Алюминий

Опубликовано admin 07.04.2009 в категории Химия |

Алюминий — самый распространенный в земной коре металл.
На его долю приходится 8 % массы земной коры. Главная
масса его сосредоточена в алюмосиликатах — соединениях
алюминия с кремнием.

Продуктом разрушения этих горных
пород является глина, состав которой может быть выражен
в формуле ALO3 • 2SiO, • 2Н2О. Из других минералов,
образованных алюминием, наибольшее значение имеют боксит
А1О • НО, корунд А1О И криолит A1F • 3NaF.

Впервые чистый алюминий был получен Велером в
1827 году при взаимодействии хлорида алюминия с металлическим
калием. Однако, несмотря на широкую распространенность
в природе, до конца XIX века алюминий принадлежал к
числу редких металлов.

В настоящее время в промышленности алюминий получают
электролизом глинозема А12О3 в расплавленном криолите.
На аноде электролизера для выплавления алюминия происходят
следующие реакции:

А13т + Зё=А1°.

Жидкий металл собирается на дне печи.

В периодической системе Менделеева алюминий находится
в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы.
Заряд ядра +13. Электронное строение атома: Is22sz2p63s23p’.
Наиболее характерная степень окисления атома алюминия
+3. Отрицательная степень окисления проявления редко.
Алюминий — типичный амфотерный элемент, он образует
как анионные, так и катионные комплексы.

В виде простого вещества алюминий — серебристо-белый,
довольно плотный металл с плотностью 2,7 г/см3, температурой
плавления 660Х и температурой кипения 2500°С.
Кристаллический алюминий имеет гранецентрированную кубическую
решетку. Характеризуется высокой тягучестью,
высоки тепло- и электропроводность. С этим связано его
использование в производстве электрических проводов; при
одинаковой электрической проводимости алюминиевый провод
вдвое легче медного.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм),
но очень плотной пленкой оксида А12О3, предохраняющей металл
от дальнейшего окисления и придающей ему матовый
вид. Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается
в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщ, той 0,005 мм)
применяется для упаковки в пищевой и фарь?ацевтической
промышленности.

Основную массу алюминия используют для получения
различных сплавов, которые наряду с хорошими механическими
качествами характеризуются и своей легкостью. Важнейшие
из этих сплавов: дюралюминий (94% А1, 4 % Си, по
0,5 % Mg, Mn, Fe, Si) и силумин (сплав Al, SK, ,\’а). Алюминиевые
сплавы применяются в ракетной технике в авиа-, авто-,
судо- и приборостроении, производстве посуды и во многих
других отраслях промышленности. По широте применения
сплавы алюминия занимают третье место поел: стали и чугуна.
Алюминий, кроме того, применяется и в в: где добавки ко
многим сплавам с целью придания им жаростойкости.

При накаливании мелко раздробленного алюминия им
энергично сгорает на воздухе:

4А1 + ЗО2 -> 2А1,О3 + Q.
Аналогично протекает и взаимодействие его с серой:

2A1 + 3S—C-^AljSj.

С хлором и бромом соединение происходит уже при обыч
ной температуре, с йодом — при нагревании.
Схема взаимодействия алюминия с галогенами имеет вид.

2А1 + ЗНа12 -> 2АШа13.
При очень высоких температурах алюминий непосредственно
соединяется также с азотом и углеродом, с водородом
он не взаимодействует:

2Ai + N -» 2A1N 4A1 + ЗС -> A1C

нитрид карбид
алюминия алюминия
AI + Н2 ^ j .

По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но
если с поверхности металла удалить защитную оксидную пленку,
то происходит энергичная реакция:

2А1 + 6Н2О -» 2А1(ОН)3 + ЗН,Т.
Сильно разбавленные, а также очень концентрированные
серная и азотная кислоты при нормальных условиях почти
не действуют на алюминий, тогда как при средних концентрациях
этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий
довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте,
но обычный технический металл растворяется в ней.
Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих
вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию,
например, в растворе NaCO

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

Соединение алюминия с кислородом сопровождается выделением
громадного количества тепла. Это свойство нашло
применение в сварке стальных частей, в частности, стыков трамвайных
рельсов. Применяемая смесь состоит обычно из порошков
алюминия и оксида железа Fe3O4, а поджигается она
при помощи запала из смеси А! и ВаО2. Основная реакция идет
по уравнению:

8А1 + 3Fe3O4 -> 4А12О3 + 9Fe + 3350 кДж.

Температура при этом достигает ЗООО’С.

Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую
и нерастворимую в воде массу. Природный А12О3
(минерал корунд) отличается большой твердостью и стойкостью
к кислотам. Он применяется для изготовления шлифовальных
кругов, брусков, наждака.

Красный рубин (корунд с примесью хрома) и синий сапфир
(корунд с примесями железа и титана) — драгоценные
камни. Их получают также искусственно и используют для
технических целей, например для изготовления деталей точных
приборов, камней в часах и т. п, Кристаллы рубинов, содержащих
малую примесь СгО, применяют для создания лазерных
излучателей.

Гидрооксид алюминия А1(ОН)3 представляет собой студенистый
осадок белого цвета почти нерастворимый в воде,
но легко растворяющийся в кислотах и щелочах. Следовательно,
он имеет аморфный характер. Однако и основные, и
особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо.
При взаимодействии его с сильными щелочами образуются
соответствующие соли — алюминаты:

NaOH + А1(ОН)3 -> Na[Al(OH)4].

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов
в воде растворимы хорошо, но ввиду сильного гидролиза
растворы их устойчивы лишь при наличии избытка щелочи.
Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы
в растворе практически нацело и поэтому могут
быть получены только сухим путем, — сплавлением А1,О, с
оксидами соответствующих металлов.

С кислотами А1(ОН)3 образует соли. Алюминиевые соли
большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, при
этом довольно сильно гидролизированы. Вследствие этого
сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия
из водных растворов получить не удается.

В водной среде анион А]3* непосредственно окружен шестью
молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько
диссоциирован (т. е. разделен на два более примитивных
иона) по схеме:

[А1(ОН2)6Г + Н2О -» [А1(ОН2)5Г + ОН3*.
Вследствие диссоциации этот ион является слабой кислотой,
близкой по силе к уксусной.
Соединения алюминия, кремния и кислорода с щелочными
металлами (алюмосиликаты) образуют полевые шпаты, на
долю которых приходится более половины массы земной коры.
Главные их представители — минералы,
а также минералы группы слюд (например мусковит).
Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой
и способны обмениваться ионами с другими соединениями. Такие
алюмосиликаты, природные и особенно искусственные, применяются
для умягчения водопроводной воды. Кроме того,
благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются
в качестве материалов, которые пропитываются катализаторами
и применяются в химической промышленности.

Соединения алюминия с галогенами (галогениды) в обычных
условиях — бесцветные кристаллические вещества. Среди
них по свойствам сильно отличается фторид алюминия A1F3.
Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен.
Соединения алюминия с хлором, бромом и йодом легкоплавки,
весьма реакционоспособны и хорошо растворимы не
только в воде, но и во многих химических растворителях. Взаимодействие
галогенидов алюминия с водой сопровождается
значительным выделением теплоты. В водном растворе все они
сильно гидролшованы. Вследствие гидролиза хлорид, бромид
и йодид алюминия дымят во влажном воздухе. Они могут быть
получены прямым взаимодействием простых веществ.

Сульфат алюминия A12(SO4)3 • 18Н2О получается при Действии
горячей серной кислоты на оксид алюминия. Применяется
он для очистки воды, а также при приготовлении некоторых
сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы Kal(SO,)2 • 12Н2О применяются
в больших количествах для дубления кож, а также в
красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных
тканей.

Из остальных соединений алюминия следует упомянуть
его ацетат или уксуснокислую соль A!(CH.jCOO)3, используемую
при крашении тканей и в медицине. Нитрат алюминия
легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в
воде и уксусной кислоте, но растворим в силвных кислотах и
щелочах.

АЛЮМИНИЙ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Как правило, растения содержат мало алюминия, хотя иольшне
количества этого элемента содержатся в почках. Еще меньше
его содержание в животных организмах. У человека оно составляет
лишь десятитысячные доли процента по массе. Биологическая
роль алюминия не выяснена; известно лишь то, что его
соединения не ядовиты ни для человека, ни для животных.