Переходные пластины МА и АП для присоединения алюминиевых шин к медным выводам электротехнических устройств. Пластины алюминиевые и медно-алюминиевые

Тема: «Алюминий и его соединения».

Цели:

Образовательная

Сформировать знания обучающихся о физико – механических и химических свойствах алюминия на основе его положения в ПСХЭ, строения атома и кристалла

Выявить и оценить степень овладения системой знаний и комплексом навыков и умений об амфотерных элементах и их соединениях на примере алюминия, готовности обучающихся применять полученные знания на практике, позволяющие обеспечить обратную связь и оперативную корректировку образовательного процесса;

Продолжить развитие умений наблюдать, делать выводы, объяснять ход эксперимента

Формировать навыки составления уравнений химических реакций с участием простых веществ.

Развивающая цель:

Развитие критического мышления, самостоятельности и способности к рефлексии, обеспечение системности учения

Воспитательная:

Воспитание положительной мотивации учения, правильной самооценки, чувства ответственности

Лабораторный опыт №14

Оборудование и реактивы: хлорид алюминия, соляная кислота, гидроксид натрия.

Ход урока

Изучение нового материала

Слайд №1 (изображения изделий из алюминия). Что объединяет эти изображения? (алюминий)

Слайд №2 (-леруогд, - имийекр, - иксолодр, -ддрооов, -лйминиаю) Задание классу. Решите анаграммы и исключите лишнее (углерод, кремний, кислород, водород, алюминий). Откуда произошло название этого элемента? (Алюмен – в переводе с латин. – квасцы, которые в древности использовали для крашения тканей)

Слайд №3 (Алюмен – в переводе с латин. – квасцы, которые в древности использовали для крашения тканей)

1.2 . Итак, вы уже поняли, что тема сегодняшнего урока «Алюминий и его соединения», а я хочу назвать урок «Номер 13! Счастливый или нет?». Почему же я дала такое название? (порядковый номер Al в ПСХЭ – 13, с таким числом связаны суеверия.

Слайд №4: (положение в ПСХЭ), строение атома, тип связи, тип кристаллической решетки)

Алюминий: переходный элемент, соединения которого обладают амфотерными свойствами. Металл. Тип связи: металлическая.

Тип кристаллической решетки: металлическая.

Слайд №5: Открытие алюминия.

Сообщение обучающегося: однажды к римскому императору Тиберию пришел незнакомец. В дар императору он преподнес изготовленную им чашу из блестящего, как серебро, но чрезвычайно легкого металла. Мастер поведал, что этот никому неизвестный металл он сумел получить из глинистой земли. Должно быть, чувство благодарности редко обременяло Тиберия, да и правителем он был недальновидным. Боясь, что новый металл с его прекрасными свойствами обесценит хранившееся в казне золото и серебро, он отрубил изобретателю голову, а его мастерскую разрушил, чтобы никому не повадно было заниматься производством «опасного металла». Спустя полторы тысячи лет в историю алюминия была вписана новая страница. Это сделал талантливый немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс Филипп.

Блеф – игра «Верите ли вы, что…»

-1. Алюминий - один из семи металлов древности? (Al не относится к металлам древности).

2. Алюминий - не пропускает солнечные и тепловые лучи? (фольга на окнах отражает тепловые, но пропускает световые лучи)

3 Алюминиевая посуда - признак низкого достоинства? (Алюминиевую посуду называют посудой бедняков, т.к. этот металл способствует развитию старческого атеросклероза. При приготовлении пищи в такой посуде алюминий частично переходит в организм, где и накапливается. А в 19 веке на императорских приемах алюминиевая посуда была самой престижной. Наполеон III устроил однажды банкет, на котором особо почетным гостям выдали алюминиевые ложки и вилки. Гости попроще удостоились обычными для императорского двора золотыми и серебряными приборами. К тому же, только у сына Наполеона III была очень дорогая по тем временам алюминиевая погремушка.)

4. Алюминий - После окончания школы за отличную учебу Вас могут премировать алюминиевой кружкой? (сейчас нет, а вот раньше стоимость алюминия превосходила стоимость многих драгоценных металлов. К примеру, Д.И.Менделееву среди других подарков из золота и платины преподнесли еще более дорогой подарок, чем все предыдущие, - чашу из алюминия).

1.4. Слайд №6: Нахождение в природе.

Используя данные таблицы, сделайте вывод о нахождении алюминия в природе?

(Al находится в природе в виде соединений:

Бокситы Al 2 O 3 · n H 2 O (c примесями SiO 2, Fe 2 O 3 , CaCO 3)

Каолин Al 2 O 3 · 2 SiO 2 · 2 H 2 O

Корунд Al 2 O 3 (кристаллы, окрашенные примесями в красный цвет – рубины, в синий цвет – сапфиры)

Почему алюминия нет в природе в свободном состоянии? (исходя из положения в электрохимическом ряду напряжений металлов можно заключить, что он обладает высокой химической активностью)

1.5. Слайд №7 Физические свойства алюминия. (Работа в парах)

(это серебристо- белый мягкий, легкий (плотность 2,699г/см 3) металл. Масса алюминиевой детали составляет лишь треть массы стальной детали такого же размера. Устойчив к коррозии. Поверхность алюминия всегда покрыта плотным, тончайшим слоем Al 2 O 3 ; эта пленка прозрачна, поэтому алюминий обладает высокой отражательной способностью (отражает 90% падающих на него световых лучей) и благодаря своему блеску имеет декоративный вид. Хорошо поддается обработке, его можно раскатать в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Проводит электрический ток и тепло лучше, чем все другие обычные металлы (кроме меди и серебра).

На физических свойствах алюминия основано применение его в быту (первые слайды дали информацию о направлениях применения алюминия и его сплавов).

1.6. Слайд №8 Химические свойства алюминия (Работа в группах)

Сделайте вывод о химической активности алюминия. Сравните с хим. свойствами металлов 1 и 2 групп главных подгрупп.

Задание классу: используя информационную схему, сделайте вывод о химической активности алюминия.

Al + простые вещества: Al + сложные вещества:

+O 2 + Hal 2 + S + H 2 O + MeO + кислоты + щелочи + соли

Какое свойство в этой схеме характерно для алюминия в отличие от других металлов? (взаимодействие со щелочью)

Охарактеризуйте взаимодействие алюминия с кислотами (с разбавленными; с концентрированными серной и азотной кислотами на холоде)

Вывод: алюминий активный металл, сильный восстановитель.

Задание классу: найдите соответствие между реагентами и продуктами реакции. Запишите соответствующие уравнения реакций. Если испытываете затруднение, обратитесь за помощью к странице 184 учебника:

1. Al + O 2 A AlCl 3 + H 2

2. Al + H 2 O Б AlCl 3

3 Al + Cl 2 B AlCl 3 + H 2 O

4 Al + HCl Г AlCl 3 + Hg

5 Al + NaOH Д AlCl 3 + HgCl 2

6 Al + HgCl 2 Е NaAlO 2 + H 2

7 Al + Fe 3 O 4 Ж Al(OH) 3 + H 2

З Al(OH) 3 + Na

И Al 2 O 3 + Fe

(для самопроверки: 1-к, 2-ж, 3-б, 4-а, 5-е, 6 –д, 7 – и)

Вывод: алюминий проявляет амфотерные свойства (реагирует и с кислотами, и со щелочами)

Соединения алюминия.

2.1. Слайд №9 Оксид алюминия (глинозём) - Al 2 O 3:

встречается в природе в виде твердого минерала корунда; загрязненный примесями SiO 2, Fe 2 O 3 известен под названием наждак

Задание классу: определите характер данного оксида, подтвердите уравнениями реакций:

Al 2 O 3 + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2 O; Al 2 O 3 + 2NaOH → 2NaAlO 2 + H 2 O;
2.2. Гидроксид алюминия Al(OH) 3

Al(OH) 3 + 3HCl → AlCl 3 + 3H 2 O Al(OH) 3 + NaOH → NaAlO 2 + 2H 2 O

Лабораторный опыт №14 «Получение гидроксида алюминия и исследование его кислотно- основных свойств».

1. AlCl 3 + 3NaOH → Al(OH) 3 + 3NaCl Al 3+ + 3OH - → Al(OH) 3 ↓ (наблюдается выпадение осадка)

2. Al(OH) 3 + NaOH изб → NaAlO 2 + 2H 2 O

Al(OH) 3 + 3HCl → AlCl 3 + 3H 2 O H + + OH - → H 2 O

Вывод: гидроксид алюминия является амфотерным гидроксидом и взаимодействует как с кислотами, так и со щелочами.

Закрепление.

Графический диктант (+, ─)

Домашнее задание: §41; упр. 3 – 5, стр.187
4. Рефлексия.
Что нового вы узнали на уроке?

Какой момент урока вам понравился?

Какое впечатление у вас осталось от урока?
Подведение итогов и выводы урока.

Видеоурок 1: Неорганическая химия. Металлы: щелочные, щелочноземельные, алюминий

Видеоурок 2: Переходные металлы

Лекция: Характерные химические свойства и получение простых веществ - металлов: щелочных, щелочноземельных, алюминия; переходных элементов (меди, цинка, хрома, железа)

Химические свойства металлов

Все металлы в химических реакциях проявляют себя, как восстановители. Они легко расстаются с валентными электронами, окисляясь при этом. Вспомним, что, чем левее располагается металл в электрохимическом ряду напряженности, тем более сильным восстановителем он является. Следовательно, самый сильный - это литий, самый слабый - золото и наоборот, золото - самый сильный окислитель, а литий - самый слабый.

Li→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Mn→Cr→Zn→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au

Все металлы вытесняют из раствора солей другие металлы, т.е. восстанавливают их. Все, кроме щелочных и щелочноземельных, так как они взаимодействуют с водой. Металлы, расположенные до Н, вытесняют его из растворов разбавленных кислот, а сами растворяются в них.

Рассмотрим некоторые общие химические свойства металлов:

Взаимодействие металлов с кислородом образует основные (СаО, Na 2 O, 2Li 2 O и др.) или амфотерные (ZnO, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 и др.) оксиды.
Взаимодействие металлов с галогенами (главная подгруппа VII группы) образует галогеноводородные кислоты (HF - фтороводород, HCl - хлороводород и др.).
Взаимодействие металлов с неметаллами образует соли (хлориды, сульфиды, нитриды и др.).
Взаимодействие металлов с металлами образует интерметаллиды (MgB 2 , NaSn, Fe 3 Ni и др.).
Взаимодействие активных металлов с водородом образует гидриды (NaH, CaH 2, KH и др.).
Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой образует щелочи (NaOH, Ca(OH) 2 , Cu(OH) 2 и др.).
Взаимодействие металлов (только, стоящих в электрохимическом ряду до Н) с кислотами образует соли (сульфаты, нитриты, фосфаты и др.). Следует иметь ввиду, что металлы реагируют с кислотами достаточно неохотно, тогда как с основаниями и солями взаимодействуют практически всегда. Для того, чтобы реакция металла с кислотой прошла нужно, чтобы металл был активным, а кислота сильной.

Химические свойства щелочных металлов

К группе щелочных металлов относятся следующие химические элементы: литий (Li), натрий (Na), калий (К), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr). С перемещением сверху вниз по группе I Периодической таблицы их атомные радиусы увеличиваются, а значит возрастают металлические и восстановительные свойства.

Рассмотрим химические свойства щелочных металлов:

Не имеют признаков амфотерности, так как обладают отрицательными значениями электродных потенциалов.
Самые сильные восстановители среди всех металлов.
В соединениях проявляют только степень окисления +1.
Отдавая единственный валентный электрон, атомы данных химических элементов преобразуются в катионы.
Образуют многочисленные ионные соединения.
Практически все растворяются в воде.

Взаимодействие щелочных металлов с другими элементами:

1. С кислородом, образуя индивидуальные соединения, так оксид образует только литий (Li 2 O), натрий образует пероксид (Na 2 O 2), а калий, рубидий и цезий - надпероксиды (KO 2 , RbO 2 , CsO 2).

2. С водой, образуя щелочи и водород. Помните, эти реакции взрывоопасны. Без взрыва с водой реагирует только литий:

2Li + 2Н 2 О → 2LiO Н + Н 2 .

3. С галогенами, образуя галогениды (NaCl - хлорид натрия, NaBr - бромид натрия, NaI - йодид натрия и др.).

4. С водородом при нагревании, образуя гидриды (LiH, NaH и др.)

5. С серой при нагревании, образуя сульфиды (Na 2 S, K 2 S и др.). Они бесцветны и хорошо растворимы в воде.

6. С фосфором при нагревании, образуя фосфиды (Na 3 P, Li 3 P и др.), очень чувствительны к влаге и воздуху.

7. С углеродом при нагревании карбиды образуют только литий и натрий (Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3), тогда как калий, рубидий и цезий не образуют карбидов, они образуют бинарные соединения с графитом (C 8 Rb, C 8 Cs и др).

8. С азотом при обычных условиях реагирует только литий, образуя нитрид Li 3 N, с остальными щелочными металлами реакция возможна только при нагревании.

9. С кислотами реагируют со взрывом, поэтому проведение таких реакций очень опасно. Данные реакции проходят неоднозначно, потому что щелочной металл активно реагирует с водой, образуя щелочь, которая потом нейтрализуются кислотой. Таким образом создается конкуренция между щелочью и кислотой.

10. С аммиаком, образуя амиды - аналоги гидроксидов, но более сильные основания (NaNH 2 - амид натрия, KNH 2 - амид калия и др.).

11. Со спиртами, образуя алкоголяты.

Франций - радиоактивный щелочной металл, один из редчайших и наименее устойчивых среди всех радиоактивных элементов. Его химические свойства изучены недостаточно.

Получение щелочных металлов:

Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего - хлоридов, образующих природные минералы:

NaCl → 2Na + Cl 2 .

Есть и другие способы получения щелочных металлов:
Натрий также можно получить, прокаливая соду с углем в закрытых тиглях:

Na 2 CO 3 + 2C → 2Na + 3CO.

Известен способ получения лития из его оксида в вакууме при 300°С:

2Li 2 O + Si + 2CaO → 4Li + Ca 2 SiO 4 .

Калий получают, пропуская пары натрия через расплав хлорида калия при 800°С, выделяющие пары калия конденсируют:

KCl + Na → K + NaCl.

Химические свойства щелочноземельных металлов

К щелочноземельным металлам относятся элементы главной подгруппы II группы: кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba), радий (Ra). Химическая активность данных элементов растет также, как и у щелочных металлов, т.е. с увеличением вниз по подгруппе.

Химические свойства щелочноземельных металлов:

Строение валентных оболочек атомов этих элементов ns 2 .

Отдавая два валентных электрона, атомы данных химических элементов преобразуются в катионы.
В соединения проявляют степень окисления +2.
Заряды ядер атомов на единицу больше, чем у щелочных элементов тех же периодов, что приводит к уменьшению радиуса атомов и увеличению ионизационных потенциалов.

Взаимодействие щелочноземельных металлов с другими элементами:

1. С кислородом все щелочноземельные металлы, кроме бария образуют оксиды, барий образует пероксид BaO 2 . Из данных металлов берилий и магний, покрытые тонкой защитной оксидной пленкой взаимодействуют с кислородом только при очень высоких t. Основные оксиды щелочноземельных металлов реагируют с водой, за исключением оксида берилия BeO, обладающего амфотерными свойствами. Реакция оксида кальция и воды называется реакцией гашения извести. Если реагентом является CaO образуется негашенная известь, если Ca(OH) 2 , гашенная. Также основные оксиды реагируют с кислотными оксидами и кислотами. К примеру:

3CaO + P 2 O 5 → Ca 3 (PO 4) 2 .

2. С водой щелочноземельные металлы и их оксиды образуют гидроксиды - белые кристаллические вещества, которые в сравнении с гидроксидами щелочных металлов хуже растворяются в воде. Гидроксиды щелочноземельных металлов являются щелочами, кроме амфотерного Be(OH) 2 и слабого основания Mg(OH) 2 . Поскольку берилий не реагирует с водой, Be(OH) 2 может быть получен другими способами, например гидролизом нитрида:

Be 3 N 2 + 6Н 2 О → 3Be(OH) 2 + 2NН 3.

3. С галогенами при обычных условиях реагирую все, кроме бериллия. Последний вступает в реакцию только при высоких t. Образуются галогениды (MgI 2 – иодид магния, CaI 2 – иодид кальция, СаBr 2 – бромид кальция и др.).

4. С водородом реагируют при нагревании все щелочноземельные металлы, кроме берилия. Образуются гидриды (BaH 2 , CaH 2 и др.). Для реагирования магния с водородом помимо высокой t требуется еще и повышенное давление водорода.

5. С серой образуют сульфиды. К примеру:

Сa + S → СaS .

Сульфиды служат для получения серной кислоты и соответствующих металлов.

6. С азотом образуют нитриды. К примеру:

3Be + N 2 → Be 3 N 2 .

7. С кислотами образуя соли соответствующей кислоты и водород. К примеру:

Ве + Н 2 SO 4(разб.) → BeSO 4 + H 2 .

Эти реакции протекают также, как и в случае щелочных металлов.

Получение щелочно-земельных металлов:

Бериллий получают восстановлением фторида:

BeF 2 + Mg –t о → Be + MgF 2

Барий получают восстановлением оксида:

3BaO + 2Al –t о → 3Ba + Al 2 O 3

Остальные металлы получают электролизом расплавов хлоридов:

CaCl 2 → Ca + Cl 2

Химические свойства алюминия

Алюминий – активный, легкий металл, под порядковым номером 13 в таблице. В природе самый распространенный из всех металлов. А из химических элементов занимает третью позицию по распространению. Высокий тепло- и электропроводник. Устойчив к коррозии, поскольку покрывается оксидной пленкой. Температура плавления равна 660 0 С.

Рассмотрим химические свойства и взаимодействие алюминия с другими элементами:

1. Во всех соединениях алюминий находится в степени окисления +3.

2. Практически во всех реакциях проявляет восстановительные свойства.

3. Амфотерный металл, проявляет как кислотные, так и основные свойства.

4. Восстанавливает многие металлы из оксидов. Этот метод получения металлов получил название алюмотермии. Пример получения хрома:

2Al + Cr 2 О 3 → Al 2 О 3 + 2Cr .

5. Взаимодействует со всеми разбавленными кислотами, образуя соли и выделяя водород. К примеру:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2 ;

2Al + 3H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 .

В концентрированных HNO 3 и H 2 SO 4 алюминий пассивируется. Благодаря этому, возможно хранить и транспортировать данные кислоты в емкостях, изготовленных из алюминия.

6. Взаимодействует со щелочами, так как они растворяют оксидную пленку.

7. Взаимодействует со всеми неметаллами, кроме водорода. Для проведения реакции с кислородом нужен мелкораздробленный алюминий. Реакция возможна только при высокой t:

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3 .

По своему тепловому эффекту данная реакция относится к экзотермическим. Взаимодействие с серой образует сульфид алюминия Al 2 S 3 , с фосфором фосфид AlP, с азотом нитрид AlN, с углеродом карбид Al 4 C 3 .

8. Взаимодействует с другими металлами, образуя алюминиды (FeAl 3 CuAl 2 , CrAl 7 и др.).

Получение алюминия:

Металлический алюминий получают электролизом раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленном криолите Na 2 AlF 6 при 960–970°С.

2Al 2 O 3 → 4Al + 3O 2 .

Химические свойства переходных элементов

К переходным относятся элементы побочных подгрупп Периодической таблицы. Рассмотрим химические свойства меди, цинка, хрома и железа.

Химические свойства меди

1. В электрохимическом ряду находится правее Н, поэтому данный металл малоактивен.

2. Слабый восстановитель.

3. В соединениях проявляет степени окисления +1 и +2.

4. Взаимодействует с кислородом при нагревании, образуя:

оксид меди (I) 2Cu + O 2 → 2CuO (при t 400 0 C)
или оксид меди (II): 4Cu + O 2 → 2Cu 2 O (при t 200 0 C).

Оксиды обладают основными свойствами. При нагревании в инертной атмосфере Cu 2 O диспропорционируется: Cu 2 O → CuO + Cu . Оксид меди (II) CuO в реакциях со щелочами образует купраты, к примеру: CuO + 2NaOH → Na 2 CuO 2 + H 2 O.

5. Гидроксид меди Си(ОН) 2 амфотерен, основные свойства в нем преобладают. В кислотах он растворяется легко:

Сu(OH) 2 + 2HNO 3 → Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O ,

а в концентрированных растворах щелочей с трудом:

Сu(OH) 2 + 2NaOH → Na 2 .

6. Взаимодействие меди с серой при различных температурных условиях, также образует два сульфида. При нагревании до 300-400 0 С в вакууме образуется сульфид меди (I):

2Cu + S → Cu 2 S.

При комнатной t, растворив серу в сероводороде, можно получить сульфид меди (II):

Cu + S → CuS.

7. Из галогенов взаимодействует со фтором, хлором и бромом, образуя галогениды (CuF 2 , CuCl 2 , CuBr 2), йодом, образуя йодид меди (I) CuI; не взаимодействует с водородом, азотом, углеродом, кремнием.

8. С кислотами - неокислителями не реагирует, потому как они окисляют только металлы, расположенные до водорода в электрохимическом ряду. Данный химический элемент реагирует с кислотами - окислителями: разбавленной и концентрированной азотной и концентрированной серной:

3Cu + 8HNO 3 (разб) → 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O;

Cu + 4HNO 3(конц) → Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O;

Cu + 2H 2 SO 4(конц) → CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

9. Взаимодействуя с солями, медь вытесняет из их состава металлы, расположенные правее неё в электрохимическом ряду. К примеру,

2FeCl 3 + Cu → CuCl 2 + 2FeCl 2 .

Здесь мы видим, что медь перешла в раствор, а железо (III) восстановилось до железа (II). Данная реакция имеет важное практическое значение и применяется для удаления меди, напыленной на пластмассу.

Химические свойства цинка

1. Самый активный после щелочноземельных металлов.

2. Обладает выраженными восстановительными свойствами и амфотерными свойствами.

3. В соединениях проявляет степень окисления +2.

4. На воздухе покрывается оксидной пленкой ZnO.

5. Взаимодействие с водой возможно при температуре красного каления. В результате образуется оксид цинка и водород:

Zn + H 2 O → ZnO + H 2 .

6. Взаимодействует с галогенами, образуя галогениды (ZnF 2 - фторид цинка, ZnBr 2 - бромид цинка, ZnI 2 - йодид цинка, ZnCl 2 - хлорид цинка).

7. С фосфором образует фосфиды Zn 3 P 2 и ZnP 2 .

8. С серой халькогенид ZnS.

9. Непосредственно не реагирует с водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором.

10. Взаимодействует с кислотами - неокислителями, образуя соли и вытесняя водород. К примеру:

H 2 SO 4 + Zn → ZnSO 4 + H 2
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2 .

С кислотами - окислителями тоже реагирует: с конц. серной кислотой образует сульфат цинка и сернистый газ:

Zn + 2H 2 SO 4 → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

11. Активно реагирует со щелочами, так как цинк - амфотерный металл. С растворами щелочей образует тетрагидроксоцинкаты и выделяя водород:

Zn + 2NaOH + 2H 2 O → Na 2 + H 2 .

На гранулах цинка, впоследствии реакции, появляются пузырьки газа. С безводными щелочами при сплавлении образует цинкаты и выделяет водород:

Zn + 2NaOH → Na 2 ZnO 2 +H 2 .

Химические свойства хрома

1. В обычных условиях инертен, при нагревании активен.

3. Образует окрашенные соединения.

4. В соединениях проявляет степени окисления +2 (основный оксид CrO черного цвета), +3 (амфотерный оксид Cr 2 O 3 и гидроксид Cr(OH) 3 зеленого цвета) и +6 (кислотный оксид хрома (VI) CrO 3 и кислоты: хромовая H 2 CrO 4 и двухромовая H 2 Cr 2 O 7 и др.).

5. Со фтором взаимодействует при t 350-400 0 C, образуя фторид хрома (IV):

Cr+2F 2 → CrF 4 .

6. C кислородом, азотом, бором, кремнием, серой, фосфором и галогенами при t 600 0 C:

соединение с кислородом образует оксид хрома(VI) CrO 3 (тёмно-красные кристаллы),
соединение с азотом - нитрид хрома CrN (черные кристаллы),
соединение с бором - борид хрома CrB (желтые кристаллы),
соединение с кремнием - силицид хрома CrSi,
соединение с углеродом - карбид хрома Cr 3 C 2 .

7. С водяным паром реагирует, находясь в раскалённом состоянии, образуя оксид хрома (III) и водород:

2Cr + 3H 2 O → Cr 2 O 3 + 3H 2 .

8. С растворами щелочей не реагирует, однако медленно реагирует с их расплавами, образуя хроматы:

2Cr + 6KOH → 2KCrO 2 + 2K 2 O + 3H 2 .

9. В разбавленных сильных кислотах растворяется, образуя соли. Если реакция проходит на воздухе образуются соли Cr 3+ , например:

2Cr + 6HCl + O 2 → 2CrCl 3 + 2H 2 O + H 2 .

Cr + 2HCl → CrCl 2 + H 2 .

10. С концентрированными серной и азотной кислотами, а также с царской водкой, реагирует только при нагревании, т.к. при низких t эти кислоты пассивируют хром. Реакции с кислотами при нагревании выглядят так:

2Сr + 6Н 2 SО 4 (конц) → Сr 2 (SО 4) 3 + 3SО 2 + 6Н 2 О

Сr + 6НNО 3 (конц) → Сr(NО 3) 3 + 3NO 2 + 3Н 2 О

Оксид хрома(II) CrO - твердое вещество черного или красного цвета, не растворяющееся в воде.

Химические свойства:

Обладает основными и восстанавливающими свойствами.
При нагревании до 100 0 С на воздухе окисляется до Cr 2 O 3 - оксида хрома (III).
Возможно восстановление хрома водородом из данного оксида: CrO + Н 2 → Cr + H 2 O или коксом: CrO + С → Cr + СO.
Реагирует с соляной кислотой, при этом выделяя водород: 2CrO + 6HCl → 2CrCl 3 + H 2 + 2H 2 O.
Не реагирует со щелочами, разбавленными серной и азотной кислотами.

Оксид хрома (III) Cr 2 O 3 - тугоплавкое вещество, темно-зеленого цвета, нерастворяющееся в воде.

Химические свойства:

Обладает амфотерными свойствами.
Как основный оксид взаимодействует с кислотами: Cr 2 O 3 + 6HCl → CrCl 3 + 3H 2 O .
Как кислотный оксид взаимодействует со щелочами: Cr 2 O 3 + 2КОН → 2КCrО 3 + H 2 O .
Сильные окислители окисляют Cr 2 O 3 до хромата H 2 CrO 4 .
Сильные восстановители восстанавливают Cr из Cr 2 O 3 .

Гидроксид хрома(II) Cr(OH) 2 - твердое вещество желтого или коричневого цвета, плохо растворяющееся в воде.

Химические свойства:

Слабое основание, проявляет основные свойства.
В присутствии влаги на воздухе окисляется до Cr(OH) 3 - гидроксида хрома (III).
Реагирует с концентрированными кислотами, образуя соли хрома (II) синего цвета: Cr(OH) 2 + H 2 SO 4 → CrSO 4 + 2H 2 O .
Не реагирует со щелочами и разбавленными кислотами.

Гидроксид хрома (III) Cr(OH) 3 - вещество серо-зеленого цвета, нерастворяющееся в воде.

Химические свойства:

Обладает амфотерными свойствами.
Как основный гидроксид взаимодействует с кислотами: Cr(OH) 3 + 3HCl → CrCl 3 + 3H 2 O .
Как кислотный гидроксид взаимодействует со щелочами: Cr(OH) 3 + 3NaОН → Na 3 [Cr(OH) 6 ] .

Химические свойства железа

1. Активный металл, обладающий высокой реакционной способностью.

2. Обладает восстановительными свойствами, а также ярко выраженными магнитными свойствами.

3. В соединениях проявляет основные степени окисления +2 (со слабыми окислителями: S, I, HCl, растворами солей), +3 (с сильными окислителями: Br и Cl) и менее характерную +6 (с О и H 2 O ). У слабых окислителей железо принимает степень окисления +2, у более сильных +3. Степени окисления +2 соответствуют чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH) 2 , обладающие основными свойствами. Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe 2 O 3 и коричневый гидроксид Fe(OH) 3 , обладающие слабо выраженными амфотерными свойствами. Fe (+2) - слабый восстановитель, а Fe (+3) - чаще слабый окислитель. При изменении окислительно - восстановительных условий, степени окисления железа могут меняться друг с другом.

4. На воздухе при t 200 0 C покрывается оксидной пленкой. В обычных атмосферных условиях легко подвергается коррозии. При пропускании кислорода через расплав железа образуется оксид FeО. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe 2 О 3 . При сгорании в чистом кислороде образуется оксид - железная окалина:

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4 .

5. C галогенами реагирует при нагревании:

соединение с хлором образует хлорид железа(III) FeCl 3 ,
соединение с бромом - бромид железа (III) FeBr 3 ,
соединение с йодом - йодид железа (II,III) Fe 3 I 8 ,
соединение со фтором - фторид железа (II) FeF 2 , фторид железа(III) FeF 3 .

6. С серой, азотом, фосфором, кремнием и углеродом также реагирует при нагревании:

соединение с серой образует сульфид железа(II) FeS,
соединение с азотом - нитрид железа Fe 3 N,
соединение с фосфором - фосфиды FeP, Fe 2 P и Fe 3 P,
соединение с кремнием - силицид железа FeSi,
соединение с углеродом - карбид железа Fe 3 C.

2Fe + 4H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O

9. С растворами щелочей не реагирует, однако медленно реагирует с расплавами щелочей, являющихся сильными окислителями:

Fe + KClO 3 + 2KOH → K 2 FeO 4 + KCl + H 2 O.

10. Восстанавливает металлы, расположенные в электрохимическом ряду правее:

Fe + SnCl 2 → FeCl 2 + Sn.

Получение железа: В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (FeO·Fe 2 O 3).

3Fe 2 O 3 + CO → CO 2 + 2Fe 3 O 4 ,
Fe 3 O 4 + CO → CO 2 + 3FeO,
FeO + CO → CO 2 + Fe.

Оксид железа (II) FeO - кристаллическое вещество черного цвета (вюстит), не растворяющееся в воде.

Химические свойства:

Обладает основными свойствами.
Реагирует с разбавленной соляной кислотой: FeO + 2HCl → FeCl 2 + H 2 O.
Реагирует с концентрированной азотной кислотой: FeO + 4HNO 3 → Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 2H 2 O .
Не реагирует с водой и солями.
С водородом при t 350 0 C восстанавливается до чистого металла: FeO +H 2 → Fe + H 2 O .
Также восстанавливается до чистого металла при соединении с коксом: FeO +C → Fe + CO.
Получить данный оксид можно различными способами, один из них нагревание Fe при низком давлении О: 2Fe + O 2 → 2FeO .

Оксид железа (III) Fe 2 O 3 - порошок бурового цвета (гематит), нерастворяющееся в воде вещество. Другие названия: окись железа, железный сурик, пищевой краситель E172 и пр.

Химические свойства:

Fe 2 O 3 + 6HCl → 2 FeCl 3 + 3H 2 O.
С растворами щелочей не реагирует, реагирует с их расплавами, образуя ферриты: Fe 2 O 3 + 2NaOH → 2NaFeO 2 + H 2 O .
При нагревании с водородом проявляет окислительные свойства: Fe 2 O 3 + H 2 → 2FeO + H 2 O .
Fe 2 O 3 + 3KNO 3 + 4KOH → 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O.

Оксид железа (II, III) Fe 3 O 4 или FeO Fe 2 O 3 - серовато-черное твердое вещество (магнетит, магнитный железняк), нерастворяющееся в воде вещество.

Химические свойства:

Разлагается при нагревании более 1500 0 С: 2Fe 3 O 4 → 6FeO + O 2 .
Реагирует с разбавленными кислотами: Fe 3 O 4 + 8HCl → FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O.
С растворами щелочей не реагирует, реагирует с их расплавами: Fe 3 O 4 + 14NaOH → Na 3 FeO 3 + 2Na 5 FeO 4 + 7H 2 O .
При реакции с кислородом окисляется: 4Fe 3 O 4 + O 2 → 6Fe 2 O 3 .
С водородом при нагревании восстанавливается: Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O .
Также восстанавливается при соединении с оксидом углерода: Fe 3 O 4 + 4CO → 3Fe +4CO 2 .

Гидроксид железа(II) Fe(OH) 2 - белое, редко зеленоватое кристаллическое вещество, нерастворяющееся в воде.

Химические свойства:

Обладает амфотерными свойствами с преобладанием основных.
Вступает в реакции нейтрализации кислоты-неокислителя, проявляя основные свойства: Fe(OH) 2 + 2HCl → FeCl 2 + 2H 2 O .
При взаимодействии с азотной или концентрированной серной кислотами проявляет восстановительные свойства, образуя соли железа (III): 2Fe(OH) 2 + 4H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 6H 2 O .
При нагревании вступает в реакции с концентрированными растворами щелочей: Fe(OH) 2 + 2NaOH → Na 2 .

Гидроксид железа (II I) Fe(OH) 3 - бурое кристаллическое или аморфное вещество, нерастворяющееся в воде.

Химические свойства:

Обладает слабовыраженными амфотерными свойствами с преобладанием основных.
Легко взаимодействует с кислотами: Fe(OH) 3 + 3HCl → FeCl 3 + 3H 2 O .
С концентрированными растворами щелочей образует гексагидроксоферраты (III): Fe(OH) 3 + 3NaOH → Na 3 .
С расплавами щелочей образует ферраты: 2Fe(OH) 3 + Na 2 CO 3 → 2NaFeO 2 + CO 2 + 3H 2 O .
В щелочной среде с сильными окислителями проявляет восстановительные свойства: 2Fe(OH) 3 + 3Br 2 + 10KOH → 2K 2 FeO 4 + 6NaBr + 8H 2 O.

Возник вопрос по теме? Задавайте его репетитору по химии 👉

Цели урока: рассмотреть распространение алюминия в природе, его физические и химические свойства, а также свойства образуемых им соединений.

Ход работы

2. Изучение нового материала. Алюминий

Главную подгруппу III группы периодической системы составляют бор (В),алюминий (Аl), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Тl).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIXстолетии.

Открытие металлов главной подгруппы III группы


1806 г.	1825 г.	1875 г.	1863 г.	1861 г.
Г.Люссак,	Г.Х.Эрстед	Л. де Буабодран	Ф.Рейх,	У.Крукс
Л. Тенар	(Дания)	(Франция)	И.Рихтер	(Англия)
(Франция)			(Германия)

Бор представляет собой неметалл. Алюминий - переходный металл, а галлий, индий и таллий - полноценные металлы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свойства простых веществ усиливаются.

В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

Скачать:

Предварительный просмотр:

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ОБЩАЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 81

Алюминий. Положение алюминия в периодической системе и строение его атома. Нахождение в природе. Физические и химические свойства алюминия.

учитель химии

МБОУ ООШ №81

2013г

Тема урока: Алюминий. Положение алюминия в периодической системе и строение его атома. Нахождение в природе. Физические и химические свойства алюминия.

Цели урока: рассмотреть распространение алюминия в природе, его физические и химические свойства, а также свойства образуемых им соединений.

Ход работы

1. Организационный момент урока.

2. Изучение нового материала. Алюминий

Главную подгруппу III группы периодической системы составляют бор (В), алюминий (Аl), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Тl).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIXстолетии.

Открытие металлов главной подгруппы III группы


1806 г.	1825 г.	1875 г.	1863 г.	1861 г.
Г.Люссак,	Г.Х.Эрстед	Л. де Буабодран	Ф.Рейх,	У.Крукс
Л. Тенар	(Дания)	(Франция)	И.Рихтер	(Англия)
(Франция)			(Германия)

В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

1. Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления.

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная массаAr(Al) = 27. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.

Al +13) 2 ) 8 ) 3 , p – элемент,

Основное состояние

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

Возбуждённое состояние

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al 0 – 3 e - → Al +3

2. Физические свойства

Алюминий в свободном виде - серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3 ) - примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно - это прочный металл.

3. Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов , уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

Некоторые из них:

Бокситы - Al 2 O 3 H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3 )

Нефелины - KNa 3 4

Алуниты - KAl(SO 4 ) 2 2Al(OH) 3

Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2 , известняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3 )

Корунд - Al 2 O 3

Полевой шпат (ортоклаз) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2

Каолинит - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O

Алунит - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4 ) 3 ×4Al(OH) 3

Берилл - 3ВеО Al 2 О 3 6SiO 2

Боксит
Al 2 O 3	Корунд
	Рубин
	Сапфир

4. Химические свойства алюминия и его соединений

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изучения химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия с ртутью – амальгамы).

I. Взаимодействие с простыми веществами

Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора - воды:

2Аl + 3S = Аl 2 S 3 (сульфид алюминия),

2Аl + N 2 = 2АlN (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),

4Аl + 3С = Аl 4 С 3 (карбид алюминия).

2 Аl + 3 I 2 = 2 AlI 3 (йодид алюминия)

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выделяя большое количество теплоты:

4Аl + 3O 2 = 2Аl 2 О 3 + 1676 кДж.

II. Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой :

2 Al + 6 H 2 O = 2 Al (OH) 3 + 3 H 2

без оксидной пленки

Взаимодействие с оксидами металлов:

Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов . Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.

3 Fe 3 O 4 + 8 Al = 4 Al 2 O 3 + 9 Fe +Q

Термитная смесь Fe 3 O 4 и Al (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.

Сr 2 О 3 + 2Аl = 2Сr + Аl 2 О 3

Взаимодействие с кислотами :

С раствором серной кислоты: 2 Al + 3 H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 H 2

С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

2Аl + 6Н 2 SО 4(конц) = Аl 2 (SО 4 ) 3 + 3SО 2 + 6Н 2 О,

Аl + 6НNO 3(конц) = Аl(NO 3 ) 3 + 3NO 2 + 3Н 2 О.

Взаимодействие со щелочами .

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 NaAl(OH) 4 + 3 H 2

Na[Аl(ОН) 4 ] – тетрагидроксоалюминат натрия

По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.

С растворами солей:

2Al + 3CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3Cu

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2Al + 3HgCl 2 = 2AlCl 3 + 3Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуя амальгаму.

5. Применение алюминия и его соединений

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминия является авиационная промышленность : самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода : при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.

Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты . Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражения тепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.

Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.

Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.

Соли алюминия сильно гидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.

Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.

6. Получение алюминия

1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na 3 AlF 6 растворяет Al 2 O 3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия - электролитом.

2Al 2 O 3 эл.ток → 4Al + 3O 2

В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.

2) 2Al 2 O 3 + 3 C = 4 Al + 3 CO 2

ЭТО ИНТЕРЕСНО:

Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
К 1855 году французский ученый Сен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством Наполеона III, императора Франции. В знак своей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы. При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.

3. Закрепление изученного материала

№1. Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?

№2. Закончите уравнения химических реакций:
Al + H 2 SO 4 (раствор) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (конц) - t ->
Al + NaOH + H 2 O ->

№3. Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?

4. Домашнее задание Слайд 2

AL Элемент III (A) группы таблицы Д.И. Менделеева Элемент с порядковым № 13, его Элемент 3 -его периода Третий по распространенности в земной коре название образовано от лат. « Aluminis » – квасцы

Датский физик Ганс Эрстед (1777-1851) Впервые алюминий был получен им в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.

Современное получение алюминия Современные метод получения был разработан независимо друг от друга: американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия в расплаве криолита с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов.

Будучи студентом Оберлинского колледжа, он узнал, что можно разбогатеть и получить благодарность человечества, если изобрести способ получения алюминия в промышленных масштабах. Как одержимый, Чарльз проводил эксперименты по выработке алюминия путем электролиза криолитно-глиноземного расплава. 23 февраля 1886 года спустя год после окончания колледжа Чарльз получил с помощью электролиза первый алюминий. Холл Чарльз (1863 – 1914) американский инженер-химик

Поль Эру (1863-1914) – французский инженер - химик В 1889 году открыл алюминиевый завод во Фроне (Франция), став его директором, он сконструировал электродуговую печь для выплавки стали, названную его именем; он разработал также электролитический способ получения алюминиевых сплавов

8 Алюминий 1. Из истории открытия Главная Далее В период открытия алюминия - металл был дороже золота. Англичане хотели почтить богатым подарком великого русского химика Д.И Менделеева, подарили ему химические весы, в которых одна чашка была изготовлена из золота, другая - из алюминия. Чашка из алюминия стала дороже золотой. Полученное «серебро из глины» заинтересовало не только учёных, но и промышленников и даже императора Франции. Далее

9 Алюминий 7. Содержание в земной коре главная Далее

Нахождение в природе Важнейшим на сегодня минералом алюминия является боксит Основной химический компонент боксита - глинозем (Al 2 O 3) (28 - 80%).

11 Алюминий 4. Физические свойства Цвет – серебристо-белый t пл. = 660 °C . t кип. ≈ 2450 °C . Электропроводный, теплопроводный Легкий, плотность ρ = 2,6989 г/см 3 Мягкий, пластичный. главная Далее

12 Алюминий 7. Нахождение в природе Бокситы – Al 2 O 3 Глинозем – Al 2 O 3 главная Далее

13 Алюминий главная Вставьте пропущенные слова Алюминий - элемент III группы, главной подгруппы. Заряд ядра атома алюминия равен +13. В ядре атома алюминия 13 протонов. В ядре атома алюминия 14 нейтронов. В атоме алюминия 13 электронов. Атом алюминия имеет 3 энергетических уровня. Электронная оболочка имеет строение 2 е, 8е, 3е. На внешнем уровне в атоме 3 электронов. Степень окисления атома в соединениях равна +3 . Простое вещество алюминий является металлом. Оксид и гидроксид алюминия имеют амфотерный характер. Далее

14 Алюминий 3 . Строение простого вещества Металл Связь - металлическая Кристаллическая решетка - металлическая, кубическая гранецентрированная главная Далее

15 Алюминий 2. Электронное строение 27 А l +13 0 2e 8e 3e P + = 13 n 0 = 14 e - = 13 1 s 2 2 s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Краткая электронная запись 1 s 2 2 s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Порядок заполнения главная Далее

16 Алюминий 6. Химические свойства 4А l + 3O 2 = 2Al 2 O 3 t 2Al + 3S = Al 2 S 3 C н е м е т а л л а м и (c кислородом, с серой) 2 А l + 3Cl 2 = 2AlCl 3 4Al + 3C = Al 4 C 3 C неметаллами (c галогенами, с углеродом) (Снять оксидную пленку) 2 Al + 6 H 2 O = 2Al(OH) 2 + H 2 C в о д о й 2 Al + 6 HCl = 2AlCl 3 + H 2 2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + H 2 C к и с л о т а м и 2 Al + 6NaOH + 6H 2 O = 2Na 3 [ Al(OH) 6 ] + 3H 2 2Al + 2NaOH + 2H 2 O =2NaAlO 2 +3H 2 C о щ е л о ч а м и 8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe 2Al + WO 3 = Al 2 O 3 + W C о к с и д а м и м е т а л л о в главная Далее

17 Алюминий 8. Получение 1825 год Х. Эрстед: AlCl 3 + 3K = 3KCl + Al: Электролиз (t пл. = 2050 ° С) : 2Al 2 O 3 = 4 Al + 3O 2 Электролиз (в распл. криолите Na 3 AlF 6 , t пл. ≈ 1000 ° С) : 2Al 2 O 3 = 4 Al + 3O 2 гл а вная Далее

На правах рукописи

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМАХ АЗОТ - АЛЮМИНИЙ - ПЕРЕХОДНЫЙ МЕТАЛЛ IV - V ГРУПП.

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Москва 2004 г.

Работа выполнена на кафедре общей химии химического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова и в Институте металловедения и физики металлов им. Г.В. Курдюмова ЦНИИчермет им. И.П. Бардина.

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Зайцев А.И. Научный консультант

кандидат химических наук, в.н.с. Калмыков К.Б. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Крапошин B.C.

доктор физико-математических наук, профессор Калошкин С. Д.

Ведущая организация:

Институт металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова

Защита диссертации состоится 12 ноября 2004 г. в Д часов на заседании диссертационного совета Д 141.04.02 ФГУП ЦНИИчермет им. И.П. Бардина по адресу: 105005, г.Москва, ул. 2-ая Бауманская; 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ЦНИИчермет им. И.П. Бардина.

Телефон для справок: 777-93-50

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 141.04.02, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ¿^G^sä^A-^ Александрова Н. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: Композиции на основе комплексных нитридов алюминия и переходных металлов IV - V групп находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности и техники. Они являются основой для создания износостойких и защитных покрытий, диффузионных барьеров в микроэлектронике, высокотемпературных металлокерамических, композиционных материалов, керамик и т.п. Не менее важную роль соединения А1 и элементов IV - V групп с азотом играют при конструировании и производстве широкого круга марок сталей и сплавов, особенно с повышенным содержанием азота. Естественно, что физические, физико-химические и механические свойства перечисленных материалов напрямую связаны с видом и количествами образующихся азотсодержащих фаз. Точные данные о составе и условиях существования комплексных соединений имеют и принципиальное теоретическое значение для понимания природы химической связи и других ключевых характеристик, определяющих степень их устойчивости. Для прогнозирования условий синтеза и стабильности нитридов необходимы достоверные сведения о фазовых равновесиях. Построение многокомпонентных диаграмм состояния с участием азота представляет весьма не простую задачу из-за низких термодинамических стимулов образования смешанных соединений из смежных по диаграмме состояния двойных фаз, малых скоростей диффузии компонентов в них, а также сложности и низкой точности определения истинного содержания азота. Поэтому имеющаяся в настоящее время информация отрывочна и крайне противоречива как по составу тройных ншридов, так и по положению линий равновесия фаз. Она, в основном, получена методом отжига порошкообразных прессовок, в котором достижение равновесного состояния сплава затруднительно.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Разработка нового подхода к исследованию диаграмм состояния многокомпонентных нитридных систем, основанного на использовании комплекса современных экспериментальных приемов физико-химического анализа, методов термодинамического анализа и расчета, позволяющего с высокой точностью определять условия сосуществования фаз и получать исчерпывающие доказательства их соответствия равновесию. Исследование фазовых равновесий в твердофазной области тройных систем алюминий - азот - металл 1У-У групп при температуре 1273 К. НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

Методами термодинамического анализа и расчета показана противоречивость имеющихся экспериментальных данных об условиях равновесия фаз в системах Т1-А1-Ы и гг-А1-М;

Проведено термодинамическое моделирование, анализ и расчет фазовых равновесий в системах &-А1-Н и Ш-А1-К Впервые найдены

термодинамические функции тройных соединений, образующихся в этих системах;

Построены твердофазные области диаграмм состояния систем Ti-Al-N, Zr-Al-N и Hf-Al-N при 1273 К;

Установлен характер фазовых равновесий в системе Nb-Al-N при температуре 1273 К. НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ:

Полученные сведения об условиях равновесия и термодинамических функциях фаз в системах M-A1-N (здесь и далее. М = Ti, Zr, Hf, Nb), являются фундаментальной научной базой для разработки покрытий, керамических и металлокерамических, композиционных материалов, важных для микроэлектроники, энергетики, машиностроения. Они позволяют определять технологические параметры получения и обработки таких материалов, а также имеют принципиальное значение для прогнозирования фазового состава и свойств широкого круга сталей и сплавов с повышенным содержанием азота. ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ:

Данные полученные разными методами физико-химического анализа на образцах сплавов, синтезированных различными способами (азотирование двойных сплавов, длительный гомогенизирующий отжиг, диффузионные пары), с использованием современных экспериментальных подходов и оборудования, таких как элекгронно-зондовый микроанализ, растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, во всех случаях находились в прекрасном согласии как между собой так и с результатами термодинамического расчета.

2. Строение твердофазной области изотермического сечения диаграммы состояния Ti-Al-N при температуре 1273 К.

3. Результаты термодинамического анализа и расчета фазовых равновесий в системе Zr-Al-N при 1273 и 1573 К.

4. Строение твердофазных областей диаграмм состояния систем Zr-Al-N, Hf-Al-N, Nb-Al-N при 1273 К.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы докладывались на: Международной конференции «VIII International conference of crystal chemistry of intermetallic compounds» (Lviv, Ukraine, 2002 г.); Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003», (г. Москва, 2003 г.); Международной конференции «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (Т11КММ)», (Москва, МГУ, 2001, 2003 г.). По материалам диссертации опубликовано 4 статьи. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов,

выводов и списка литературы в количестве 204 наименований. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, включая 70 рисунков и 26 таблиц.

Во второй части рассмотрены закономерности взаимодействия азота с элементами IV-V групп, изложены сведения о физико-химических свойствах и методах синтеза нитридов. Показано, что двойные диаграммы состояния M-N изучены недостаточно полно. Достоверно установлено только существование ншридов MN и M2N, в то время как образование других нитридных фаз вызывает сомнения из-за возможной стабилизации кислородом.

Основная часть литературного обзора посвящена анализу сведений о строении диаграмм состояния M-A1-N. Диаграммы состояния M-A1-N изучены в значительно меньшей степени, чем двойные сплавы. Данные об условиях равновесия фаз в системах Zr-Al-N, Hf-Al-N и Nb-Al-N в настоящее время практически отсутствуют. Сведения о диаграмме состояния системы Ti-Al-N содержат ряд принципиальных противоречий. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. §1. Методика приготовления образцов.

В качестве исходных материалов использовали Ti, Zr, Hf- иодидные и в виде порошков чистотой 99,5%, Nb - листовой вакуумной плавки чистотой 99,99% и порошок чистотой 99,5%, азот ГОСТ 9293-74 ОСЧ (99,996 об.% N2) 02 < 0,001 об.%, массовая доля паров воды < 0,005 %). Порошки HfN, ZrN и AIN - марки «Ч», пластины AIN, полученные методом спекания с добавками У2О3.

Двойные сплавы М-А1 получали путем сплавления навесок компонентов в дуговой печи «LAYBOLD HERAUES» с не расходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере очищенного аргона. Для повышения однородности слитков их подвергали пятикратному переплаву. Синтезированные образцы заворачивали в ниобиевую фольгу и подвергали гомогенизирующему отжигу при 1273 К (100 часов) в вакуумированных кварцевых ампулах в печах электросопротивления с последующей закалкой в воду. Составы сплавов, их фазовый состав и гомогенность контролировали методом электронно-зондового микроанализа на приборе «CAMEBAX-microbeam» (таб. 1). §2. Методика исследования образцов.

В работе применяли следующие методы исследования:

Электронно-зондовый микроанализ на приборе «CAMEBAX-microbeam» при ускоряющих напряжениях 15 и 30 кВ; предварительно проводили анализ на примеси на энергодисперсионном анализаторе «KEVEX».

Растровая электронная микроскопия на приборах «JEOL» и «CAMEBAX-microbeam»; изображение получали во вторичных электронах при ускоряющих напряжениях 15, 20 кВ. Полученные изображения обрабатывали и определяли соотношение фаз в исследуемых образцах.

Оптическая микроскопия", методами темного поля, светлого поля, поляризованного света, дифференциально-интерференционного контраста по Номарски. Исследования проводили на приборе «УЕЯ8АМЕТ-2» при использовании увеличения ><300 и х400.

Рентгенофазовый анализ методом порошка проводили на дифрактометрах ДРОН-4 и 8ТАБ1-Р фирмы «Яше» (СиК„ь СоК„ излучения).

Таблица 1.

Химический и фазовый состав двойных сплавов систем М-А1.

№ Состав (ЭЗМА), ат.% Фазовый состав № Состав (ЭЗМА), ат.% Фазовый состав

Система И - А1

1 25,6 74,4 т13, Т1А12 4 69,6 30,1 Т13А1

2 38,3 61,7 Т1А12, Т1А1 5 77,1 22,9 Ть,А1

з 54,9 45,1 Т1А1, Т13А1 6 89,1 10,9 «СП)

Система Хг - А1

1 28,5 71,5 ггА13, ЪгМг 5 60,1 39,9 ХтъРАъ Тг2М

2 33,3 66,7 Ъхк\г 6 65,8 34,2

3 47,5 52,5 2г2А13, 2ГА1 7 76,7 23,3 7Х2А\,

4 58,3 41,7 Хт4А1ъ ЪсгА\г

Система Ш - А1

1 31,7 68,3 Н£А13, ША12 4 53,8 46,2 НШ, Н£(А1з

2 36,8 63,2 НШ2, ЩА13 5 62,4 [ 37,6 Ш3А12, Ж5А13

3 43,2 56,8 НГ2А13, НШ 6 77,8 | 22,2 Ю2А1, а(Н0

Система № - А1

1 37,8 62,2 ИЬАЬ, ЫЪ2А1 4 71,3 28,7 МЬ2А1, №>3А1

2 51,2 48,8 1МЬА13, МЬ2А1 5 82,8 17,2 №>3А1, а(№>)

3 63,5 36,5 ЫЬ2А1

§ 3. Разработка методики исследования фазовых диаграмм с участием азота.

Для исследования фазовых равновесий в тройных системах М-А1-Ы использовали комплекс современных методов физико-химического анализа, который включал: азотирование порошков двойных сплавов М-А1 в атмосфере азота, диффузионные пары и длительный гомогенизирующий отжиг сплавов.

Для азотирования порошки двойных сплавов М-А1 помещали в тигли из А1203 и подвергали изотермической выдержке на установке термокомпрессионного отжига оригинальной конструкции в атмосфере азота при давлении 5 МПа, температуре 1273 К в течение 1, 4, 9 и 16 часов. Фазовый состав образцов исследовали методом рентгенофазового анализа после каждого отжига.

Для определения влияния продолжительности азотирования на изменение состава двойных нитридных фаз в пределах области однородности в работе исследовали зависимость параметра решетки нитридов циркония и гафния от

времени отжига в атмосфере азота при температуре 1273 К и давлении 5 МПа. Параметры решеток ZrN и HfN не изменялись в процессе отжига в течение 4 и 13 часов, что свидетельствует о том, что в исследуемых системах продолжительность высокотемпературного азотирования практически не влияет на состав образующегося нитрида.

Диффузионные пары готовили по типу «сэндвич» M/A1N/M двумя способами: диффузионной сваркой и наплавкой. Диффузионную сварку проводили в вакууме на установке ДСВУ при температурах: 1273 К для титана, 1373 К для циркония и ниобия и 1433 К для гафния. Давление сварки составляло 17-20 МПа. Наплавку Ti, Zr, Hf или Nb на пластину AIN размером 2x4x4 мм осуществляли в электродуговой печи в атмосфере очищенного аргона. Полученные пары отжигали в вакуумированных кварцевых ампулах в течение 100 и 670 часов и исследовали строение образовавшихся переходных зон методами электронно-зондового микроанализа, оптической и растровой электронной микроскопии. Использование двух способов получения диффузионных пар исключало возможность влияния физико-химических процессов, протекающих на поверхностях раздела при соединении разнородных материалов в единую композицию, на строение диффузионных зон и характер получаемых результатов.

Для осуществления исследований третьего типа синтезировали образцы двух видов:

1) Из порошков Zr, Hf, Nb и AIN готовили смеси определенного состава. Смеси спрессовывали при комнатной температуре и давлении 10 МПа. Таблетки переплавляли в электродуговой печи в атмосфере аргона и подвергали длительному гомогенизирующему отжигу при 1273 К в вакуумированных кварцевых ампулах в течение 200 и 670 часов для достижения равновесной конфигурации фаз.

2) Пластины A1N заворачивали в фольгу из титана или ниобия, а затем переплавляли в электродуговой печи. Затем образцы подвергали длительному отжигу по описанной методике. Критерием достижения равновесного состояния служила неизменность типа и количества фаз при увеличении продолжительности отжига.

Расчет и анализ фазовых равновесий в изучаемых системах проводили в соответствии с фундаментальными законами термодинамики. При анализе каждого конкретного состава рассматривали все возможные комбинации фаз, сочетанием которых он может быть представлен. Комбинацию фаз, отвечающую минимуму энергии Гиббса системы, считали соответствующей стабильному равновесию, а ее характеристики (природу и количество сосуществующих фаз) использовали при построении диаграммы состояния. Все другие сочетания фаз считали метастабильными и их характеристики не учитывали. Для приведения термодинамических функций к одним и тем же стандартным состояниям компонентов использовали имеющиеся сведения об их параметрах стабильности или энергии Гиббса фазовых переходов. Алгоритм расчета был реализован в виде специальной компътерной программы, предполагающей многократное проведение процедуры определения фазового состава системы для множества

точек, охватывающих весь диапазон составов в пространстве концентраций компонентов при заданном значении температуры.

Предварительно выполненные эксперименты и расчеты позволили сформулировать принципы выбора составов исследуемых образцов, режимы их азотирования и термообработки, которые позволяют разными путями достичь одного и того же состояния сплава и получить исчерпывающие доказательства его соответствия равновесию. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ. § 1. Фазовые равновесия в системе Т1-А1-1Ч.

Результаты предварительных опытов показали, что наиболее эффективным методом исследования фазовых равновесий в системе Т!-А1-Ы является азотирование порошкообразных образцов из газовой фазы. В таблице 2 представлены результаты рентгенофазового анализа образцов после отжига в атмосфере азота при 1273 К в течение 1 часа. В первых пяти сплавах образуется тройное соединение Т12АМ. Полученные результаты свидетельствуют о существовании в системе Ть-А1-М следующих фазовых полей: Т1А1з-ТЬА1К-АШ, ТСгАМ-АМ-"Ш, ТШз-Т^А^-ИгАШ и ^-ТШ-оОП).

Таблица 2.

Фазовый состав порошкообразных образцов системы Т1-А1-Ы до и после отжига в атмосфере азота при Т = 1273 К, р(Ы2) = 5 МПа.

№ сплава Фазовый состав

до азотирования после азотирования

1 TiAl3, TiAl2 Ti2AlN, TiAl3, A1N

2 TiAl2, TiAl Ti2AlN, TiAl3, TiAl2

3 TiAl, T13AI Ti2AlN, TiNi.x, A1N

4 Ti3Al Ti2AlN, TiN,.x

5 Т1зА1 TijAIN, TiNi.x

6 a(Ti) TiNi.jb Ti2N, a(Ti)

Для исследования богатой титаном области диаграммы состояния применяли методы диффузионных пар и длительного гомогенизирующего отжига. В диффузионной зоне образца A1N/Ti после 200 часов изотермической выдержки Т=1273 К зафиксировано образование двух промежуточных слоев: слоя нитрида титана, содержащего включения тройной фазы Ti3AlN, и слоя твердого раствора на основе a(Ti) с концентрацией алюминия до 19 ат.%. На рисунке 1 (а) показана структура образца AlN/прослойка титана толщиной 150 mkm/AIN. После 200 часов отжига на поверхности нитрида алюминия образуется слой нитрида титана толщиной около 30 мкм, середина прослойки представляет собой фазу Ti3AlN с включениями нитрида титана TiN].x. Полученные результаты указывают на существование конод AlN-TiNi.„ TiN!.x-Ti3AlN, Ti3AlN-a(Ti).

Для точного определения положения линий равновесия в богатых титаном сплавах с участием медленно образующегося комплексного нитрида Ti3AlN, было синтезировано два образца путем сплавления навесок титана и порошка нитрида алюминия в соотношении количеств молей 3/1 и 2/1. Первый сплав уже после 200 часов отжига приобрел постоянный фазовый состав

ТП^-х+"ПзАП^+аСП). По данным растровой электронной микроскопии и рентгенофазового анализа (рис. 1 б) во втором образце после 200 часов отжига присутствовало 4 фазы: ТО^.» "ПзАГЫ, а(Тл) и "ПзА1.

Причем включения Т13АМ обнаружены вокруг частиц нтрида титана, что говорит о недостаточном времени гомогенизации. После 670 часов отжига фазовый состав образца приобрел, стабильную конфигурацию: ТОЛ-"ПзАШ+а(Т0 (рис. 2).

ТЬАШ ТЬА1 -

Рис. 1. Микроструктура образцов системы "Л - А1 - >1:

а - АМГП/АМ после отжига 200 ч, 1273 К, вторичные ё, хЮОО; б - А1К+2ГП после отжига 200 ч, 1273 К, вторичные ё, хЮОО.

п -^зАШ А -0(14)

20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 20 Рис. 2. Дифрактограмма образца А1Ы+2Т1 после отжига 670 ч, 1273 К.

Для определения положения линий фазовых равновесий при низких концентрациях азота использовали термодинамический расчет. Существование жидкого раствора на основе алюминия и а- и (3-твердых растворов на основе титана не учитывали, так как расплав лежит вне интересующей области твердофазных равновесий, а равновесия с твердыми растворами детально исследованы экспериментально. В настоящее время экспериментальные данные об энергии Гиббса образования (А/7) фаз "ПзАПЧ, Т12А1Н, Т1А12 отсутствуют. Существуют лишь оценки. Поэтому, на первом этапе методом косвенной оптимизации находили эти неизвестные характеристики. Суть метода состояла в подборе величин А/? указанных соединений таким образом, чтобы они удовлетворяли экспериментально установленным условиям равновесия фаз. В результате были найдены следующие значения: А/7(Т13А1К) = -360,0 кДж/моль; Д/7СП2А1М) = -323,3 кДж/моль; А/7 (Т1А12) = -80,8 кДж/моль. В дальнейшем они были использованы для расчета фазовых равновесий в сплавах, экспериментальное исследование которых затруднительно или невозможно. Построенное изотермическое (Т=1273 К) сечение диаграммы состояния системы П-АНЧ представлено на рис. 3.

И - составы исходных двойных сплавов "П-А1. X - составы азотированных сплавов, ♦ - составы тройных сплавов Т1+А1КГ, - - - ■ диффузионный путь. Фоном выделены результаты термодинамических расчетов.

Полученные результаты находятся в некотором противоречии с существующими данными , схематично показанными на рис. 4. Как видно, авторы нашли что АМ находится в равновесии с "ПАЬ, Т1А12> Т1А1, Т12А1Ы и ТО^.* (рис. 4 а). На рис. 4 (б) показаны результаты термодинамического анализа и расчета фазовых равновесий выполненного в работе . Нитрид алюминия находится в равновесия только с "ПАЬ, Т^АМ и ТШ^. Это хорошо согласуется с настоящими результатами.

Рис. 4. Изотермические сечение системы при 1273 К:

а - по данным ; б - по данным , трИзАШ, гг-Т^АМ, 1-Т1А1з, 2-Т\цА\и, 3-ТШ2,4-Т1А1, б-Т^А).

Выполненный в настоящей работе термодинамический анализ фазовых равновесий в системе "П-А!-^ позволил выявить причины отмеченных противоречий. Оказалось что образование тройных нитридов из исходных двойных сплавов во многих случаях сопровождается незначительным изменением энергии Гиббса, составляющим всего несколько сот Дж/моль. Поэтому авторам , которые использовали метод отжига порошкообразных смесей двойных композиций необходимы были очень продолжительные интервалы времени отжига для достижения равновесного состояния. Это, по-видимому, не всегда удавалось. Напротив, использованное в предлагаемой работе взаимодействие порошков титан-алюминиевых сплавов с азотом сопровождается значительным (сотни кДж/моль) выигрышем в энергии Гиббса, что позволяет быстро достигать равновесного состояния. § 2. Условия равновесна фаз в системе гг-А1-Р*.

Изучение фазовых равновесий в системе ¿г-АМЧ было осуществлено по аналогичной схеме. Предварительно было проведено термодинамическое моделирование и расчет фазовых равновесий в системе с использованием имеющихся сведений о термодинамических свойствах двойных фаз (табл. 3) и данных о диаграмме состояния при 1273 и 1573 К (рис. 5). Расчет позволяет полностью воспроизвести экспериментальные данные о фазовых равновесиях при 1573 К. С другой стороны, сведения об условиях равновесия фаз при 1273 К не могут быть воспроизведены термодинамическим расчетом.

В частности, равновесие А1№-2г3АМ реализуется только при значениях (1/5)Л/7(7г3А1М) < -92,0 кДж/моль. Однако, при этом устойчивой оказывается комбинация фаз АМ~гг3А1^-7гА12. Увеличение энергии Гиббса образования 7г3АГМ приводит к появлению трехфазного равновесия г^-АМ-ггА12.

Таблица 3.

Энергия Гиббса образования двойных соединений системы Ъх - А1 - N из ГПУ-гг, ГЦК-А1 и Ы2(газ).

Фаза Д /J=a+bT, Дж/моль. Фаза AfG=a+bT+cTlnT, Дж/моль.

(l/4)Zr3Al 36163 4.421 (l/2)ZrAl 64950 11.014 0

(l/3)Zr2Al 48358 6.492 (l/5)Zr2Al3 55323 27.830 4.329

(l/8)Zr5Al3 51484 5.749 (l/3)ZrAl2 51266 29.726 4.417

(l/5)Zr3Al2 55180 6.734 (l/4)ZrAl3 47381 24.373 3.854

(l/7)Zr4Al3 58480 8.236 (l/2)ZrN 181795 46.024 0

(l/9)Zr5Al4 55424 5.320 (1/2) AIN 163532 57.760 0

Установленное в сосуществование фаз ArN-Zr3AlN-Zr2Al3 не воспроизводится ни при каких значениях A//(Zr3AlN). Кроме того, для обеспечения равновесия AlN-Zr3AlN необходимо снижение (l/5)A/?(Zr3AIN) с -73,0 кДж/моль при 1573 К до -92,0 кДж/моль при 1273 К. Последнее маловероятно, так как может иметь место только при нереально низких значениях энтропии образования анализируемого соединения A£(Zr3AlN) = -380,0 Дж/моль-К.

Таким образом, данные об условиях равновесия фаз в системе Zr-Al-N найденные в работе для разных температур 1573 и 1273 К, являются внутренне противоречивыми и требуют детальной экспериментальной проверки.

Отжиг сплавов системы Zr-Al в атмосфере азота при давлении 5 МПа в течение 1 часа привел к образованию нитрида циркония ZrN и алюминида циркония ZrAl3 независимо от состава исходного образца. Исключение наблюдалось только для сплавов № 5-№ 7 (табл. 4), дифрактограммы которых содержали пики, соответствующие соединению ZrÀl2. Представленные результаты свидетельствуют о возможности существования гетерогенного поля AlN-ZrAl3-ZrN, что противоречит результатам термодинамического расчета. Согласно термодинамическому анализу равновесие фаз ZrAl3 и ZrN в сплавах Zr-Al-N не должно иметь место, как при наличии, так и при отсутствии комплексных нитридов. Действительно, дополнительная изотермическая выдержка образцов в атмосфере азота в течение 4 часов привела к уменьшению интенсивности пиков соответствующих соединению ZrAl3 и появлению линий фазы ZrAl2 на дифракгограммах, более длительный отжиг вызвал исчезновение на дифракгограммах линий соединения ZrAl3.

Описанное явление имеет кинетическую природу. Цирконий реагирует с азотом значительно интенсивнее алюминия, поэтому в образцах сначала образуется нитрид циркония и максимально обедненная по цирконию фаза ZrAl3. При увеличении времени изотермической выдержки происходит взаимодействие алюминия с азотом с образованием нитрида алюминия A1N. В результате фаза

ХтА\3 превращается в ХтА\2, образуя равновесную композицию ггА12-АШ-7гЫ. Таким образом, исследование взаимодействия порошкообразных сплавов Zr-A\ с азотом подтвердило адекватность термодинамического расчета и свидетельствует о существовании двух ключевых фазовых полей в системе 2х-А1-№ А1Ы-2гА1г-7гА12 и А1Ы-2гЫ-2гА12.

Рис. 5. Диаграмма состояния системы 2г-А1-1М:

а - по данным , 1273 К; б - по данным , 1573 К; в - настоящий расчет, 1273 К; г - настоящий расчет, 1573 К.

Рентгенофазовый и электронно-зондовый анализ образца полученного сплавлением порошков циркония и нитрида алюминия при соотношении количеств молей Хг/АШ=3/1 после гомогенизации в течение 670 часов при 1273 К показали, присутствие фаз: 7гМ, 7.г5А1зМ1_х и 2г3А1>1, составляющих стабильную конфигурацию. Исследование строения переходных зон диффузионных пар АГЫ/гг/АШ и А1М/7,г позволило выявить существование еще двух фазовых полей 2гН-2г3А1К-а(2г) и 2гК-гг2А13-гг5А13Ы1.х (рис. 6).

Таблица 4.

Фазовый состав порошкообразных сплавов 2г-А1 до и после отжига в атмосфере азота при Т = 1273 К, р0^2) = 5 МПа.

№ сплава Фазовый состав

До азотирования После азотирования

1 ZrAl3, ZrAl2 1ч. ZrN, AIN, ZrAl3

4 ч. ZrN, AIN, ZrAl3, ZrAl2

2 ZrAl2 1 ч. ZrN, ZrAlj

4 ч. ZrN, ZrAl3, ZrAb

3 Zr2Al3, ZrAl ZrN, AIN, ZrAl3

4 Z14AI3, Zr3Al2 ZrN, AIN, ZrAl3

5 ZrjAlz, ZrzAl ZrN, ZrAI2, ZrAI3

6 ZrsAlî, Zr2Al ZrN, ZrAl2, ZrAl3

7 ZTÎAI, 3(Zr) ZrN, ZtA12, ZrAl3

Рис. 6. Строение переходных зон диффузионных тар AIN с Zr: а - AIN/Zr/A1N 200 часов, х 1500; б - A1N/Zr, 200 часов, х 2000.

Из-за высоких скоростей взаимодействия циркония с азотом равновесия с участием фаз ZrAl, Zt4A13, ZrAl2 и Zr2Al экспериментально определить не удалось. Для их установления использовали термодинамический расчет. На первом этапе методом косвенной оптимизации была найдена энергия Гиббса образования тройных нитридов: (l/5)A/?(Zr3AlN) = -76,0 кДж/моль; (1/(9-х)} Д/З^^АУ^.*) = -63,0 кДж/моль. Полученные величины использованы для нахождения неизвестных условий равновесия фаз. Полученные результаты показаны на рис. 7.

Построенная диаграмма состояния системы Zr-Al-N при 1273 К, находится в противоречии с данными для этой температуры, однако, практически совпадает с результатами полученными для 1573 К. По всей видимости длительности используемого в отжига было недостаточно для достижения равновесного состояния сплава при более низкой температуре 1273 К.

аА1з 2хАИ ¿ГдА^

ггА1 4 ЪъА\

Рис. 7. Фазовая диаграмма системы 2г-А1-Ы, 1273 К. ■ - составы исходных двойных сплавов системы 2г-А1, о - составы азотированных сплавов, □ - состав тройного сплава 2г+АМ.

Диффузионные пути в системе Ъх - А1 - N при 1273К. ааааа - образец (¿лЫ+ТхгАЦуТт 670 часов.

Образец АМа/АШ 200 часов

Образец А1Ы/гг 200 часов.

§ 3. Строение диаграммы состояния системы Hf-Al-N.

Аналогичная ситуация имеет место и для системы Hf-AI-N. На рис. 8 представлено строение диаграммы состояния при 1273 К, полученное в настоящей работе совместно с данными .

Практически все фазы двойной системы Hf-Al находятся в равновесии с нитридом гафния HfN. Это связано с низким значением энергии Гиббса образования HfN. Тройное соединение Hf3AlN образует области трехфазных равновесий только с фазами Hf5Al3, HfN и a(Hf). Двойные соединение Hf2Al и Hf3N2 реализуются лишь в очень ограниченных областях составов тройной системы. Нитрид алюминия находится в равновесии с HfAl3 и HfN. § 4. Фазовые равновесия в системе Nb-Al-N.

На рис. 9 представлена диаграмма состояния системы Nb-Al-N (Т=1273 К), построенная в настоящей работе. Полученные результаты практически совпадают с данными работы для температуры 1773 К, показанными ниже. Единственное отличие состоит в том, что при 1273 К в системе Nb-N стабилен нитрид ниобия NbN, который находится в равновесии с нитридом алюминия и фазой на основе Nb2N. Соединение №>4N3 присутствует лишь в ограниченной области составов тройных сплавов. Тройное соединение Nb3Al2N находится в равновесии с фазами AIN, NbAl3, NbAl2 и Nt^N. Фаза на основе Nb3Al и твердый раствор на основе ниобия образуют трехфазную область с нитридом ниобия Nb2N. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении обобщены основные результаты работы. Показано что при высоких содержаниях азота для исследования диаграмм состояния трех- и более компонентных нитридных систем наиболее перспективным является азотирование порошкообразных двойных сплавов. При низких концентрациях азота наиболее адекватные результаты дают методы диффузионных пар и длительного гомогенизирующего отжига. Обычно используемая методика отжига порошкообразных прессовок требует длительной изотермической выдержки и при температурах ниже 1473 - 1573 К, во многих случаях, не позволяет достичь равновесного состояния сплава.

С использованием комплекса современных методов физико-химического анализ построены диаграммы состояния систем Ti-Al-N, Zr-Al-N, Hf-Al-N и Nb-Al-N при 1273 К. В работе применяли подход, основанный на реализации разных путей для достижения одного и того же конечного состояния сплава. Данные, найденные с использованием разных методик, хорошо согласуются как между собой, так и с результатами термодинамического расчета, поэтому могут быть рекомендованы для прогнозирования фазовых равновесий в данных системах и композициях на их основе.

Общей закономерностью в строении диаграмм состояния изученных систем M - Al - N является уменьшение числа и стабильности комплексных нитридных фаз по мере возрастания разности между термодинамической устойчивостью двойных фаз MN и A1N. Таким образом, прогнозирование возможности получения трехкомпонентных нитридных фаз, в том числе в сталях и сплавах, может осуществляться путем сопоставления величин энергии Гиббса образования A1N и MN.

Рис. 8 Диаграмма состояния Ш-А1-М:

а - по данным 1273 К; б - по данным 1673 К; в - по данным настоящей работы ■ - составы исходных двойных сплавов системы Н£-А1. - составы азотированных сплавов (1 час). А - составы азотированных сплавов (4 часа), о - состав тройного сплава НХ+АМ. -*- - диффузионные пути в системе Ш"-А1-К при 1273 К.

Рис. 9. Диаграмма состояния >1Ь-А1-К:

а - по данным настоящей работы, 1273 К:

■ - составы исходных двойных сплавов системы МЬ-А!. - составы азотированных сплавов □ - состав тройного сплава ЗКЬ+АШ.

Диффузионные пути в системе МЬ-А1-Ы при 1273К.

б - по данным , 1773 К.

2. С использованием современных подходов термодинамического расчета и моделирования условий равновесия фаз выполнен анализ существующих данных о диаграммах состояния систем М-А1-М. Выявлена их противоречивость и определены пути оптимальной постановки экспериментального исследования.

3. С помощью комплекса современных методов физико-химического анализа изучены закономерности взаимодействия элементов в 85 образцах двойных и тройных сплавов систем М-А1-1Ч.

4. Построена твердофазная диаграмма состояния системы Ть-АНЯ при 1273 К. Установлено, что нитрид алюминия находится в равновесии с фазами Т1А13, Тл2АШ и "ПМ,.,. Тройное соединение Т13А1Ы образует трехфазные области с фазами Т12АГМ, Т1А1, Т13А1, а(Т1) и Тй1^.*. Определены параметры

кристаллических решеток тройных фаз Ti2AlN (a=2,986(9)Â, c=13,622(5)Á), Ti3AIN (а=4,1127(17)Â), и величины энергии Гиббса их образования из стабильных при этой температуре модификаций элементов: -360,0 кДж/моль и -323,3 кДж/моль, соответственно.

5. Исследованы фазовые равновесия в кристаллических сплавах Zr- A!--N при 1273 К. Достоверно установлено положение всех областей трехфазных равновесий. Нитрид алюминия находится в равновесии с фазами ZrAl3, ZrAl2 и ZrN. Тройная фаза Zr3AlN образует поля трехфазных равновесий с фазами ZrN, Zr5Al3Ni.x и твердым раствором на основе a(Zr). Параметры решетки комплексного нитрида Zr3AlN составляют a=3,366(6)Â, è=l 1,472(10)Â, c=8,966(9)Â, энергия Гиббса образования Ар = -460,0 кДж/моль.

6. Установлено, что в твердых композициях системы Hf-Al-N при 1273К практически все двойные фазы системы Hf-Al находятся в равновесии с нитридом гафния HfN. Тройное соединение Hf3AlN образует области трехфазных равновесий с фазами Hf5Al3, HfN и твердым раствором на основе a(Hf). Двойные фазы Hf2Al, Hf3N2 реализуются лишь в ограниченных областях составов тройной системы. Нитрид алюминия находится в равновесии с HfAI3 и HfN.

7. Впервые построено изотермическое Т=1273 К сечение твердофазной части диаграммы состояния системы Nb-AI-N. Тройное соединение Nb3Al2N находится в равновесии с фазами AIN, NbAI3, NbAl2 и Nb2N. Фаза на основе Nb3Al и твердый раствор на основе ниобия образуют трехфазное поле с Nb2N. Нитрид ниобия NbN находится в равновесии с нитридом алюминия и NbzN.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

Schuster J.C., Bauer J. The Ternary System Titanium-Aluminum-Nitrogen. //J.

Solid State Chem. 1984. V.53. p 260-265.

Chen G., Sundman B. Thermodynamic Assessment of the Ti-Al-N System. //J.

Phase Equilibria. 1998. V.19. №2, p. 146-160.

Schuster J.C., Bauer J., Debuigne J. Investigation of Phase Equilibria Related to

Fusion Reactor Materials: l.The Ternary System Zr-Al-N. //J. Nucl. Mater. 1983.

V.116, p.131-135.

Schuster J.C., Bauer J. Investigation of Phase Equilibria Related to Fusion Reactor

Materials: П. The Ternary System Hf-Al-N. //J. Nucl. Mater. 1984. V.120, p. 133-136.

Определение фазового состава такого рода материалов показало, присутствие только двойных нитридных фаз. Тем не менее, последние, тщательные исследования сплавов M - Al - N (здесь и далее M = Ti, Zr, Hf, Nb) позволили выявить существование комплексных нитридов: Ti3AlN, TÎ2A1N, Ti3Al2N2; Zr3AlN, ZrsAbNj.x; Hf3AlN, Hf5Al3N; Nb3Al2N . Их свойства практически не изучены, хотя есть веские основания полагать, что они могут быть уникальными. Об этом свидетельствует тот факт, что композиционные материалы на основе сочетания двойных нитридов А1 и M имеют максимальный уровень физических характеристик именно в областях составов тройных фаз . Например, абразивные свойства тройных соединений Ti - Al - N в два раза выше, чем у корунда и даже, чем у карбида вольфрама .

Не менее важную роль соединения А1 и элементов IV - V групп с азотом играют при конструировании и производстве широкого круга марок сталей и сплавов, особенно с повышенным содержанием азота. Естественно, что физические, физико-химические и механические свойства перечисленных материалов напрямую связаны с видом и количествами образующихся азотсодержащих фаз. Точные данные о составе и условиях существования комплексных соединений имеют и принципиальное теоретическое значение для понимания природы химической связи и других ключевых характеристик, определяющих степень их устойчивости. Для прогнозирования условий синтеза и стабильности нитридов необходимы достоверные сведения о фазовых равновесиях. Построение многокомпонентных диаграмм состояния с участием азота представляет весьма не простую задачу из-за низких термодинамических стимулов образования смешанных соединений из смежных по диаграмме состояния двойных фаз, малых скоростей диффузии компонентов в них, а также сложности и низкой точности определения истинного содержания азота. Поэтому имеющаяся в настоящее время информация отрывочна и крайне противоречива как по составу тройных нитридов, как и положению линий равновесия фаз. Она, в основном, получена одной группой исследователей методом отжига порошкообразных прессовок, в котором достижение равновесного состояния сплава затруднительно.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Разработка нового подхода к исследованию диаграмм состояния многокомпонентных нитридных систем, основанного на использовании комплекса современных экспериментальных приемов физико-химического анализа, методов термодинамического анализа и расчета, позволяющего с высокой точностью определять условия сосуществования фаз и получать исчерпывающие доказательства их соответствия равновесию. Исследование фазовых равновесий в твердофазной области тройных систем алюминий - азот - металл IV - V групп при температуре 1273 К.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

Методами термодинамического анализа и расчета показана противоречивость имеющихся экспериментальных данных об условиях равновесия фаз в системах Т1-А1-Ыигг-А1-К;

Разработана методика исследования фазовых диаграмм нитридных систем, которая базируется на комплексе современных методов физико-химического анализа и реализации разных путей достижения одного и того же конечного состояния сплава, что позволяет получать исчерпывающие доказательства соответствия его равновесию;

Проведено термодинамическое моделирование, анализ и расчет фазовых равновесий в системах Ъх - А1 - N и НГ - А1 - N. Впервые найдены термодинамические функции тройных соединений, образующихся в этих системах;

Построены твердофазные области диаграмм состояния систем П - А1 - N.

А1-Ы и НГ-А1-Ы при 1273 К; Установлен характер фазовых равновесий в системе ЫЬ - А1 - N при температуре 1273 К.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ:

Полученные сведения об условиях равновесия и термодинамических функциях фаз в системах М - А1 - N (М = Т1, Ъх, Н£ ЫЬ), являются фундаментальной научной базой для разработки покрытий, керамических и металлокерамических, композиционных материалов, важных для микроэлектроники, энергетики, машиностроения. Они позволяют определять технологические параметры получения и обработки таких материалов, а также имеют принципиальное значение для прогнозирования фазового состава и свойств широкого круга сталей и сплавов с повышенным содержанием азота.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ:

Данные полученные разными методами физико-химического анализа на образцах сплавов, синтезированных различными способами (азотирование двойных сплавов, длительный гомогенизирующий отжиг, диффузионные пары), с использованием современных экспериментальных подходов и оборудования, таких как электронно-зондовый микроанализ, растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, во всех случаях находились в прекрасном согласии как между собой так и с результатами термодинамического расчета.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Методика построения диаграмм состояния многокомпонентных нитридных систем, основанная на сочетании комплекса современных методов физико-химического анализа с различными путями достижения одних и тех же равновесий, термодинамическим моделированием и расчетом фазовых равновесий.

2. Строение твердофазной области изотермического сечения диаграммы состояния "Л - А1 - N при температуре 1273 К.

3. Результаты термодинамического анализа и расчета фазовых равновесий в системе Тл - А1 - N при 1273 и 1573 К.

4. Строение твердофазных областей диаграмм состояния систем Zг - А1 - N. НГ- А1 - N. N1) - А1 - N при 1273 К.

II. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

VI. выводы.

1. Разработана методика исследования диаграмм состояния многокомпонентных нитридных систем, основанная на сочетании методов азотирования двойных сплавов, длительного гомогенизирующего отжига трехкомпонентных композиций, диффузионных пар, термодинамического расчета и моделирования фазовых равновесий. Она позволяет реализовать разные пути достижения одного и того же конечного состояния сплава и получить исчерпывающие доказательства соответствия его равновесию. Установлено, что при изучении областей диаграмм состояния с высокими концентрациями азота наиболее достоверным и информативным является метод азотирования двойных сплавов. При низких концентрациях азота лучшие результаты дает метод диффузионных пар.

2. С использованием современных подходов термодинамического расчета и моделирования условий равновесия фаз выполнен анализ существующих данных о диаграммах состояния систем М-А1-И. Выявлена их противоречивость и определены пути оптимальной постановки экспериментального исследования.

4. Построена твердофазная диаграмма состояния системы Т1-А1-К при 1273 К. Установлено, что нитрид алюминия находится в равновесии с фазами ИА1з, "ПгАШ и ТО^.*. Тройное соединение ТСзАИЯ образует трехфазные области с фазами ТСгАШ, Т1А1, Т1зА1, а(П) и Определены параметры кристаллических решеток тройных фаз Т12АШ (а=2,986(9)А, с=13,622(5)А), Т1зАШ (а=4,1127(17)А), и величины энергии Гиббса их образования из стабильных при этой температуре модификаций элементов: -360,0 кДж/моль и -323,3 кДж/моль, соответственно.

5. Исследованы фазовые равновесия в кристаллических сплавах при 1273 К. Достоверно установлено положение всех областей трехфазных равновесий. Нитрид алюминия находится в равновесии с фазами 2гА1з, ZтA\2 и ZгN. Тройная фаза ггзАНЯ образует поля трехфазных равновесий с фазами

ZrsAbNi.x и твердым раствором на основе a(Zr). Параметры решетки комплексного нитрида Z^AIN составляют д=3,366(6)А, ¿»=11,472(10)Â, c=8,966(9)Â, энергия Гиббса образования Л/3 = -380,0 кДж/моль.

6. Установлено, что в твердых композициях системы Hf-Al-N при 1273К практически все двойные фазы системы Hf-Al находятся в равновесии с нитридом гафния HfN. Тройное соединение Hf^AlN образует области трехфазных равновесий с фазами HfsAh, HfN и твердым раствором на основе a(Hf). Двойные фазы Hf2Al, ^N2 реализуются лишь в ограниченных областях составов тройной системы. Нитрид алюминия находится в равновесии с Н£А1з и HfN.

7. Впервые построено изотермическое Т=1273 К сечение твердофазной части диаграммы состояния системы Nb-Al-N. Тройное соединение Nl^AhN находится в равновесии с фазами AIN, NbAb, NbAb и Nb2N. Фаза на основе Nb3Al и твердый раствор на основе ниобия образуют трехфазное поле с Nb2N. Нитрид ниобия NbN находится в равновесии с нитридом алюминия и Nb2N.

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Общей закономерностью в строении диаграмм состояния изученных систем M - Al - N является уменьшение числа и стабильности комплексных нитридных фаз по мере возрастания разности между термодинамической устойчивостью двойных фаз MN и A1N, которая характеризуется энергией Гиббса образования Zl/7(A1N)=-180,0 кДж/моль, Zl/7(TiN)=-217,8 кДж/моль, 4G(ZrN)=-246,4 кДж/моль, ZlyG(HfN)-251,0 кДж/моль, zl/7(NbN)=-110,7 кДж/моль. Так в системах Ti - Al - N и Zr - Al - N при 1273 К существует два комплексных нитрида TijAIN, Ti2AlN и Z^AIN, ZrsAbNi-x, соответственно. Причем при высоких температурах в сплавах Ti - Al - N стабильной является фаза TÎ4A1N3.X, а соединение ZrsAbNi-* нельзя считать тройным, так как оно изоструктурно интерметаллиду ZrsAb. На диаграммах состояния Hf - Al - N и Nb - Al - N присутствует только одно комплексное соединение Hf3AlN и Nb3Al2N, соответственно.

В системах Ti - Al - N и Nb - Al - N нитрид алюминия находится в равновесии с соответствующим комплексным нитридом, нитридами титана или ниобия и алюминидами титана или ниобия с максимальной концентрацией алюминия. В системах с цирконием и гафнием равновесие AIN - M3AIN исчезает. Это вызвано повышением термодинамической устойчивости двойных нитридных фаз ZrN и HfN. Таким образом, прогнозирование возможности получения трехкомпонентных нитридных фаз, в том числе в сталях и сплавах, может осуществляться путем сопоставления величин энергии Гиббса образования A1N и MN.

Выполненные исследования позволили разработать методику адекватного построения диаграмм состояния многокомпонентных азотсодержащих систем и установить следующие закономерности. При высоких концентрациях азота и алюминия наиболее информативным является метод азотирования порошков двойных металлических сплавов при повышенном давлении азота. Найдено, что оптимальным является давление в несколько десятков атмосфер.

В сплавах на основе переходных металлов и с низким содержанием азота лучшие результаты дают методы длительного гомогенизирующего отжига и диффузионных пар. Отличительной особенностью последнего является возможность получения большого массива данных об условиях равновесия фаз при исследовании одного образца. Обычно используемая методика отжига порошкообразных прессовок требует длительной изотермической выдержки и при температурах ниже 1473 - 1573 К, во многих случаях, не позволяет достичь равновесного состояния сплава.

Экспериментальное исследование фазовых равновесий в сплавах с малым содержанием азота во многих случаях затруднено или даже невозможно из-за низкой точности определения его концентрации существующими методами. Для таких участков диаграмм состояния эффективным является применение методов термодинамического моделирования и расчета фазовых равновесий. Они, базируясь на данных об условиях равновесия фаз, найденных для более доступных в экспериментальном отношении участков диаграммы состояния и имеющейся информации о термодинамических функциях, позволяют однозначно установить недостающие сведения. При решении поставленной задачи соответствующая система уравнений, как правило, оказывается переопределенной, поэтому расчет не только позволяет установить положение линий равновесия, но и получить исчерпывающие доказательства адекватности решения. Так, при проведении термодинамических расчетов для всех изученных систем, результат не зависел от того, какие экспериментально найденные фазовые поля использовали в качестве исходных данных.

Другим важным направлением использования термодинамического моделирования и расчета является прогнозирование условий проведения эксперимента и выбора исходных составов образцов таким образом, чтобы разными путями достичь одного и того же конечного состояния сплава и доказать его соответствие равновесию.

В настоящей работе с использованием комплекса современных методов физико-химического анализа построены четыре изотермических сечения диаграмм состояния тройных систем Т1 - А1 - N. Ът - А1 - N. Ш - А1 - N и №> - А1 - N при 1273 К. Для этого последовательно применяется подход, основанный на реализации разных путей для достижения одного и того же конечного состояния сплава. Данные, найденные с использованием различных методик хорошо согласуются как между собой, так и с результатами термодинамического анализа, поэтому могут быть рекомендованы для прогнозирования фазовых равновесий в этих системах и композициях на их основе.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Хан Ю Син, Москва

1. Yoshimori Shigeru, Mizushima Kazuhiko, Kobayashi Akira, Takei Shu, Uchida Yasutaka, Kawamura Mitsuo. Synthesis and AES analysis of Nb(NbN)-AlN multilayers by off-axial DC magnetron sputtering. //Physica C. 1998. V.305(3&4), p.281-284.

2. Kwang Ho Kim, Seong Ho Lee. Structural Analyses and Properties of Tii-XA1XN Films Deposited by PACVD using a TiCl4/AlCl3/N2/Ar/H2 Gas Mixture. //J. Kor. Cer. Soc. 1995. V.32. No.7, p.809-816.

3. Chen Kexin, Ge Changchun, Li Jiangtao. Phase formation and thermodynamic analysis of self-propagating high-temperature synthesis Al-Zr-N system composites. III. Mater. Res. 1998. V.13(9), p.2610-2613.

4. J.C. Schuster, J. Bauer, H. Nowotny. Applications to materials science of phase diagrams and crystal structures in the ternary systems transition metal-aluminum-nitrogen. //Revue de Chimie Minerale. 1985. T.22. p.546-554.

5. Murray J.L. Al-Ti (Aluminum-Titanium). //Binary Alloy Phase Diagrams, Second Ed. T.B. Massalski, ASM International, Materials Park, Ohio. 1990. V.l, p.225-227.

6. Spencer P.J. Development of Thermodynamic Databases and Their Relevance for the Solution of Technical Problems. HZ. Metallkd. 1996. V.87, p.535-539.

7. Huang S.C., Siemers P.A. Characterization of the High-Temperature Phase Fields near Stoichiometric y-TiAl. //Metallurgical Transactions, Section A: Physical Metallurgy and Materials Science. 1989. V.20, p. 1899-1906.

8. Kaltenbach К., Gama S., Pinatti D.G., Schulze K.A. Contribution to the Al-Ti Phase Diagram. //Z. Metallkd. 1989. V.80, p.511-514.

9. Корнилов И.И., Пылаева E.H., Волкова М.А., Крипякевич П.И., Маркив В.Я. Фазовое строение сплавов двойной системы Ti-Al, содержащих от 0 до 30% AI. //Доклады Академии Наук СССР. 1965. 161. № 4, с.843-846.

10. Böhm Н., Löhberg К. Über eine Überstrukturphase vom CsCl-Typ im System Titan-Molybdän-Aluminium. //Z. Metallkd. 1958. V.49, p. 173-178.

11. Sagel K., Schulz E., Zwicker U. Untersuchungen am System Titan-Aluminium. HZ. Metallkd. 1956. V.47, p.529-534.

12. McPherson DJ., Hansen M. Der Aufbau Binarer Legierungssysteme des Titans. HZ. Metallkd. 1954. V.45, p.76-81.

13. Bumps E.S., Kessler H.D., Hansen M. Titanium-Aluminium System, //Transactions of the American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers. 1952. V.194. p.609-614.

14. Корнилов И.И., Пылаева E.H., Волкова M.А. Диаграмма состояния двойной системы титан-алюминий. //Изв. АН СССР. Отд. Хим. н. 1956. Т.7, с.771-777.

15. Корнилов И.И., Пылаева Е.Н., Волкова М.А. Обзор исследований диаграммы состояния двойной системы Ti-Al. //Титан и его сплавы. М. АН СССР. 1963. с.74-85.

16. Murray J.L. Calculation of the Titanium-Aluminum Phase Diagram. //Metallurgical Transactions A. 1988. V.19A, p.243-247.

17. H. Okamoto. Ti Al. //J. Phase Equilibria. 1993. V.14, p.120.

18. Ogden H.R., Maykuth D.J., Finlay W.L., Jaffee R.I. Constitutions of Titanium-Aluminum Alloys. //Transactions of the American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers. 1951. V. 191. p. 1150-1155.

19. Anderson C.D., Hofmeister W.H., Bayuzick R.J. Liquidus Temperatures in the Ti-Al System. //Metallugical Transactions A. 1993. V.24, p.61-66.

20. Kattner U.R., Lin J.C., Chang Y.A. Thermodynamic Assessment and Calculation of the Ti-Al System. //Metallurgical Transactions A. 1992. V.23, p.2081-2090.

21. Perepezko J.H. Phase Stability and Processing of Titanium Aluminides. //Proceedings of the International Symposium on Intermetallic Compounds, Structure and Mechanical Properties, (JIMIS-6). Sendai, Japan. 1991. p.239-243.

22. Perepezko J.H, Mishurda J.C. Phase Equilibria in the Titanium Aluminum System, //Titanium "92: Sci. and Technol.: Proc. Symp. 7th World Titanium Conf., San Diego, Calif., June 29 - July 2. 1992. V.l. Warrendale(Pa). 1992. p.563-570.

23. McCullough C., Valencia J.J., Levi C.G., Mehrabian R. Phase Equilibria and Solidification in Ti-Al Alloys. //Acta Metallurgies 1989. V.37, p. 1321-1336.

24. Chang J.Y., Moon I.G., Choi C.S. Microstructures of Heated Gamma(y)-Based Titanium-Aluminides. //J. Korean Inst. Met. & Mater. 1995. V.33. 11, p.1552-1561.

25. Collings E.W. Magnetic Studies of Phase Equilibria in Ti-Al (30 to 57 at.%) Alloys. //Metallurgical Transaction A. 1979. V.l OA. № 4, p.463-473.

26. Jung I.S., Kim M.C., Lee J.H., Oh M.H., Wee D.M. Phase Equilibria of Ti-Al Alloy by Directional Solidification. //J. Kor. Inst. Met. & Mater. 1999. V.37. № 4, p.448-453.

27. Jung I.S., Kim M.C., Lee J.H., Oh M.H., Wee D.M. High Temperature Phase Equilibria near Ti-50 at.% AI Composition in Ti-Al System Studied by Directional Solidification. //Intermetallics. 1999. V.7, p.1247-1253.

28. Okamoto H. Aluminum-Titanium. //J. Phase Equilibria. 2000. V. 21. № 3, р.311.

29. Zhang F., Chen S.L., Chang Y.A., Kattner U.R. A Themodynamic description of the Ti-Al system. //Intermetallics. 1997. V.5, p.471-482.

30. Корнилов И.И., Нартова T.T., Чернышева С.П. О диаграмме состояния Ti-Al в части, богатой титаном. //Изв. АН СССР. Металлы. 1976. № 6, с. 192-198.

31. Tsujimoto Т., Adachi М. Reinvestigation of the Titanium Rich Region of the Titanium - Aluminium Equilibrium Diagram. //J. Institute of Metals. 1966. V.94. №10, p.358-363.

32. Van Loo F.J.J., Rieck G.D. Diffusion in the Titanium-Aluminium System II: Interdiffusion in the Composition Range between 25 and 100 at.% Ti. //Acta Metal. 1973. V.21,p.73-84.

33. Clark D., Jepson K.S., Lewis G.I. A Study of the Titanium -Aluminium System up to 40 at. % Aluminium. //J. Institute of Metals. 1962/63. V.91. №6, p. 197-203.

34. Sato Т., Haung Y.C. The Equilibrium Diagram of the Ti-Al System. //Transactions of the Japan Institute of Metals. 1960. V.l, p.22-27.

35. Suzuki A., Takeyama M., Matsuo T. Transmission Electron Microscopy on the Phase Equilibria among ß, a and a2 Phases in Ti-Al Binary System. //Intermetallics. 2002. V.10, p.915-924.

36. Raman A., Schubert K. Uber den Aufbau Eunuger zu TiAb Verwandter Legierungsreihen. II. Untersuchungen in einigen Ti-Al-Si- und T4" 6 In-Systemen. HZ Metallkd. 1965. V.56, p.44-52.

37. Palm M., Zhang L.C., Stein F., Sauthoff G. Phase and Phase Equilibria in the Al-rich Part of the Al-Ti System above 900°C. //Intermetallics. 2002. V.10, p.523-540.

38. Schuster J.C., Ipser H. Phases and Phase Relations in the Partial System TiAh-TiAl. HZ. Metallkd. 1990. V.81, p.389-396.

39. Loiseau A., Vannffel C. TiAl2 a Reentrant Phase in the Ti AI System. //Phys. status solidi. 1988. V.l07. № 2, p.655-671.

40. Hori S., Tai H., Matsumoto E. Растворимость титана в алюминии в твердом состоянии. //J. Japan Institute Light Metals. 1984. V.34. № 7, p.377-381.

41. Abdel H.A., Allibert C.H., Durand F. Equilibrium between TiAh and Molten AI: Results from the Technique of Electromagnetic Phase Separation. //Z. Metallkd. 1984. V.75, p.455-458.

42. Minamino Y., Yamane Т., Araki H., Takeuchi N., Kang Y., Miyamoto Y., Okamoto T. Solid Solubilities of Manganese and Titanium in Aluminum at 0.1 MPa and 2.1 Gpa. //Metallurgical Transactions A. 1991. V.22, p.783-786.

43. Liu Y.C., Yang G.C., Guo X.F., Huang J., Zhou Y.H. Coupled Growth Behavior in the Rapidly Solidified Ti Al Peritectic Alloys. //J. Crystal Growth. 2001. V.222, p.645-654.

44. Mrowietz M., Weiss A. Solubility of Hydrogen in Titanium Alloys: I. The Solubility of Hydrogen in the System Tii-xGax, 0

45. Knapton A.G. The System Uranium-Titanium. //J. Institute of Metals. 1954/55. V.83, p.497-504.

46. Jamieson J.C. Crystal Structures of Titanium, Zirconium and Hafnium at High Pressures. //Science (Washington D.C.). 1963. V.140, p.72-73.

47. Sridharan S., Nowotny H. Studies in the Ternary System Ti-Ta-Al and in the Quaternary System Ti-Ta-Al-C. //Z. Metallkd. 1983. V.74, p.468-472.

48. Braun J., Ellner M. X-ray High-Temperature in-situ Investigation of the Aluminide TiAh (HfGa2 type). //J. Alloys and Compounds. 2000. V.309, p.l 18-122.

49. Braun J., Ellher M., Predel B. Zur Struktur der Hochtemperaturphase Ti-Al. //J. Alloys and Compounds. 1994. V.203, p.189-193.

50. Kumar K.S. X-Ray Peak Intensifies for the Binary Compound AljTi. //Powder Diffraction. 1990. V.5, p.165-167.

51. Bandyopadhyay J., Gupta K.P. Low Temperature Lattice Parameters of Al and Al Zn Alloys and Gruneisen Parameter of Al. //Cryogenics. 1978. V.l 8, p.54-55.

52. Куликов И.С. Термодинамика карбидов и нитридов. Челябинск: Металлургия, 1988.319с.

53. Peruzzi A., Abriata J.P. Al-Zr (Aluminum-Zirconium). //Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition Ed. T.B. Massalski, ASM International, Materials Park, Ohio. 1990. V.l, p.241-243.

54. Murray J.L., McAlister A.J., Kahan D.J. The Al-Hf (Aluminium-Hafnium) System. //J. Phase Equilibria. 1998. №4, p.376-379.

55. Peruzzi A. Reinvestigation of the Zr-rich End of the Zr-Al Equilibrium Phase Diagram. //J. Nuclear Materials. 1992. V.186, p.89-99.

56. Sauders. N. Calculated Stable and Metastable Phase Equilibria in Al-Li-Zr Alloys. //Z. Metallkd. 1989. V.80, p.894-903.

57. Saunders N., Rivlin V.G. Thermodynamic Characterization of Al-Cr, Al-Zr, and Al-Cr-Zr Alloy Systems. //Materials Science and Technology. 1986. V.2, p.521-527.

58. Kaufman L., Nesor H. Calculation of the Ni-Al-W, Ni-Al-Hf and Ni-Cr-Hf Systems. //Canadian Metallurgical Quarterly. 1975. V.14, p.221-232.

59. Balducci G., Ciccioli A., Cigli G., Gozzi D., Anselmi-Tamburini U. Thermodynamic study of intermetallic phases in the Hf- Al system. //J. Alloys and Compounds. 1995. V.220, p. 117-121.

60. Matkovic P., Matkovic Т., Vickovic I. Crystalline Structure of the Intermetallic Compound FeZr3. //Metallurgya. 1990. V.29, p.3-6.

61. Савицкий E.M., Тылкина M.A., Цыганова И.А. Фазовая диаграмма системы цирконий - рений. //Атомная энергия. 1959. V.7, с.724-727.

62. Ming L., Manghnani М.Н., Katahara K.W. Investigation of a->x Transformation in the Zr-Hf System to 42 GPa, //J. Applied Physics. 1981. V.52, p.1332-1335.

63. Meng W.J., Faber J.jr., Okamoto P.R., Rehn L.E., Kestel B.J., Hitterman R.L. Neutron Diffraction and Transmission Electron Microscopy Study of Hydrogen-Induced Phase Transformations in Zr3Al. //J. Applied Physics. 1990. V.67, p.l 312-1319.

64. Clark N.J., Wu E. Hydrogen Absorption in the Zr-Al System. //J. Less-Common Metals. 1990. V. 163, p.227-243.

65. Nowotny H., Schob О., Benesovsky F. Die Kristallstruktur von Zr2Al und Hf2Al. //Monatshefte fur Chemie. 1961. V.92, p.1300-1303.

66. Nandedkar R.V., Delavignette P. On the Formation of a New Superstructure in the Zirconium-Aluminium System. //Physica Status Solidi A: Applied Research. 1982. V.73, p.K157-K160.

67. Kim S.J., Kematick R.J., Yi S.S., Franzen H.F. On the Stabilization of Zr5Al3 in the Mn5Si3-Type Structure by Interstitial Oxygen. //J. Less-Common Metals. 1988. V.137, p.55-59.

68. Kematick R.J., Franzen H.F. Thermodynamic Study of the Zirconium-Aluminum System. //J. Solid State Chemistiy. 1984. V.54, p.226-234.

69. Hafez M., Slebarski A. Magnetic and Structural Investigations of Zri.xGdxAl2 Alloys. //J. Magnetism and Magnetic Materials. 1990. V.89, p. 124-128.

70. Desch P.B., Schwarz R.B., Nash P. Formation of Metastable Lb Phases in Al3Zr and Al-12.5% X-25% Zr(X=Li,Cr,Fe,Ni,Cu). //J. Less-Common Metals. 1991. V.168, p.69-80.

71. Ma Y., Romming C., Lebech В., Gjonnes J., Tafto J. Structure Refinement of Al3Zr using Single-Crystal X-ray Diffraction, Powder Neutron Diffraction and CBED. //Acta Crystallographica B. 1992. V.48, p. 11-16.

72. Schuster J.C., Nowotny H. Investigations of the Ternary Systems (Zr, Hf, Nb, Ta)-Al-C and Studies on Complex Carbides. //Z. Metallkd. 1980. V.71, p.341-346.

73. Maas J., Bastin G., Loo F.V:, Metselaar R. The Texture in Diffusion-Grown Layers of . Trialuminides MeAl3 (Me=Ti, V, Ta, Nb, Zr, Hf) and VNi3. //Z Metallkd. 1983. V.74,p.294-299.

74. Wodniecki P., Wodniecka В., Kulinska A., Uhrmacher M., Lieb K.P. The Hafnium Aluminides HfAl3 and Н£гА13 Studied by Perturbed angular Corrlations with 181 Та and mCd Probes. //J. Alloys and Compounds. 2000. V.312, p. 17-24.

75. Кузнецов Г.М., Барсуков А.Д., Абас М.И. Исследование растворимости Mn, Cr, Ti и Zr в алюминии в твердом состоянии. //Изв. вузов. Цв. Металлургия. 1983. № 1, с.96-100.

76. Rath В.В., Mohanty G.P., Mondolfo L.F. The Aluminium-Rich End of the Aluminium-Hafnium Diagram. //J. Institute of Metals. 1960/61. V.89, p.248-249.

77. Kattner U.R. Al Nb. //Binary Alloy Phase Diagrams, second edition, Ed. T.B. Massalski, ASM International, Materials Park, Ohio. 1990. V. 1, p. 179-181.

78. Suyama Ryuji, Kimura Masao, Hashimoto Keizo. Phase Stability and Fundamental Properties of Nb-Al Binary System. //Struct. Intermetallics. 1 st Int. Symp. Struct. Intermetallics, Champion, Pa, Sept. 26-30, 1993, Warrendale (Pa). 1993. p.681-689.

79. Richards M.J. Contribution a l"etude du Systeme Niobiom-Aluminium. //Mémoires Scientifiques de la Revue de Metallurgie. 1964. V.61, p.265-270.

80. Herold A., Forsterling G., Kleinstuck К. Influence of the Real Structure on the Linear Thermal Expansion Coefficient of A15-type Intermetallic Compounds from Room Temperature to 10K. //Crystal Research and Technology. 1981. V. 16, p. 1137-1144.

81. Jorda J.L., Flukiger R., Muller J. A New Metallurgical Investigation of the Niobium-Aluminum System. //J. Less Common Metals. 1980. V.75, p.227-239.

82. Alfeu S.R., Carlos A.N. The Effect of Excess Aluminum on teh Composition and Micro structure of Nb-Al Alloys Produced by Aluminothemic Reduction of Nb20s. //J. Materials Synthesis and Processing. 1999. V.7. №5, p.297-301.

83. Ahn I.S., Kim S.S., Park M.W., Lee K.M. Phase Characteristics of Mechanically Alloyed AI-10wt.%Nb Alloy. //J. Materials Science Letters. 2000. V.19, p.2015-2018.

84. Menon E.S.K., Subramanian P.R., Dimiduk D.M. Phase Transformations in Nb-Al-Ti Alloys. //Metallurgical Transaction A. 1996. V.27. №6, p. 1647-1659.

85. Kaufman L. Calculation of the Multicomponent Tantalum based Phase Diagrams. //CALPHAD. 1991. V. 15. №3,p.261-282.

86. Wriedt H.A. The Al-N (Aluminum-Nitrogen) System. //Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1986. V.7. №4, p.329-333.

87. Jones R.D., Rose K. Liquidus Calculations for III-IV Semiconductors. //CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 1984. V.8, p.343-354.

88. Hillert M., Josson S. An Assessment of the Al-Fe-N System. //Metallurgical Transaction A. 1992. V.23A, p.3141-3149.

89. Wriedt H.A., Murray J.L. N-Ti (Nitrogen-Titanium). //Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition, Ed. Massalski, ASM International, Materials Park, Ohio. 1990. V.3, p.2705-2708.

90. Zeng K., Schmid-Fetzer R. Critical Assessment and Thermodynamic Modeling of the Ti -N System. //Z. Metallkd. 1996. V.87. №7, p.540-554.

91. Etchessahar E., Bars J.P., Debuigne J. The Ti - N System: Equilibrium Between the Ô, e and a Phase and the Conditions of Formation of the Lobier and Marcon Metastable Phase. //J. Less-Common Metals. 1987. V.134, p. 123-139.

92. Vahlas C., Ladouce B.D., Chevalier P.Y., Bernard C., Vandenbukke L. A Thermodynamic Evaluation of the Ti N System. //Thermochemica Acta. 1991. V 180, p.23-37.

93. Etchessaher E., Sohn Y.U., Harmelin M., Debuigne J. The Ti N System: Kinetic, Calorimetric, Structure and Metallurgical Investigations of the ô-TiNo.si Phase. //J. Less-Common Metals. 1991. V. 167, p.261 -281.

94. Гусев А.И. Фазовые диаграммы упорядоченных нестехиометрических карбида гафния и нитрида титана. //Доклады Академии Наук. 1992. V.322. №5, с.918-923.

95. Гусев А.И., Ремпель А.А. Фазовые диаграммы систем Ti С и Ti - N и атомное упорядочение нестехиометрических карбида и нитрида титана. //Доклады Академии Наук. 1993. Т.332. №6, с.717-721.

96. Lengauer W., Ettmayer P. Investigation of Phase Equilibria in the Ti N and Ti - Mo - N Systems. //Materials Science and Engineering A: Structure Materials: Properties, Microstructure and Processing. 1988. V.105/106. p.257-263.

97. Lengauer W. The Titanium Nitrogen System: A Study of Phase Reactions in the Subnitride Region by Means of Diffusion Couples. //Acta Metallurgica et Materialia. 1991. V.39, p.2985-2996.

98. Jonsson S. Assessment of the Ti N System. //Z. Metallkd. 1996. V.87. №9, p.691-702.

99. Ohtani H., Hillert M. A Thermodynamic Assessment of the Ti N System. //CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 1990. V.14, p.289-306.

100. Etchessahar E., Bars J.P., Debuigne J., Lamane A.P., Champin P. Titanium Nitrogen Phase Diagram and Diffusion Phenomena. //Titanium: Science and Technology Process 5 Int. Conf. Munich. Sept. 10-14 1984, V.3, Oberursel. 1985. p.1423-1430.

101. Wood F.W., Romans P.A., McCune R.A., Paasche O. Phases and Interdiffusion between Titanium and its Mononitride. //Rept. Infest. Bur. Mines. U.S. Dep. Inter. 1974. № 7943. ii, p.40.

102. Эм B.T., Латергаус И.С., Лорян В.Э. Построение границы области существщвания твердого раствора азота в a-Ti нейтронографическим методом. //Неорган. Матер. 1991. V.27. №3, с.517-520.

103. Кальмыков К.Б., Русина Н.Е., Дунаев С.Ф. Фазовые равновесия в системе Al-Fe-Ni при 1400К. //Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 2. Химия. 1996. Т.37. №5, с.469-473.

104. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных материаллов. М.: Мир. 1974.294с.

105. Lengauer W. The Crystal Structure of ti-Ti3N2-x: An Additional New Phase in the Ti N System. //J. Less-Common Metals. 1996. V. 125, p. 127-134.

106. Christensen A.N., Alamo A., Landesman J.P. Structure of Vacancy-Ordered Titanium Heminitride 6"-Ti2N by Powder Neutron Diffraction. //Acta Crystallographica. Section C: Crystal Structure Communications. 1985. V.41, p.1009-1011.

107. Holmberg B. Structure Studies on the Titanium Nitrogen System. //Acta Chemica Scandinarica. 1962. V.16, p.1255-1261.

108. Lengauer W., Ettmayer P. The Crystal Structure of a New Phase in the Titanium-Nitrogen System. //J. Less-Common Metals. 1986. V.120, p.153-159.

109. Jiang C., Goto Т., Hirai T. Non-stoichiometry of Titanium Nitride Plates Prepared by Chemical Vapour Deposition. //J. Alloys and Compounds. 1993. V.190, p. 197-200.

110. Элиот Д.Ф., Глейзер M., Рамакришна В. Термохимия сталеплавилных процессов. М.: Металлургия. 1969. 252с.

111. Левинский Ю.В. р-Т Диаграмма состояния системы цирконий-азот. //Физическая Химия. 1974. Т.48, с.486-488.

112. Domagala R.F., McPherson D.J., Hansen М. System Zirconium-Nitrogen. //Transaction of the American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineering. 1956. V.206, p.98-105.

113. Massalski T.B. N-Zr. //Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition, Ed. T.B. Massalski, ASM International Materials Park, Ohio. 1990. V.3, p.2716-2717.

114. Ogawa T. Structural Stability and Thermodynamic Properties of Zr-N Alloys. //J. Alloys and Compounds. 1994. V.203, p.221-227.

115. Косухин B.B., Функе В.Ф., Минашкин В.Л., Смирнов B.C., Ефремов Ю.П. Получение покрытий из нитрида и карбонитрида циркония CVD методом. //Неорганические материалы. Известия Академий Наук СССР. 1987. V.23, с.52-56.

116. Lerch М., Fuglein Е., Wrba J. Systhesis, Crystal Structure and High Temperature Behavior of Zr3N4. Z. Anorganische und Allgemeine Chemie. 1996. 622, p.367-372.

117. Massalski T.B. Hf-N. //Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition, Ed. T.B. Massalski, ASM Inter. Materials Park, Ohio. 1990*. V.2, p.2090-2092.

118. Christensen A.N. A Neutron Diffraction Investigation on Single Crystals of Titanium Oxide, Zirconium Carbide and Hafnium Nitride. //Acta Chemica Scandinavica. 1990. V.44,p.851-852.

119. Lengauer W., Rafaja D., Taubler R., Ettmayer P. Preparation of Binary Single-Phase Line Compounds via Diffusion Couples: The Subnitride Phase and C-Hf4N3.x. //Acta Metallurgica et Materialia. 1993. V.41, p.3505-3514.

120. Левинский Ю.В. р-Т Диаграмма состояния системы ниобий-азот. //Металлы. 1974. V.1, с.52-55.

121. Huang W. Thermodynamic Properties of the Nb W - С - N System. //Z. Metallkd. 1997. V.88, p.63-68.

122. Lengauer W., Bohn M., Wollein В., Lisak K. Phase Reactions in the Nb N System Below 1400"C. //Acta Materialia. 2000. V.48, p.2633-2638.

123. Berger R., Lengauer W., Ettmayer P. The y-Nb4N3±x - 5-NbNi.x Phase Transition. //J. Alloys and Compounds. 1997. V.259, p.L9-L13.

124. Jogiet M., Lengauer W., Ettmayer P. III. Alloys and Compounds. 1998. V.46(2), p.233.

125. Huang W. Thermodynamic Assessment of the Nb N System. //Metallurgical and Materials Transactions A. 1996. V.27A, p.3591-3600.

126. Balasubramanian K., Kirkaldy J.S. Experimental Investigation of the Thermodynamics of Fe-Nb-N austenite and Nonstoichiometric Niobium Nitride (1373-1673K). //Canadian Metallurgical Quarterly. 1989. V.28, p.301-315.

127. Christensen A.N. Preparation and Crystal Structure of ß-Nb2N and y-NbN. //Acta Chemica Scandinavica, A: Physical and Inorganic Chemistry. 1976. V.30, p.219-224.

128. Christensen A.N., Hazell R.G., Lehmann M.S. An X-ray and Neutron Diffraction Investigation of the Crystal Structure of y-NbN, //Acta Chemica Scandinavica, A: Physical and Inorganic Chemistry. 1981. V.35, p.l 11-115.

129. Lengauer W., Ettmayer P. Preparation and Properties of Compact Cubic 5-NbNi-x. //Monatshefte fur Chemie. 1986. V.l 17, p.275-286.

130. Yen C.M., Toth L.E., Shy Y.M., Anderson D.E., Rosner L.G. Superconducting Hc-Jc and Tc Measurements in the Nb-Ti-N, Nb-Hf-N and Nb-V-N Ternary Systems. //J. Applied Physics. 1967. V.38, p.2268-2271.

131. Terao N. New Phases of Niobium Nitride. //J. the Less-Common Metals. 1971. V.23, p.159-169.

132. Добрынин A.B. Новые керамические материалы из нитрида алюминия. //Неорганические материалы. 1992. V.28. №7, с.1349-1359.

133. Куликов В.И., Мушкаренко Ю.Н., Пархоменко С.И., Прохоров Л.Н. Новый класс керамических материалов на основе теплопроводного нитрида алюминия. //Электронная Техника. Сер. СВЧ-Техника. 1993. Т.2(456), с.45-47.

134. Самсонов Г.В. Нитриды. Киев: Наукова Думка. 1969. 377с.

135. Kral С., Lengauer W., Rafaja D., Ettmayer P. Critical Review on the Elastic Properties of Transition Metal Carbides, Nitrides and Carbonitrides. IIJ. Alloys and Compounds. 1998. V.265, p.215-233.

136. Самсонов Г.В., Пилипенко A.T., Назарчук Т.Н. Анализ тугоплавких соединений. М: Металлургиздат. 1962. 256с.

137. Самонов Г.В., Страшинская J1.B., Шиллер Э.А. Контактное взаимодействие металлоподобных карбидов, нитридов и боридов с тугоплавкими металлами при высоких температурах. //Металлургия и топливо. 1962. V.5, с.167-172.

138. Dai Ying, Nan Ce-wen. Synthesis of aluminum nitride whiskers via a vapor-liquid-solid process, //material Res. Soc. Symp. Proc. 1999. V.547, p.407-411.

139. Chen K.X., Li J.T., Xia Y.L., Ge C.C. Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) and microstructure of aluminum nitride. //Int. J. Self-Propagating High-Temp. Synthesis. 1997. V.6(4),p.411-417.

140. Hwang C.C., Weng C.Y., Lee W.C., Chung S.L. Synthesis of A1N powder by a combustion synthesis method. //Int. J. Self-Propagating High-Temp. Synthesis. 1997. V.6(4), p.419-429.

141. Chung S.L., Yu W.L., Lin C.N. A self-propagating high-temperature synthesis method for synthesis of A1N powder. //J. Material Research. 1999. V.14(5), p. 1928-1933.

142. Ha H., Kim K.R., Lee H.C. A Study on the Synthesis of Titanium Nitride by SHS (Self-propagating High-temparature Synthesis) Method. //J. Kor. Ceramic. Soc. 1993. V.30. №12, p. 1096-1102.

143. Chen K., Ge C., Li J. Phase formation and thermodynamic analysis of self-propagating high-temperature synthesis Al-Zr-N system composites. //J. Material Research. 1998. V.13(9), p.2610-2613.

144. Chen K.X., Ge C.C., Li J.T. The effect of nitrogen pressure on in situ combustion synthesis AIN-ZrN composites. //Metallurgical. Materials. Trans. A, 1999. V.30A(3A). p.825-828.

145. Garcia I., Olias J.S., Vazquez A.J. A new method for materials synthesis: solar energy concentrated by Fresnel lens. //J. Physics. 1999. IV. V.9. p.Pr3/435-Pr3/440.

146. Olias J.S., Garcia I., Vazquez A.J. Synthesis of TiN with solar energy condentrated by a Fresnel lens. //J. Material Letters. 1999. V.38, p.379-385.

147. Boulmer-Leborgne C., Thomann A.L., Andreazza-Vignolle P., Hermann J., Craciun V., Echegut P., Crariun D. Excimer laser synthesis of A1N coating. //Appl. surface science. 1998. V. 125, p. 137-148.

148. Sicard E., Boulmer-Leborgne C., Sauvage T. Excimer laser induced surface nitriding of aluminum alloy. //Appl. Surface Science. 1998. V.127-129, p.726-730.

149. Boulmer-Leborgne C., Thomann A.L., Hermann J. Direct synthesis of metal nitride by laser. //NATO ASI Ser. 1996. Ser.E. V.307, p.629-636.

150. Thomann A.L., Sicard E., Boulmer-Leborgne C., Vivien C., Hermann J., Andreazza-Vignolle C., Andreazza P., Meneau C. Surface nitriding of titanium and aluminum by laser-induced plasma. //Surface Coating Technology. 1997. V.97. №(1-3), p.448 452.

151. Dai X., Li Q., Ding M., Tian J. Thermodynamic aspect in synthesis of A1N powders by carbothermal reduction and nitridation process. //J. Material. Science. Technology. 1999. V.15(l), p.13-16.

152. Wang J., Wang W.L., Ding P.D., Yang Y.X., Fang L., Esteve J., Polo M.C., Sanchez G Synthesis of cubic aluminum nitride by carbothermic nitridation reaction. //Diamond Relat. Mater. 1999. V.8(7), p. 1342-1344.

153. Pathak Lokesh Chandra, Ray Ajoy Kumar, Das Samar, Sivaramakrishnan C. S., Ramachandrarao P. Carbothermal synthesis of nanocrystalline aluminum nitride powders. //J. American Ceramic Society. 1999. V.82(l), p.257-260.

154. Clement F., Bastians P., Grange P. Novel low-temperature synthesis of titanium nitride: proposal for cyanonitridation mechanism. //Solid State Ionics. 1997. V.101-103. p.171-174.

155. Jung W.S., Ahn S.K. Synthesis of aluminium nitride by the reaction of aluminium sulfide with ammonia. //Materials Letters. 2000. V.43, p.53-56.

156. Hezler J., Leiberich R., Mick H.J., Roth P. Shock tube study of the formation of TiN molecules and particles. //Nanostruct. Materials. 1999. V.l 0(7), p. 1161-1171.

157. Uheda K., Takahashi M., Takizawa H., Endo T., Shimada M. Synthesis of aluminum nitride using urea-precursors. //Key Eng. Materials. 1999. V.l59-160, p.53-58.

158. Shimada S., Yoshimatsu M., Nagai H., Suzuku M., Komaki H. Preparation and properties of TiN and A1N films from alkoxide solution by thermal plasma CVD method. //Thin Solid Films. 2000. V.370, p.137-145.

159. Shimada S., Yoshimatsu M. Preparation of (Tii.xAlx)N films from mixed alkoxide solutions by plasma CVD. //Thin Solid Films. 2000. V.370, p.146-150.

160. Kim W.S., Sun H.N., Kim K.Y., Kim B.H. A study on the TiN Thin Film by Sol-Gel Method. //J. Kor. Ceramic. Soc. 1992. V.29. №4, p.328-334.

161. Sonoyama Noriyuki, Yasaki Yoichi, Sakata Tadayoshi. Formation of aluminum nitride using lithium nitride as a source of N3" in the molten aluminum chloride. //Chemical Letters. 1999. V.3, p.203-204.

162. Nakajima Kenichiro, Shimada Shiro. Electrochemical synthesis of TiN precursors and their conversion to fine particles. //J. Material Chem. 1998. V.8(4), p.955-959.

163. Pietzke M.A., Schuster J.C. Phase Equilibria of the Quaternary System Ti A1 - Sn - N at 900°C. //J. Alloys and Compounds. 1997. V.247, p. 198-201.

164. Schuster J.C., Bauer J. The Ternary System Titanium Aluminum - Nitrogen. //J. Solid State Chemistry. 1984. V.53, p.260-265.

165. Procopio A.T., El-Raghy T., Barsoum M.W. Synthesis of Ti4AlN3 and Phase Equilibria in the Ti - A1 N System. //Metallurgical and Materials Transactions A. 2000. V.31A, p.373-378.

166. Zeng K., Schmid-Fetzer R. Thermodynamic Modelling and Applications of the Ti A1 - N Phase Diagram. //Thermodynamics of alloy formation, 1997TMS annual meeting in Orlando, florida, February 9-13. 1997. p.275-294.

167. Chen G., Sundman B. Thermodynamic Assessment of the Ti A1 - N System. //J. Phase Equilibria. 1998. V.19. №2, p.146-160.

168. Anderbouhr S., Gilles S., Blanquet E., Bernard C., Madar R. Thermodynamic Modeling of the Ti A1 - N System and Application to the Simulation of CVD Processes of the (Ti, A1)N Metastable Phase. //Chem.Vap.Deposition. 1999. V.5. №3, p.109-113.

169. Pietzka M.A., Schuster J.C. Phase Equilibria in the Quaternary System Ti A1 - C - N. //J. American Ceramic Society. 1996. V.79(9), p.2321-2330.

170. Lee H.D., Petuskey W.T. New Ternary Nitride in the Ti Al - N System. //J. American Ceramic Society. 1997. V.80. №3, p.604-608.

171. Ivanovskii A.L., Medvedeva N.I. Electronic Structure of Hexagonal Ti3AlC2 and Ti3AlN2. //Mendeleev Communications Electronic Version. 1999. V.l, p.36-38.

172. Barsoum M.W., Schuster J.C. Comment on "New Ternary Nitride in the Ti Al - N System". //J. American Ceramic Society. 1998. V.81. №3, p.785-789.

173. Barsoum M.W., Rawn C.J., El-Raghy T., Procopio A.T., Porter W.D., Wang H., Hubbard C.R. Thermal Properties of Ti4AlN3. //J. Applied Physics. 2000. V.87, p.8407-8414.

174. Procopio A.T., Barsoum M.W., El-Raghy T. Characterization of Ti4AlN3. //Metallurgical and Materials Transactions A. 2000. V.31A, p.333-337.

175. Myhra S., Crossley J.A.A., Barsoum M.W. Crystal-Chemistry of the Т1зА1Сг and Ti4AlN3 Layered Carbide/Nitride Phase-Characterization by XPS. III. Physics and Chemistry of Solids. 2001. V.62, p. 811-817.

176. El-Sayed M.H., Masaaki N., Schuster J.C. Interfacial Structure and Reaction Mechanism of AIN/Ti Joints. III. Materials Science. 1997. V.32, p.2715-2721.

177. Paransky Y., Berner A., Gotman I. Microstructure of Reaction Zone at the Ti A1N Interface. //Materials Letters. 1999. V.40, p. 180-186.9

178. Paransky Y.M., Berner A.I., Gotman I.Y., Gutmanas E.Y. Phase Recognition in A1N-Ti System by Energy Dispersive Spectroscopy and Electron Backscatter Diffraction. //Mikrochimica Acta. 2000. V.134, p.l71-177.

179. Гусев А.И. Фазовые равновесия в тройных системах М-Х-Х" иМ-А1-Х (М-переходный металл, X, X" - В, С, N, Si) и кристаллохимия тройных соединений. //Успехи Химии. 1996. V.65(5), с.407-451.

180. Schuster J.C., Bauer J., Debuigne J. Investigation of Phase Equilibria Related to Fusion Reactor Materials: 1. The Ternary System Zr A1 - N. III. Nuclear Materials. 1983. V.116, p.131-135.

181. Schuster J.C. The Crystal Structure of Zr3AlN. //Z. Kristallographie. 1986. V.175, p.211-215.

182. Schuster J.C., Bauer J. Investigation of Phase Equilibria Related to Fusion Reactor Materials: II. The Ternary System Hf-Al-N. III. Nuclear Materials. 1984. V.120, p.133-136.

183. Schuster J.C., Nowotny H. Phase Equilibria in the Ternary Systems Nb-Al-N and Ta-Al-N. //Z. Metallkd. 1985. V.76, p.728-729.

184. Jeitschko W., Nowotny H., Benesovsky F. Strukturchemische Unter Suchungen an Komplex -Carbiden und -Nitriden. //Monatsh Chem. 1964. V.95, p.l 56.

185. Рид С. Электронно-зондовый микроанализ. М.: Мир. 1979. 260с.

186. Соколовская Е.М., Гузей JI.C. Металлохимия. М.:Моск. Ун-та. 1986. 264с.

187. Абрамычева H.JI. Взаимодействие сплавов на основе железа, никеля и элементов IV V групп с азотом при повышенном парциальном давлении. Автореферат кандидатской диссертации, МГУ, 1999. 20с.

188. Люпис К. Химическая термодинамика материалов. М.: Металлургия. 1989. 503с.

189. Dinsdale А.Т. SGTE Data for Pure Elements. //Calphad. 1991. V. 15. №4, p.317-425.

190. Kaufmann L., Nesor H. Coupled Phase Diagrams and Thermochemical Data for Transition Metal Binary Systems V. //Calphad. 1978. V.2. №4, p.325-348.

191. Воронин Г.Ф. Парциальные термодинамические функции гетерогенных смесей и их применение в термодинамике сплавов. //В кн.: Современные проблемы физической химии. М.: Моск. Ун-та. 1976. т.9. с.29-48.

192. Кауфман Л., Берштейн X. Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ: Пер. с англ. М.: Мир. 1972. 326с.

193. Белов Г.В., Зайцев А.И. Использование метода Монте-Карло для определения фазового состава гетерогенных систем. //Тезисы докладов XIV Международной конференции по химической термодинамике. Санкт-Петербург: НИИХ СПбГУ. Т.2002. с.317-318.

194. Хан Ю.С., Калмыков К.Б., Дунаев С.Ф., Зайцев А.И. Фазовые равновесия в системе Ti-Al-N при 1273 К. //Доклады Академии Наук. 2004. т.396. №6, с.788-792.

195. Han Y.S., Kalmykov К.В., Dunaev S.F., Zaitsev A.I. Solid-State Phase Equilibria in the Titanium-Aluminum-Nitrogen System. //J. Phase Equilibria and Diffusion. 2004. V.25. №5, p.427-436.

196. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник: В 3 т.: Т.З. Кн.1 /Под. Общ. Ред. Н.П.Лякишева. М.: Машиностроение. 1999. 880с.

197. Wang Т., Jin Z., Zhao J.C. Thermodynamic Assessment of the Al-Zr Binary System. //J. Phase Equilibria. 2001. V.22. №5, p.544-551.

198. Туркдоган E.T. Физическая химия высокотемпературных процессов. М.: Металлургия. 1985. 344с.

199. Han Y.S., Kalmykov К.В., Abramycheva N.L., Dunaev S.F. Structure of the Al-Zr-N system at 1273K and 5Mpa. //VIII International conference of crystalchemistry of intermetallic compounds. Lviv. Ukraine. September 25-28.2002. p.65.

200. Хан Ю.С., Калмыков К.Б., Зайцев А.И., Дунаев С.Ф. Фазовые равновесия в системе Zr-Al-N при 1273 К. //Металлы. 2004. Т.5, с.54-63.

201. Хан Ю Син, Калмыков К.Б., Дунаев С.Ф. Взаимодействие нитрида алюминия с элементами IV В группы. //Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2003". 15-18 апреля 2003г. секция Химия. Т.2, с.244.

(А l ), галлий (Ga ), индий (In ) и таллий (Т l ).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIX столетии.

Открытие металлов главной подгруппы III группы

В	Al	Ga	In	Tl
1806 г.	1825 г.	1875 г.	1863 г.	1861 г.
Г.Люссак,	Г.Х.Эрстед	Л. де Буабодран	Ф.Рейх,	У.Крукс
Л. Тенар	(Дания)	(Франция)	И.Рихтер	(Англия)
(Франция)			(Германия)

В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

1. Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления.

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar (Al ) = 27. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.

Al +13) 2) 8) 3 , p – элемент,

Основное состояние

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

Возбуждённое состояние

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al 0 – 3 e - → Al +3

2. Физические свойства

Алюминий в свободном виде - серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3) - примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно - это прочный металл.

3. Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов , уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

Некоторые из них:

· Бокситы - Al 2 O 3 H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3)

· Нефелины - KNa 3 4

· Алуниты - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2 , известняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3)

· Корунд - Al 2 O 3

· Полевой шпат (ортоклаз) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2

· Каолинит - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O

· Алунит - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3

· Берилл - 3ВеО Al 2 О 3 6SiO 2

Боксит
Al 2 O 3	Корунд
	Рубин
	Сапфир

4. Химические свойства алюминия и его соединений

ДЕМОНСТРАЦИЯ ОКСИДНОЙ ПЛЁНКИ

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изученияхимических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).

I . Взаимодействие с простыми веществами

2А l + 3 S = А l 2 S 3 (сульфид алюминия),

2А l + N 2 = 2А lN (нитрид алюминия),

А l + Р = А l Р (фосфид алюминия),

4А l + 3С = А l 4 С 3 (карбид алюминия).

2 Аl +3 I 2 =2 A l I 3 (йодид алюминия) ОПЫТ

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4 

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выделяя большое количество теплоты:

4А l + 3 O 2 = 2А l 2 О 3 + 1676 кДж.

ГОРЕНИЕ АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУХЕ

ОПЫТ

II . Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой :

2 Al + 6 H 2 O=2 Al (OH) 3 +3 H 2

без оксидной пленки

ОПЫТ

Взаимодействие с оксидами металлов:

Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов . Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.

3 Fe 3 O 4 +8 Al =4 Al 2 O 3 +9 Fe + Q

Термитная смесь Fe 3 O 4 иAl (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.

С r 2 О 3 + 2А l = 2С r + А l 2 О 3

Взаимодействие с кислотами :

С раствором серной кислоты:2 Al+ 3 H 2 SO 4 =Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2

2А l + 6Н 2 S О 4(конц) = А l 2 (S О 4) 3 + 3 S О 2 + 6Н 2 О,

А l + 6Н NO 3(конц) = А l (NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3Н 2 О.

Взаимодействие со щелочами .

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O =2 Na [ Al (OH ) 4 ] +3 H 2

ОПЫТ

Na [А l (ОН) 4 ] – тетрагидроксоалюминат натрия

С растворами солей:

2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2 Al + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуяамальгаму .

Обнаружение ионов алюминия в растворах : ОПЫТ

5. Применение алюминия и его соединений

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминияявляется авиационная промышленность : самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода : при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.

Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты . Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражениятепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.

Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.

Соли алюминия сильногидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.

Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.

6. Получение алюминия

2Al 2 O 3 эл.ток →4Al + 3O 2

2) 2Al 2 O 3 +3 C=4 Al+3 CO 2

ЭТО ИНТЕРЕСНО:

Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
К 1855 году французский ученыйСен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством НаполеонаIII, императораФранции. В знаксвоей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы.При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.

ТРЕНАЖЁРЫ

Тренажёр №1 - Характеристика алюминия по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева

Тренажёр №2 - Уравнения реакций алюминия с простыми и сложными веществами

Тренажёр №3 - Химические свойства алюминия

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?

№2. Закончите уравнения химических реакций :
Al + H 2 SO 4 (раствор ) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (конц ) - t ->
Al + NaOH + H 2 O ->

№3. Осуществите превращения:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 -> Al(OH) 3 - t ->Al 2 O 3 -> Al

№4. Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?

Также по теме

Витражи на стекле своими руками – техники, основные этапы Наливной витраж своими руками

Высокочастотные колонки-твитеры: под силу даже самые высокие ноты

Импульсные преобразователи напряжения Китайский повышающий преобразователь напряжения

Драцена: как правильно обрезать для ветвления Обрезка пальмы в домашних условиях

Изготовление бражной колонны своими руками Самая лучшая бражная колонна