Взаимодействие алюминия с металлами. Химические и физические свойства алюминия. Физические свойства гидроксида алюминия. Физические свойства алюминия как простого вещества

Одним из распространённых элементов планеты является алюминий. Физические и химические свойства алюминия применяются в промышленности. Все, что необходимо знать, про этот металл вы найдете в нашей статье.

Строение атома

Алюминий - это 13 элемент периодической таблицы. Он находится в третьем периоде, III группе, главной подгруппе.

Свойства и применение алюминия связаны с его электронным строением. Атом алюминия имеет положительно заряженное ядро (+13) и 13 отрицательно заряженных электронов, располагающихся на трёх энергетических уровнях. Электронная конфигурация атома - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с веществами алюминий переходит в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и другие активные металлы, алюминий является мощным восстановителем.

Рис. 1. Строение атома алюминия.

Алюминий - амфотерный металл, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. В зависимости от условий соединения проявляют кислотные или основные свойства.

Физическое описание

Алюминий обладает:

• лёгкостью (плотность 2,7 г/см 3);
• серебристо-серым цветом;
• высокой электропроводностью;
• ковкостью;
• пластичностью;
• температурой плавления - 658°C;
• температурой кипения - 2518,8°C.

Из металла делают жестяные ёмкости, фольгу, проволоку, сплавы. Алюминий используют при изготовлении микросхем, зеркал, композитных материалов.

Рис. 2. Жестяные ёмкости.

Алюминий - парамагнетик. Металл притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля.

Химические свойства

На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь оксидной плёнкой. Она защищает металл от коррозии, а также препятствует взаимодействию с концентрированными кислотами (азотной, серной). Поэтому кислоты хранят и перевозят в алюминиевой таре.

При обычных условиях реакции с алюминием возможны только после удаления оксидной плёнки. Большинство реакций протекают при высоких температурах.

Основные химические свойства элемента описаны в таблице.

Алюминий не реагирует непосредственно с водородом. Реакция с водой возможна после снятия оксидной плёнки.

Рис. 3. Реакция алюминия с водой.

Что мы узнали?

Алюминий - амфотерный активный металл с постоянной валентностью. Обладает небольшой плотностью, высокой электропроводностью, пластичностью. Притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля. Алюминий реагирует с кислородом, образуя защитную плёнку, которая препятствует реакциям с водой, концентрированными азотной и серной кислотами. При нагревании взаимодействует с неметаллами и концентрированными кислотами, при обычных условиях - с галогенами и разбавленными кислотами. В оксидах вытесняет менее активные металлы. Не реагирует с водородом.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.3 . Всего получено оценок: 73.

• Обозначение - Al (Aluminium);
• Период - III;
• Группа - 13 (IIIa);
• Атомная масса - 26,981538;
• Атомный номер - 13;
• Радиус атома = 143 пм;
• Ковалентный радиус = 121 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 ;
• t плавления = 660°C;
• t кипения = 2518°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,61/1,47;
• Степень окисления: +3, 0;
• Плотность (н. у.) = 2,7 г/см 3 ;
• Молярный объем = 10,0 см 3 /моль.

Алюминий (квасцы) впервые был полуен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дорооже золота.

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре (массовая доля составляет 7-8%), и третьим по распространенности среди всех элементов после кислорода и кремния. В свободном виде в проироде алюминий не встречается.

Важнейшие природные соединения алюминия:

• алюмосиликаты - Na 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 ; K 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2
• бокситы - Al 2 O 3 ·n H 2 O
• корунд - Al 2 O 3
• криолит - 3NaF·AlF 3

Рис. Строение атома алюминия .

Алюминий химически активный металл - на его внешнем электронном уровне находятся три электрона, которые участвуют в образовании ковалентных связей при взаимодействии алюминия с другими химическими элементами (см. Ковалентная связь). Алюминий - сильный восстановитель, во всех соединениях проявляет степень окисления +3.

При комнатной температуре алюминий вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной оксидной пленки, которая надежно препятствует процессу дальнейшего окисления (корродирования) металла, в результате чего химическая активность алюминия снижается.

Благодаря оксидной пленке алюминий не вступает в реакцию с азотной кислотой при комнатной температуре, поэтому, алюминиевая посуда является надежной тарой для хранения и трансопртирования азотной кислоты.

Физические свойства алюминия:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• прочный;
• легкий;
• пластичный (протягивается в тонкую проволоку и фольгу);
• обладает высокой электро- и теплопроводностью;
• температура плавления 660°C
• природный алюминий состоит из одного изотопа 27 13 Al

Химические свойства алюминия :

• при снятии оксидной пленки алюминий реагирует с водой:
  2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 ;
• при комнатной температуре вступает в реакции с бромом и хлором с образованием солей:
  2Al + 3Br 2 = 2AlCl 3 ;
• при высокой температуре алюминий реагирует с кислородом и серой (реакция сопровождается выделением большого кол-ва тепла):
  4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 + Q;
  2Al + 3S = Al 2 S 3 + Q;
• при t=800°C реагирует с азотом:
  2Al + N 2 = 2AlN;
• при t=2000°C реагирует с углеродом:
  2Al + 3C = Al 4 C 3 ;
• восстанавливает многие металлы из их оксидов - алюмотермией (при t до 3000°C) получают промышленным способом вольфрам, ванадий, титан, кальций, хром, железо, марганец:
  8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe;
• с соляной и разбавленной серной кислотой реагирует с выделением водорода:
  2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 ;
  2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 ;
• с концентрированной серной кислотой реагирует при высокой температуре:
  2Al + 6H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O;
• со щелочами реагирует с выделением водорода и образованием комплексных солей - реакция идет в несколько этапов: при погружении алюминия в раствор щелочи происходит растворение прочной защитной оксидной пленки, которая находится на поверхности металла; после растворения пленки, алюминий, как активиный металл, реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия, который взаимодействует со щелочью, как амфотерный гидроксид:
  • Al 2 O 3 +2NaOH = 2NaAlO 2 +H 2 O - растворение оксидной пленки;
  • 2Al+6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 - взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
  • NaOH+Al(OH) 3 = NaAlO 2 +2H 2 O - взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
  • 2Al+2NaOH+2H 2 O = 2NaAlO 2 +3H 2 - суммарное уравнение реакции алюминия со щелочью.

Соединения алюминия

Al 2 O 3 (глинозем)

Оксид алюминия Al 2 O 3 является белым, очень тугоплавким и твердым веществом (в природе тверже только алмаз, карборунд и боразон).

Свойства глинозема:

• не растворяется в воде и вступает с ней в реакцию;
• является амфотерным веществом, реагируя с кислотами и щелочами:
  Al 2 O 3 + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O;
  Al 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O = 2Na 3 ;
• как амфотерный оксид реагирует при сплавлении с оксидами металлов и солями, образуя алюминаты:
  Al 2 O 3 + K 2 O = 2KAlO 2 .

В промышленности глинозем получают из бокситов. В лабораторных условиях глинозем можно получить сжигая алюминий в кислороде:
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 .

Применение глинозема :

• для получения алюминия и электротехнической керамики;
• в качестве абразивного и огнеупорного материала;
• в качестве катализатора в реакциях органического синтеза.

Al(OH) 3

Гидроксид алюминия Al(OH) 3 является белым твердым кристаллическим веществом, которое получается в результате обменной реакции из раствора гидроксида алюминия - выпадает в виде белого студенистого осадка, кристаллизующегося со временем. Это амфотерное соединение почти не растворимое в воде:
Al(OH) 3 + 3NaOH = Na 3 ;
Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O.

• взаимодействие Al(OH) 3 с кислотами:
  Al(OH) 3 +3H + Cl = Al 3+ Cl 3 +3H 2 O
• взаимодействие Al(OH) 3 со щелочами:
  Al(OH) 3 +NaOH - = NaAlO 2 - +2H 2 O

Гидроксид алюминия получают путем действия щелочей на растворы солей алюминия:
AlCl 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 + 3NaCl.

Получение и применение алюминия

Алюминий достаточно трудно выделить из природных соединений химическим способом, что объясняется высокой прочностью связей в оксиде алюминия, поэтому, для промышленного получения алюминия применяют электролиз раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленном криолите Na 3 AlF 6 . В результате процесса алюминий выделяется на катоде, на аноде - кислород:

2Al 2 O 3 → 4Al + 3O 2

Исходным сырьем служат бокситы. Электролиз протекает при температуре 1000°C: температура плавления оксида алюминия составляет 2500°C - проводить электролиз при такой температуре не представляется возможным, поэтому оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите, и уже затем полученный электролит используют при электролизе для получения алюминия.

Применение алюминия:

• алюминиевые сплавы широко применяются в качестве конструкционных материалов в автомобиле-, самолето-, судостроении: дюралюминий, силумин, алюминиевая бронза;
• в химической промышленности в качестве восстановителя;
• в пищевой промышленности для изготовления фольги, посуды, упаковочного материала;
• для изготовления проводов и проч.

Алюминий в чистом виде впервые выделен Фридрихом Велером. Немецкий химик нагрел безводный хлорид элемента с металлическим калием. Произошло это во 2-ой половине 19-го века. До 20-го столетия кг алюминия стоил дороже .

Новый металл позволяли себе лишь богачи и государственные . Причина высокой стоимости – сложность отделения алюминия от других веществ. Метод добычи элемента в промышленных масштабах предложил Чарльз Холл.

В 1886-ом году он растворил оксид в расплаве криолита. Немец заключил смесь в гранитный сосуд и подключил к нему электрический ток. На дно емкости осели бляшки чистого металла.

Химические и физические свойства алюминия

Какой алюминий? Серебристо-белый, блестящий. Поэтому, Фридрих Велер сравнивал полученные им гранулы металла с . Но, была оговорка, — алюминий значительно легче.

Пластичность же приближена к драгоценным и . Алюминий – вещество , без проблем вытягивающееся в тонкую проволоку и листы. Достаточно вспомнить фольгу. Она делается на основе 13-го элемента.

Алюминий легок за счет небольшой плотности. Она втрое меньше, чем у и железа. При этом в прочности 13-ый элемент почти не уступает.

Такое сочетание сделало серебристый металл незаменимым в промышленности, к примеру, производстве деталей для автомобилей. Речь идет и о кустарном производстве, ведь сварка алюминия возможна даже в домашних условиях.

Формула алюминия позволяет активно отражать световые, но и тепловые лучи. Высока и электропроводность элемента. Главное, излишне не нагревать его. При 660-ти градусах расплавится. Поднимись температура чуть выше – сгорит.

Металл исчезнет, останется лишь оксид алюминия . Он образуется и в стандартных условиях, но лишь в виде поверхностной пленки. Она защищает металл. Поэтому, он неплохо противостоит коррозии, ведь доступ кислорода блокирован.

Оксидная пленка защищает металл и от воды. Если удалить с поверхности алюминия налет, запустится реакция с Н 2 О. Выделение газов водорода произойдет даже при комнатной температуре. Так что, алюминиевая лодка не превращается в дым лишь за счет оксидной пленки и защитной краски, нанесенной на корпус судна.

Наиболее активно взаимодействие алюминия с неметаллами. Реакции с бромом и хлором проходят даже при обычны условиях. В итоге, образуются соли алюминия . Соли водорода получаются, если соединить 13-ый элемент с растворами кислот. Реакция состоится и со щелочами, но лишь после удаления оксидной пленки. Выделится чистый водород.

Применение алюминия

Металл напыляют на зеркала. Пригождаются высокие показатели отражения света. Процесс проходит в условиях вакуума. Изготавливают не только стандартные зеркала, но предметы с зеркальными поверхностями. Таковыми становятся: керамическая плитка, бытовая техника, светильники.

Дуэт алюминий-медь – основа дюралюминий. Попросту его называют дюраль. В качестве добавляют . Состав прочнее чистого алюминия в 7 раз, поэтому, подходит для области машиностроения и авиаконструирования.

Медь придает 13-му элементу прочность, но не тяжесть. Дюраль остается в 3 раза легче железа. Небольшая масса алюминия – залог легкости авто, самолетов, кораблей. Это упрощает перевозку, эксплуатацию, снижает цену продукции.

Купить алюминий автопромышленники стремятся еще и потому, что на его сплавы легко наносятся защитные и декоративные составы. Краска ложится быстрее и ровнее, чем на сталь, пластик.

При этом, сплавы податливы, просто обрабатываются. Это ценно, учитывая массу изгибов и конструктивных переходов на современных моделях автомобилей.

13-ый элемент не только легко красится, но и сам может выступать в роли красителя. В текстильной промышленности закупается сульфат алюминия . Он же пригождается в печатном деле, где требуются нерастворимые пигменты.

Интересно, что раствор сульфата алюминия применяют еще и для очистки воды. В присутствии «агента» вредные примеси выпадают в осадок, нейтрализуются.

Нейтрализует 13-ый элемент и кислоты. Особенно хорошо с этой ролью справляется гидроксид алюминия . Его ценят в фармакологии, медицине, добавляя в лекарства от изжоги.

Выписывают гидроксид и при язвах, воспалительных процессах кишечного тракта. Так что в аптечных препарата тоже есть алюминий. Кислота в желудке – повод узнать о таких лекарствах побольше.

В СССР и бронзы с 11-процентной добавкой алюминия чеканили . Достоинство знаков – 1, 2 и 5 копеек. Начали выпускать в 1926-ом, закончили в 1957-ом году. А вот производство алюминиевых банок для консервов не прекратили.

Тушенку, сайру и прочие завтраки туристов до си пор упаковывают в тару на основе 13-го элемента. Такие банки не вступают в реакцию с продуктами питания, при этом, легки и дешевы.

Порошок алюминия входит в состав многих взрывчатых смесей, в том числе и пиротехники. В промышленности применяют подрывные механизмы на основе тринитротолуола и измельченного 13-го элемента. Мощная взрывчатка получается и при добавлении к алюминию аммиачной селитры.

В нефтяной отрасли необходим хлорид алюминия . Он играет роль катализатора при разложении органики на фракции. У нефти есть свойство выделять газообразные, легкие углеводороды бензинового типа, взаимодействуя с хлоридом 13-го металла. Реагент должен быть безводным. После добавления хлорида, смесь прогревают до 280-ти градусов Цельсия.

В строительстве нередко смешиваю натрий и алюминий . Получается присадка к бетону. Алюминат натрия ускоряет его затвердение за счет убыстрения гидратации.

Повышается скорость микрокристаллизации, значит, увеличивается прочность и твердость бетона. К тому же, алюминат натрия спасает арматуру, уложенную в раствор, от коррозии.

Добыча алюминия

Металл замыкает тройку самых распространенных на земле. Это объясняет его доступность и широкое применение. Однако, в чистом виде природа элемент человеку не дает. Алюминий приходится выделять из различных соединений. Больше всего 13-го элемента в бокситах. Это глиноподобные породы, сосредоточенные, в основном, в тропическом поясе.

Бокситы дробят, потом сушат, снова дробят и перемалывают в присутствии небольшого объема воды. Получается густая масса. Ее нагревают паром. При этом большая часть , коим бокситы тоже не бедны, испаряется. Остается оксид 13-го металла.

Его помещают в промышленные ванны. В них уже находится расплавленный криолит. Температура держится на отметке 950 градусов Цельсия. Нужен и электрический ток силой минимум в 400 кА. То есть, используется электролиз, как и 200 лет назад, когда элемент выделял Чарльз Холл.

Проходя через раскаленный раствор, ток разрывает связи между металлом и кислородом. В итоге, на дне ванн остается чистый алюминий. Реакции окончены. Завершает процесс отливание из осадка и их отправка потребителю, или же, использование для формирования различных сплавов.

Основные производства алюминия находятся там же, где и залежи бокситов. В передовика – Гвинея. В ее недрах скрыто почти 8 000 000 тонн 13-го элемента. На 2-ом месте Австралия с показателем в 6 000 000. В Бразилии алюминия уже в 2 раза меньше. Общемировые же запасы оцениваются в 29 000 000 тонн.

Цена алюминия

За тонну алюминия просят почти 1 500 долларов США. Таковы данные бирж цветных металлов на 20 января 2016-го. Стоимость устанавливается, в основном, промышленниками. Точнее, на цену алюминия влияет их спрос на сырье. Влияет на запросы поставщиков и стоимость электроэнергии, ведь производство 13-го элемента энергоемко.

Иные цены установлены на алюминия. Он идет на переплавку. Стоимость оглашается за килограмм, причем, имеет значение характер сдаваемого материала.

Так, за электротехнический металл дают примерно 70 рублей. За пищевой алюминий можно получить на 5-10 рублей меньше. Столько же платят за моторный металл. Если сдается разносортица, ее цена – 50-55 рублей за килограмм.

Самый дешевый вид лома – стружка алюминия. За нее удается выручить лишь 15-20 рублей. Чуть больше дадут за из 13-го элемента. Имеется в виду тара из-под напитков, консервов.

Невысоко ценят и алюминиевые радиаторы. Цена за килограмм лома – около 30-ти рублей. Это усредненные показатели. В разных регионах, на разных точках алюминий принимают дороже, либо дешевле. Нередко стоимость материалов зависит от сдаваемых объемов.

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

Получение алюмокалиевых квасцов

Алюминий (лат. Aluminium), – в периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный – 0,126 нм, условный радиус иона Al 3+ – 0,057 нм. Энергия ионизации Al – Al + 5,99 эВ.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl 4- , AlH 4- , алюмосиликаты), но и 6 (Al 2 O 3 , 3+).

Историческая справка . Название Алюминий происходит от лат. alumen – так еще за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский ученый X. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный АlСl 3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый Алюминий. Первый промышленного способ производства Алюминия предложил в 1854 французский химик А.Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида Алюминия и натрия Na 3 AlCl 6 металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, Алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 годы было получено всего 200 т Алюминия. Современный способ получения Алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава разработан в 1886 году одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

Нахождение в природе

Алюминий – самый распространенный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5–6,6 мол. доли% или 8 масс.%. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al 2 O 3 . 2SiO 2 . 2H 2 O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al 2 O 3 . xH 2 O и минералы корунд Al 2 O 3 и криолит AlF 3 . 3NaF.

Получение

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленнном криолите. Al 2 O 3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al 2 O 3 около 2050 о С, а криолита – 1100 о С. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al 2 O 3 , содержащую около 10 масс.% Al 2 O 3 , которая плавится при 960 о С и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF 3 , CaF 2 и MgF 2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 о С.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это – алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.

Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3 3-

На катоде выделяется жидкий алюминий:

Al 3+ + 3е - = Al

Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:

4AlO 3 3- – 12е - = 2Al 2 O 3 + 3O 2

Кислород окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания углерода анод наращивают.

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

Физические свойства алюминия . Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки. Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Å. Свойства Алюминий, как и всех металлов, в значит, степени зависят от его чистоты. Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20 °С) 2698,9 кг/м 3 ; t пл 660,24 °С; t кип около 2500 °С; коэффициент термического расширения (от 20° до 100 °С) 23,86·10 -6 ; теплопроводность (при 190 °С) 343 вт/м·К , удельная теплоемкость (при 100 °С) 931,98 дж/кг·К. ; электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50–60 Мн/м 2), твердостью (170 Мн/м 2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м 2 , твердость – до 270 Мн/м 2 , относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м 2 ~ и 0,1 кгс/мм 2). Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al 2 О 3 , защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.

Химические свойства

При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом – при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:

Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и H2SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется.

При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты – соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:

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

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH) 3 + NaOH = Na

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2

Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na 2 CO 3 .

В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.

Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al 2 O 3), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.

Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в часности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь («термит») состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe 3 O 4 . Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO 2 . Основная реакция идет по уравнению:

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe + 3350 кДж

Причем развивается температура около 3000 о С.

Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050 о С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al 2 O 3 (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al 2 O 3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.

Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al 2 O 3 , получаемым сплавлением боксита (техническое название – алунд).

Прозрачные окрашеннные кристаллы корунда – красный рубин – примесь хрома – и синий сапфир – примесь титана и железа – драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3 , применяют в качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

Ввиду нерастворимости Al 2 O 3 в воде отвечающий этому оксиду гидроксид Al(OH) 3 может быть получен лишь косвенным путем из солей. Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами OH – постепенно замещаются в аквокомплексах 3+ молекулы воды:

3+ + OH - = 2+ + H 2 O

2+ + OH - = + + H 2 O

OH - = 0 + H 2 O

Al(OH) 3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке NH 4 OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида – алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + Al(OH) 3 = Na

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al 2 O 3 с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO 2 . Большинство из них в воде нерастворимо.

С кислотами Al(OH) 3 образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

В водной среде анион Al 3+ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:

3+ + H 2 O = 2+ + OH 3 +

Константа его диссоциации равна 1 . 10 -5 , т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al 3+ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.

Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO 4 4 – заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO 4 5- Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители – минералы

ортоклаз K 2 Al 2 Si 6 O 16 или K 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2

альбит Na 2 Al 2 Si 6 O 16 или Na 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2

анортит CaAl 2 Si 2 O 8 или CaO . Al 2 O 3 . 2SiO 2

Очень распространены минералы группы слюд, например мусковит Kal 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2 . Большое практическое значение имеет минерал нефелин (Na, K) 2 , который используется для получения глинозема содовых продуктов и цемента. Это производство складывается из следующих операций: a) нефелин и известняк спекают в трубчатых печах при 1200 о С:

(Na, K) 2 + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2

б) образовавшуюся массу выщелачивают водой – образуется раствор алюминатов натрия и калия и шлам CaSiO 3:

NaAlO 2 + KAlO 2 + 4H 2 O = Na + K

в) через раствор алюминатов пропускают образовавшийся при спекании CO 2:

Na + K + 2CO 2 = NaHCO 3 + KHCO 3 + 2Al(OH) 3

г) нагреванием Al(OH) 3 получают глинозем:

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

д) выпариванием маточного раствора выделяют соду и потаж, а ранее полученный шлам идет на производство цемента.

При производстве 1 т Al 2 O 3 получают 1 т содопродуктов и 7.5 т цемента.

Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты – природные и особенно искусственные – применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.

Галогениды алюминия в обычных условиях – бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF 3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF 3 основан на действии безводного HF на Al 2 O 3 или Al:

Al 2 O 3 + 6HF = 2AlF 3 + 3H 2 O

Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

Плотности паров AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам – Al 2 Hal 6 . Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена – с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M 3 и M (где Hal – хлор, бром или иод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl 3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F 2 , эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na 3 . Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

2Al(OH) 3 + 12HF + 3Na 2 CO 3 = 2Na 3 + 3CO 2 + 9H 2 O

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH 3) n . Разлагается при нагревании выше 105 о С с выделением водорода.

При взаимодействии AlH 3 с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:

LiH + AlH 3 = Li

Гидридоалюминаты – белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они – сильные восстановители. Применяются (в особенности Li) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3 . 18H 2 O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе – уксуснокислую соль) Al(CH 3 COO) 3 , используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.

Алюминий в организме . Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10 -3 до 10 -5 % Алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание Алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения – от 4 мг (мед) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание алюминия достигает 35–40 мг. Известны организмы – концентраторы алюминия, например, плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2–0,8% алюминия. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).

Геохимия алюминия . Геохимические черты алюминия определяются его большим сродством к кислороду (в минералах алюминий входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород алюминий входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, слюд и других минералов – алюмосиликатов. В биосфере алюминий – слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, алюминий мигрирует в почвах и водах в виде органоминеральных коллоидных соединений; алюминий адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь алюминия с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы – гидрооксиды алюминия – бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть алюминия входит в состав алюмосиликатов – каолинита, бейделлита и других глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление алюминия в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, алюминий почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция алюминия в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые алюминием. В местах смещения кислых вод с щелочными – морскими (в устьях рек и других), алюминий осаждается с образованием бокситовых месторождений.

Применение Алюминия . Сочетание физических, механических и химических свойств Алюминия определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с других металлами. В электротехнике Алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например, в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость Алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из Алюминий вдвое меньше медных). Сверхчистый Алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности оксидной пленки Алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый Алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа А III B V , применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый Алюминий используют в производстве разного рода зеркальных отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, Алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.

В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т.д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление Алюминий для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

В металлургии Алюминий (помимо сплавов на его основе) – одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе Сu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют Алюминий также для раскисления стали перед заливкой ее в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе Алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спеченный алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300 °С большой жаропрочностью.

Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения Алюминия.

Производство и потребление Алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.

Список использованной литературы

1. В.А. Рабинович, З.Я. Хавин «Краткий химический справочник»

2. Л.С. Гузей «Лекции по общей химии»

3. Н.С. Ахметов «Общая и неорганическая химия»

4. Б.В. Некрасов «Учебник общей химии»

5. Н.Л. Глинка «Общая химия»