – molekuliniai sietai ir permutitai.

Molekuliniai sietai gaunami kaitinant autoklavuose 60 – 450C temperatūroje natrio aliuminato Na[Al(OH)4] tirpalo ir silicio rūgšties vandeninės suspensijos ir nSiO2mH2O mišinį su šiek tiek šarmų. Susidaręs aliumosilikato gelis plaunamas ir autoklavuose džiovinamas iki 100C temperatūroje. Molekuliniais sietais (porų dydis 3-9 mikronai) perskiriami dujų ir skysčių mišiniai. Permutitai paprastai sulydomi 1000C temperatūroje iš kaolino Al4[Si4O10](OH)8 arba feldšpato, pridėjus kvarco ir sodos Na2CO3. Šie aliumosilikatai minkština vandenį, lengvai atskiria retuosius ir spalvotuosius metalus iš praskiestų jų tirpalų (nutekamųjų vandenų); geri ketalizatoriai ir jų nešikliai.

Dirbtiniai aliumosilikatai vartojami chemijos ppramonėje; jais daugiausia valomos dujos ir skysčiai, analizuojamos dujos.

ALIUMINIO RŪDOS

Aliuminio rūdos – mineralai ir uolienos iš kurių yra gaunamas aliuminis:

• Boksitas

• Nefelino sienitas

• Urtitas

• Alūnitas

• Leucitinės lavos

• Labradoritai

• Anortozitai

• Kaolinas

Be aliuminio, iš aliuminio rūdos gaminamas elektrokorundas, kaitrai atsparios medžiagos ir abrazyvai.

ALIUMINOTERMIJA

[Aliuminis + gr. Therme – šiluma], metalų (mangano, chromo, vanadžio, ferolydinių ir kt.) gavimo būdas, redukuojant jų oksidus aliuminiu

(pvz., 2Al + Cr2O2=Al2O3 ++ 2Cr). Metalų oksidų ir aliuminio mišinys su šiluminiu užtaisu (magnio ir kalio nitratų bei elektrono – magnio lydinio – mišiniu) padegamas tiglyje ar šachtinėje krosnyje. Reakcijos metu išsiskiria daug šilumos. 30000 C temperatūroje išlydomas beveik grynas metalas ir lengvai atskiriami aliuminio oksido šlakai. Aliuminį dar vartojama bėgiams suvirinti (terminis suvirinimas) ir kaitrai atspariai medžiagai – termitiniam korundui – gaminti.

NAUDOTOS LITERATŪROS SĄRAŠAS

1. J.Chodakovas ,, Neorganinė chemija”, – Kaunas, 1979.

2. mokslo.centras.lt

3. www.world-aluminum.org

4. www.du.edu/~jcalvert/phys/alumin.htm#Refs

5. www.chf.vu.lt/Elementai/VElem/3a_grupes_metalai.htm

Related Posts