Все об алюминии. Химические и физические свойства алюминия

Одним из распространённых элементов планеты является алюминий. Физические и химические свойства алюминия применяются в промышленности. Все, что необходимо знать, про этот металл вы найдете в нашей статье.

Строение атома

Алюминий - это 13 элемент периодической таблицы. Он находится в третьем периоде, III группе, главной подгруппе.

Свойства и применение алюминия связаны с его электронным строением. Атом алюминия имеет положительно заряженное ядро (+13) и 13 отрицательно заряженных электронов, располагающихся на трёх энергетических уровнях. Электронная конфигурация атома - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с веществами алюминий переходит в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и другие активные металлы, алюминий является мощным восстановителем.

Рис. 1. Строение атома алюминия.

Алюминий - амфотерный металл, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. В зависимости от условий соединения проявляют кислотные или основные свойства.

Физическое описание

Алюминий обладает:

лёгкостью (плотность 2,7 г/см 3);
серебристо-серым цветом;
высокой электропроводностью;
ковкостью;
пластичностью;
температурой плавления - 658°C;
температурой кипения - 2518,8°C.

Из металла делают жестяные ёмкости, фольгу, проволоку, сплавы. Алюминий используют при изготовлении микросхем, зеркал, композитных материалов.

Рис. 2. Жестяные ёмкости.

Алюминий - парамагнетик. Металл притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля.

Химические свойства

На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь оксидной плёнкой. Она защищает металл от коррозии, а также препятствует взаимодействию с концентрированными кислотами (азотной, серной). Поэтому кислоты хранят и перевозят в алюминиевой таре.

При обычных условиях реакции с алюминием возможны только после удаления оксидной плёнки. Большинство реакций протекают при высоких температурах.

Основные химические свойства элемента описаны в таблице.

*Реакция*	*Описание*	*Уравнение*
С кислородом	Горит при высоких температурах с выделением тепла	4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3
С неметаллом	Взаимодействует с серой при температуре выше 200°С, с фосфором - при 500°С, с азотом - при 800°С, с углеродом - при 2000°С	2Al + 3S → Al 2 S 3 ; Al + P → AlP; 2Al + N 2 → 2AlN; 4Al + 3C → Al 4 C 3
С галогенами	Реагирует при обычных условиях, с йодом - при нагревании в присутствии катализатора (воды)	2Al + 3Cl 2 → 2AlCl 3 ; 2Al + 3I 2 → 2AlI 3 ; 2Al + 3Br 2 → 2AlBr 3
С кислотами	Реагирует с разбавленными кислотами при обычных условиях, с концентрированными - при нагревании	2Al + 3H 2 SO 4 (разбав.) → Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 ; Al + 6HNO 3 (конц.) → Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
Со щелочами	Реагирует с водными растворами щелочей и при сплавлении	2Al + 2NaOH + 10H 2 O → 2Na + 3H 2 ; 2Al + 6KOH → 2KAlO 2 + 2K 2 O + 3H 2
С оксидами	Вытесняет менее активные металлы	2Al + Fe 2 O 3 → 2Fe + Al 2 O 3

Алюминий не реагирует непосредственно с водородом. Реакция с водой возможна после снятия оксидной плёнки.

Рис. 3. Реакция алюминия с водой.

Что мы узнали?

Алюминий - амфотерный активный металл с постоянной валентностью. Обладает небольшой плотностью, высокой электропроводностью, пластичностью. Притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля. Алюминий реагирует с кислородом, образуя защитную плёнку, которая препятствует реакциям с водой, концентрированными азотной и серной кислотами. При нагревании взаимодействует с неметаллами и концентрированными кислотами, при обычных условиях - с галогенами и разбавленными кислотами. В оксидах вытесняет менее активные металлы. Не реагирует с водородом.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.3 . Всего получено оценок: 74.

3s 2 3p 1 Химические свойства Ковалентный радиус 118 пм Радиус иона 51 (+3e) пм Электроотрицательность
(по Полингу) 1,61 Электродный потенциал -1,66 в Степени окисления 3 Термодинамические свойства простого вещества Плотность 2,6989 /см ³ Молярная теплоёмкость 24,35 Дж /( ·моль) Теплопроводность 237 Вт /( ·) Температура плавления 933,5 Теплота плавления 10,75 кДж /моль Температура кипения 2792 Теплота испарения 284,1 кДж /моль Молярный объём 10,0 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая гранецентрированая Параметры решётки 4,050 Отношение c/a — Температура Дебая 394

Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 13. Обозначается символом Al (Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

По некоторым биологическим исследованиям поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера, но эти исследования были позже раскритикованы и вывод о связи одного с другим опровергался.

История

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.

Получение

Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру . Он заключается в растворении оксида алюминия Al 2 O 3 в расплаве криолита Na 3 AlF 6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов . Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке .

Для производства 1 т алюминия чернового требуется 1,920 т глинозёма, 0,065 т криолита, 0,035 т фторида алюминия, 0,600 т анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.

Физические свойства

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность — 2,7 г/см³, температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C, удельная теплота плавления — 390 кДж/кг, температура кипения — 2500 °C, удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг, временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм².

Твёрдость по Бринеллю — 24-32 кгс/мм², высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.

Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами.

Нахождение в природе

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27 Al со следами 26 Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей.

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах). Некоторые из них:

Бокситы — Al 2 O 3 . H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3)
Нефелины — KNa 3 4
Алуниты — KAl(SO 4) 2 . 2Al(OH) 3
Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2 , известняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3)
Корунд — Al 2 O 3
Полевой шпат (ортоклаз) — K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2
Каолинит — Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O
Алунит — (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3
Берилл — 3ВеО. Al 2 О 3 . 6SiO 2

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в поверхностных водных объектах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л.

Химические свойства

Гидроксид алюминия

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями : с H 2 O (t°);O 2 , HNO 3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH 4 + , горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

с кислородом : 4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
с галогенами : 2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3
с другими неметаллами реагирует при нагревании:
- с серой , образуя сульфид алюминия : 2Al + 3S = Al 2 S 3
- с азотом , образуя нитрид алюминия : 2Al + N 2 = 2AlN
- с углеродом , образуя карбид алюминия : 4Al + 3С = Al 4 С 3

Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом во Франции и Полем Эру в США в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники , производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове . Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47,7 тыс.тонн алюминия, ещё 2,2 тыс.тонн импортировалось.

В России фактическим монополистом по производству алюминия является ОАО «Русский алюминий », на который приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма.

Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44,3 млн т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов.

Применение

Кусок алюминия и американская монетка.

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al 2 O 3 , которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния - сплав дюралюминий.

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 2 раза дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является прочная оксидная плёнка, затрудняющая спаивание .

Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.
Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал .
В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин , нефтяным платформам , теплообменной аппаратуре , а также заменяют цинкование.
Сульфид алюминия используется для производства сероводорода .
Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя

Как компонент термита, смесей для алюмотермии
Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.

— Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошо свариваются; из них делают, например, корпуса быстроходных судов.

— Алюминиево-марганцевые сплавы во многом аналогичны алюминиево-магниевым.

— Алюминиево-медные сплавы (в частности, дюралюминий) можно подвергать термообработке, что намного повышает их прочность. К сожалению, термообработанные материалы нельзя сваривать, поэтому детали самолётов до сих пор соединяют заклёпками. Сплав с бо́льшим содержанием меди по цвету внешне очень похож на золото , и его иногда применяют для имитации последнего.

— Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.

— Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.

— Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

Ювелирные изделия

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

— Алюминий: горючее в ракетных топливах. Применяется в виде порошка и суспензий в углеводородах и др
— Гидрид алюминия
— Боранат алюминия
— Триметилалюминий
— Триэтилалюминий
— Трипропилалюминий

Теоретические характеристики топлив, образованных гидридом алюминия с различными окислителями.

Окислитель	Удельная тяга (Р1, сек)	Температура сгорания °С	Плотность топлива, г/см³	Прирост скорости, ΔV ид, 25, м/с	Весовое содерж. горючего, %
Фтор	348,4	5009	1,504	5328	25
Тетрафторгидразин	327,4	4758	1,193	4434	19
ClF 3	287,7	4402	1,764	4762	20
ClF 5	303,7	4604	1,691	4922	20
Перхлорилфторид	293,7	3788	1,589	4617	47
Фторид кислорода	326,5	4067	1,511	5004	38,5
Кислород	310,8	4028	1,312	4428	56
Перекись водорода	318,4	3561	1,466	4806	52
N 2 O 4	300,5	3906	1,467	4537	47
Азотная кислота	301,3	3720	1,496	4595	49

Алюминий в мировой культуре

Поэт Андрей Вознесенский написал в 1959 году стихотворение «Осень», в котором использовал алюминий в качестве художественного образа:
…А за окошком в юном инее
лежат поля из алюминия…

Виктор Цой написал песню «Алюминиевые огурцы» с припевом:
Сажаю алюминиевые огурцы
На брезентовом поле
Я сажаю алюминиевые огурцы
На брезентовом поле

Токсичность

Отличается незначительным токсическим действием, но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела): ацетат алюминия — 0,2-0,4; гидроксид алюминия — 3,7-7,3; алюминиевые квасцы — 2,9. В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек.

Дополнительная информация

— Гидроксид алюминия
— Энциклопедия об алюминии
— Соединения алюминия
— Международный институт алюминия

Алюминий, Aluminium, Al (13)

Вяжущие вещества, содержащие алюминий, известны с глубокой древности. Однако под квасцами (лат. Alumen или Alumin, нем. Alaun), о которых говорится, в частности, у Плиния, в древности и в средние века понимали различные вещества. В «Алхимическом словаре» Руланда слово Alumen с добавлением различных определений приводится в 34 значениях. В частности, оно означало антимоний, Alumen alafuri — алкалическую соль, Alumen Alcori — нитрум или алкалические квасцы, Alumen creptum — тартар (винный камень) хорошего вина, Alumen fascioli — щелочь, Alumen odig — нашатырь, Alumen scoriole — гипс и т. д. Лемери, автор известного «Словаря простых аптекарских товаров» (1716), также приводит большой перечень разновидностей квасцов.

До XVIII в. соединения алюминия (квасцы и окись) не умели отличать от других, похожих по внешнему виду соединений. Лемери следующим образом описывает квасцы: «В 1754 r. Маргграф выделил из раствора квасцов (действием щелочи) осадок окиси алюминия, названной им »квасцовой землей» (Alaunerde), и установил ее отличие от других земель. Вскоре квасцовая земля получила название алюмина (Alumina или Alumine). В 1782 г. Лавуазье высказал мысль, что алюмина представляет собой окисел неизвестного элемента. В «Таблице простых тел» Лавуазье поместил алюмину (Alumine) среди «простых тел, солеобразующих, землистых«. Здесь же приведены синонимы названия алюмина: аргила (Argile), квасцовая. земля, основание квасцов. Слово аргила, или аргилла, как указывает Лемери в своем словаре, происходит от греч. горшечная глина. Дальтон в своей »Новой системе химической философии» приводит специальный знак для алюмины и дает сложную структурную (!) формулу квасцов.

После открытия с помощью гальванического электричества щелочных металлов Дэви и Берцелиус безуспешно пытались выделить тем же путем металлический алюминий из глинозема. Лишь в 1825 г. задача была решена датским физиком Эрстедом химическим способом. Он пропускал хлор через раскаленную смесь глинозема с углем, и полученный безводный хлористый алюминий нагревал с амальгамой калия. После испарения ртути, пишет Эрстед, получался металл, похожий по внешнему виду на олово. Наконец, в 1827 г. Велер выделил металлический алюминий более эффективным способом — нагреванием безводного хлористого алюминия с металлическим калием.

Около 1807 г. Дэви, пытавшийся осуществить электролиз глинозема, дал название предполагаемому в нем металлу алюмиум (Alumium) или алюминум (Aluminum). Последнее название с тех пор ужилось в США, в то время как в Англии и других странах принято предложенное впоследствии тем же Дэви название алюминиум (Aluminium). Вполне ясно, что все эти названия произошли от латинского слова квасцы (Alumen), насчет происхождения которого существуют разные мнения, базирующиеся на свидетельствах различных авторов, начиная с древности.

А. М. Васильев, отмечая неясное происхождение этого слова, приводит мнение некоего Исидора (очевидно Исидора Севильского, епископа, жившего в 560 — 636 гг.,- энциклопедиста, занимавшегося, в частности, этимологическими исследованиями): «Alumen называют a lumen, так как он придает краскам lumen (свет, яркость), будучи добавлен при крашении«. Однако это, хотя и очень давнее, объяснение не доказывает, что слово alumen имеет именно такие истоки. Здесь вполне вероятна лишь случайная тавтология. Лемери (1716) в свою очередь указывает, что слово alumen связано с греческим (халми), означающим соленость, соляной раствор, рассол и пр.

Русские названия алюминия в первые десятилетия XIX в. довольно разнообразны. Каждый из авторов книг по химии этого периода, очевидно, стремился предложить свое название. Так, Захаров именует алюминий глиноземом (1810), Гизе — алумием (1813), Страхов — квасцом (1825), Иовский — глинистостью, Щеглов — глиноземием (1830). В »Магазине Двигубского» (1822 — 1830) глинозем называется алюмин, алюмина, алумин (например, фосфорно-кисловатая алюмина), а металл — алуминий и алюминий (1824). Гесс в первом издании «Оснований чистой химии» (1831) употребляет название глиноземий (Aluminium), а в пятом издании (1840) — глиний. Однако названия для солей он образует на основе термина глинозем, например сернокислый глинозем. Менделеев в первом издании »Основ химии" (1871) пользуется названиями алюминий и глиний. В дальнейших изданиях слово глиний уже не встречается.

Министерствообразования и науки РФ

«АЛЮМИНИЙ»

2007 год

АЛЮМИНИЙ (лат. Aluminium; от«alumen» - квасцы), Al, химический элемент III группы периодическойсистемы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154.

1.Общая характеристикаалюминия

Природный алюминий состоит изодного нуклида 27Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практическиво всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).

Радиус нейтрального атомаалюминия 0,143 нм, радиус иона Al3+ 0,057 нм. Энергии последовательнойионизации 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 = 0,40403нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около2450°C, плотность 2,6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширенияалюминия около 2,5·10–5 К–1 Стандартный электродный потенциал Al3+/Al- 1,663В.

Химически алюминий - довольноактивный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотнойпленкой оксида Al2О3, которая препятствует дальнейшемудоступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, чтообусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитнаяповерхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить вконцентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминийактивно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,

3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3+ 3H2.

Алюминий реагирует с растворамищелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:

Al2О3 + 2NaOH + 3H2O =2Na.

Затем протекают реакции:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3+ 3H2,

NaOH + Al(OH)3= Na,

или суммарно:

2Al + 6H2O + 2NaOH =Na + 3Н2,

и в результате образуютсяалюминаты: Na - алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминатнатрия), К - алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др.Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединенийследующие:

Naи К.

При нагревании алюминий реагируетс галогенами:

2Al + 3Cl2= 2AlCl3,

2Al + 3 Br2= 2AlBr3.

Интересно, что реакция междупорошками алюминия и иода (I) начинается при комнатной температуре, если висходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играетроль 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) алюминийнепосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, сиспользованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердыйполимерный гидрид алюминия (AlН3)х - сильнейшийвосстановитель.

В виде порошка алюминий можносжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминияAl2О3.

Высокая прочность связи в Al2О3обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способностьалюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

3Fe3O4 +8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже

3СаО + 2Al = Al2О3+ 3Са.

Такой способ получения металловназывают алюминотермией.

Амфотерному оксиду Al2О3соответствует амфотерный гидроксид - аморфное полимерное соединение, не имеющеепостоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl2O3·yH2O,при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают какАl(OH)3.

В лаборатории гидроксид алюминияможно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:

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

или за счет добавления соды краствору соли алюминия:

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

а также добавлением растворааммиака 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-завысокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулосьпочти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля»(тугоплавкое вещество, по-современному - оксид алюминия) сделал еще в 1754немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может бытьвыделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлическийалюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамойкалия (сплавом калия (K) со ртутью (Hg)) хлорид алюминия AlCl3,который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути (Hg) выделилсерый порошок алюминия.

Только через четверть века этотспособ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-КлерДевиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлическийнатрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия былатогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.

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

3.Нахождение в природе

По распространенности в земнойкоре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всехэлементов (после кислорода (O) и кремния (Si)), на его долю приходится около8,8% массы земной коры. Алюминий входит в огромное число минералов, главнымобразом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты,базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числеминералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов - главного сырьяпри промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождениябокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алунитыи нефелины. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений иживотных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своихорганах, - некоторые плауны, моллюски.

4.Получение

Промышленное получение: припромышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке,удаляя из них примеси оксидов кремния (Si), железа (Fe) и других элементов. Врезультате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al2O3- основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, чтотемпература плавления Al2O3 очень высока (более 2000°C),использовать его расплав для электролиза не удается.

Выход ученые и инженеры нашли вследующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит Na3AlF6(температура расплава немного ниже 1000°C). Криолит можно получить, например,при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляютнемного Al2О3 (до 10% по массе) и некоторые другиевещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизеэтого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается врасплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:

2Al2О3 =4Al + 3О2.

Так как анодом при электролизеслужит графит, то выделяющийся на аноде кислород (O) реагирует с графитом иобразуется углекислый газ СО2.

При электролизе получают металл ссодержанием алюминия около 99,7%. В технике применяют и значительно болеечистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99,999% и более.

5.Применение

По масштабам применения алюминийи его сплавы занимают второе место после железа (Fe)и его сплавов. Широкоеприменение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностьюего физических, механических и химических свойств: малой плотностью,коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- иэлектропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминийлегко обрабатывается различными способами - ковкой, штамповкой, прокаткой и др.Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводностьалюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем втри раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) ифольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемогоалюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаютсямалой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионнойстойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- иэлектропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхностисплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

Разнообразие свойств алюминиевыхсплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с нимтвердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминияиспользуют для получения легких сплавов - дуралюмина (94% - алюминий, 4% медь(Cu), по 0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина(85-90% - алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (Na)) и др. В металлургииалюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широкоприменяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди (Cu), магния(Mg), железа (Fe), >никеля (Ni) и др.

Сплавы алюминия находят широкоеприменение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, всудостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевогосплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия ициркония (Zr) - циркалой - широко применяют в ядерном реакторостроении.Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.

Особо следует отметить окрашенныепленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемыеэлектрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминийназывают анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему видунапоминающему золото (Au), изготовляют различную бижутерию.

При обращении с алюминием в бытунужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно тольконейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если,например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу иона приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксиднуюпленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-такинежелательно.

6.Биологоческая роль

В организм человека алюминийежедневно поступает с пищей (около 2-3 мг), но его биологическая роль неустановлена. В среднем в организме человека (70 кг) в костях, мышцах содержитсяоколо 60 мг алюминия.

Алюминий и его соединения

Главную подгруппу III группы периодической системы составляют бор (В),алюминий (Аl), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Тl).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIXстолетии.

Бор представляет собой неметалл. Алюминий - переходный металл, а галлий, индий и таллий - полноценные металлы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свойства простых веществ усиливаются.

Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, степени окисления

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar(Al) = 27. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.

Al +13) 2) 8) 3 , p – элемент,

Основное состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

Возбуждённое состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al 0 – 3 e - → Al +3

Физические свойства

Алюминий в свободном виде - серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3) - примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно - это прочный металл.

Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов , уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

Некоторые из них:

· Бокситы - Al 2 O 3 H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3)

· Нефелины - KNa 3 4

· Алуниты - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2 , известняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3)

· Корунд - Al 2 O 3 (рубин, сапфир)

· Полевой шпат (ортоклаз) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2

· Каолинит - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O

· Алунит - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3

· Берилл - 3ВеО Al 2 О 3 6SiO 2

Химические свойства алюминия и его соединений

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изучения химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).

Этот легкий металл с серебристо-белым оттенком в современной жизни встречается почти повсеместно. Физические и химические свойства алюминия позволяют широко использовать его в промышленности. Самые известные месторождения - в Африке, Южной Америке, в Карибском регионе. В России места добычи бокситов имеются на Урале. Мировыми лидерами по производству алюминия являются Китай, РФ, Канада, США.

Добыча Al

В природе этот серебристый металл в силу своей высокой химической активности встречается лишь в виде соединений. Наиболее известные геологические породы, содержащие алюминий, - это бокситы, глиноземы, корунды, полевые шпаты. Промышленное значение имеют бокситы и глиноземы, именно месторождения этих руд позволяют добывать алюминий в чистом виде.

Свойства

Физические свойства алюминия позволяют легко вытягивать заготовки этого металла в проволоку и прокатывать в тонкие листы. Этот металл не является прочным, для повышения данного показателя при выплавке его легируют различными добавками: медью, кремнием, магнием, марганцем, цинком. Для промышленного назначения важно еще одно физическое свойство вещества алюминия - это его способность быстро окисляться на воздухе. Поверхность изделия из алюминия в естественных условиях обычно покрыта тонкой оксидной пленкой, которая эффективно защищает металл и препятствует его коррозии. При уничтожении этой пленки серебристый металл быстро окисляется, при этом его температура заметно повышается.

Внутреннее строение алюминия

Физические и химические свойства алюминия во многом зависят от его внутреннего строения. Кристаллическая решетка этого элемента является разновидностью гранецентрированного куба.

Данный тип решетки присущ многим металлам, таким, как медь, бром, серебро, золото, кобальт и другие. Высокая теплопроводность и способность проводить электричество сделали этот металл одним из самых востребованных в мире. Остальные физические свойства алюминия, таблица которых представлена ниже, раскрывают полностью его свойства и показывают сферы их применения.

Легирование алюминия

Физические свойства меди и алюминия таковы, что при добавлении к алюминиевому сплаву некоторого количества меди его кристаллическая решетка искривляется, и прочность самого сплава повышается. На этом свойстве Al основано легирование легких сплавов для повышения их прочности и стойкости к воздействию агрессивной среды.

Объяснение процесса упрочнения лежит в поведении атомов меди в кристаллической решетке алюминия. Частицы Cu стремятся выпасть из кристаллической решетки Al, группируются на ее особых участках.

Там, где атомы меди образуют скопления, образуется кристаллическая решетка смешанного типа CuAl 2 , в которой частицы серебристого металла одновременно входят в состав и общей кристаллической решетки алюминия, и в состав решетки смешанного типа CuAl 2. Силы внутренних связей в искаженной решетке гораздо больше, чем в обычной. А значит, и прочность новообразованного вещества гораздо выше.

Химические свойства

Известно взаимодействие алюминия с разбавленными серной и соляной кислотой. При нагревании этот металл в них легко растворяется. Холодная концентрированная или сильно разбавленная азотная кислота не растворяет этот элемент. Водные растворы щелочей активно воздействуют на вещество, в процессе реакции образуя алюминаты - соли, в составе которых имеются ионы алюминия. Например:

Al 2 O 3 +3H2O+2NaOH=2Na

Получившееся в результате реакции соединение носит название тетрагидроксоалюминат натрия.

Тонкая пленка на поверхности алюминиевых изделий защищает этот металл не только от воздуха, но и от воды. Если эту тонкую преграду убрать, элемент станет бурно взаимодействовать с водой, выделяя из нее водород.

2AL+6H 2 O= 2 AL (OH) 3 +3Н 2

Образовавшееся вещество называется гидроксидом алюминия.

AL (OH) 3 реагирует с щелочью, образуя кристаллы гидроксоалюмината:

Al(OH) 2 +NaOH=2Na

Если это химическое уравнение сложить с предыдущим, получим формулу растворения элемента в щелочном растворе.

Al(OH) 3 +2NaOH+6H 2 O=2Na +3H 2

Горение алюминия

Физические свойства алюминия позволяют ему вступать в реакцию с кислородом. Если порошок этого металла или алюминиевую фольгу нагреть, то она вспыхивает и горит белым ослепительным пламенем. В конце реакции образуется оксид алюминия Al 2 O 3.

Глинозем

Полученный оксид алюминия имеет геологическое название глинозем. В естественных условиях он встречается в виде корунда - твердых прозрачных кристаллов. Корунд отличается высокой твердостью, в шкале твердых веществ его показатель составляет 9. Сам корунд бесцветен, но различные примеси могут окрасить его в красный и синий цвет, так получаются драгоценные камни, которые в ювелирном деле называются рубинами и сапфирами.

Физические свойства оксида алюминия позволяют выращивать эти драгоценные камни в искусственных условиях. Технические драгоценные камни используются не только для ювелирных украшений, они применяются в точном приборостроении, для изготовления часов и прочего. Широко используются искусственные кристаллы рубина и в лазерных устройствах.

Мелкозернистая разновидность корунда с большим количеством примесей, нанесенная на специальную поверхность, известна всем как наждак. Физические свойства оксида алюминия объясняют высокие абразивные свойства корунда, а также его твердость и устойчивость к трению.

Гидроксид алюминия

Al 2 (OH) 3 является типичным амфотерным гидроксидом. В соединении с кислотой это вещество образует соль, содержащую положительно заряженные ионы алюминия, в щелочах образует алюминаты. Амфотерность вещества проявляется в том, что он может вести себя и как кислота, и как щелочь. Это соединение может существовать и в желеобразном, и в твердом виде.

В воде практически не растворяется, но вступает в реакцию с большинством активных кислот и щелочей. Физические свойства гидроксида алюминия используются в медицине, это популярное и безопасное средство снижения кислотности в организме, его применяют при гастритах, дуоденитах, язвах. В промышленности Al 2 (OH) 3 используется в качестве адсорбента, он прекрасно очищает воду и осаждает растворенные в ней вредные элементы.

Промышленное использование

Алюминий был открыт в 1825 году. Поначалу данный металл ценился выше золота и серебра. Это объяснялось сложностью его извлечения из руды. Физические свойства алюминия и его способность быстро образовывать защитную пленку на своей поверхности затрудняли исследование этого элемента. Лишь в конце 19 века был открыт удобный способ плавки чистого элемента, пригодный для использования в промышленных масштабах.

Легкость и способность сопротивляться коррозии - уникальные физические свойства алюминия. Сплавы этого серебристого металла применяются в ракетной технике, в авто-, судо-, авиа- и приборостроении, в производстве столовых приборов и посуды.

Как чистый металл Al используется при изготовлении деталей для химической аппаратуры, электропроводов и конденсаторов. Физические свойства алюминия таковы, что его электропроводность не так высока, как у меди, но этот недостаток компенсируется легкостью рассматриваемого металла, что позволяет делать провода из алюминия более толстыми. Так, при одинаковой электропроводности алюминиевый провод весит в два раза меньше медного.

Не менее важным является применение Al в процессе алитирования. Так называется реакция насыщения поверхности чугунного или стального изделия алюминием с целью защиты основного металла от коррозии при нагревании.

В настоящее время изведанные запасы алюминиевых руд вполне сопоставимы с потребностями людей в этом серебристом металле. Физические свойства алюминия могут преподнести еще немало сюрпризов его исследователям, а сферы применения этого металла гораздо шире, чем можно представить.