Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий
Шрифт:
На первой стадии размола насыпной вес пудры уменьшается до 0,2 г/см3, содержание окиси алюминия постепенно увеличивается до 4–8%. Размол продолжается, мелкие частицы укладываются более плотно, не слипаются между собой, так как к пудре специально добавляют жир, и насыпной вес материала повышается до 0,8 г/см3. Окисление происходит достаточно интенсивно, и содержание окиси алюминия достигает 9–14%. Постепенно жир почти полностью улетучивается, и мельчайшие окисленные частицы «склепываются», сращиваются в более крупные конгломераты.
Такая «тяжелая» пудра (в ней содержится до 20–25% окиси) уже не летит как пух, ее можно спокойно ссыпать в стаканы. Затем порошок брикетируют в прессах под давлением 30 — (50 кг/мм2 и при температуре 550–650°С. После этого материал приобретает
При содержании окиси алюминия 20–25% прочность САП достигает максимума — 45–48 кг/мм2. Иначе говоря, благодаря окиси прочность алюминия увеличивается в 6 раз. Объясняется это, конечно, не просто присутствием окиси алюминия, а се дисперсностью, способом наращивания пленки, механизмом ее взаимодействия с алюминием.
Чем меньше расстояние между частицами, тем прочнее САП. Благодари тому что природа дисперсных образований в обычных стареющих алюминиевых сплавах и в САП различна, эти материалы очень различаются и по своим свойствам. САП сохраняет высокую прочность до 500–600°С, а все алюминиевые сплавы при этой температуре переходят в полужидкое или вязкое состояние. Тысячи часов при температуре до 500°С в общем мало сказываются на прочности САП, потому что взаимодействие окисных частиц и алюминиевой матрицы мало меняется после нагрева. Сплавы же алюминия при таком испытании совершенно теряют прочность.
САП не нуждается в закалке, по коррозионной стойкости он близок к чистому алюминию. По электропроводности и теплопроводности этот материал ближе к чистому алюминию, чем стареющие сплавы такой же прочности. Характерная особенность САП — адсорбция огромного количества влаги разветвленной поверхностью окисленных частиц.
Поэтому САП необходимо хорошо дегазировать в вакууме, нагревая материал до точки плавления алюминия. Из САП изготовляют поршни двигателей, работающих при температуре до 400 и даже 450°С, материал этот перспективен для судостроения и химического машиностроения.
Заканчивая рассказ о применении алюминия как конструкционного материала, надо упомянуть и о его спеченных сплавах с кремнием, никелем, железом, хромом, цирконием. Они называются CAC — по первым буквам слов «спеченный алюминиевый сплав». Сплавы имеют низкий коэффициент линейного расширения, и это позволяет использовать их в сочетании со сталью в механизмах и приборах. У обычного же алюминия коэффициент линейного расширения примерно вдвое выше, чем у стали, и это вызывает большие напряжения, искажения размеров и нарушения прочности.
Рассказать об элементе № 13 можно, конечно же, гораздо больше, чем о металле алюминии. С «биографией» элемента № 13 связана судьба многих научных проблем и открытий, самых разных процессов и продуктов — красок, полимерных материалов, катализаторов и многих других.
И все-таки не будет ошибки, если утверждать, что металл алюминий по значимости в современной технике, в современной жизни — важнее, нежели все соединения алюминия, вместе взятые.
HE ТОЛЬКО ЛЕГЕНДА. Во многих популярных книгах по химии и металлургии приводится рассказ о том, что алюминий якобы был известен еще в древности. Некий изобретатель (имя его осталось неизвестным) принес одному из владык чашу из металла — очень легкого, но внешне похожего на серебро. История закончилась плачевно: изобретателя казнили, поскольку владыка боялся, как бы новый металл не обесценил его серебро.
Скорее всего, эта история — не больше чем красивая сказка. А вот некоторыми соединениями алюминия люди пользовались и в древности. И не только глиной, основу которой составляет AlO3.
В «Естественной истории» Плиния Старшего упоминается, что квасцы (их формула KAl(SO4)2•12H2O) еще на рубеже старой и новой эры применяли в качестве протравы при крашении
АЛЮМИНОТЕРМИЯ. В 1865 г. известный русский химик Н. Н. Бекетов открыл метод восстановления металлов с помощью алюминия, получивший название алюминотермии. Сущность метода состоит в том, что при поджигании смеси окислов многих металлов с элементным алюминием происходит восстановление этих металлов. Если окисел взят в избытке, то полученный металл будет почти свободным от примеси элемента № 13. Этим методом сейчас широко пользуются при получении хрома, ванадия, марганца.
СИНТЕТИЧЕСКИЙ КРИОЛИТ. Для получения алюминия электролизом необходим криолит. Этот минерал, внешне похожий на лед, позволяет намного снизить температуру плавления глинозема — сырья для производства алюминия. Состав криолита 3NaF•AlF3. Единственное крупное месторождение этого минерала почти исчерпано, и можно сказать, что алюминиевая промышленность мира работает сейчас на синтетическом криолите. В нашей стране первые попытки получить искусственный криолит сделаны еще в 1924 г. В 1933 г. неподалеку от Свердловска вступил в строй первый криолитовый завод. Существуют два основных способа производства этого минерала — кислотный и щелочной, первый используется шире. В этом случае сырьем служит плавиковый шпат CaF2, который обрабатывают серной кислотой и получают фтористый водород. Растворив в воде, его превращают в плавиковую кислоту, которая взаимодействует с гидроокисью алюминия. Полученную фторалюминиевую кислоту H3AlF6 нейтрализуют содой. В осадок выпадает мало растворимый в воде криолит.
ПЕРВЫЙ КАТАЛИЗАТОР. Уже много лет не прекращаются разговоры о катализаторах К. Циглера и Д. Натта — элементоорганических соединениях, революционизировавших производство многих полимерных материалов, прежде всего синтетических каучуков. Полимеры, полученные с помощью таких катализаторов, отличаются особенно четкой структурой и оттого — лучшими физико-химическими свойствами. Первыми катализаторами стереоспецифической полимеризации были алюмнийорганические соединения.
И ВСЕ ЭТО — ОКИСЬ АЛЮМИНИЯ! Алюминий давно уже перестал быть драгоценным металлом, но некоторые его соединения по-прежнему остаются драгоценными камнями. Монокристаллы окиси алюминия с небольшими добавками красящих окислов — это и ярко-красный рубин и сияющий синий сапфир — драгоценные камни первого — высшего порядка. Цвет им придают: сапфиру — ионы железа и титана, рубину — хрома. Чистая кристаллическая окись алюминия бесцветна, ее называют корундом. Алюминий входит также в состав турмалина, бесцветного лейкосапфира, желтого «восточного топаза» и многих других ценных камней. В заводских масштабах производятся искусственные корунд, сапфир и рубин, эти камни нужны не только ювелирам, но и многим отраслям современной техники. Достаточно вспомнить о рубиновых лазерах, о часах «на пятнадцати камнях», о наждаке, который делается преимущественно из корунда, получаемого в электропечах, о сапфировых окнах «Токамака» — одной из первых установок для изучения термоядерных процессов.
ТОЛЬКО ОДИН ИЗОТОП. Природный алюминий состоит только из одного «сорта» атомов — изотопа с массовым числом 27. Известны несколько искусственных радиоактивных изотопов элемента № 13, большинство из них — короткоживущие и лишь один — алюминий-26 имеет период полураспада около миллиона лет.
АЛЮМИНАТЫ. Алюминатами называют соли ортоалюминиевой H3AlO3 и метаалюминиевой HAlO2 кислот. Среди природных алюминатов — благородная шпинель и драгоценный хризоберилл. Алюминат натрия NaAlO2, образующийся при получении глинозема, применяют в текстильном производстве как протраву. В последнее время приобрели практическое значение и алюминаты редкоземельных элементов, отличающиеся высокой тугоплавкостью и характерной, во многих случаях красивой, окраской. Алюминаты лантана и самария — кремовые, европия, гадолиния и диспрозия — розовые, неодима — сиреневые, празеодима — желтые. Эти материалы считаются перспективными в производстве специальной керамики и оптических стекол, а также в ядерной энергетике: некоторые редкоземельные элементы отличаются исключительно высокой способностью к захвату тепловых нейтронов. Подробнее об этом — в рассказах о лантаноидах.