Алюминий и его сплавы

1.Алюминий

В настоящее время алюминий и его сплавы по объемам производства и потребления занимают второе место после стали. В последние десятилетия производство алю­миния развивается опережающими темпами.

Алюминий принадлежит к числу элементов, широко распространенных в земной коре. Его за­пасы в земной коре (7,5 %) значительно превосходят запасы железа (4,2 %), титана (0,6 %), меди (0,01 %).

Алюминий — химический элемент третьей группы. Он крис­таллизуется в гранецентрированную плотноупакованную (ГПУ) решетку с параметром а = 4,0414Ǻ . Электронная структура алюминия 1s22s22p63s23p1, его атомный номер 13, атомная масса 26,98, валентность 3. Алюминий имеет один стабильный изотоп с массовым числом 27. Диаграммы состоя­ния алюминия с металлами периодической системы можно раз­делить на три основные группы.[1]

Бурное развитие потребления алю­миния обусловлено его свойствами:

1.Достаточная прочность2. Небольшая плотность.3.Химическая стойкость, атмосферостойкость и стойкость в морской воде. 4.Безвредность для здоровья.5.Теплопроводность.6.Электропроводность.7. Искрение, незгораемость.8. Магнитные свойства(парамагнетик).9. Хорошая обрабатываемость давлением, резанием.[2]

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЮМИНИЯС РАЗЛИЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Системы с ограниченной раствори­мостью в твердом и жидком состояниях. Сюда относятся эле­менты Iа подгруппы, за исключением лития; с ними алюминий не вступает в химическое взаимодействие. Большое различие в атомных радиусах этих элементов и алюминия приводит к об­разованию широких областей расслоения. Так же, как натрий, калий, рубидий и цезий, алюминий образует системы с огра­ниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях с кадмием, индием, таллием, рубидием и висмутом.

Системы с неограниченной растворимостью в жидком со­стоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии. Эвтектически алюминий взаимодействует с непереходными полуметаллами — бериллием, галлием, кремнием, германием и оловом, а также с двумя переходными металлами — цинком и ртутью — с заполненными d-оболочками. Растворимость второго металла в алюминии, как правило, очень мала. Толь­ко в системах с цинком, галлием и германием она превышает 5 мас. % легирующего элемента.

2раздел. Системы с интерметаллическими соединениями. Ближайшие к алюминию соединения с открытым максимумом образуются в системах с литием, магнием, стронцием, барием и ниобием. По перитектическим реакциям образуются соединения в си­стемах с кальцием, иттрием, лантаном, церием, празеодимом, неодимом, титаном, торием, ванадием, хромом, молибденом, вольфрамом, марганцем, рением, железом, рутением, кобаль­том, никелем, палладием, платиной, медью, золотом, серебром и плутонием, т. е. в подавляющем большинстве известных систем. По перитектоидной реакции нтерметаллиды образуются лишь с некоторыми лантаноидами, а именно с гадолинием и тербием. Большинство соединений взаимодействует с алюми­нием по эвтектической реакции. По перитектической реакции взаимодействуют соединения, образованные переходными ме­таллами IV, V и VI групп периодической системы.

Таким образом, алюминий не образует непрерывных твер­дых растворов ни с одним элементом. С 11 элементами (туго­плавкими металлами) он образует системы перитектического типа, с остальными — эвтектики и монотектики. Глубокие об­ласти твердых растворов (не менее 1 %) алюминий образует с элементами, близко к нему расположенными в периодической системе — литием, магнием, кремнием, германием, галлием, цинком, медью, серебром и ртутью.

[1]

3 раздел. Кремний

Кремний (лат.Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами:28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%).

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л[2].

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

4.Физические свойства Кремния.

Кремний образует темно-серые с металлическим блеском кристаллы, имеющие кубическую гранецентрированную решетку типа алмаза с периодом а = 5.431Å, плотностью 2,33 г/см3. При очень высоких давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см3. Кремний плавится при 1417 °С, кипит при 2600 °С. Удельная теплоемкость (при 20-100 °С) 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град); теплопроводность даже для самых чистых образцов не постоянна и находится в пределах (25 °С) 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град). Температурный коэффициент линейного расширения 2,33·10-6 К-1, ниже 120 К становится отрицательным. Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей; показатель преломления (для λ = 6 мкм) 3,42; диэлектрическая проницаемость 11,7. Кремний диамагнитен, атомная магнитная восприимчивость -0,13-10-6. Твердость Кремния по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м2 (240 кгс/мм2), модуль упругости 109 Гн/м2 (10 890 кгс/мм2), коэффициент сжимаемости 0,325·10-6см2/кг. Кремний хрупкий материал; заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.

Кремний - полупроводник, находящий большое применение. Электрические свойства Кремния очень сильно зависят от примесей. Собственное удельное объемное электросопротивление кремния при комнатной температуре принимается равным 2,3·103 ом·м (2,3·105 ом·см).

Полупроводниковый Кремний с проводимостью р-типа (добавки В, Al, In или Ga) и n-типа (добавки Р, Bi, As или Sb) имеет значительно меньшее сопротивление. Ширина запрещенной зоны по электрическим измерениям составляет 1,21 эв при 0 К и снижается до 1,119 эв при 300 К.

5.Химические свойства Кремния.

 В соответствии с положением Кремния в периодической системе Менделеева 14 электронов атома Кремния распределены по трем оболочкам: в первой (от ядра) 2 электрона, во второй 8, в третьей (валентной) 4; конфигурация электронной оболочки 1s22s22p63s23p2. Последовательные потенциалы ионизации (эв): 8,149; 16,34; 33,46 и 45,13. Атомный радиус 1,ЗЗÅ, ковалентный радиус 1,17Å, ионные радиусы Si4+ 0,39Å, Si4- 1,98Å.

В соединениях Кремний (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, Кремний наряду с координационным числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объемом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу [SiF6]2-).

Химическая связь атома Кремния с другими атомами осуществляется обычно за счет гибридных sр3-орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей, особенно когда Кремний является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), Кремний в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si - О, равная 464 кДж/молъ (111 ккал/молъ), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO2 и силикатов). Энергия связи Si - Si мала, 176 кДж/молъ (42 ккал/моль); в отличие от углерода, для Кремния не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе Кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2. Известен также оксид кремния (II) SiO, устойчивый при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твердый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь Si и SiO2. Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. Кремний реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании с образованием соединений общей формулы SiX4. Водород непосредственно не реагирует с Кремнием, и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов (см. ниже). Известныкремневодороды от SiH4 до Si8H18 (по составу аналогичны предельным углеводородам). Кремний образует 2 группы кислородсодержащихсиланов - силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, для производства огнеупоров и других. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12). При нагревании Кремний реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с СН3Сl) с образованием органогалосиланов [например, Si(СН3)3Cl], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.

Кремний образует соединения почти со всеми металлами - силициды (не обнаружены соединения только с Bi, Tl, Pb, Hg). Получено более 250 силицидов, состав которых (MeSi, MeSi2, Me5Si3, Me3Si, Me2Si и других) обычно не отвечает классическим валентностям. Силициды отличаются тугоплавкостью и твердостью; наибольшее практическое значение имеют ферросилиций (восстановитель при выплавке специальных сплавов, см. Ферросплавы) и силицид молибдена MoSi2 (нагреватели электропечей, лопатки газовых турбин и т. д.).[3]

1. Промышленные алюминиевые сплавы

2.Алюминиевые сплавы

3.http://chem100.ru/elem.php?n=14