Алюминий

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 прочность

2. 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 АЛЮМИНИЯ С 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.

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 и 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. 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, Si^4- 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). Известны кремневодороды от SiH₄ до Si₈H₁₈ (по составу аналогичны предельным углеводородам). Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов - 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