Физические свойства алюминия и меди: теплопроводимость

Тяжело представить современный мир без такового сплава, как алюминий. Благодаря таковым своим качествам, как лёгкость, стойкость к коррозии, крепкость и способности заходить в соединения с иными сплавами алюминий стал важным конструкционным материалом XX и XXI века.

Этот серебристый сплав применяется в почти всех отраслях индустрии: в автомобилестроении, самолётостроении, в строительстве и непременно, в электроэнергетике. Алюминий является 13 элементом в повторяющейся таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. Сейчас подсчитано, что на него приходится приблизительно 8% от всей массы твёрдой земной коры и он является 3 хим элементом по распространённости на планетке Земля, уступая пространство лишь кислороду и кремнию.

История открытия

Но потому что алюминий владеет высочайшей хим активностью, то в чистом виде он фактически не встречается в природе, потому в отличие от почти всех остальных металлов о нём сделалось понятно лишь сначала XIX века, когда алюминий был формально получен.

В 1824 году датский физик в процессе электролиза в первый раз получил алюминий. Хотя сплав и содержал примеси ртути и калия, этот вариант является первым доказанным случаем получения алюминия в лабораторных критериях.

Имя учёного, привёдшего к революционному способу, было Ханс Кристиан Эрстед. Но пригодилось ещё практически полста лет, чтоб создать технологии для получения его в промышленном производстве. Больше всего природный алюминий встречается в составе минералов квасцов. Конкретно благодаря этому минералу алюминий и получил своё заглавие, которое на латыни звучит Alumen.

Дюралевая руда

В современном мире при производстве алюминия используют обширно распространённую в природе дюралевую руду — бокситы. Бокситы являются глинистой горной породой, в состав которой входят различные модификации гидроксида с таковыми примесями, как хром, кремний, титан, сера, ванадий, карбонатные соли магния, кальций, железо.

В бокситах можно повстречать практически половину таблицы хим частей Менделеева. Ценность данной руды заключается в том, что кроме одной тонны алюминия, добытой из четырёх тонн бокситов, ценность для индустрии имеют и примеси. Из бокситов в процессе переработки получают белоснежный порошок — оксид алюминия (Al2O3), который ещё имеет заглавие «глинозём». Конкретно из глинозёма путём электролиза на современных предприятиях создают сплав.

Роль электроэнергетики в производстве

При производстве алюминия затрачивается грандиозное количество электроэнергии. Для того чтоб получить одну тонну сплава, энергии тратится столько, что её хватило бы на нужды 100-квартирного дома в протяжении целого месяца. А конкретно 15 МВт*ч. Потому большая часть дюралевых заводов размещаются неподалеку от гидроэлектростанций, атомных электростанций либо имеют собственные термо электростанции, также развитую структуру электроэнергетических систем и сетей.

Свойства алюминия

В алюминии заложено редчайшее сочетание таковых параметров, как:

• маленький вес;
• пластика, электропроводность;
• возможность создавать сплавы с иными сплавами.

Поверхность алюминия постоянно покрыта тонкой оксидной плёнкой, которая является весьма крепкой и не дозволяет алюминию подвергаться коррозии. Этот материал и в жарком, и в прохладном состоянии просто поддаётся обработке давлением. Такие способы обработки, как прокатка, штамповка, волочение нередко выполняются на предприятии при производстве тех либо других деталей.

Ещё одна ценность алюминия состоит в том, что он не токсичен, не подвержен горению и не нуждается в доборной расцветке: это делает его применение в авто- и авиастроении неподменным элементом. Ковкость алюминия поражает: из него удалось сделать лист и весьма узкую проволоку шириной всего в 4 микрона, а толщины фольги — достигнуть втрое тоньше волоса человека.

Благодаря способности алюминия создавать соединения с большенный группой хим частей возникла большая группа сплавов. К примеру, сочетание алюминия и цинка употребляется в разработке корпусов разных видов планшетов и телефонов, алюминий в сочетании магния и кремния употребляется при производстве разных типов движков, в составе частей шасси и различных движков. Разные сплавы используются и в электроэнергетике.

Современная наука продолжает учить и изобретать новые типы дюралевых сплавов. Сейчас не существует ни одной отрасли индустрии, где бы не употреблялся алюминий. Можно с уверенностью сказать, что такие виды индустрии, как авиационная, галлактическая, энергетическая, авто, пищевая, электрическая получили своё современное развитие благодаря алюминию и его сплавам.

Недозволено не упомянуть о таком принципиальном свойстве, как теплопроводимость. Ведь конкретно это свойство сплава требуется при производстве систем отопления, электропродукции, в авто- и авиастроении, при изготовлении тормозных систем и тому схожих. Теплоёмкость — это процесс переноса термический энергии в физических телах либо их частичках от жарких объектов к прохладным на базе закона Фурье. Соперником алюминия в данной области является медь.

Так какой сплав имеет огромную теплопроводимость? Это не совершенно конкретный вопросец. Понятно, что алюминий по теплопроводимости уступает меди при средних температурах, но когда входит речь о низких температурах, а конкретно при 50 К, тогда теплопроводимость алюминия существенно растет, в то время как у меди теплопроводимость становится ниже. Температура плавления алюминия составляет 933,61 К, это приблизительно 660 °C, в этот момент свойства Al, такие как теплопроводимость и плотность, уменьшаются.

Плотность серебристого сплава определяется его температурой и зависит от его состояния. Так, при температуре в 27 °C, плотность алюминия соответственно равна 2697 кг/м 3 , а при температуре плавления, равной 660 °C, его плотность приравнивается 2368 кг/м 3 . Понижение плотности метала зависимо от температуры обуславливается его расширением при конкретном нагревании.

Таблицы параметров алюминия и меди

Дальше, разглядим таблицы физических параметров и теплопроводимости алюминия и меди при согласовании различных температур.

• плотность Cu и Al, кг/м 3 ;
• удельная теплоёмкость Cu и Al, Дж/(кг·K);
• температуропроводность Cu и Al, м 2 /с;
• теплопроводимость Cu и Al, Вт/(м·K);
• удельное электронное сопротивление Cu и Al, Ом·м;
• функция Лоренца Cu и Al;

Таблица физических параметров алюминия

T, K	кг/м 3	Дж/(кг·K)	м 2 /с	Вт/(м·K)	Ом·м	L/L0
50	—	—	358	1350	0.0478/0.0476	—
100	2.725	483.6	228	300.4/302	0.442/0.440	—
200	2.715	800.2	109	236.8/237	1.587/1.584	0.78
300	2.697	903.7	93.8	235.9/237	2.733/2.733	0.88
400	2.675	951.3	93.6	238.8/240	3.866/3.875	0.94
500	2.665	991.8	88.8	234.7/236	4.995/5.020	0.96
600	2.652	1036.7	83.7	230.1/230	6.130/6.122	0.95
700	2.626	1090.2	78.4	224.4/225	7.350/7.322	0.96
800	2.595	1153.8	73.6	220.4/218	8.700/8.614	0.97
900	2.560	1228.2	69.2	217.6/210	10.18/10.005	0.99
933.61s	2.550	1255.8	68.0	217.7/208	10.74/10.565	1
933.61l	2.368	1176.7	35.2	98.1	— 24.77	1.06
1000	2.350	1176.7	36.4	100.6	— 25.88	1.06
1200	2.290	1176.7	39.5	106.4	— 28.95	1.04
1400	—	1176.7	42.4	—	— 31.77	—
1600	—	1176.7	44.8	—	— 34.40	—
1800	—	1176.7	46.8	—	— 36.93	—

Таблица физических параметров меди

T, K	кг/м 3	Дж/(кг·K)	м 2 /с	Вт/(м·K)	Ом·м	L/L0
50	—	—	—	1250	0.0518	—
100	—	—	—	482	0.348	—
200	—	—	130	413	1.048	—
300	8.933	385.0	117	401.9/401	1.725	0.945
400	8.870	3.97.7	111	391.5/393	2.402	0.961
500	8.628	408.0	107	385.4/386	3.090	0.976
600	8.779	416.9	103	376.9/379	3.792	0.976
700	8.726	425.1	99.7	369.7/373	4.514	0.976
800	8.656	432.9	96.3	360.8/366	5.262	0.973
900	8.622	441.7	93.3	355.3/359	6.041	0.979
1000	8.567	451.4	90.3	349.2/352	6.868	0.979
1100	8.509	464.3	85.5	337.6/346	7.717	0.972
1200	8.451	480.8	80.6	327.5/339	8.626	0.970
1300	8.394	506.5	75.8	322.1/332	9.592	0.972
1357.6s	8.361	525.2	72.3	317	10.171	0.972
1357.6l	8.00	513.9	41.2	175	21.01	1.08
1400	7.98	513.9	42.7	175	21.43	1.08

Из всего перечисленного выше ясно видно, что алюминий является одним из приоритетных металлов в индустрии, но у него есть ещё одно свойство: этот сплав и его сплавы можно переплавлять, причём не один раз, без утрат его черт. Кроме остального, это экономически прибыльнее, чем добыча из руды. Так, на одной электроэнергии экономия превосходит 14 кВт/ч. По подсчётам, 75% добытого за всё время алюминия и его сплавов употребляются по истинное время.

Алюминий

Алюминий – это пластичный и лёгкий сплав белоснежного цвета, покрытый серебристой матовой оксидной плёнкой. В повторяющейся системе Д. И. Менделеева этот хим элемент обозначается, как Al (Aluminium) и находится в главной подгруппе III группы, третьего периода, под атомным номером 13. Приобрести алюминий вы сможете на нашем веб-сайте.

История открытия

В 16 веке известный Парацельс сделал 1-ый шаг к добыче алюминия. Из квасцов он выделил «квасцовую землю», которая содержала оксид неведомого тогда сплава. В 18 веке к этому тесту возвратился германский химик Андреас Маргграф. Оксид алюминия он именовал «alumina», что на латинском языке значит «вяжущий». На тот момент сплав не воспользовался популярностью, потому что не был найден в чистом виде.
Долгие годы выделить незапятнанный алюминий пробовали английские, датские и германские учёные. В 1855 году в Париже на Глобальной выставке сплав алюминий произвёл фурор. Из него делали лишь предметы роскоши и ювелирные декорации, потому что сплав был довольно драгоценным. В конце 19 века возник наиболее современный и дешёвый способ получения алюминия. В 1911 году в Дюрене выпустили первую партию дюралюминия, нареченного в честь городка. В 1919 из этого материала был сотворен 1-ый самолёт.

Физические свойства

Сплав алюминий характеризуется высочайшей электропроводностью, теплопроводимостью, стойкостью к коррозии и морозу, пластичностью. Он отлично поддаётся штамповке, ковке, волочению, прокатке. Алюминий отлично сваривается разными видами сварки. Принципиальным свойством является малая плотность около 2,7 г/см³. Температура плавления составляет около 660°С.
Механические, физико-химические и технологические свойства алюминия зависят от наличия и количества примесей, которые усугубляют свойства незапятнанного сплава. Главные естественные примеси – это кремний, железо, цинк, титан и медь.

По степени чистки различают алюминий высочайшей и технической чистоты. Практическое различие заключается в отличии коррозионной стойкости к неким средам. Чем чище сплав, тем он дороже. Технический алюминий употребляется для производства сплавов, проката и кабельно-проводниковой продукции. Сплав высочайшей чистоты используют в особых целях.
По показателю электропроводности алюминий уступает лишь золоту, серебру и меди. А сочетание малой плотности и высочайшей электропроводности дозволяет соперничать в сфере кабельно-проводниковой продукции с медью. Долгий отжиг улучшает электропроводность, а нагартовка усугубляет.

Теплопроводимость алюминия увеличивается с повышением чистоты сплава. Примеси марганца, магния и меди понижают это свойство. По показателю теплопроводимости алюминий проигрывает лишь меди и серебру. Благодаря этому свойству сплав применяется в теплообменниках и радиаторах остывания.
Алюминий владеет высочайшей удельной теплоёмкостью и теплотой плавления. Эти характеристики существенно больше, чем у большинства металлов. Чем выше степень чистоты алюминия, тем больше он способен отражать свет от поверхности. Сплав отлично полируется и анодируется.

Алюминий имеет огромное сродство к кислороду и покрывается на воздухе узкой крепкой плёнкой оксида алюминия. Эта плёнка защищает сплав от следующего окисления и обеспечивает его отличные противокоррозионные свойства. Алюминий владеет стойкостью к атмосферной коррозии, морской и пресной воде, фактически не вступает во взаимодействия с органическими кислотами, концентрированной либо разбавленной азотной кислотой.

Хим свойства

Алюминий — это довольно активный амфотерный сплав. При обыденных критериях крепкая оксидная плёнка описывает его стойкость. Если повредить оксидную плёнку, алюминий выступает как активный металл-восстановитель. В мелкораздробленном состоянии и при высочайшей температуре сплав ведет взаимодействие с кислородом. При нагревании происходят реакции с сероватой, фосфором, азотом, углеродом, йодом. При обыденных критериях сплав ведет взаимодействие с хлором и бромом. С водородом реакции не происходит. С сплавами алюминий образует сплавы, содержащие интерметаллические соединения – алюминиды.

При условии очищения от оксидной пленки, происходит энергичное взаимодействие с водой. Просто протекают реакции с разбавленными кислотами. Реакции с концентрированной азотной и серной кислотой происходят при нагревании. Алюминий просто реагирует со щелочами. Практическое применение в металлургии отыскало свойство восстанавливать сплавы из оксидов и солей – реакции алюминотермии.

Получение

Алюминий находится на первом месте посреди металлов и на 3-ем посреди всех частей по распространённости в земной коре. Примерно 8% массы земной коры составляет конкретно этот сплав. Алюминий содержится в тканях звериных и растений в качестве микроэлемента. В природе он встречается в связанном виде в форме горных пород, минералов. Каменная оболочка земли, находящаяся в базе материков, формируется конкретно алюмосиликатами и силикатами.

Алюмосиликаты – это минералы, образовавшиеся в итоге вулканических действий в соответственных критериях больших температур. При разрушении алюмосиликатов первичного происхождения (полевые шпаты) сформировались различные вторичные породы с наиболее высочайшим содержанием алюминия (алуниты, каолины, бокситы, нефелины). В состав вторичных пород алюминий заходит в виде гидроокисей либо гидросиликатов. Но не любая алюминийсодержащая порода быть может сырьём для глинозёма – продукта, из которого с помощью способа электролиза получают алюминий.

Более нередко алюминий получают из бокситов. Залежи этого минерала всераспространены в странах тропического и субтропического пояса. В Рф также используются нефелиновые руды, месторождения которых размещаются в Кемеровской области и на Кольском полуострове. При добыче алюминия из нефелинов попутно также получают поташ, кальцинированную соду, цемент и удобрения.

В бокситах содержится 40-60% глинозёма. Также в составе имеются оксид железа, диоксид титана, кремнезём. Для выделения незапятнанного глинозёма употребляют процесс Байера. В автоклаве руду нагревают с едким натром, охлаждают, отделяют от воды «красноватый шлам» (твёрдый осадок). Опосля осаждают гидроокись алюминия из приобретенного раствора и прокаливают её для получения незапятнанного глинозёма. Глинозём должен соответствовать высочайшим эталонам по чистоте и размеру частиц.

Из добытой и обогащённой руды извлекают глинозём (оксид алюминия). Потом способом электролиза глинозём превращают в алюминий. Заключительным шагом является восстановление действием Холла-Эру. Процесс заключается в последующем: при электролизе раствора глинозёма в расплавленном криолите происходит выделение алюминия. Катодом служит дно электролизной ванны, а анодом – угольные бруски, находящиеся в криолите. Расплавленный алюминий осаждается под веществом криолита с 3-5% глинозёма. Температура процесса поднимается до 950°С, что намного превосходит температуру плавления самого алюминия (660°С). Глубокую чистку алюминия проводят зонной плавкой либо дистилляцией его через субфторид.

Применение

Алюминий применяется в металлургии в качестве базы для сплавов (дуралюмин, силумин) и легирующего элемента (сплавы на базе меди, железа, магния, никеля). Сплавы алюминия употребляются в быту, в архитектуре и строительстве, в кораблестроении и автомобилестроении, также в галлактической и авиационной технике. Алюминий применяется при производстве взрывчатых веществ. Анодированный алюминий (покрытый окрашенными плёнками из оксида алюминия) используют для производства бижутерии. Также сплав употребляется в электротехнике.

Разглядим, как употребляют разные изделия из алюминия.

Дюралевая лента представляет собой узкую дюралевую полосу шириной 0,3-2 мм, шириной 50-1250 мм, которая поставляется в рулонах. Употребляется лента в пищевой, лёгкой, холодильной индустрии для производства охлаждающих частей и радиаторов.

Круглая дюралевая проволока применяется для производства кабелей и проводов для электротехнических целей, а прямоугольная для обмоточных проводов.

Дюралевые трубы различаются долговечностью и стойкостью в критериях сельских и городских промышленных районов. Используются они в отделочных работах, дорожном строительстве, конструкции каров, самолётов и судов, производстве радиаторов, трубопроводов и бензобаков, монтаже систем отопления, магистральных трубопроводов, газопроводов, водопроводов.

Дюралевые втулки характеризуются простотой в обработке, монтаже и эксплуатации. Употребляются они для концевого соединения железных тросов.

Дюралевый круг — это сплошной профиль круглого сечения. Употребляется это изделие для производства разных конструкций.

Дюралевый пруток применяется для производства гаек, болтов, валов, крепежных частей и шпинделей.
Около 3 мг алюминия любой денек поступает в человеческий организм с продуктами питания. Больше всего сплава в овсянке, горохе, пшенице, рисе. Учёными установлено, что он содействует действиям регенерации, провоцирует развитие и рост тканей, оказывает воздействие на активность пищеварительных желёз и ферментов.

При использовании дюралевой посуды в быту нужно держать в голове, что хранить и нагревать в ней можно только нейтральные воды. Если же в таковой посуде готовить, например, кислые щи, то алюминий поступит в пищу, и она будет иметь противный «железный» привкус.

Алюминий заходит в состав фармацевтических препаратов, применяемых при заболеваниях почек и желудочно-кишечного тракта.

Хим свойства алюминия

Одним из распространённых частей планетки является алюминий. Физические и хим свойства алюминия используются в индустрии. Все, что нужно знать, про этот сплав вы отыщите в нашей статье.

Строение атома

Алюминий – это 13 элемент повторяющейся таблицы. Он находится в 3-ем периоде, III группе, главной подгруппе.

Свойства и применение алюминия соединены с его электрическим строением. Атом алюминия имеет положительно заряженное ядро (+13) и 13 негативно заряженных электронов, располагающихся на трёх энергетических уровнях. Электрическая конфигурация атома – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На наружном энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с субстанциями алюминий перебегает в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и остальные активные сплавы, алюминий является массивным восстановителем.

Рис. 1. Строение атома алюминия.

Алюминий – амфотерный сплав, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. Зависимо от критерий соединения проявляют кислотные либо главные свойства.

Физическое описание

• лёгкостью (плотность 2,7 г/см 3 );
• серебристо-серым цветом;
• высочайшей электропроводностью;
• ковкостью;
• пластичностью;
• температурой плавления – 658°C;
• температурой кипения – 2518,8°C.

Из сплава делают жестяные ёмкости, фольгу, проволоку, сплавы. Алюминий употребляют при изготовлении микросхем, зеркал, композитных материалов.

Рис. 2. Жестяные ёмкости.

Алюминий – парамагнетик. Сплав притягивается магнитом лишь в присутствии магнитного поля.

Хим свойства

На воздухе алюминий стремительно окисляется, покрываясь оксидной плёнкой. Она защищает сплав от коррозии, также препятствует взаимодействию с концентрированными кислотами (азотной, серной).

При обыденных критериях реакции с алюминием вероятны лишь опосля удаления оксидной плёнки. Большая часть реакций протекают при больших температурах.

Главные хим свойства элемента описаны в таблице.

Реакция

Описание

Уравнение

Пылает при больших температурах с выделением тепла

Ведет взаимодействие с сероватой при температуре выше 200°С, с фосфором – при 500°С, с азотом – при 800°С, с углеродом – при 2000°С

Реагирует при обыденных критериях, с йодом – при нагревании в присутствии катализатора (воды)

Реагирует с разбавленными кислотами при обыденных критериях, с концентрированными – при нагревании

Реагирует с аква смесями щелочей и при сплавлении

Теснит наименее активные сплавы

Алюминий не реагирует конкретно с водородом. Реакция с водой вероятна опосля снятия оксидной плёнки.

Рис. 3. Реакция алюминия с водой.

Что мы узнали?

Алюминий – амфотерный активный сплав с неизменной валентностью. Владеет маленький плотностью, высочайшей электропроводностью, пластичностью. Притягивается магнитом лишь в присутствии магнитного поля. Алюминий реагирует с кислородом, образуя защитную плёнку, которая препятствует реакциям с водой, концентрированными азотной и серной кислотами. При нагревании ведет взаимодействие с неметаллами и концентрированными кислотами, при обыденных критериях – с галогенами и разбавленными кислотами. В оксидах теснит наименее активные сплавы. Не реагирует с водородом.