Физико-химические свойства аллюминия

     Введение 

     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^.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 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.

           АЛЮМИНИЙ (лат. Aluminium; от "alumen" — квасцы), Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1

1.Общая  характеристика алюминия 

Природный алюминий состоит из одного нуклида 27Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).

Радиус  нейтрального атома алюминия 0,143 нм, радиус иона Al3+ 0,057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5,984, 18,828, 28,44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1,5.

Простое вещество алюминий — мягкий легкий серебристо-белый металл. 

2.Свойства 

Алюминий  — типичный металл, кристаллическая  решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около 2450°C, плотность 2,6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2,5·10–5 К–1 Стандартный электродный потенциал Al^3+/Al — 1,663В.

Химически алюминий — довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно  покрывается плотной пленкой  оксида Al₂О₃, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту. 

С остальными кислотами алюминий активно реагирует: 

6НСl + 2Al = 2AlCl₃ + 3H₂, 

3Н₂SO₄ + 2Al = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂. 

Алюминий  реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка: 

Al₂О₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]. 

Затем протекают реакции: 

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂, 

NaOH + Al(OH)₃ = Na[Al(OH)₄], 

или суммарно: 

2Al + 6H₂O + 2NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3Н₂, 

и в  результате образуются алюминаты: Na[Al(OH)₄] — алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)4] — алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие: 

2

Na[Al(OH)₄(Н₂О)₂] и К[Al(OH)₄(Н₂О)₂]. 

При нагревании алюминий реагирует с галогенами: 

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃, 

2Al + 3 Br₂ = 2AlBr₃. 

Интересно, что реакция между порошками алюминия и йода (I) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора: 

2Al + 3I₂ = 2AlI₃. 

Взаимодействие  алюминия с серой (S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия: 

2Al + 3S = Al₂S₃, 

который легко разлагается водой: 

Al₂S₃ + 6Н₂О = 2Al(ОН)₃ + 3Н₂S. 

С водородом (H) алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с  использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН₃)_х — сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь  на воздухе, причем образуется белый  тугоплавкий порошок оксида алюминия Al₂О₃.

Высокая прочность связи в Al₂О₃ обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например: 

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe и даже 

3СаО  + 2Al = Al₂О₃ + 3Са. 

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.

Амфотерному оксиду Al₂О₃ соответствует амфотерный гидроксид — аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl₂O₃·yH₂O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH)₃.

В лаборатории  гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными  реакциями: 

Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃ + 3Na₂SO₄, 

или за счет добавления соды к раствору соли алюминия: 

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃ + 6NaCl + 3CO₂, 

3

а также  добавлением раствора аммиака к  раствору соли алюминия: 

AlCl₃ + 3NH₃·H2O = Al(OH)₃ + 3H₂O + 3NH₄Cl. 

Название  и история открытия: латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего  квасцы (сульфат алюминия и калия (K) KAl(SO₄)₂·12H₂O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия (K) со ртутью (Hg)) хлорид алюминия AlCl₃, который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути (Hg) выделил серый порошок алюминия.

Только  через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.

Промышленный  способ производства алюминия путем  электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и  другие вещества, независимо друг от друга  разработали в 1886 году П. Эру (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20-ом веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.

     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.

     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⁺).

     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 алюминевый 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  алюминия   позволяет   изготавливать  из него химическую аппаратуру и

     4

 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 йодом - 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.

     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.