Алюминий, его основные характеристики

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Декабря 2009 в 18:45, Не определен

Описание работы

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 Al2O3.2SiO2.2H2O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al2O3.xH2O и минералы корунд Al2O3 и криолит AlF3.3Na

Файлы: 1 файл

Алюминий. .doc

— 98.50 Кб (Скачать файл)

     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 2050оС, а криолита - 1100оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al2O3, содержащую около 10 масс.% Al2O3, которая плавится при 960оС и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF3, CaF2 и MgF2 проведение электролиза оказывается возможным при 950оС.

     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+ + AlO33-

     На  катоде выделяется жидкий алюминий:

     Al3+ + 3е- = Al

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

     4AlO33- - 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 (AlCl4-, AlH4-, 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. 660оС, т. кип. ~2500оС). 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 3000оС.

     Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050оС) 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 SiO44- заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO45-. 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 1200оС:

Информация о работе Алюминий, его основные характеристики