Алюминий және оның қорытпалары

 

                                            Жоспар

 

Кіріспе.......................................................................................................................3

1. Алюминий және оның қорытпалары..………............................…...............4

2. Алюминий қорытпасының құрылымы және қасиеті...............................11

3. Алюминий қасиеттері және қолданылуы................….................................13

Қолданылған әдебиеттер тізімі...........................................................................17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

    Алюминий күмістей ақ жұмсақ металл. Созылғыш, жайылғыш қасиеттері алтыннан ғана төменірек. Электр өткізгіштігі мыстан төменірек,бірақ мыс және алюминийден жасаған электр өткізгіш сымдарды, көлденеңін емес, салмағын салыстырса, алюминий жеңіл, сондықтан ол электропровод жасауда мыстың орнына жұмсалады. Алюминий өте жеңіл, айталық темірден үш есе жеңіл, сондықтан транспорт құралдарын жасауға таптырмайтын металл.

    Алюминий өте жұмсақ болғандықтан оның түрлі құймалары қолданылады. Алюминийдің дуралюмин , магналий , силумин құймалары бар.

Алюминий (лат. Aluminium),– ашудас, Al – элементтердің периодтық жүйесінің ІІІ тобындағы химиялық элемент, рет нөмірі 13, атомдық массасы 26,9815. Бір тұрақты изотопы бар. Жер қыртысында таралуы бойынша элементтер арасында 4, металдар арасында 1-ші орында. Табиғатта жүздеген минералдары кездеседі, оның көпшілігі – алюмосиликаттар болып келеді. Алюминий латынша Alumіnіum; алюминий алу үшін пайдаланылатын негізгі шикізат – боксит. Алюминийді бос күйінде алғаш рет 1825 жылы даниялық физик Ханс Кристиан Эрстед алған. Алюминий – күміс түсті ақ металл, жылуды және электр тогын жақсы өткізеді, созуға, соғуға икемді, меншікті салмағы 2,7 г/см3; балқу температурасы 660ӘС, қайнау температурасы 2500ӘС; коррозияға берік, қалыпты температурада тұрақты, себебі бетіндегі алминий оксидінен тұратын жұқа қабыршақ оны тотығудан қорғайды. Сондай-ақ ол амфотерлі элемент, сондықтан қышқылдармен де, сілтілермен де әрекеттеседі. Алюминий – практикалық маңызы зор металл. Ол негізінен жеңіл құймалар өндіру үшін пайдаланылады. Алюминий құймалары авиа, авто, кеме, ядролық реактор, химиялық аппараттар жасауда, құрылыста, т.б. салаларда, таза металл түрінде электртехникасында ток өткізгіш сымдар, тұрмысқа қажетті бұйымдар дайындау үшін қолданылады. Техникалық қасиеттері жағынан өте бағалы құймасы – дюралюминий. Оның құрамында 94% алюминий, 4% мыс және аздаған магний, марганец, темір, кремний болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Алюминий және оның қорытпалары.

    Алюминий III периодтың элементі, мұның  алдында осы периодтың р-элементтері-Cl,S,P,Si таныстық, енді мұнан кейін  S-элементтер Mg мен  Na-ға көшеміз. Осы бағытта айтылған элементтердің валенттік  электрондары кеміп, онымен қатар бос тұрған валенттік орбитальдар саны өсе береді. Осының салдарынан қос электронды байланыстың беріктігі әлсіреп,орнықпаған /локализацияланбаған/ электрондар арқылы туатын байланыстар өсіп, одан металдық байланыста тууға бейімділік күшейеді.

Міне, период ішімен р- элементтерден S  элементтерге қарай жылжығанымызда валенттік электрондардың азаюынан, әуелі молекулалық кристалдық торы бар металл еместерден (Ar,Cl2,P4), атомдары тізбектелген (S∞) қабыршақты (Р2 ∞) каркас түзген (Si3∞), структуралы металл еместер арқылы, металл тәріздес кристалдық структураларға  келеміз.

    Осы структурасы өзгерген бағытта, химиялық байланыстың типі, оған тәуелді жай заттардың қасиеттері де өзгеріп отырғанын көрдік, соған тағы мысал Ar, Cl, S - диэлектрик, кремний - шала өткізгіш, ал  Al, Mg, Na - металл ( өткізгіш).

    Алюминий бор сияқты р- элемент, сыртқы валенттік электрондарының саны бірдей болғандықтан ұқсастығы да көп, алайда сырттан екінші қабат өзгеше, әсіресе алюминийде 3d  орбитальдардың бар болуы, оның үстіне атомдардың қарамының әр түрлі болуы олардың қасиеттерінде айырмашылық тудырады.

Алюминий бор сияқты тотығып, оң үш валенттік көрсетеді, теріс валенттік білдіруі бордан да сирегірек.

    Алюминий нағыз амфотерлі элемент. Алюминий қосылыстарының көпшілігінде sp3- гибрид және  sp3d2- гибридтану күйінде де жиі болады.

Алюминийдің бордан айырмашылығы, оның Al-O-Al тізбегі   B-O-B сияқты су әрекетінен үзіліп кетпейді, сондықтан алюминийдің оттекті қосылыстары тұрақты, табиғатта да жиі кездеседі.

    Жер қыртысында бар металдардың ең көбі алюминий. Бұл қосылыс түрінде болады. Алюминий алуға жарайтын қосылыстар боксит Al2O3*xH2O, алунит K2SO4*xAl2(SO4)3*yAl2O3*zH2O, нефелин   4Na2O*4Al2O3*9SiO2. Бұлардың ішінде әзірше алюминий алу үшін көбірек қолданылып келе жатқаны боксит. Бокситке бай жерлер Қазақстанда (Торғай алабында), Орал тауында, Башқұрстанда бар, сонымен қатар Хибинда апатитпен аралас нефелин бар, Сибирьде де алюминий кендері көп.

    Алюминий кендері жер қыртысын түзуші атпа жыныстармен де, шөгінді жыныстармен де байланысты.

    Атпа жыныстар гранит-далалық шпат, слюда және кварц. Далалық шпат пен слюда алюмосиликат

      XЭ2О3* ySiO2*zH2O (Э= Al, Cr, Fe )  деп   аталады.

    Бұл  алюмосиликаттар күйреп каолин түзеді, мысалы:

         K2O*Al2O3*6SiO2+CO2+2H2O=K2CO3+Al2O3*2SiO2*2H2O+4SiO2 

Каолин күллі саздардың негізі, мұнда алюминий мен кремний ажыраспайқалады. Алюмосиликаттар күйрегенде көбінесе, ақтық продукт осы каолин болады.

    Кей жағдайда алюмосиликаттардың күйреуі одан да әрі жүріп алюминий кремнийден ажырасып, әр қайсысы жеке гидраттар түзіп, сол гидраттар қоспасы түрінде болады; сонда алюминий Al2O3*xH2O боксит түріне айналады. Атпа жыныстардың күйіреуінен осылайша келіп шөгінді жыныс - боксит түзіледі.

    Алюминийдің табиғи  минералдарымен адамзат өте ертеден  таныс. Мысалы, біздің дәуірімізге  дейінгі бесінші ғасырда египеттіктердің  калий мен алюминий сульфатынан  тұратын минералды тастарды өндіріп, оны байланыстырушы және тері  өңдеуші зат ретінде пайдаланғаны  белгілі. Оны ертедегі римдіктер  де өндіріп, осы мақсатқа қолданған. Олар бұл минералды алюмин  деп атаған. Оны және осы сияқты  минералдарды европалықтар квасцы  деген. Демек, квасцы — латын тіліндегі  алюмин дегенге тең. Жалпы, квасцы (алюмин) дегеніміз екі металл  сульфаттарының белгілі бір мөлшерде, қатынас тарда араласа, біріге  кристалдануы, біріге қатаюы. Квасцы (алюмин) Орта Азия мен Қазақстанда  ашудас (түбірі —«ашулы тас», «ащы  тас») деген атпен белгілі де  ол мал емдеу, тері еңдеу, ұрт  ойылғанда шайып, емдеуге т. б. қолданылған.

    Ашудас жайлы  алғашқы жазба деректер алхимия  дәуіріндегі ықпалды оқымысты  және дәрігер Парацельс (1493—1541) еңбектерінде  кездеседі. Бертін келе 1746 жылғы  Пошт еңбектерінде ашудас минералы  толығырақ сипатталған. Ал, неміс  оқымыстысы А. Маркграф 1754 жылы ашудастан  суда ерімейтін, түссіз, ұнтақ «жер»  затын алғанын жариялайды. Оның  «жер» деп жүргені қазіргі  алюминий оксиді еді. Кейінірек  осы ұнтақты зат кәдімгі жер, балшық құрамынан да табылады. Міне, осыған байланысты алюминий  оксидіне глинозем деген ғылымын  атау қойылады. Глинозем жер қыртысының, тау жыныстарының, сол сияқты  кәптеген құнды минералды тастардың  құрамында болады. Ал, әйгілі француз  оқымыстысы А. Лавуазье ашудастан (квасцыдан) «жер» (глиноземді) қосылысын, яғни саз балшық аталатын алюминий  оксидін алып, жан-жақты зерттей  келіп, 1789 жылы оның құрамында  әлі белгісіз металл бар деген  пікірді атайды. Осыдан бастап  жаңа металды іздеу басталады.

    Кезінде бірнеше  химиялық элементтерді ашып, артында  өшпестей ат қалдырған ағылшын  оқымыстысы X. Дэви жаңа элемент, қанатты металл — алюминий  алуға арналған ғылыми-техникалық  ізденіс керуенін бастады. Ол  он тоғызыншы ғасырдың басында, 1808— 1810 жылдары әр түрлі ашудастардан  саз балшықты (алюминий оксидін) тазартып алады да, оны электро- лиздеу арқылы алюминий алмақ  болады. Сан рет тәжі- рибелерді  қайталап, оларды өзгертіп ттегенмен  жаңа металды ала алмайды. Бірақ, ол белгісіз элементті ала  қалған жағдайда оны «алюминий»  деп атауға ұйғарады.

    Ол өзінің бұл  ойын замандастарына айтып, жазып  қана қоймай ғылымн еңбектерінде  жариялайды.

    Іле-шала, бұл істі  сол кездегі танымалы швед  ғалымы Я. Берцелиус жалғастырады. Ол да алюминийді электролиздеу  жолымен алуды көздеіт, түрлі  зерттеулер жүргіз- генімен, мақсатына  жете алмайды. Зерттеулері сәтсіздікке  душар болғанына қарамастан, ол  саз балшық құрамында жаңа  элементтің бар екенін нұсқап, оны «алюмий» деп атауды ұсынады. Алайда, әлі алынбаған белгісіз  элементтің аты, оның езі жоқ  болғанына қарамастан оқымыстылар  арасында X. Дэви айтқандай «алюминий»  деген атаумен басымырақ айтылып, жазылыл, қалыптасады. Осы түста  айта кететін бір жай бар. Ол  қанатты металл атауының Россияда  орнығуы. Мұнда кейбір ғалымдар  «алюмий» десе, келесі топтағылар  — «глиноземий», ал үшіншілері  —«алюминий»— деп жүрді. Ол тек 1862 жылдан бастап «алюминий» болып  бекітілді.

    Бертін келе, он  тоғызыншы ғасырдың бірінші ширегінен  кейін, аты бар да заты жоқ  элементті іздестірудің келесі  және шешуші кезеңі басталды. Оның көш басында дат оқымыстысы  Г. Эрстед (1777—1851) тұрды. Ол 1825 жылы алюминий  тотығымен көмірді қызарғанша  қыздырып, олар арқылы хлор газын  жіберіп, тұңғыш рет сусыз алюминий  хлоридін алады. Сосын оған калий  амальга- масын қосқанда, калий хлориді  мен алюминий амальгамасы шығады. Енді алюминий амальгамасын қыздырғанда  сынап буланып, үшады да кішкене  тигельде алюминий калады. Ол  суда ерімейтін, күңгірт түсті  ұнтақ зат болатын. Әрине, бұл  таза болмағанымен, жаңа металл  — алюминий еді. Ол ез тәжірибесін  ғалымдар мен мамандар арасында  беймәлімдеу журналда жариялайды  да, өзінің негізгі бағыты электромагнитизммен  шұғылданып, алынған ұнтақты —  алюминий металын сипаттауға  мұршасы болмайды. Екі жылдан  кейіи 1827 жылдың көктемінде неміс  химигі Фридрих Велер Копенгаген  қаласына келіп, онда Эрстедпен  әңгімелеседі. Осы кездесу кезінде  Ф. Велер әлі оқымыстылар арасында  белгісіз элементпен Эрстедтің  шұғылданбай жүргенін біліп және  оның бұл бағыттағы тәжірибелерімен  нақтылы танысып оралады. Ол өз еліне келісімен алюминий элементін алуға арналған ғылыми-зерттеу жүмыстарына асқан үқыптылықпен қызу кіріседі. Ол сусыз да аса қүрғақ алюминий хлоридін және калийді платинадан жасалған тигельге салып, оны мұқият бекітіп қыздырады. Олардың арасындағы химиялық реакция нәтижесінде калий хлориді мен алюминий металы түзіледі. Мұнда да алюминий таза металл күйіше де болмай, қалайы сияқты аппақ жылтырауық ұнтақ қалпында болады. Ф. Велер тез арада алюминийдің азын-аулақ сипатын анықтап, 1827 жылдың ноябрінде жариялайды. Міне, осы жылды әлемнің оқымыстылары мен ғылым тарихын зерттеушілер алюминий элементі ашылған, табылған жыл деп жүр.

    Алюминий металының  таза қалпында алынуы Ф. Велердің  атын әйгілі етіп, лауазымын көтерді. Ол, мұнан кейін де көптеген  жылдар бойына ұнтақты емес, бүтін, саф күйіндегі металл алу үшін  көп еңбектенді. Тек, 1845 жылы ғана  үлкендігі жүгерідей ғана металл  түйірін алады.

    Өткен он тоғызыншы  ғасырдың екінші жартысынан бастап, алюминийді өндірістік жағдайда  кәптеп алуға арналған ғылыми-технологиялық  жұмыстар, ізденістгр басталады. Өйткені, оны лабораториялық жағдайда  алу игерілгенді.

    Сонымен 1854 жылы  неміс оқымыстысы Бунзен натрийдің  хлорлы алюминат тұзын балқытып, оны электролиздеп ендіруді ұсынды. Демек, таза алюминий өндірісінде  екі бағыт пайда болады. Оның  бірі Велер әдісі де, екіншісі  Бунзендікі.

    Бұл ретте жұлдызы  жарқырай жанған кісі — француз  оқымыстысы және өнеркәсіпшісі  Сен-Клер-Девилль болды. Ол Велер  әдісіне негізделген кішкене  өндіріс ұйымдастырып алюминий  металын өндіреді. Ал, 1855 жылы Парижде  қымбат та кереметтей, жаңа да  сирек заттарға арналған керме  ұйымдастырылды. Онда әлемнің әр  түкпірінен әкелінген жаңалықтар  болатын. Мұнда әкелінген, Шамасы  бір килограммдай ғана алюминийден  әзірленген металл түйірі мен  қаңылтыры келушілерді таң қалдырды. Ол кезде алюминий алтыннан  да қымбат әрі өте аз болатын, және оны «болашақ күмісі», «Девилль  күмісі» десетін. 1859 жылы Девилль  өзінің кішкентай ғана заводында 1680 килограмм алюминий ендірді. Бұдан  басқа әлі әлемде бір де  өндіріс орны жоқ болатын. Ол  кезде алюминийден қасық, шанышқы  сияқтылармен қатар сан алуан  әшекейлік зергерлік заттар жасалып, онымен әскери және мемлекеттік  тулар без- ендірілетін.

    Харьков университетінің  профессоры, көрнекті орыс ғалымы  Н. Н. Бекетов 1859 жылы криолитті балқытып, оған магний қосып, алюминий электролиздеу  арқылы алуды ұсынып, оны өзі 1865 жылы лабораториялық жағдайда жүзеге асырады. Осы әдіске негізделіп, Франция мен Германияда алюминий өндірілген.

    Алюминийді электролиздеу  арқылы өндіру әдісі тұрақты  ток алудың қиындығына байланысты  баяу дамиды. Ол кезде ток беретін  тек аккуммулятор ғана болатын. Ал, 1867 жылы динамомашинаның пайда  болуы күллі техника мен ғылымға, өмір мен өндіріске жаңа тыныс, күшті екпін, серпінді ықпал етті.

    Электр өндірудің  жаңа жолы өмірге ене бастайды. Оған орай, өндіріс те күрт  езгеріп, тез дамиды. Сөйтіп, өткен  ғасырдың соңғы ширегінде алюминий  өндірісінде негізгі бетбұрыс  басталды. Мұның езі американдық  студент Ч. М. Холл мен француз  инженері П. Э. Эрудің есімдерімен  байланысты. Олардың әрқайсысы әр  елде, бірінен бірі бейхабар бола  тұра, екеуі де бір сәтте, яғни 1886 жылы криолит пен саз балшықты  бір-бірінде балқытып электролиздеуді  ұсынды. Тағы бір ұқсастық олардің  екеуі де 1863 жылы туылып, 1914 жылы  қайтыс болды. Ал ұсыныстарын  да 1886 жылдың ақпан айында жариялайды. Ч. М. Холл өз тәсіліне негізделген  алюминий заводын 1888 жылы Нитсбург  қаласында іске қосып, тұңғыш  балқыма алады.

    Сөйтіп, жаңа әдіс  әмірге келеді. Өткен ғасырдың  аяғында алюминий металын өндіретін  кәсіпорындар Франция, Швейцария, Германия, Италия, Америка сияқты дамыған  капиталистік елдерде болды. Ал, Россияда алюминий өндірісін  былай қойғанда, оны өндіруге  қажетті кен орны да жоқ  болатын.

    Алюминий негізді қорытпалар. Құрамында кремнийі бар алғашқы алюминий қорытпалары 19ғ-дың 50 жылдарында алынады. Оның беріктігі нашар, тотығуға төзімділігі төмен болды. АҚШ-та 1907 жылға дейін Al-Cu қорытпасы кеңінен тарап келді. 1910 жылы Англияда үш компонентті Al-Cu-Mn, ал 2 жылдан соң құрамына 10-14% мырыш және 2-3% мыс кіретін алюминий қорытпалары алынды. 1903-11ж. А.Вильман (Германия) ашқан металды кемелдендіру тәсілі алюминий қорытпалардың жетілдіруге елеулі әсерін тигізді. Алюминий қорытпалардың кемелденген түрі дюралюминий деп аталды. Ю.Г. Музалевский мен С.М. Воронов осы күнгі дюралюминийдің бір түрі – кальчугалюминийді тапты. Беріктігін арттыру  мақсатында соңғы жылдары алюминий қорытпалардың химиялық құрамы жөнінде кең зерттеулер жүргізілді. Соның нәтижесінде  жаңадан коррозияға төзімді, сәндік, электр тех. (Al-Mg-Si), өте берік (Al-Mg-Si-Cu, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mn-Cu), ыстыққа төзімді ( Al-Cu-Mn, Al-Cu-Li), жеңіл және жоғары модульді ( Al-Be-Mg, Al-Li-Mg) алюминий қорытпалар жүйесі табылды.