Металлические материалы в современном мире используются повсеместно, начиная от бытовой техники, и заканчивая самолетостроением и космической промышленностью. Одним из распространенных металлов в использовании является алюминий. В статье раскроем вопрос, какое свойство этого металла обусловило его повсеместное использование. Ответ на этот вопрос кроется в плотности алюминия.
Что такое алюминий?
Речь идет о 13 элементе в таблице Менделеева, который находится в 3-м периоде. Он имеет атомную массу 26,982 и валентность III. При нормальных условиях алюминий является твердым веществом, серебристого цвета. На воздухе он легко окисляется, образуя прочную пленку Al2O3. Именно она предотвращает дальнейшее коррозионное разрушение металла. Пленка остается устойчивой вплоть до температуры плавления, которая является невысокой и составляет всего 660 oC.
Популярность использования этого металла для производства металлических конструкций и технических деталей связана с двумя важными факторами:
- низкой плотностью алюминия в сравнении со сталью;
- высокой коррозионной стойкостью на воздухе.
Кроме того, следует отметить, что рассматриваемый элемент является третьим по распространенности в земной коре, после кислорода и кремния, и первый среди металлов.
Основные физико-химические свойства металла
Поскольку алюминий содержит на внешнем электронном уровне 3 свободных электрона, то он является довольно активным металлом и проявляет в химических реакциях валентность III. Например, процесс окисления происходит по следующей реакции:
4Al + 3O2 -> 2Al2O3.
Что касается физических свойств, то следует отметить высокую тепло- и электропроводность металла. Хотя алюминий проигрывает по указанным показателям меди, тем не менее его относительно низкая плотность приводит к повсеместному использованию алюминия в качестве основы для линий электропередач, где важна масса провода.
Плотность алюминия при комнатной температуре приблизительно составляет 2 700 кг/м3. Это означает, что данный металл практически в три раза легче стали. Этот факт позволяет использовать сплавы на основе алюминия в самолетостроении, в производстве космической техники и спортивных машин с облегченным весом.
Откуда получают алюминий в промышленных масштабах?
В земной коре около 8 % массы - это алюминий. Тем не менее в природе в чистом состоянии металл практически не встречается. Находится он в основном в силикатах, оксидах и гидроксидах. Одним из гидроксидов является осадочный минерал боксит, из которого во всем мире в основном добывают чистый алюминий. Ввиду высокой реакционной способности металла, его удается извлечь из химических соединений только в результате электролиза. Этот процесс сопровождается большими затратами электроэнергии, что повышает себестоимость производства металла. Однако его производство окупается за счет повсеместной доступности боксита и низкой себестоимости вторичной переработки металла.
Удельный вес алюминия
Согласно определению, под удельным весом понимают массу тела, которая приходится на единицу его объема. То есть речь идет о плотности материала. Выше мы уже упоминали, что плотность алюминия в 3 раза ниже, чем у стали. Точное значение его плотности при комнатной температуре составляет 2 698,4 кг/м3. Иными словами, металл тяжелее воды в 2,7 раза.
Плотность любого металлического материала можно рассчитать теоретическим способом. Для этого следует знать атомную массу элемента, тип его кристаллической решетки и расстояние между атомами в ней. В нашем случае имеем так называемую гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, которая сохраняется у алюминия во всех температурных областях существования его твердой фазы при атмосферном давлении. Ниже показан рисунок, где приводится пример ГЦК кристаллической решетки.
Как видим, кубик, образованный 8 атомами в его вершинах, содержит еще 6 атомов в центре каждой квадратной грани. Поскольку из таких маленьких кубиков с параметром решетки 4,05 ангстрем состоит макроскопический кристалл, то на один кубик приходится 4 целых атома.
Напомним, что плотность веществ определяется по следующей математической формуле:
ρ = m/V.
Применяя ее для ГЦК алюминия, и учитывая приведенную выше информацию, получаем:
ρ = 4 × mAl / (a3).
Здесь mAl - масса алюминиевого атома, a - параметр решетки.
Подставляя известные значения mAl и a, приходим к ответу: ρ = 2 697 кг/м3, что отлично согласуется с экспериментальным значением.
Заметим, поскольку при увеличении температуры происходит значительное расширение металла, то его плотность снижается на несколько процентов.
Сплавы алюминия
Сам по себе рассматриваемый металл является довольно мягким и непрочным. Его твердость по шкале Мооса составляет 3, а прочность на разрыв не превышает 200 МПа. Такие низкие показатели прочности ограничивают его использование в качестве конструкционного материала. Однако уже небольшое количество примесей других элементов способно кардинально изменить физические свойства металла. Так, добавка всего нескольких процентов меди и соответствующая термическая обработка повышают его сопротивление на разрыв в 2 раза.
Все сплавы на основе алюминия обладают более высокими механическими свойствами, включая способность к механической и термической обработке. Однако понижается коррозионная стойкость металла. Основными элементами, которые добавляют в алюминий, являются медь, магний, марганец, железо, кремний и цинк. С ними атомы алюминия образуют упрочняющие фазы.
Классификация сплавов
Для классификации рассматриваемых сплавов во всем мире используют четырехзначные цифры, причем первая цифра говорит об основной (фазообразующей) добавке к алюминию. Существуют следующие марки:
- 1XXX - на 99% чистый металл с добавками Fe и Si;
- 2XXX - сплавы с медью для самолетной промышленности;
- 3XXX - добавка марганца (производство алюминиевых банок для напитков);
- 4XXX - добавка кремния;
- 5XXX - сплав с магнием;
- 6XXX - добавки магния и кремния;
- 7XXX - сплавы с цинком и магнием для производства различных конструкций самолетов;
- 8XXX - другие элементы.
А ЧТО ВЫ ДУМАЕТЕ ОБ ЭТОМ?