2 последних уровня алюминия

Металл. Обозначение – Al. Порядковый номер – 13. Относительная атомная масса – 26,981 а.е.м.

Электронное строение атома алюминия

Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра (+13), внутри которого находится 13 протонов и 14 нейтронов. Ядро окружено тремя оболочками, по которым движутся 13 электронов.

Рис. 1. Схематическое изображение строения атома алюминия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

На внешнем энергетическом уровне алюминия находится три электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид:

Теоретически возможно возбужденное состояние для атома алюминия за счет наличия вакантной 3d-орбитали. Однако распаривания электронов 3s-подуровня на деле не происходит.

Примеры решения задач

Задание Определите число элементарных частиц в атомах калия, магния, железа, цинка и аргона.
Ответ Калий : Z=19, M=39. В атоме калия 19 протонов и 19 электронов. Количество нейтронов равно Z-M =39-19 = 10.

Магний : Z=12, M=24. В атоме магния 12 протонов и 12 электронов. Количество нейтронов равно Z-M =24-12 = 12.

Железо : Z=26, M=56. В атоме железа 26 протонов и 26 электронов. Количество нейтронов равно Z-M =56-26 = 30.

Цинк : Z=30, M=65. В атоме цинка 30 протонов и 30 электронов. Количество нейтронов равно Z-M =65-30 = 25.

Аргон : Z=18, M=40. В атоме аргона 18 протонов и 18 электронов. Количество нейтронов равно Z-M =40-18 = 22.

Алюминий

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре. Свойства алюминия позволяют активно применять в составе металлоконструкций: он легкий, мягкий, поддается штамповке, обладает высокой антикоррозийной устойчивостью.

Для алюминия характерна высокая химическая активность, отличается также высокой электро- и теплопроводностью.

Основное и возбужденное состояние

При переходе атома алюминия в возбужденное состояние 2 электрона s-подуровня распариваются, и один электрон переходит на p-подуровень.

Природные соединения

Получение

Алюминий получают путем электролиза расплава Al2O3 в криолите (Na3[AlF6]). Галлий, индий и таллий получают схожим образом — методом электролиза их оксидов и солей.

Химические свойства

При комнатной температуре реагирует с галогенами (кроме фтора) и кислородом, покрываясь при этом оксидной пленкой.

Al + Br2 → AlBr3 (бромид алюминия)

При нагревании алюминий вступает в реакции с фтором, серой, азотом и углеродом.

Al + F2 → (t) AlF3 (фторид алюминия)

Al + S → (t) Al2S3 (сульфид алюминия)

Al + N2 → (t) AlN (нитрид алюминия)

Al + C → (t) Al4C3 (карбид алюминия)

Алюминий проявляет амфотерные свойства (греч. ἀμφότεροι — двойственный), вступает в реакции как с кислотами, так и с основаниями.

Al + NaOH + H2O → Na[Al(OH)4] + H2↑ (тетрагидроксоалюминат натрия; поскольку алюминий дан в чистом виде — выделяется водород)

При прокаливании комплексные соли не образуются, так вода испаряется — вместо них образуются (в рамках ЕГЭ) средние соли — алюминаты (академически — сложные окиселы):

При комнатной температуре не идет из-за образования оксидной пленки — Al2O3 — на воздухе. Если разрушить оксидную пленку нагреванием раствора щелочи или амальгамированием (покрытием металла слоем ртути) — реакция идет.

Алюминотермия (лат. Aluminium + греч. therme — тепло) — способ получения металлов и неметаллов, заключающийся в восстановлении их оксидов алюминием. Температуры при этом процессе могут достигать 2400°C.

С помощью алюминотермии получают Fe, Cr, Mn, Ca, Ti, V, W.

Оксид алюминия

Оксид алюминия получают в ходе взаимодействия с кислородом — на воздухе алюминий покрывается оксидной пленкой. При нагревании гидроксид алюминия, как нерастворимое основание, легко разлагается на оксид и воду.

Проявляет амфотерные свойства: реагирует и с кислотами, и с основаниями.

Al2O3 + NaOH + H2O → Na[Al(OH)4] (тетрагидроксоалюминат натрия)

Гидроксид алюминия

Гидроксид алюминия получают в ходе реакций обмена между растворимыми солями алюминия и щелочами. В результате гидролиза солей алюминия часто выпадает белый осадок — гидроксид алюминия.

Проявляет амфотерные свойства. Реагирует и с кислотами, и с основаниями. Вследствие нерастворимости гидроксид алюминия не реагирует с солями.

Al(OH)3 + LiOH → Li[Al(OH)4] (при избытке щелочи будет верным написание — Li3[Al(OH)6] — гексагидроксоалюминат лития)

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Алюминиевые сплавы: классы, серии и обозначения

Химический состав и состояние

Чистый алюминий является довольно слабым конструкционным материалом с пределом прочности около 90 МПа. Однако при добавлении к алюминию небольших количеств таких легирующих элементов как марганец, кремний, медь, магний или цинк, а также соответствующей термической обработки и/или после холодной пластической деформации, предел прочности алюминия – или уже алюминиевого сплава – может достигать 700 МПа.

Многие алюминиевые сплавы имеют широкие интервалы механических и физических свойств в зависимости от вида их состояния. Эти состояния они получают в результате технологической обработки алюминиевого изделия, как термической, так и деформационной. Эти широкие интервалы свойств алюминиевых сплавов дают возможность широкого выбора именно такого алюминиевого сплава, который бы максимально обеспечивал заданные свойства при минимуме затрат.

Три класса алюминия

Алюминий подразделяется на три основных класса:

  • «чистый» алюминий; это – алюминий с различной степенью чистоты, марки алюминия;
  • алюминиевые сплавы для фасонного литья, то есть литья отливок; это – литейные алюминиевые сплавы.
  • алюминиевые сплавы для изготовления изделий методами обработки металлов давлением, то есть, прессованием (экструзией), прокаткой, ковкой, штамповкой; это – деформируемые алюминиевые сплавы.

Чистый алюминий

Промышленный нелегированный алюминий – технически чистый алюминий – содержит алюминия от 99,80 до 99,00 %. Нелегированный алюминий имеет относительно низкую прочность и поэтому находит ограниченное применение в качестве конструкционного материала. Исключение составляют те случаи, когда важными являются хорошая электрическая проводимость, легкость обработки и высокая коррозионная стойкость. Чистый алюминий не обладает способностью термически упрочняться. Однако прочностные свойства чистого алюминия могут повышаться путем нагартовки, то есть холодной пластической деформации.

Чистый алюминий обладает плохими литейными свойствами, поэтому его применяют в основном в виде изделий, которые получают методами обработки металлов давлением.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Большинство алюминиевых сплавов, которые применяют для изготовления изделий методами обработки металлов давлением, содержат не более 7 % легирующих элементов. Путем регулирования количества и типа легирующих элементов улучшают свойства алюминия и повышают его технологические характеристики. Например, для таких специфических производственных процессов как прессование (экструзия) и ковка разработаны специальные алюминиевые сплавы.

Деформируемые алюминиевые сплавы (также как и литейные сплавы) подразделяются на термически упрочняемые и термически неупрочняемые сплавы. Повышение механических свойств термически неупрочняемых алюминиевых сплавов производят путем нагартовки, то есть холодной пластической деформации с последующим частичным отжигом или без него. Повышение механических свойств термически упрочняемых сплавов достигают путем их закалки с подходящей температуры и последующего старения. Для некоторых термически упрочняемых сплавов применяют комбинацию термической обработки и нагартовки.

Основными видами изделий-полуфабрикатов, которые получают из деформируемых алюминиевых сплавов, являются:

  • листы (плиты),
  • фольга,
  • прессованные профили, трубы, прутки, стержни,
  • холоднотянутые трубы;
  • проволока и
  • поковки.

Литейные алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы, которые предназначены для литья отливок содержат один или более легирующих элементов в количестве не более 12 % каждого. Некоторые литейные сплавы «сконструированы» так, чтобы их можно было применять в литом состоянии без какой-либо термической обработки. Другие сплавы имеют такой химический состав, чтобы их можно было подвергать термической обработке для повышения их механических свойств и размерной стабильности. Высокую прочность вместе с хорошей пластичностью можно получать путем выбора подходящего химического состава и термической обработки.

Классификация алюминиевых сплавов

В мировой алюминиевой промышленности применяется система классификации алюминиевых сплавов, которая основана на системе Американской Алюминиевой Ассоциации (АА). Эту же классификацию применяют международные стандарты ISO и европейские стандарты EN, но в дополнение к цифровым обозначениям сплавов применяют также буквенно-цифровые обозначения.

Все алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные, которые, в свою очередь, подразделяются на различные серии (группы) по главным легирующим элементам. Каждая из этих групп принадлежит или к термически упрочняемым сплавам, или к термически неупрочняемым сплавам.

На основании классификации Американской Алюминиевой Ассоциации американский стандарт ANSI H35.1 дает системы обозначений алюминия и алюминиевых сплавов, которые включают:

  • способ их применения (деформируемые, литейные и для слитков для переплава), а также
  • состояние сплава (за исключением слитков для переплава, которые не имеют состояния).

Обозначения деформируемых сплавов

Для обозначения деформируемого алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов применяется международная цифровая система из четырех цифр:

Первая цифра

Первая цифра “1” указывает серию марок технического алюминия.

Признаком, по которому алюминиевый сплав относится к одной из серий от 2ххх до 8ххх, является легирующий элемент с максимальным средним (номинальным) содержанием. Исключение составляют сплавы серии 6ххх, в которых главным преобладающим признаком является соотношение содержания магния и кремния, которые доступны для образования силицида магния Mg2Si.

Если одинаковое максимальное среднее содержание в сплаве имеют несколько легирующих элементов, то выбор серии производится в порядке следования серий: медь, марганец, кремний, магний, силицид магния, цинк.

Вторая цифра

В марках алюминия серии 1ххх обозначения, которые имеют вторую цифру от 1 до 9 указывают на специальный контроль одной или более индивидуальных примесей.

В сплавах серий от 2ххх до 8ххх вторая цифра в обозначении сплава указывает на модификацию сплава. Если вторая цифра является нулем, то это указывает на первоначальный, базовый сплав. Цифры от 1 до 9 указывают, соответственно, модификацию базового сплава.

Третья и четвертая цифры

Серия 1ххх включает нелегированный алюминий с естественным уровнем примесей. Последние две цифры (10хх) применяются для обозначения минимально допустимого содержания алюминия в различных вариантах нелегированного алюминия. Обычно их называют марками алюминия.

Эти две последние цифры совпадают с последними цифрами минимального содержания алюминия, который указывается до ближайшего 0,01 %. Например, при содержании алюминия не менее 99,80 % марка алюминия имеет обозначение 1080.

Последние две цифры в обозначениях сплавов серий от 2ххх до 8ххх не имеют никакого физического или химического смысла, а просто идентифицируют различные сплавы внутри группы.

Дополнительные буквы

Иногда в конце четырех цифр обозначения добавляется буква А, которая указывает на модификацию сплава. Например, сплав 6063А является модификацией сплава 6063.

Состояние сплава

Полное обозначение деформируемого алюминиевого сплава для готовой продукции кроме обозначения сплава должно включать его состояние, например, 6063-Т6.

Обозначения литейных сплавов

Международная система из обозначений литейных марок алюминия и алюминиевых сплавов также основана на четырех цифрах, однако последняя цифра отделяется от остальных десятичной точкой. Эта система идентифицирует марки алюминия и алюминиевые сплавы, а также различает их варианты для готовых отливок и для слитков для переплава.

Первая цифра

Первая цифра в обозначении литейных алюминиевых сплавов указывает на серию сплавов:

Для литейных сплавов от 2хх.х до 8хх.х соответствующая серия определяется по легирующему элементу, который присутствует в сплаве в максимальной средней концентрации. Если в сплаве одинаковое максимальное среднее содержание имеют несколько легирующих элементов, то для такого сплава главный легирующий элемент определяется в порядке следования серий: от меди (2хх.х) к олову (8хх.х).

Вторая и третья цифры

Для литейного алюминия серии 1хх.х вторая и третья цифры, как и для деформируемого алюминия, указывают на чистоту металла. Для сплавов серий от 2хх.х до 9хх.х вторая и третья цифры идентифицируют конкретный литейный алюминиевый сплав.

Цифра после точки

Химический состав одного и того же литейного сплава, который идентифицируется первыми тремя цифрами, имеет варианты в зависимости от его назначения, на которые указывает четвертая цифра – цифра сразу после десятичной точки:

  • 0 обозначает отливку (готовое изделие);
  • 1 обозначает стандартный слиток;
  • 2 обозначает слиток с более узким химическим составов внутри химического состава стандартного слитка.

Дополнительные буквы

Дополнительные варианты химического состава, например, различия по содержанию примесей, обозначаются заглавными буквами перед цифровым обозначением сплава. Например, один из самых популярных сплавов для гравитационного литья, сплав 356, имеет варианты А356, В356 и С356. Каждый из этих сплавов имеет идентичное содержание основных легирующих элементов, но различный уровень содержания примесей, особенно железа.

Состояние сплава

Полное обозначения алюминиевого сплава отливки – литого изделия – должно включать состояние, которое оно получило при изготовлении, например, А356-Т5. Обозначение литейного алюминиевого сплава для слитка, который предназначен для приготовления алюминевого расплава, естественно, не включает информации о состоянии.