Алюминий (стр. 1 из 6)

Введение.

Около 100 лет назад Николай Гаврилович Чернышевский, сказал об алюминии, что этому металлу суждено великое будущее, что алюминий – металл социализма. Он оказался провидцем: в XX в. элемент №13 алюминий стал основой многих конструкционных материалов. Элемент 3-го периода и IIIА-группы Периодической системы. Электронная формула атома [10Ne]3S23p1 степени окисления +III и 0.

По электроотрицательности (1,47) одинаков с бериллием, проявляет амфотерные (кислотные и основные) свойства. В соединениях может находиться в составе катионов и анионов. В природе — четвертый по химической распространенности элемент (первый среди металлов), находится в химически связанном состоянии. Входит в состав многих алюмосиликатных минералов, горных пород (граниты, порфиры, базальты, гнейсы, сланцы), различных глин (белая глина называется каолин), бокситов и глинозёма Аl₂О₃.

Любопытно проследить динамику производства алюминия за полтора столетия, прошедших с тех пор, как человек впервые взял в руки кусочек легкого серебристого металла.

За первые 30 лет, с 1825 по 1855 г., точных цифр нет. Промышленных способов получения алюминия не существовало, в лабораториях же его получали в лучшем случае килограммами, а скорее – граммами. Когда в 1855 г. на Всемирной парижской выставке впервые был выставлен алюминиевый слиток, на него смотрели как на редчайшую драгоценность. А появился он на выставке потому, что как раз в 1855 г. французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девиль разработал первый промышленный способ получения алюминия, основанный на вытеснении элемента №13 металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl · AlCl₃.

За 36 лет, с 1855 по 1890 г., способом Сент-Клер Девиля было получено 200 т металлического алюминия.

В последнее десятилетие XIX в (уже по новому способу) в мире получили 28 тыс. т алюминия.

В 1930 г. мировая выплавка этого металла составила 300 тыс. т.

В 1975 г. только в капиталистических странах получено около 10 млн. т алюминия, причем эти цифры – не наивысшие. По сведениям американского «Инжениринг энд майнинг джорнэл», производство алюминия в капиталистических странах в 1975 г. снизилось по сравнению с 1974 г. на 11%, или на 1,4 млн. т .

Столь же поразительны перемены и в стоимости алюминия. В 1825 г. он стоил в 1500 раз дороже железа, в наши дни – лишь втрое. Сегодня алюминий дороже простой углеродистой стали, но дешевле нержавеющей. Если рассчитывать стоимость алюминиевых и стальных изделий с учетом их массы и относительной устойчивости к коррозии, то оказывается, что в наши дни во многих случаях значительно выгоднее применять алюминий, чем сталь.

Физические свойства Аl

Серебристо-белый, блестящий, пластичный металл. На воздухе покрывается матовой защитной пленкой Аl₂О₃, весьма устойчивой и защищающей металл от коррозии; пассивируется в концентрированной HNO₃.

Физические константы:

М, = 26,982»27, р = 2,70 г/см³

t_пл 660,37 °С, t_кип=2500°С

Химические свойства Al

Химически активен, проявляет амфотерные свойства - реагирует с кислотами и щелочами:

2Аl + 6НСl = 2АlСl₃ + ЗН₂

2Аl + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na[Al(OH)₄]] + ЗН₂

2Al + 6NaOH(т) = 2NaAlO₂+ + ЗН₂ + 2Na₂O

Амальгамированный алюминий энергично реагирует с водой:

2Al + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃¯ + 3H₂ + 836 кДж

Сильный восстановитель, при нагревании взаимодействует с кислородом, серой, азотом и углеродом:

4Аl+3O₂=2Аl₂O₃, 2Al+3S=Al₂S₃

2Al+N₂=2AlN, 4Аl+ЗС=Аl₄Сз

С хлором, бромом и йодом реакция протекает при комнатной температуре (для иода требуется катализатор — капля Н₂О), образуются галогениды AlCl₃, АlВг₃ и АlI₃.

Промышленно важен метод алюминотермии:

2Al + Сг₂О₃ = Аl₂O₃ + 2Сг

10Аl + ЗV₂О₅ = 5Аl₂O₃ + 6V

Алюминий восстанавливает N^v до N^-III:

8Аl + З0НNО₃(оч. разб.) = 8Аl(NО₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O

8Al + 18Н₂O + 5КОН + 3KNO₃ =8K[Al(OH)₄]+3NH₃

(движущей силой этих реакций служит промежуточное выделение атомарного водорода Н°, а во второй реакции — также и образование устойчивого гидроксокомплекса [Аl(ОН)₄]^3-).

Получение и применение Al

Получение Al в промышленности — электролиз Аl₂О₃ в расплаве криолита Na₃[АlF₆] при 950 °С:

Применяется как реагент в алюминотермии для получения редких металлов и сварке стальных конструкций

Алюминий — важнейший конструкционный материал, основа легких коррозионно-стойких сплавов (с магнием - дюралюмин, или дюраль, с медью --алюминиевая бронза, из которой чеканят мелкую разменную монету). Чистый алюминий в больших количествах идет на изготовление посуды и электрических проводов.

Оксид алюминия Al₂O₃

Белый аморфный порошок или очень твердые белые кристаллы. Физические константы:

Мr = 101,96»102, р = 3,97 г/см³ tпл=2053°С, tкип=3000°С

Кристаллический Аl₂О₃ химически пассивен, аморфный — более активен. Медленно реагирует с кислотами и щелочами в растворе, проявляя амфотерные свойства:

Al₂O₃ + 6НСl(конц.) = 2АlСl₃ + ЗН₂О

Al₂O₃ + 2NаОН(конц.) + ЗН₂О = 2Na[Al(OH)₄]

(в расплаве щелочи образуется NaAlO₂). Вторая реакция используется для «вскрытия» бокситов.

Помимо сырья для производства алюминия, Аl₂О₃ в виде порошка служит компонентом огнеупорных, химически стойких и абразивных материалов. В виде кристаллов применяется для изготовления лазеров и синтетических драгоценных камней ( рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов — Сr₂О₃ (красный цвет), Тi₂О₃ и Fe₂О₃ (голубой цвет).

Гидроксид алюминия Аl(ОН)з

Белый аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Практически не растворим в воде. Физические константы:

Мr=78,00, р= 3,97 г/см³,

t_разл > 170 °С

При нагревании ступенчато разлагается, образуя промежуточный продукт — метагидроксидAlO(OH):

Проявляет амфотерные, равно выраженные кислотные и основные свойства:

При сплавлении с NaOH образуется NaAlO;.

Для получения осадка Аl(ОН)₃ щелочь обычно не используют (из-за легкости перехода осадка в раствор), а действуют на соли алюминия гидратом аммиака;

при комнатной температуре образуется Аl(ОН)₃, а при кипячении — менее активный АlO(ОН):

Удобный способ получения Аl(ОН)₃ — пропускание СО₂ через раствор гидроксокомплекса:

[Аl(ОН)₄]- + СО₂ = Аl(ОН)₃¯+ НСО₃^-

Применяется для синтеза солей алюминия, органических красителей; как лекарственный препарат при повышенной кислотности желудочного сока.

Соли алюминия

Соли алюминия и сильных кислот хорошо растворимы в воде и подвергаются в значительной степени гидролизу по катиону, создавая сильнокислотную среду, в которой растворяются такие металлы, как магний и цинк:

а)AlCl₃=Al^з++ЗCl-

Al³⁺+H2OÛAlOH²⁺+H⁺

б)Zn+2H⁺=Zn²⁺+H₂

Нерастворимы в воде фторид AlF3 и ортофосфат АlРO4, а соли очень слабых кислот, например Н2СОз, вообще не образуются осаждением из водного раствора.

Известны двойные соли алюминия — квасцы состава M^IAl(SO₄)₂ • 12H₂O ( M^I=Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, ТI⁺ ,NH4⁺), самые распространенные из них алюмокалиевые квасцыKAl(SO₄)₂ • 12Н₂O.

Бинарные соединения алюминия

Соединения с преимущественно ковалентными связями, например сульфид АlS₃ и карбид АlС₃.

Полностью разлагаются водой:

Al₂S₃ + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃¯ + ЗН₂S

Аl₄С₃ + 12H₂O = 4Аl(ОН)₃¯+ ЗСН₄

Применяются эти соединения как источники чистых газов — Н₂S и СН₄.

Проценты, проценты...

8,80% массы земной коры составлены алюминием – третьим по распространенности на нашей планете элементом. Мировое производство алюминия постоянно растет. Сейчас оно составляет около 2% от производства стали, если считать по массе. А если по объему, то 5...6%, поскольку алюминий почти втрое легче стали. Алюминий уверенно оттеснил на третье и последующие места медь и все другие цветные металлы, стал вторым по важности металлом продолжающегося железного века. По прогнозам, к концу нынешнего столетия доля алюминия в общем выпуске металлов должна достигнуть 4...5% по массе.

Причин тому множество, главные из них – распространенность алюминия, с одной стороны, и великолепный комплекс свойств – легкость, пластичность, коррозионная стойкость, электропроводность, универсальность в полном смысле этого слова – с другой.

Алюминий поздно пришел в технику потому, что в природных соединениях он прочно связан с другими элементами, прежде всего с кислородом и через кислород с кремнием, и для разрушения этих соединений, высвобождения из них легкого серебристого металла нужно затратить много сил и энергии.

Первый металлический алюминий в 1825 г. получил известный датский физик Ганс Христиан Эрстед, известный в первую очередь своими работами по электромагнетизму. Эрстед пропускал хлор через раскаленную смесь глинозема (окись алюминия Аl₂О₃) с углем и полученный безводный хлористый алюминий нагревал с амальгамой калия. Затем, как это делал еще Дэви, которому, кстати, попытка получить алюминий электролизом глинозема не удалась, амальгаму разлагались нагреванием, ртуть испарялась, и – алюминий явился на свет.