Аллюминий 2 (стр. 1 из 2)

Содержание

1. Общие сведения 1 стр.

2. Получение алюминия 1 стр.

3. Особенности и свойства алюминия 2 стр.

4. Применение алюминия 4 стр.

5. Оксид, гидроксид, хлорид и сульфат алюминия 4 стр.

6. Список литературы 6 стр.

Общие сведения

Алюминий (Aluminium) — самый распространённый в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8 % (масс.).

Основным сырьём для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60 % глинозёма Al₂O₃. К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит K₂SO₄ · Al₂(SO₄)₃ · 2Al₂O₃ · 6H₂O и нефелин Na₂O · Al₂O₃ · 2SiO₂.

Россия располагает запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, месторождения которых имеются у нас на Урале, в Башкирии, богатейшим источником алюминия является нефелин, залегающий совместно с апатитом в Хибинах. Значительные залежи алюминиевого сырья имеются в Сибири.

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

Получение алюминия

В настоящее время алюминий в громадных количествах получают из оксида алюминия Al₂O₃ электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al₂O₃ получают переработкой природного боксита.

Получение алюминия - сложный процесс, сопряжённый с большими трудностями. Основное исходное вещество - оксид алюминия - не проводит электрический ток и имеет высокую температуру плавления (около 2050 ºС). Поэтому электролизу подвергают расплавленную смесь криолита* NA₃ [AlF₆] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 % (масс.) Al₂O₃ , плавиться при 960 ºС и обладает электропроводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведения процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF₃, CaF₂ и MgF₂. Благодаря этому проведения электролиза оказывается возможным при 950 ºС.

Электролизёр для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Анодом (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизёры устанавливают сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизёров.

При электролизе в катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминия, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизёра; отсюда его периодически выпускают.

По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя СО и СО₂.

В дореволюционной России алюминий не производился. Первый алюминиевые завод (Волховский) вступил в строй в 1932 году, а уже в 1935 году наша страна заняла по производству алюминия третье место в мире.

Особенности и свойства алюминия

Одинаковое строение внешнего электронного слоя атомов бора и алюминия обуславливает сходство в свойствах этих металлов. Так, для алюминия, как и для бора, характерна только степень окисленности +3. однако при переходе от бора к алюминию сильно возрастает радиус атома (от 0,091 до 0,143 нм) и, кроме того, появляется ещё один промежуточный восьмиэлектронный слой, экранирующее ядро. Всё это приводит к ослаблению связи внешних электронов с ядром и к уменьшению энергии ионизации атома (см. табл.1.).

Таблица 1. Свойства алюминия и его аналогов

	B	Al	Ga	In	Ti
Строение внешнего электронного слоя атома Радиус атома, нм Энергии ионизации Э → Э+, эВ Э+ → Э2+, эВ Э2+ → Э3+, эВ Радиус иона Э3+, нм Стандартная энтальпия атомизации, кДж на 1 моль атомов Плотность, г/см3 Температура плавления, ºС Температура кипения, ºС	2s22p1 0,091 8,3 25,15 37,9 0,020 561,5 2,34 2075 3700	3s23p1 0,143 5,99 18,8 28,4 0,057 329,3 2,70 660 2520	4s24p1 0,139 6,00 20,5 30,7 0,062 272,9 5,90 29,8 2205	5s25p1 0,166 5,79 18,9 28,0 0,092 238,1 7,31 159,4 2000	6s26p1 0,171 6,11 20,4 29,8 0,105 180,7 11,85 304 1475

Поэтому у алюминия металлические свойства выражены гораздо сильнее, чем у бора. Тем не менее, химические связи, образуемые алюминием с другими элементами, имеют в основном ковалентный характер. Другая особенность алюминия (как и его аналогов - галлия, индия и таллия) по сравнению с бором заключается в существовании свободных d-подуровней во внешнем электронном слое его атома. Благодаря этому координационное число алюминия в его соединениях может равняться не только четырем, как у бора, но и шести.

Соединение алюминия типа ALЭ₃, как и аналогичные соединения бора, электронодефицитны: в отдельных молекулах подобных соединений во внешнем электронном слое атома алюминия находятся только шесть электронов поэтому здесь атом алюминия способен быть акцептом электронных пар. В частности, донорно-акцептному способу (на схеме Г - атом галогена):

Как видно, подобные димерные молекулы содержат по два «мостиковых» атома галогена. Пространственное строение Al₂Cl₆ показано на рисунке 1. Галогениды алюминия существуют в виде димерных молекул Al₂Г₆ в расплавах и в парах. Однако по традиции их состав обычно выражают в форме AlГ₃. Ниже мы тоже будем придерживаться этого способа написания формул галогенидов алюминия.

Гидрид алюминия AlH₃ - тоже электронодефицитное соединение. Однако атом водорода, в отличие от атомов галогенов в молекулах AlГ₃, не имеет неподелённой электронной пары и не может играть роль донора электронов. Рис 1 Схема пространственного Поэтому здесь отдельные молекулы AlH₃ связываются друг с строения молекулы Al₂Cl₆: другом через «мостиковые» атомы водорода трёхцентровыми черные кружки - атомы алюминия, связями, аналогичными связям в молекулах бороводородов светлые - атомы хлора. В результате образуется твердый полимер, состав которого можно выразить формулой (AlH₃)_n.

Алюминий – серебристо - белый лёгкий металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.

при комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой плёнкой оксида, обладающей очень сильным защитным действием. Уничтожение этой плёнки, например, путем амальгамирования алюминия, вызывает быстрое окисление металла, сопровождающееся разогреванием.

Стандартный электродный потенциал алюминия равен - 1,663 В. Несмотря на столь отрицательное значение, алюминий, вследствие образовании на его поверхности защитной оксидной плёнки, не вытесняет водород из воды. Однако амальгамированный алюминий, на котором не образуется плотного слоя оксида, энергично взаимодействует с водою с выделение водорода.

Разбавленная соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий, особенно при нагревании. Сильно разбавленная и холодная концентрированная азотная кислота алюминий не растворяет.

При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причём образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

Тетрагидроксоалюминат натрия

Алюминий, лишённый защитной плёнки, взаимодействует с водой, вытесняя водород:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

Удвоив последнее уравнение и сложив его с предыдущим, получим 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.

Если порошок алюминия (или его тонкую алюминиевую фольгу) сильно нагрет, то он воспламеняется и сгорает ослепительным белым пламенем, образуя оксид алюминия Al₂O₃.

Применение алюминия

Основное применение алюминия - производство сплавов на его основе. Легирующие добавки (например, медь, кремний, магний, цинк, марганец) вводят в алюминий главным образом для повышения его прочности. Широкое распространение имеют дуралюмины, содержащие медь и магний, силумины, в которых основной добавкой служит кремний, магналий (сплав алюминия с 9,5 - 11,5 % магния). Основные достоинства всех сплавов алюминия - это его малая плотность (2,5 - 2,8 г/см³), высокая прочность (в расчёте на единицу массы), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработки. Алюминиевые сплавы применяют в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других областях промышленности. При широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.