Химические реакции с алюминием. Химические свойства алюминия. Коррозия алюминия в воде
(по Полингу)
Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 13. Обозначается символом Al (Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.
Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.
По некоторым биологическим исследованиям поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера, но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался.
История
Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.
Получение
Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру . Он заключается в растворении оксида алюминия Al 2 O 3 в расплаве криолита Na 3 AlF 6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов . Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке .
Для производства 1 т алюминия чернового требуется 1,920 т глинозёма, 0,065 т криолита, 0,035 т фторида алюминия, 0,600 т анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.
Физические свойства
Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность — 2,7 г/см³, температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C, удельная теплота плавления — 390 кДж/кг, температура кипения — 2500 °C, удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг, временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм².
Твёрдость по Бринеллю — 24-32 кгс/мм², высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.
Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.
Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами.
Нахождение в природе
Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27 Al со следами 26 Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей.
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
В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в поверхностных водных объектах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л.
Химические свойства
Гидроксид алюминия
При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями : с H 2 O (t°);O 2 , HNO 3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH 4 + , горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.
Легко реагирует с простыми веществами:
- с кислородом : 4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
- с галогенами : 2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3
- с другими неметаллами реагирует при нагревании:
- с серой , образуя сульфид алюминия : 2Al + 3S = Al 2 S 3
- с азотом , образуя нитрид алюминия : 2Al + N 2 = 2AlN
- с углеродом , образуя карбид алюминия : 4Al + 3С = Al 4 С 3
Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом во Франции и Полем Эру в США в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники , производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.
Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове . Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47,7 тыс.тонн алюминия, ещё 2,2 тыс.тонн импортировалось.
В России фактическим монополистом по производству алюминия является ОАО «Русский алюминий », на который приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма.
Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44,3 млн т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов.
Применение
Кусок алюминия и американская монетка.
Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al 2 O 3 , которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.
Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния - сплав дюралюминий.
Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 2 раза дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является прочная оксидная плёнка, затрудняющая спаивание .
- Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
- Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.
- Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал .
- В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
- Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин , нефтяным платформам , теплообменной аппаратуре , а также заменяют цинкование.
- Сульфид алюминия используется для производства сероводорода .
- Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.
В качестве восстановителя
- Как компонент термита, смесей для алюмотермии
- Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.
Сплавы на основе алюминия
В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.
— Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов.
— Алюминиево-марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым.
— Алюминиево-медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками. Сплав с бо́льшим содержанием меди по цвету внешне очень похож на золото , и его иногда применяют для имитации последнего.
— Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
— Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
— Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.
Алюминий как добавка в другие сплавы
Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).
Ювелирные изделия
Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.
Стекловарение
В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.
Пищевая промышленность
Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.
Алюминий и его соединения в ракетной технике
Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:
— Алюминий: горючее в ракетных топливах. Применяется в виде порошка и суспензий в углеводородах и др
— Гидрид алюминия
— Боранат алюминия
— Триметилалюминий
— Триэтилалюминий
— Трипропилалюминий
Теоретические характеристики топлив, образованных гидридом алюминия с различными окислителями.
| Окислитель | Удельная тяга (Р1, сек) | Температура сгорания °С | Плотность топлива, г/см³ | Прирост скорости, ΔV ид, 25, м/с | Весовое содерж. горючего, % |
|---|---|---|---|---|---|
| Фтор | 348,4 | 5009 | 1,504 | 5328 | 25 |
| Тетрафторгидразин | 327,4 | 4758 | 1,193 | 4434 | 19 |
| ClF 3 | 287,7 | 4402 | 1,764 | 4762 | 20 |
| ClF 5 | 303,7 | 4604 | 1,691 | 4922 | 20 |
| Перхлорилфторид | 293,7 | 3788 | 1,589 | 4617 | 47 |
| Фторид кислорода | 326,5 | 4067 | 1,511 | 5004 | 38,5 |
| Кислород | 310,8 | 4028 | 1,312 | 4428 | 56 |
| Перекись водорода | 318,4 | 3561 | 1,466 | 4806 | 52 |
| N 2 O 4 | 300,5 | 3906 | 1,467 | 4537 | 47 |
| Азотная кислота | 301,3 | 3720 | 1,496 | 4595 | 49 |
Алюминий в мировой культуре
Поэт Андрей Вознесенский написал в 1959 году стихотворение «Осень», в котором использовал алюминий в качестве художественного образа:
…А за окошком в юном инее
лежат поля из алюминия…
Виктор Цой написал песню «Алюминиевые огурцы» с припевом:
Сажаю алюминиевые огурцы
На брезентовом поле
Я сажаю алюминиевые огурцы
На брезентовом поле
Токсичность
Отличается незначительным токсическим действием, но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела): ацетат алюминия — 0,2-0,4; гидроксид алюминия — 3,7-7,3; алюминиевые квасцы — 2,9. В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек.
Дополнительная информация
— Гидроксид алюминия
— Энциклопедия об алюминии
— Соединения алюминия
— Международный институт алюминия
Алюминий, Aluminium, Al (13)
Вяжущие вещества, содержащие алюминий, известны с глубокой древности. Однако под квасцами (лат. Alumen или Alumin, нем. Alaun), о которых говорится, в частности, у Плиния, в древности и в средние века понимали различные вещества. В «Алхимическом словаре» Руланда слово Alumen с добавлением различных определений приводится в 34 значениях. В частности, оно означало антимоний, Alumen alafuri — алкалическую соль, Alumen Alcori — нитрум или алкалические квасцы, Alumen creptum — тартар (винный камень) хорошего вина, Alumen fascioli — щелочь, Alumen odig — нашатырь, Alumen scoriole — гипс и т. д. Лемери, автор известного «Словаря простых аптекарских товаров» (1716), также приводит большой перечень разновидностей квасцов.
До XVIII в. соединения алюминия (квасцы и окись) не умели отличать от других, похожих по внешнему виду соединений. Лемери следующим образом описывает квасцы: «В 1754 r. Маргграф выделил из раствора квасцов (действием щелочи) осадок окиси алюминия, названной им »квасцовой землей» (Alaunerde), и установил ее отличие от других земель. Вскоре квасцовая земля получила название алюмина (Alumina или Alumine). В 1782 г. Лавуазье высказал мысль, что алюмина представляет собой окисел неизвестного элемента. В «Таблице простых тел» Лавуазье поместил алюмину (Alumine) среди «простых тел, солеобразующих, землистых«. Здесь же приведены синонимы названия алюмина: аргила (Argile), квасцовая. земля, основание квасцов. Слово аргила, или аргилла, как указывает Лемери в своем словаре, происходит от греч. горшечная глина. Дальтон в своей »Новой системе химической философии» приводит специальный знак для алюмины и дает сложную структурную (!) формулу квасцов.
После открытия с помощью гальванического электричества щелочных металлов Дэви и Берцелиус безуспешно пытались выделить тем же путем металлический алюминий из глинозема. Лишь в 1825 г. задача была решена датским физиком Эрстедом химическим способом. Он пропускал хлор через раскаленную смесь глинозема с углем, и полученный безводный хлористый алюминий нагревал с амальгамой калия. После испарения ртути, пишет Эрстед, получался металл, похожий по внешнему виду на олово. Наконец, в 1827 г. Велер выделил металлический алюминий более эффективным способом — нагреванием безводного хлористого алюминия с металлическим калием.
Около 1807 г. Дэви, пытавшийся осуществить электролиз глинозема, дал название предполагаемому в нем металлу алюмиум (Alumium) или алюминум (Aluminum). Последнее название с тех пор ужилось в США, в то время как в Англии и других странах принято предложенное впоследствии тем же Дэви название алюминиум (Aluminium). Вполне ясно, что все эти названия произошли от латинского слова квасцы (Alumen), насчет происхождения которого существуют разные мнения, базирующиеся на свидетельствах различных авторов, начиная с древности.
А. М. Васильев, отмечая неясное происхождение этого слова, приводит мнение некоего Исидора (очевидно Исидора Севильского, епископа, жившего в 560 — 636 гг.,- энциклопедиста, занимавшегося, в частности, этимологическими исследованиями): «Alumen называют a lumen, так как он придает краскам lumen (свет, яркость), будучи добавлен при крашении«. Однако это, хотя и очень давнее, объяснение не доказывает, что слово alumen имеет именно такие истоки. Здесь вполне вероятна лишь случайная тавтология. Лемери (1716) в свою очередь указывает, что слово alumen связано с греческим (халми), означающим соленость, соляной раствор, рассол и пр.
Русские названия алюминия в первые десятилетия XIX в. довольно разнообразны. Каждый из авторов книг по химии этого периода, очевидно, стремился предложить свое название. Так, Захаров именует алюминий глиноземом (1810), Гизе — алумием (1813), Страхов — квасцом (1825), Иовский — глинистостью, Щеглов — глиноземием (1830). В »Магазине Двигубского» (1822 — 1830) глинозем называется алюмин, алюмина, алумин (например, фосфорно-кисловатая алюмина), а металл — алуминий и алюминий (1824). Гесс в первом издании «Оснований чистой химии» (1831) употребляет название глиноземий (Aluminium), а в пятом издании (1840) — глиний. Однако названия для солей он образует на основе термина глинозем, например сернокислый глинозем. Менделеев в первом издании »Основ химии" (1871) пользуется названиями алюминий и глиний. В дальнейших изданиях слово глиний уже не встречается.
Алюми́ний - элемент главной подгруппы III группы, третьего периода, с атомным номером 13. Алюминий – р-элемент. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия содержится 3 электрона, которые имеют электронную конфигурацию 3s 2 3p 1 . Алюминий проявляет степень окисления +3.
Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).
Простое вещество алюминий- лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.
Химические свойства алюминия
При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H 2 O (t°);O 2 , HNO 3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. При разрушении оксидной плёнки алюминий выступает как активный металл-восстановитель.
1. Алюминий легко реагирует с простыми веществами-неметаллами:
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 ,
2Al + 3 Br 2 = 2AlBr 3
2Al + N 2 = 2AlN
2Al + 3S = Al 2 S 3
4Al + 3С = Al 4 С 3
Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:
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
2. Алюминий реагирует с водой
(после удаления защитной оксидной пленки):
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2
3. Алюминий вступает в реакцию со щелочами
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
2(NaOH H 2 O) + 2Al = 2NaAlO 2 + 3H 2
Сначала растворяется защитная оксидная пленка: Al 2 О 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na.
Затем протекают реакции: 2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 , NaOH + Al(OH) 3 = Na,
или суммарно: 2Al + 6H 2 O + 2NaOH = Na + 3Н 2 ,
и в результате образуются алюминаты: Na - тетрагидроксоалюминат натрия Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительная формула тетрагидроксосоединений следующая: Na
4. Алюминий легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:
2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2
2Al + 3H 2 SO 4 (разб) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2
При нагревании растворяется в кислотах - окислителях , образующих растворимые соли алюминия:
8Al + 15H 2 SO 4 (конц) = 4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12H 2 O
Al + 6HNO 3 (конц) = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
5. Алюминий восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):
8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe
2Al + Cr 2 O 3 = Al 2 O 3 + 2Cr
Алюминий — амфотерный металл. Электронная конфигурация атома алюминия 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Таким образом, на внешнем электронном слое у него находятся три валентных электрона: 2 — на 3s- и 1 — на 3p-подуровне. В связи с таким строением для него характерны реакции, в результате которых атом алюминия теряет три электрона с внешнего уровня и приобретает степень окисления +3. Алюминий является высокоактивным металлом и проявляет очень сильные восстановительные свойства.
Взаимодействие алюминия с простыми веществами
с кислородом
При контакте абсолютно чистого алюминия с воздухом атомы алюминия, находящиеся в поверхностном слое, мгновенно взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют тончайшую, толщиной в несколько десятков атомарных слоев, прочную оксидную пленку состава Al 2 O 3 , которая защищает алюминий от дальнейшего окисления. Невозможно и окисление крупных образцов алюминия даже при очень высоких температурах. Тем не менее, мелкодисперсный порошок алюминия довольно легко сгорает в пламени горелки:
4Аl + 3О 2 = 2Аl 2 О 3
с галогенами
Алюминий очень энергично реагирует со всеми галогенами. Так, реакция между перемешанными порошками алюминия и йода протекает уже при комнатной температуре после добавления капли воды в качестве катализатора. Уравнение взаимодействия йода с алюминием:
2Al + 3I 2 =2AlI 3
С бромом, представляющим собой тёмно-бурую жидкость, алюминий также реагирует без нагревания. Образец алюминия достаточно просто внести в жидкий бром: тут же начинается бурная реакция с выделением большого количества тепла и света:
2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3
Реакция между алюминием и хлором протекает при внесении нагретой алюминиевой фольги или мелкодисперсного порошка алюминия в заполненную хлором колбу. Алюминий эффектно сгорает в хлоре в соответствии с уравнением:
2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3
с серой
При нагревании до 150-200 о С или после поджигания смеси порошкообразных алюминия и серы между ними начинается интенсивная экзотермическая реакция с выделением света:
— сульфид алюминия
с азотом
При взаимодействии алюминия с азотом при температуре около 800 o C образуется нитрид алюминия:
с углеродом
При температуре около 2000 o C алюминий взаимодействует с углеродом и образует карбид (метанид) алюминия, содержащий углерод в степени окисления -4, как в метане.
Взаимодействие алюминия со сложными веществами
с водой
Как уже было сказано выше, стойкая и прочная оксидная пленка из Al 2 O 3 не дает алюминию окисляться на воздухе. Эта же защитная оксидная пленка делает алюминий инертным и по отношению к воде. При снятии защитной оксидной пленки с поверхности такими методами, как обработка водными растворами щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование), алюминий начинает энергично реагировать с водой с образованием гидроксида алюминия и газообразного водорода:
с оксидами металлов
После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000 о С. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:
2AI + Fe 2 O 3 = 2Fe + Аl 2 О 3
Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией .
с кислотами-неокислителями
Взаимодействие алюминия с кислотами-неокислителями, т.е. практически всеми кислотами, кроме концентрированной серной и азотной кислот, приводит к образованию соли алюминия соответствующей кислоты и газообразного водорода:
а) 2Аl + 3Н 2 SO 4(разб.) = Аl 2 (SO 4) 3 + 3H 2
2Аl 0 + 6Н + = 2Аl 3+ + 3H 2 0 ;
б) 2AI + 6HCl = 2AICl 3 + 3H 2
с кислотами-окислителями
-концентрированной серной кислотой
Взаимодействие алюминия с концентрированной серной кислотой в обычных условиях, а также низких температурах не происходит вследствие эффекта, называемого пассивацией. При нагревании реакция возможна и приводит к образованию сульфата алюминия, воды и сероводорода, который образуется в результате восстановления серы, входящей в состав серной кислоты:
Такое глубокое восстановление серы со степени окисления +6 (в H 2 SO 4) до степени окисления -2 (в H 2 S) происходит благодаря очень высокой восстановительной способности алюминия.
— концентрированной азотной кислотой
Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно протекает реакция:
— разбавленной азотной кислотой
Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N 2 O и NH 4 NO 3:
8Al + 30HNO 3(разб.) = 8Al(NO 3) 3 +3N 2 O + 15H 2 O
8Al + 30HNO 3(оч. разб) = 8Al(NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O
со щелочами
Алюминий реагирует как с водными растворами щелочей:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
так и с чистыми щелочами при сплавлении:
В обоих случаях реакция начинается с растворения защитной пленки оксида алюминия:
Аl 2 О 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na
Аl 2 О 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + Н 2 О
В случае водного раствора алюминий, очищенный от защитной оксидной пленки, начинает реагировать с водой по уравнению:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2
Образующийся гидроксид алюминия, будучи амфотерным, реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием растворимого тетрагидроксоалюмината натрия:
Al(OH) 3 + NaOH = Na
Алюминий и его соединения
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.
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.
Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, 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
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.
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 (рубин, сапфир)
· 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
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 со ртутью – амальгамы).
ЧТО ТАКОЕ АЛЮМИНИЙ
Лёгкий, прочный, стойкий к коррозии и функциональный – именно это сочетание качеств сделало алюминий главным конструкционным материалом нашего времени. Алюминий есть в домах, в которых мы живем, автомобилях, поездах и самолетах, на которых мы преодолеваем расстояния, в мобильных телефонах и компьютерах, на полках холодильников и в современных интерьерах. А ведь еще 200 лет назад об этом металле мало что было известно.
«То, что казалось несбыточным на протяжении веков, что вчера было лишь дерзновенной мечтой, сегодня становится реальной задачей, а завтра - свершением».
Сергей Павлович Королев
учёный, конструктор, основоположник практической космонавтики
Алюминий – серебристо-белый металл, 13-й элемент периодической таблицы Менделеева. Невероятно, но факт: алюминий – самый распространенный металл на Земле, на него приходится более 8% всей массы земной коры, и это третий по распространенности химический элемент на нашей планете после кислорода и кремния.
При этом алюминий не встречается в природе в чистом виде из-за своей высокой химической активности. Вот почему мы узнали о нем относительно недавно. Формально алюминий был получен лишь в 1824 году, и прошло еще полвека, прежде чем началось его промышленное производство.
Чаще всего в природе алюминий встречается в составе квасцов . Это минералы, объединяющие в себе две соли серной кислоты: одну на основе щелочного металла (лития, натрия, калия, рубидия или цезия), а другую – на основе металла третьей группы таблицы Менделеева, преимущественно алюминия.
Квасцы и сегодня применяют при очистке воды, в кулинарии, медицине, косметологии, в химической и других отраслях промышленности. Кстати, свое имя алюминий получил как раз благодаря квасцам, которые на латыни назывались alumen.
Корунд
Рубины, сапфиры, изумруды и аквамарин являются минералами алюминия.
Первые два относятся к корундам – это оксид алюминия (Al 2 O 3) в кристаллической форме. Он обладает природной прозрачностью, а по прочности уступает только алмазам. Пуленепробиваемые стекла, иллюминаторы в самолетах, экраны смартфонов производятся именно с применением сапфира.
А один из менее ценных минералов корунда – наждак используется как абразивный материал, в том числе для создания наждачной бумаги.
На сегодняшний день известно почти 300 различных соединений и минералов алюминия – от полевого шпата, являющегося основным породообразующим минералом на Земле, до рубина, сапфира или изумруда, уже не столь распространенных.
Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) – датский физик, почетный член Петербургской академии наук (1830). Родился в городе Рудкёрбинге в семье аптекаря. В 1797 году окончил Копенгагенский университет, в 1806 – стал профессором.
Но каким бы распространенным ни был алюминий, его открытие стало возможным только, когда в распоряжении ученых появился новый инструмент, позволяющий расщеплять сложные вещества на простые, – электрический ток .
И в 1824 году с помощью процесса электролиза датский физик Ханс Кристиан Эрстед получил алюминий. Он был загрязнен примесями калия и ртути, задействованных в химических реакциях, однако это был первый случай получения алюминия.
Используя электролиз, алюминий производят и в наши дни.
Сырьем для производства алюминия сегодня служит еще одна распространенная в природе алюминиевая руда – бокситы
. Это глинистая горная порода, состоящая из разнообразных модификаций гидроксида алюминия с примесью оксидов железа, кремния, титана, серы, галлия, хрома, ванадия, карбонатных солей кальция, железа и магния – чуть ли не половины таблицы Менделеева. В среднем из 4-5 тонн бокситов производится 1 тонна алюминия.
Бокситы
Бокситы в 1821 году открыл геолог Пьер Бертье на юге Франции. Порода получила свое название в честь местности Ле-Бо (Les Baux), где была найдена. Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – в Гвинее, Австралии, Вьетнаме, Бразилии, Индии и на Ямайке.
Из бокситов получают глинозем . Это оксид алюминия Al 2 O 3 , который имеет форму белого порошка и из которого путем электролиза на алюминиевых заводах производят металл.
Производство алюминия требует огромного количества электроэнергии. Для производства одной тонны металла необходимо около 15 МВт*ч энергии – столько потребляет 100-квартирный дом в течение целого месяца.Поэтому разумнее всего строить алюминиевые заводы поблизости от мощных и возобновляемых источников энергии. Самое оптимальное решение – гидроэлектростанции , представляющие самый мощный из всех видов «зеленой энергетики».
Свойства алюминия
Алюминий имеет редкое сочетание ценных свойств. Это один из самых легких металлов в природе: он почти в три раза легче железа, но при этом прочен, чрезвычайно пластичен и не подвержен коррозии, так как его поверхность всегда покрыта тончайшей, но очень прочной оксидной пленкой. Он не магнитится, отлично проводит электрический ток и образует сплавы практически со всеми металлами.
Легкий
В три раза легче железа
Прочный
Сравним по прочности со сталью
Пластичный
Поддается всем видам механической обработки
Нет коррозии
Тонкая оксидная пленка защищает от коррозии
Алюминий легко обрабатывается давлением, причем как в горячем, так и в холодном состоянии. Он поддается прокатке, волочению, штамповке. Алюминий не горит, не требует специальной окраски и не токсичен в отличие от пластика.
Очень высока ковкость алюминия: из него можно изготовить листы толщиной всего 4 микрона и тончайшую проволоку. А сверхтонкая алюминиевая фольга втрое тоньше человеческого волоса. Кроме того, по сравнению с другими металлами и материалами он более экономичен.
Высокая способность к образованию соединений с различными химическими элементами породила множество сплавов алюминия. Даже незначительная доля примесей существенно меняет характеристики металла и открывает новые сферы для его применения. Например, сочетание алюминия с кремнием и магнием в повседневной жизни можно встретить буквально на дороге – в форме литых колесных дисков, двигателей, в элементах шасси и других частей современного автомобиля. А если добавить в алюминиевый сплав цинк, то, возможно, вы сейчас держите его в руках, ведь именно этот сплав используется при производстве корпусов мобильных телефонов и планшетов. Тем временем ученые продолжают изобретать новые и новые алюминиевые сплавы.
Запасы алюминия
Около 75% алюминия, выпущенного за все время существования отрасли, используется до сих пор.
В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.