Алюминий, его основные характеристики

     Курсовая  работа по химии 
 

     Алюминий - самый распостраненный 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 Al₂O₃^.2SiO₂^.2H₂O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al₂O₃^.xH₂O и минералы корунд Al₂O₃ и криолит AlF₃^.3NaF.

     Впервые алюминий был получен Велером в 1827 году действием металлического калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.

     В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al₂O₃ в расплавленнном криолите. Al₂O₃ должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al₂O₃ около 2050^оС, а криолита - 1100^оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al₂O₃, содержащую около 10 масс.% Al₂O₃, которая плавится при 960^оС и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF₃, CaF₂ и MgF₂ проведение электролиза оказывается возможным при 950^оС.

     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.

     Al₂O₃ = Al³⁺ + AlO₃^3-

     На  катоде выделяется жидкий алюминий:

     Al³⁺ + 3е^- = Al

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

     4AlO₃^3- - 12е^- = 2Al₂O₃ + 3O₂

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

     В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в  главной подгруппе третьей  группы. Заряд ядра +13. Электронное  строение атома 1s₂2s₂2p₆3s₂3p₁. Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный - 0,126 нм, условный радиус иона Al³⁺ - 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 (Al₂O₃,[Al(OH₂)₆]³⁺).

     Алюминий - типичный амфотерный элемент. Для  него характерны не только анионные, но и катионные комплексы. Так, в кислой среде существует катионный аквакомплекс [Al(OH₂)₆]³⁺, а в щелочной - анионный гидрокомплекс и [Al(OH)₆]^3-.

     В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7 г/см³ (т.пл. 660^оС, т. кип. ~2500^оС). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминмевый провод весит вдвое меньше медного.

     На  воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой  оксида, предохраняющей металл от дальнейшего  окисления и придающей ему матовый вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO₃, K₂Cr₂O₇) или анодным окислением толщина защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминмя позволяет изготавливать из него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной кислоты.

     Алюминий  легко вытягивается в проволоку  и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов  и препаратов.

     Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью. Важнейшие из них - дуралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумин (85 - 90% Al, 10 - 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

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

     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:

     2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂­

     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:

     Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

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

     2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂­

     Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

     Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

     Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:

     2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂­

     Алюминий  заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na₂CO₃.

     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 Al₂O₃), 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 Fe₃O₄. Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO₂. Основная реакция идет по уравнению:

     8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe + 3350 кДж

     Причем  развивается температура около 3000^оС.

     Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050^оС) и нерастворимую в воде массу. Природный Al₂O₃ (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al₂O₃ (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 Al₂O₃, 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 Cr₂O₃, применяют в качестве квантовых генераторов - лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

     Ввиду нерастворимости Al₂O₃ 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 [Al(OH₂)₆]³⁺ молекулы воды:

     [Al(OH₂)₆]³⁺ + OH^- = [Al(OH)(OH₂)₅]²⁺ + H₂O

     [Al(OH)(OH₂)₅]²⁺ + OH^- = [Al(OH)₂(OH₂)₄]⁺ + H₂O

     [Al(OH)₂(OH₂)₄]⁺ + OH^- = [Al(OH)₃(OH₂)₃]⁰ + H₂O

     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 NH₄OH 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[Al(OH)₄]

     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 Al₂O₃ с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO₂. 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 Al³⁺ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:

     [Al(OH₂)₆]³⁺ + H₂O = [Al(OH)(OH₂)₅]²⁺ + OH₃⁺

     Константа его диссоциации равна 1^.10^-5,т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al³⁺ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.

     Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO₄^4- заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO₄^5-. Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители - минералы

     ортоклаз K₂Al₂Si₆O₁₆ или K₂O^.Al₂O₃^.6SiO₂

     альбит Na₂Al₂Si₆O₁₆ или Na₂O^.Al₂O₃^.6SiO₂

     анортит CaAl₂Si₂O₈ или CaO^.Al₂O₃^.2SiO₂

     Очень распространены минералы группы слюд, например мусковит Kal₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂. Большое практическое значение имеет минерал нефелин (Na,K)₂[Al₂Si₂O₈], 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^оС: