Алюминий: химические свойства и способность вступать в реакции с другими веществами

[Deposit Photos]

Металлы относятся к удобным для обработки материалам, и лидером среди них является алюминий, химические свойства которого давно известны людям. Этот металл, благодаря своим характеристикам, широко применяется в быту, и отыскать у себя дома изделие из алюминия сможет почти каждый человек. Следует детально рассмотреть свойства этого металла как элемента и как простого вещества.

[Deposit Photos]

Характеристика физических и технических параметров алюминия

Алюминий относится к самым распространенным химическим элементам и характеризуется небольшим весом, мягкостью. Основные физические параметры металла, способность образовывать устойчивые к воздействию среды соединения, позволяют его использовать в различных отраслях промышленного производства.
Металл является привлекательным материалом для работы в домашних условиях. Удельная теплота плавления алюминия составляет 390 кДж/кг, и для литейных целей расплавить его в бытовых условиях не составляет труда.
Плавка металла может осуществляться поверхностным и внутренним нагревом. Способ внешнего теплового воздействия не требует особого оборудования и применяется в кустарных условиях.
Алюминий, температура плавления которого зависит от чистоты соединения, давления, для перехода в жидкое состояние требует нагрева в среднем до 660 °C или 993,5°К.
Существуют различные мнения относительно показателя температуры плавления металла в домашних условиях, но проверить их можно только на практике.

Получение и применение алюминия

Алюминий получают электролизом расплава оксида этого элемента:

Однако из-за небольшого выхода продукта, чаще используют способ получения алюминия электролизом смеси Na₃[AlF₆] и Al₂O₃. Реакция протекает при нагревании до 960 $^{\circ}$ С и в присутствии катализаторов – фторидов (AlF₃, CaF₂ и др.), при этом на выделение алюминия происходит на катоде, а на аноде выделяется кислород.

Читайте так же:

Как пользоваться электронным тестером

Алюминий нашел широкое применение в промышленности, так, сплавы на основе алюминия – основные конструкционные материалы в самолето- и судостроении.

Понятие легкоплавких металлов/сплавов

Легкоплавкость – понятие растяжимое, особенно это актуально для промышленности. В химии легкоплавкими считаются элементы группы металлов + их сплавы, температура плавления которых ниже порога в 1000 градусов Цельсия.

Если температура плавления металла превышает 1 500 градусов Цельсия – его принято выделять в группу тугоплавких. Диаграмма выше четко дает понять, куда какой металл следует относить.

Обратите внимание: минимальная температура плавления у ртути — 39 градусов. Именно благодаря такому физическому свойству, мы можем наблюдать химический элемент в постоянно жидком состоянии.

Теперь пройдемся по легкоплавким сплавам. В своем большинстве – это сплавы эвтектического типа, пиковая температура плавления которых не превышает 232 градусов по Цельсию. В основе производства легкоплавких сплавов лежат легкоплавкие металлы – олово, висмут, таллий, галлий и другие.

Ученым удалось добиться -78 градусов в качестве минимальной температуры плавления для советского сплава, который состоит на 12% из натрия, 47% калия и 41% цезия. Недостаток сплава — реакция с водой. Ближайший конкурент – амальгама. Токсичный сплав из ртути с таллием, сохраняющий жидкое состояние до температуры -61 градус по Цельсию.

Область применения легкоплавких металлов/сплавов:

энергетическая промышленность и машиностроение. Основное направление – создание тепловых носителей с жидкометаллического типа;
литьевая промышленность;
как основа для датчиков температуры, что актуально в системах пожарной безопасности;
как основа для разработки термометров;
как ремонтный материал в вакуумных технологиях;
припои, предохранители и прочие мелочи в микроэлектронике;
медицинское направление. То же протезирование;
как металлическая смазка.

Низкая температура плавления является базовых свойством, которое требуется от легкоплавких металлов и сплавов. Вторичные параметры, которые берутся во внимание в различных областях использования – плотность, прочность на разрыв и инертность в химическом плане.

Читайте так же:

Вольфрамовый электрод для аргонной сварки по нержавейке

Понятие «вещество» в физике и химии. Физические и химические явления

I. Химические вещества и физические тела

Химия – это наука о веществах, их свойствах и превращениях друг в друга.

Все, что нас окружает, – люди, животные, растения, горы, моря, предметы – имеет непосредственное отношение к химии. Окружающие нас предметы и объекты называют физическими телами. Тела состоят из множества различных веществ. К настоящему моменту известно около 15 миллионов веществ, и это далеко не предел!

Гвоздь – это тело, состоящее из вещества – железа. Кусок гранита – это тоже тело, состоящее из нескольких веществ – кварца, слюды и полевого шпата. Рис. 1.

Рис. 1. Гранит и составляющие его вещества

Одни и те же тела часто изготавливают из разных веществ. Например, проволока может быть медной, железной, алюминиевой. И наоборот, из одного и того же вещества могут быть изготовлены различные тела: из стекла сделаны разные виды посуды, вазы и т. д.

Запомните! Каждое тело состоит из какого-либо вещества!

II. Физические и химические явления

Изменения веществ, которые не ведут к образованию новых веществ (с иными свойствами), называют физическими явлениями.

1. Вода при нагревании может переходить в пар, а при охлаждении – в лед .

2. Длина медных проводов изменяется летом и зимой: увеличивается при нагревании и уменьшается при охлаждении.

3. Объем воздуха в шаре увеличивается в теплом помещении.

Изменения с веществами произошли, но при этом вода осталась водой, медь – медью, воздух – воздухом.

Новых веществ, несмотря на их изменения, не образовалось.

Химическое явление (реакция) – явление, при котором образуются новые вещества.

А по каким признакам можно определить, что произошла химическая реакция? При некоторых химических реакциях происходит выпадение осадка. Другие признаки – изменение цвета исходного вещества, изменение его вкуса, выделение газа, выделение или поглощение тепла и света.

Читайте так же:

Деревянная коптильня своими руками

Признаки химических реакций:

Изменение цвета исходного вещества

Изменение вкуса исходного вещества
Выпадение осадка

Выделение газа

Появление запаха
Выделение света

III. Подведём итоги

1. Вещества могут участвовать в физических и химических явлениях.

2. Сравнительная характеристика физических и химических явлений представлены следующей интерактивной анимацией.

3. Отличие физических и химических явлений

При физических явлениях молекулы вещества не разрушаются, вещество сохраняется.
При химических явлениях молекулы вещества распадаются на атомы, из атомов образуются молекулы нового вещества.

IV. Задания для закрепления

№2. Посмотрите видео-эксперимент: «Взаимодействие соды с соляной кислотой» Какое явление вы наблюдали? Почему?

№3. Посмотрите видео-эксперимент: «Обугливание крахмала при нагревании и прокаливание поваренной соли». Какие явления вы наблюдали и почему?

№5. Поработайте с тренажёром: «Физические и химические явления»

№6. Поработайте с тренажёром и ответьте на вопросы:

вопрос
вопрос
вопрос
вопрос
вопрос

Видео:“Горение магния в кислороде”(выделение тепла и света)

Диффузия в твёрдых телах

Диффузия в твёрдых телах обусловлена медленным переносом масс взаимодействующих веществ, который объясняется микроскопическим строением твердого вещества. Диффундирование, как физический процесс, используется при производстве фарфоровой, керамической посуды.

Явление диффузии объясняется хаотичным движением молекул, в процессе которого молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные промежутки другого.
При увеличении температуры (нагревании) скорость движения молекул увеличивается. Поэтому процесс диффузии становится интенсивнее.
В горячем чае сахар растворяется быстрее. Тёплая вода лучше выполаскивает моющее средство. Запах свежей выпечки мы чувствуем вдалеке от пекарни.

Единица измерения и формулы

Единица измерения модуля Юнга в СИ — Ньютон на метр в квадрате (Н/м²), т.е. Паскаль (Па).

Формулы

Существует несколько формул, из которых можно вычислить модуль Юнга. Например, закон Гука.

Читайте так же:

Какой электроинструмент самый надежный

Закон Гука

Можно вычислить модуль Юнга через эти формулы (мы это и сделаем на примере). Из-за этого закона существуют несколько интересных равенств, которые могут быть полезны для расчётов.

Закон Гука (этот описывает явления в теле, в дифференциальной форме):

σ — механическое напряжение
E — модуль Юнга (модуль упругости)
ε — относительное удлинение

Закон Гука (этот описывает явления в теле)

Fупр — сила упругости
k × Δl — удлинение тела

Fупр — сила упругости
E — модуль Юнга (модуль упругости)
S — площадь поперечного сечения
l — первоначальная длина тела
Δl — удлинение тела

Fупр/S — механическое напряжение, обозначается как σ
Δl/l — относительное удлинение, обозначается как ε

Следует заметить, что этот закон действует до той точки, когда материал необратимо деформируется и уже не возвращается в свою первоначальную форму. В какой точке это происходит, уже зависит от материала. Если материал очень жёсткий (значит высокое показание модуля упругости), то эта точка может совпадать с разрывом/деформацией.

Другие формулы вычисления модуля Юнга (модуля упругости)

E — модуль Юнга (модуль упругости)
k — жёсткость тела
l — первоначальная длина стержня
S — площадь поперечного сечения

Либо можно выразить k (жёсткость тела):

k — жёсткость тела
E — модуль Юнга (модуль упругости)
S — площадь поперечного сечения
l — первоначальная длина стержня/тела

Пример решения задачи (через закон Гука):

Проволока длиной 2,5 метра и площадью поперечного сечения 2,5 миллиметра² удлинилась на 1 миллиметр под действием силы 50 ньютонов. Определить модуль Юнга.