Алюминий и его свойства 2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РЕФЕРАТ по Основам геологии на тему: «Алюминий » Екатеринбург, 2009 г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

по Основам геологии на тему:

«Алюминий »

Екатеринбург, 2009 г.

Содержание

стр.

Введение..................................................................................................................3

Общие сведения, основные свойства и применение алюминия...................... 4

Основные минералы элемента............................................................................. 9

Типы геолого-промышленных месторождений и их группировка..................10

Заключение............................................................................................................13

Список использованных источников и литературы......................................... 14

Введение

Алюминий (Aluminium) - химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается латинскими буквами Al . Это серебристо-белый металл, легкий (= 2,7 г/см3) , легкоплавкий (tпл = 660,4 °С ), пластичный, легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2,3 раза больше чем у меди).

Алюминий находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al2O3) составляет основу глинозема. Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы:

  • боксит - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)3 и оксидов других металлов - алюминиевая руда;
  • алунит - (Na,K)2SO4 * Al2(SO4)3 * 4Al(OH)3 ;
  • нефелин - (Na,K)2O * Al2O3 * 2SiO2 ;
  • корунд - Al2O3 - прозрачные кристаллы;
  • полевой шпат (ортоклаз) - K2O * Al2O3 * 6SiO2 ;
  • каолинит - Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O - важнейшая составляющая часть глины

и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.

И хотя содержание его в земной коре 8,8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4,65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.

Общие сведения, основные свойства и применение элемента

Общие сведения

В земной коре алюминия очень много: 8,6% по массе. Он занимает первое место среди всех металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых! Как писал более 100 лет назад в своем классическом учебнике Основы химии Д.И.Менделеев, из всех металлов «алюминий есть самый распространенный в природе; достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. Алюминий, или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине».

Важнейший минерал алюминия – боксит, смесь основного оксида AlO(OH) и гидроксида Al(OH)3. Крупнейшие месторождения боксита находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; промышленная добыча ведется и в других странах. Богаты алюминием также алунит (квасцовый камень) (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3, нефелин (Na,K)2O·Al2O3·2SiO2. Всего же известно более 250 минералов, в состав которых входит алюминий; большинство из них – алюмосиликаты, из которых и образована в основном земная кора. При их выветривании образуется глина, основу которой составляет минерал каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина – каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.

Изредка встречается исключительно твердый (уступает лишь алмазу) минерал корунд – кристаллический оксид Al2O3, часто окрашенный примесями в разные цвета. Его синяя разновидность (примесь титана и железа) называется сапфиром, красная (примесь хрома) – рубином. Разные примеси могут окрашивать так называемый благородный корунд также в зеленый, желтый, оранжевый, фиолетовый и другие цвета и оттенки.

Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978 в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий – в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. Известно, что при нагревании галогенидов алюминия – хлорида, бромида, фторида они могут с большей или меньшей легкостью испаряться (так, AlCl3 возгоняется уже при 180° C). При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть – восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl  2Al + AlCl3. В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.

Название алюминия происходит от латинского alumen (род. падеж aluminis). Так называли квасцы, двойной сульфат калия-алюминия KAl(SO4)2·12H2O), которые использовали как протраву при крашении тканей. Латинское название, вероятно, восходит к греческому «халмэ» – рассол, соляной раствор. Любопытно, что в Англии алюминий – это aluminium, а в США – aluminum.

Основные свойства алюминия

По цвету чистый алюминий напоминает серебро, это очень легкий металл: его плотность всего 2,7 г/см3. Легче алюминия только щелочные и щелочноземельные металлы (кроме бария), бериллий и магний. Плавится алюминий тоже легко – при 600° С (тонкую алюминиевую проволоку можно расплавить на обычной кухонной конфорке), зато кипит лишь при 2452° С. По электропроводности алюминий – на 4-м месте, уступая лишь серебру (оно на первом месте), меди и золоту, что при дешевизне алюминия имеет огромное практическое значение. В таком же порядке изменяется и теплопроводность металлов. В высокой теплопроводности алюминия легко убедиться, опустив алюминиевую ложечку в горячий чай. И еще одно замечательное свойство у этого металла: его ровная блестящая поверхность прекрасно отражает свет: от 80 до 93% в видимой области спектра в зависимости от длины волны. В ультрафиолетовой области алюминию в этом отношении вообще нет равных, и лишь в красной области он немного уступает серебру (в ультрафиолете серебро имеет очень низкую отражательную способность).

Чистый алюминий – довольно мягкий металл – почти втрое мягче меди, поэтому даже сравнительно толстые алюминиевые пластинки и стержни легко согнуть, но когда алюминий образует сплавы (их известно огромное множество), его твердость может возрасти в десятки раз.

Характерная степень окисления алюминия +3, но благодаря наличию незаполненных 3р- и 3d-орбиталей атомы алюминия могут образовывать дополнительные донорно-акцепторные связи. Поэтому ион Al3+ с небольшим радиусом весьма склонен к комплексообразованию, образуя разнообразные катионные и анионные комплексы: AlCl4–, AlF63–, [Al(H2O)6]3+, Al(OH)4–, Al(OH)63–, AlH4– и многие другие. Известны комплексы и с органическими соединениями.

Химическая активность алюминия весьма высока; в ряду электродных потенциалов он стоит сразу за магнием. На первый взгляд такое утверждение может показаться странным: ведь алюминиевая кастрюля или ложка вполне устойчивы на воздухе, не разрушаются и в кипящей воде. Алюминий, в отличие от железа, не ржавеет. Оказывается, на воздухе металл покрывается бесцветной тонкой, но прочной «броней» из оксида, которая защищает металл от окисления. Так, если внести в пламя горелки толстую алюминиевую проволоку или пластинку толщиной 0,5–1 мм, то металл плавится, но алюминий не течет, так как остается в мешочке из его оксида. Если лишить алюминий защитной пленки или сделать ее рыхлой (например, погружением в раствор ртутных солей), алюминий тут же проявит свою истинную сущность: уже при комнатной температуре начнет энергично реагировать с водой с выделением водорода: 2Al + 6H2O  2Al(OH)3 + 3H2. На воздухе лишенный защитной пленки алюминий прямо на глазах превращается в рыхлый порошок оксида: 2Al + 3O2  2Al2O3. Особенно активен алюминий в мелкораздробленном состоянии; алюминиевая пыль при вдувании в пламя моментально сгорает. Если смешать на керамической пластинке алюминиевую пыль с пероксидом натрия и капнуть на смесь водой, алюминий также вспыхивает и сгорает белым пламенем.

Алюминий легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах с образованием солей. Концентрированная азотная кислота, окисляя поверхность алюминия, способствует утолщению и упрочнению оксидной пленки (так называемая пассивация металла). Обработанный таким образом алюминий не реагирует даже с соляной кислотой. С помощью электрохимического анодного окисления (анодирования) на поверхности алюминия можно создать толстую пленку, которую нетрудно окрасить в разные цвета.

Применение алюминия

Еще Д.И.Менделеев писал, что «металлический алюминий, обладая большою легкостью и прочностью и малою изменчивостью на воздухе, очень пригоден для некоторых изделий». Алюминий – один из самых распространенных и дешевых металлов. Без него трудно представить себе современную жизнь. Недаром алюминий называют металлом 20 века. Он хорошо поддается обработке: ковке, штамповке, прокату, волочению, прессованию. Чистый алюминий – довольно мягкий металл; из него делают электрические провода, детали конструкций, фольгу для пищевых продуктов, кухонную утварь и «серебряную» краску. Этот красивый и легкий металл широко используют в строительстве и авиационной технике. Алюминий очень хорошо отражает свет. Поэтому его используют для изготовления зеркал – методом напыления металла в вакууме.

В авиа- и машиностроении, при изготовлении строительных конструкций, используют значительно более твердые сплавы алюминия. Один из самых известных – сплав алюминия с медью и магнием (дуралюмин, или просто «дюраль»; название происходит от немецкого города Дюрена). Этот сплав после закалки приобретает особую твёрдость и становится примерно в 7 раз прочнее чистого алюминия. В то же время он почти втрое легче железа. Его получают, сплавляя алюминий с небольшими добавками меди, магния, марганца, кремния и железа. Широко распространены силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием. Производятся также высокопрочные, криогенные (устойчивые к морозам) и жаропрочные сплавы. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Легкость и прочность алюминиевых сплавов особенно пригодились в авиационной технике. Например, из сплава алюминия, магния и кремния делают винты вертолетов. Сравнительно дешевая алюминиевая бронза (до 11% Al) обладает высокими механическими свойствами, она устойчива в морской воде и даже в разбавленной соляной кислоте. Из алюминиевой бронзы в СССР с 1926 по 1957 чеканились монеты достоинством 1, 2, 3 и 5 копеек.

В настоящее время четвертая часть всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% – в электротехнике.

Алюминий содержат также многие горючие и взрывчатые смеси. Алюмотол, литая смесь тринитротолуола с порошком алюминия, – одно из самых мощных промышленных взрывчатых веществ. Аммонал – взрывчатое вещество, состоящее из аммиачной селитры, тринитротолуола и порошка алюминия. Зажигательные составы содержат алюминий и окислитель – нитрат, перхлорат. Пиротехнические составы «Звездочки» также содержат порошкообразный алюминий.

Смесь порошка алюминия с оксидами металлов (термит) применяют для получения некоторых металлов и сплавов, для сварки рельсов, в зажигательных боеприпасах.

Алюминий нашел также практическое применение в качестве ракетного топлива. Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сгорании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Идею использования алюминия в качестве горючего еще в 1924 предложил отечественный ученый и изобретатель Ф.А.Цандер. По его замыслу можно использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время твердых ракетных топлив содержат металлический алюминий в виде тонкоизмельченного порошка. Добавление 15% алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя – главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия.

Широкое применение находят и соединения алюминия. Оксид алюминия – огнеупорный и абразивный (наждак) материал, сырье для получения керамики. Из него также делают лазерные материалы, подшипники для часов, ювелирные камни (искусственные рубины). Прокаленный оксид алюминия – адсорбент для очистки газов и жидкостей и катализатор ряда органических реакций. Безводный хлорид алюминия – катализатор в органическом синтезе (реакция Фриделя – Крафтса), исходное вещество для получения алюминия высокой чистоты. Сульфат алюминия применяют для очистки воды; реагируя с содержащимся в ней гидрокарбонатом кальция:

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2  2AlO(OH) + 3CaSO4 + 6CO2 + 2H2O

Кроме того, сульфат алюминия применяют как протраву при крашении тканей, для дубления кожи, консервирования древесины, проклеивания бумаги. Алюминат кальция – компонент вяжущих материалов, в том числе портландцемента. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) YAlO3 – лазерный материал. Нитрид алюминия – огнеупорный материал для электропечей. Синтетические цеолиты (они относятся к алюмосиликатам) – адсорбенты в хроматографии и катализаторы. Алюминийорганические соединения (например, триэтилалюминий) – компоненты катализаторов Циглера – Натты, которые используются для синтеза полимеров, в т.ч. синтетического каучука высокого качества.

Основные минералы элемента (Al)

Алюминий входит в состав большего числа минералов, но промышленное значение для извлечения металлического алюминия и получения алюмокремниевых сплавов имеют несколько из них со следующим содержанием AL2O3 (%):

  • Диаспор HALO2 и его полиморфная модификация бёмит ALOOH - 85
  • Гидраргиллит (гиббсит) Al(OH)3 - 64,7
  • Алунит KAl3(OH)6[SO4]2 - 37
  • Нефелин Na [AlSiO4] - 34
  • Лейцит K [AlSi2O6] - 23,5
  • Каолинит Al2(OH)4[Si2O5] - до 40
  • Андалузит, дистен (кианит) Al2O[Si2O5] и силлиманит AlO [AlSiO4]-63,1

Наиболее важной рудой с технико-экономической точки зрения, из которой получают подавляющее количество алюминия, является боксит, представляющий собой тонкодисперсную породу, состоящую из гидратов окиси алюминия – диаспора, бёмита и гидраргиллита и подчиненного количества окислов и гидроокислов железа и марганца кварца, опала, окислов титана, лептохлоритов, каолинита, карбонатов кальция и магния и других примесей. По преобладанию тех или иных гидроокислов алюминия бокситы подразделяются на тригидратные (гидраргиллитовые), моногидратные (диаспоровые, бёмитовые и диаспор-бёмитовые) и смешанные. Бокситы в элювиальном залегании называют глиноземными латеритами или латеритными бокситами.

Качество бокситов определяется составом и содержанием гидроокислов алюминия, так и присутствием вредных примесей, главной из которых является кремнезем. К собственно бокситам относят глиноземные породы, содержащие не менее 28% Al2O3, при отношении кремнезема к глинозему в них (Al2O3 / SiO2) (кремневый модуль), большем 2,6.

Бокситы обычно встречаются совместно с другими глиноземистыми породами, близкими по внешнему виду, составу и происхождению. К ним относятся аллиты – бокситоподобные породы с кремневым модулем, меньшим 2,6 и сиаллиты – породы каолинитового состава, не содержащие свободного глинозема, с кремневым модулем, близким 1.

За рубежом алюминий получают только из бокситов. В России для этой цели используют также нефелин, алунит, каолинит и дистен. Требования к этим рудам весьма разнообразны и определяются особенностями технологической схемы, принятой на каждом перерабатывающем предприятии. В общем они сводятся к ограничению содержания вредных примесей, к числу которых относятся окислы железа и кремния, и определению минимальных уровней количества глинозема в руде.

Типы геолого-промышленных месторождений и их группировка

Бокситы являются главным промышленным видом минерального сырья, алюминия, представляя по условиям образования экзогенный тип руде но в последнее время в качестве источника алюминия все большее значение начинают приобретать нефелиновые, алунитовые и другие породы, образующиеся в эндогенных условиях.

Различными авторами были предложены разные классификации бокситовых месторождений как для территории всей России, так и для отдельных районов.

В последние годы на основании нового фактического материала с учетом особенностей геологического строения бокситовых месторождений зарубежных стран были предложены новые классификации.

При выделении различных групп, подгрупп и типов бокситовых месторождений, учитывают:

  • условия формирования (генезис) бокситов
  • приуроченность бокситовых месторождений к определенным структурным элементам земной коры
  • морфология бокситов залежей и рудных тел, находящаяся в прямой зависимости от дорудного рельефа, а также условия залегания и строение рудных залежей

По условиям формирования месторождения бокситов нами разделяются на три группы:

    1. Коры выветривания (латеритные) – латеритные бокситы представляют собой остаточный продукт химического выветривания алюмосиликатных изверженных и метаморфических пород, протекавшего в условиях переменно-влажного тропического климата и равнинного или слабовсхолмленного рельефа. Наиболее качественные бокситы образуются за счет бескварцевых пород основного и щелочного состава. Характерными чертами остаточных месторождений латеритных бокситов являются плащеобразная форма рудных тел, постепенный переход от латерита к исходной породе, гидраргиллитовый состав бокситов. Промышленное значение имеют латеритные бокситы палеогенового, неогенового и четвертичного возраста. На долю этих месторождений приходиться большая часть мировых запасов алюминиевого сырья. Найболее крупные месторождения латеритных бокситов находиться в Индии – Деканское трапповое плоскогорье, Африке - Гвинейское плато, США – штат Арканзас и Австралии.
    2. Полигенные (латеритно- терригенные)- эти месторождения обычно представлены латеритными (псевдоморфными) бокситами и продуктами их ближайшего переотложения. Они являются переходными между латеритными и осадочными месторождениями. Месторождения образованы линзообразными залежами, сложенными латеритными, делювиальными, пролювиальными и осадочными бокситами. Бокситовые залежи и рудные тела иногда имеют сложные линейно-вытянутые вдоль структур подстилающего фундамента формы и извилистые очертания, как в плане, так и в разрезе. Поверхность кровли обычно слабо волнистая, а почва, как правило, имеет сложные извилистые контуры, обусловленные дорудным карстовым рельефом или сложной границей латеритной коры выветривания. Бокситы формировались на пенепленизированной поверхности с мелким холмистым или карстовым рельефом.
    3. Осадочные (переотложенные)- это генетический тип месторождений бокситов является основным источником алюминиевых руд. На древних платформах осадочные бокситовые месторождения часто приурочены к областям сочленения окраинных частей синеклиз и крупных платформенных поднятий или антеклиз и, как правило, располагаются вблизи склоновых частей поднятий. В некоторых случаях месторождения приурочены к впадинам или полям развития древнего (мезозойского) карста в пределах выступов фундамента. Образование осадочных месторождений бокситов происходило за счет размыва, переноса и отложения латеритных продуктов выветривания в водных бассейнах – речных, озерно-болотных, лагунных и морских. В зависимости от места накопления и определяемых этим особенностей геологического строения осадочные месторождения бокситов подразделяются на геосинклинальные и платформенные.

Каждая группа в зависимости от приуроченности бокситовых месторождений к основным структурам земной коры делится также на подгруппы. Среди осадочных месторождений выделяют три подгруппы:

- месторождения древних платформ

- месторождения молодых платформ

- месторождения геосинклинально-складчатых областей

Таким образом, среди бокситовых месторождений выделяются и описываются месторождения следующих групп и подгрупп:

1) Коры выветривания (латеритные): примерами являются месторождения Белгородской группы (Висловское, Воронежская антеклиза) , Высокопольское (Украинский щит) .

2) Полигенные (латеритно-осадочные): это месторождения Средне-Тиманской группы (Вежаю-Ворыквинское, Верхне-Ворыквинское, Верхне-Шугорское) , Тиманский кряж.

3) Осадочные (переотложенные):

- Месторождения древних платформ – Северо-Онежская, Тихвинская, Южно-Тиманская и Кедвинская группы (Русская платформа), Чадобецкая, Татарская и Приангарская группы (Сибирская платформа).

- Месторождения молодых платформ – Западно-Тургайская, Центрально-Тургайская, Амангельдинская и Целиноградская группы.

- Месторождения геосинклинально-складчатых областей – Северо-Уральская, Южно-Уральская, Салаирские группы и Боксонское месторождение.

Также для получения глинозема кроме бокситов используются и могут быть использованы в будущем другие виды алюминиевого сырья. Среди них выделяют :

1) Нефелиновые руды. Месторождения Кузнецкой (Кия-Шалтырское, Горячегорское), Витимской (Мухальское, Нижнее-Бурульзасское), Северо-Байкальской (Сыннырское, Сакунское), Хиббинской групп и Тежсарское месторождение.

2) Алунитовые руды. Месторождения Загликское, Бенгальское, Гушсайское, Аскум и др.

3) Кианитовые руды. Месторождения Кейвской группы

4) Каолины и высокоглиноземистые аргиллиты. Месторождения Ангренское, Барандатское, Экибастузское, Гамыльское и др.

Заключение

Высокий уровень механических свойств в сочетании с низкой удельной плотностью обеспечивает очень широкое применение алюминия в самых разнообразных отраслях, особенно в самолетостроении, авиамото­ростроении, транспортном машиностроении и др., где от снижения массы конструкции увеличивается ее полезная мощность.

Алюминиевая промышленность относительно новая, самая крупная и быс­трее всех растущая среди основных подотраслей цветной металлургии, а вместе с тем и наиболее монополизированная.

Большинство развитых капиталистических государств хотя и покрывают основную часть внутреннего спроса на алюминий собственным производством, являются все же его нет­то-импортерами. Важнейшими нетто-экспортерами остались Канада и Норве­гия. К числу "новых" экспортеров алюминия относятся-Гана, Камерун, Су­ринам, с недавних пор Новая Зеландия, Исландия и вовсе не богатые ги­дроэнергоресурсами Нидерланды, Греция, и Бахрейн и некоторые другие страны Ближнего Востока.

Список литературы

1. Малахов А.Е. Материалы по вопросам геологии и полезным ископаемым Урала. М., Гостеолтехиздат, 1967. 150 с.

2. Смирнов В.И. Рудные месторождения СССР. Изд. 2-е М., Недра 1978, 351 с.

3. Татаринов П.М., Карякин А.Е., Голиков А.С. Курс месторождений твердых полезных ископаемых. Л., Недра 1975. 631 с.