Алюміній
- найрозповсюдженіший в земній корі метал. На його долю приходиться 5,5-6,6
мол. доли % або 8 мас. %. Гголовна маса його сконцентрована в алюмосилікатах.
Надзвичайно розповсюдженим продуктом розкладу утворених ним сполук єглина, основний склад якої відповідаєформулі Al2O3.2SiO2.2H2O.Проміж
інших форм знаходження алюмінія найбільше значення має боксит Al2O3.xH2O
і мінерали корунд Al2O3 і кріоліт AlF3.3NaF.
Вперше
алюміній був отриманий Велером в 1827 році дією металічного калія на хлорид
алюмінія. Проте, незважаючи нашироку
розповсюдженість в природі, алюміній до кінця XIX століття належав дочисла рідкіснихметалів.
На
даний часв промисловості алюміній
отримують електролізом розчину глинозема Al2O3 в
ростопленому криоліті. Al2O3 повинен бути достатньо
чистим, тому що із виплавленого алюмінія домішки видаляються дуже тяжко.
Температура плавлення Al2O3 близько 2050оС, а
криоліта - 1100оС. Електролізу піддають розтоплену суміш криоліта і
Al2O3, що вміщує близько 10 масс.% Al2O3,
та плавиться при 960оС і маєелектричну провідність , густину тав’язкістю, найбільш придатними для
проведення процесу. При
додаванні AlF3, CaF2 та MgF2 проведення
електролізу виявляється можливимпри 950оС.
Електролізер
для виплавки алюмінія являє собою залізний кожух, викладений зсередини
вогнестійкою цеглою. Його дно (під), складене з блоків спресованого вугілля, що
є катодом. Анодирозташовані зверху: це
- алюмінієві каркаси, заповнені вугільними брикетами.
Al2O3
= Al3+ + AlO33-
На
катоді виділяється рідкийалюміній:
Al3+
+ 3е- = Al
Алюміній
збирається на дні печі, звідки періодично випускається. На аноді виділяється
кисень:
4AlO33-
- 12е- = 2Al2O3 + 3O2
Кисень
окислює графіт до оксидів вуглецю. По мірі згорання вуглецю анод нарощують.
В періодичній системі алюміній знаходиться в третьому
періоді, вголовній підгрупі третьої
групи. Заряд ядра +13. Електронна будова атома 1s22s22p63s23p1.
Металічний атомний радіус 0,143 нм, ковалентний - 0,126 нм, умовнийрадіус іона Al3+ - 0,057 нм.
Енергія іонізації Al - Al+ 5,99 эВ.
Найбільш
характерна ступінь окислення атома алюмінія +3.Негативна ступінь окислення
проявляється рідко. На зовнішньому електронному шарі атома інують вільні
d-підрівні. Завдяки цьому йогокоординаційне число в сполуках може бути рівним не тільки4 (AlCl4-, AlH4-,
алюмосилікати),але й 6 (Al2O3,[Al(OH2)6]3+).
Алюміній
- типовий амфотерний елемент. Для ньго характерні не тільки аніонні, а й
катіонні комплекси. Так, в кислому середовищі існує катіонний аквакомплекс
[Al(OH2)6]3+, а в лужному - аніонний
гидрокомплекс та [Al(OH)6]3-.
У
вигляді простї речовини алюміній - сріблясто-білий, досить твердий метал з
густиною 2,7 г/см3 (т.пл. 660оС, т. кип. ~2500оС).
Кристалізується в гранецентричній кубічній решітці. Характеризується високою в’язкістю, теплопровідністю та електропровідністю (що складає
0,6 електропровідності міді). З цим пов’язано його використання при виробництві
електричних проводів. При однаковій електричній провідноті алюміневий дрот
важить вдвічі меньше мідного.
На
повітрі алюміній покриваєтьсянадтонкою
(0,00001 мм), але дуже щільною плівкою оксида, що
запобігає подальшому
окисленню метала та надає йомуматовий
вигляд. При обробці поверхні алюмінія сильними окисниками (конц. HNO3,
K2Cr2O7) чи навіть анодним окисленням товщина
захистної плівки збільшується. Стійкістьалюмінія дозволяє виготовляти з ньогохімічну апаратуру та ємкості для зберігання і транспортування азотної
кислоти.
Алюміній
легко витягується в дріт та прокатується в тонкі листи. Алюмінієва фольга
(товщиною 0,005 мм) застосовується в харчовій та фармацептичній промисловості
для упаковки продуктів тапрепаратів.
Основну
масу алюмінія використовують для отримання різноманітних сплавів, поряд з
чудовими механічними якостями, що характеризуютьсялегкістью метала. Найважливіший з них -
дуралюміній (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe та Si), силумін (85 - 90% Al, 10
- 14% Sk, 0,1% Na) та інші. Алюмінієві сплави застосовуютьсяв ракетній техніці, в авіа-, авто-, судо- та приладобудуванні,
у виробництві посуду та багатьох інших галузях промисловості. По широті
застосуваннясплави алюмінія займають
друге місце після сталі та чугуна.
Алюміній,
крім того, застосовується як легіруюча добавка до багатьох сплавів для надання
їм жаростійкості.
При
прожарюванні мілко раздробленого алюмінія він енергійно згорає на повітрі.
Аналогічно проходить його взаємодія з сіркою. З хлором та бромом сполучається
вже при звичайній температурі, з йодом - при нагріванні. При дуже високих
температурах алюмінй безпосиредньо реагує також з азотом та вуглецем. Проте з
воднем взаємодієдуже пасивно.
По
відношенню до водиалюміній досить
стійкий. Але якщомеханічним шляхом чи
амальгамуванням зняти запобіжну діюоксидної плівки, то проходить енергічна реакція:
2Al
+ 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Сильно
розбавлені, а також дуже концентровані HNO3 та Н2SO4 на
алюміній майже не діють (на холоді), тоді як при середніх концентраціях в цих
кислотах він поступово розчиняється. Чистий алюміній досить стійкий по
відношенню до соляної кислоти, але звичайнийтехнічний метал в нійрозчиняється.
При
дії на алюміній водних розчинів лугів шар оксида розиняється, при цьому
утворюються алюмінати - солі, що містятьалюміній в складі аніона:
В
ряді напруг він розташований між Mg та Zn. У всіх своїх сполуках алюміній
трьохвалентний.
Сполучення
алюмінія з киснем відбувається з великимвыділеням тепла (1676 кДж/моль Al2O3), значно
більшим, ніж у багатьох інших металів. З огляду на це при
рожарюванні сумішіоксида відповідного металаз порошком алюмінія проходить бурхлива
реакція, з виділенням метала із взятого оксида. Метод відновлення за допомогою
Al (алюмотермія) часто використовуєтьсядля отримання ряду елементів (Cr, Mn, V, W та інших.) у вільному виглді.
Алюмотермією
інколи користуються для зварки окремих стальних частин, наприклад трамвайних
рейок. Застосовувана суміш ("терміт”) складається з дрібнихпорошків алюмінія та Fe3O4.
Підпалюється за допомогою запала з суміші Al та BaO2. Основна
реакція йде по наступному рівнянню:
8Al
+ 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe + 3350 кДж
Причому
досягається температура близько 3000оС.
Оксид
алюмінія являє собою білу, дуже тугоплавку (т. пл. 2050оС) та
нерозчинну уводі масу. Природний Al2O3
(мінерал корунд), а також отриманий штучним шляхома потім дуже прожарений має високу стійкість
та не розчиняється в кислотах. В розчинний стан Al2O3 (т.
з. глинозем) можнаперевести
сплавлюваням з лугами.
Звичайно
забруднений домішкамиоксида заліза
природний корунд в міру своєї надзвичайноїтвердості
застосовують для виготовлення
шліфувальних кругів, брусків і т.п. В мілко роздробленому вигляді він під
назвою наждака використовується для очистки металічних поверхонь та виробництва
наждачного паперу. Для тих же потребчасто використовують Al2O3, отриманий
сплавленням(технічна назва - алунд).
Прозорі
та забарвленікристали корунда -
червоний рубін - домішка хрома - синій сапфір - домішка титана та заліза -
дорагоціні каміння. Їх отримують також штучно та використовують також для
технічних потреб, наприклад, для виготовлення деталей точних приладів, каменей в
годинниках і т.п. Кристали рубінів, що мають незначну домішку Cr2O3,
використовують в якості квантових генераторів - лазерів, що створюють
напрямленийпучок монохроматичного
випромінювання.
З
огляду на нерозчинністьAl2O3
у воді відповідаючий цому оксиду гідроксид Al(OH)3 може бути
отриманим лише не прямим шляхом із солей. Отриманнягідроксида можа представити у вигляді
наступної схеми. При дії лугівіонами OH-
поступово заміщають в аквокомплексах [Al(OH2)6]3+
молекули води:
[Al(OH2)6]3+
+ OH- = [Al(OH)(OH2)5]2+ + H2O
[Al(OH)(OH2)5]2+
+ OH- = [Al(OH)2(OH2)4]+
+ H2O
[Al(OH)2(OH2)4]+
+ OH- = [Al(OH)3(OH2)3]0
+ H2O
Al(OH)3
являє собою желеподібний осадбілого кольору, практично нерозчинний у воді,
але легко розчинний в кислотах та сильних лугах.Відповідно він має амфотерні
властивості. Протеосновні таособливо кислотні його властивості виражені
досить слабо. В надлишку NH4OH гидроксид алюмінія нерозчинний.
При
взаємодії з сильними лугами утворюються відповідніалюмінати:
NaOH + Al(OH)3 =
Na[Al(OH)4]
Алюмінати
найбільш активних одновалентних металів у воді добре розчинні, але через
сильний гідроліз їх розчини стійкі лише при надлишку лугів.
З
кислотами Al(OH)3 утворює солі. Похідні більшостісильних кислот добре розчинні у воді, але
досить гідролізовані, і тому їх розчини мають кислу реакцію.
У
водному середовищі аніон Al3+ безпосередньо оточений шістьма
молекулами води. Такий гидратованний іон дещо дисоційований по схемі:
[Al(OH2)6]3+
+ H2O = [Al(OH)(OH2)5]2+ + OH3+
Константа його дисоціації
рівна 1.10-5,тобто він являється слабою кислотою
(близькою по силі до оцтової).
Алюмосилікати
можа розглядати як силікати, в яких частина кремнієкисневих тетраєдрів SiO44-
замінена на алюмокисневі тетраєдри AlO45-. З
алюмосилікатів найбільш розповсюдженішими є польові шпати, на долю яких
приходиться більш ніж половина маси земної кори. Головні їх представники -
минерали
ортоклаз
K2Al2Si6O16 або K2O.Al2O3.6SiO2
альбіт
Na2Al2Si6O16 або Na2O.Al2O3.6SiO2
анортіт
CaAl2Si2O8 або CaO.Al2O3.2SiO2
Дуже
розповсюдженімінерали групи слюд,
наприклад мусковіт Kal2(AlSi3O10)(OH)2.Найбільше
практичне значення має мінерал нефелін (Na,K)2[Al2Si2O8],
який використовується для отриманняглинозема содовых продуктів та цементу. Це виробництво складається з
наступних операцій: a) нефелін та вапняк спекают в трубчатих печах при 1200оС:
д)
випаровуваням розчину виділяють соду и поташ, а раніше отриманий шлам йде на
виробництво цемента.
При
виробнойтві 1 т Al2O3 отримують 1 т співпродуктів та 7.5
т цемента.
Деякі
алюмосилікати володіють крихкою структурою та здатні до іонного обміну. Такі
силікати - природні та особливо штучні - застосовуються для пом’ягчення води.
Галогеніди
алюмінія в звичайних умовах - безбарвнікристалічні речовини. В ряді галогенідів алюмінія AlF3 дуже
відрізняється за властивостями від своїх аналогів. Він тугоплавкий, мало
розчинний у воді, хімічно неактивний.
Основний шлях отримання AlF3
оснований на дії безводного HF на Al2O3 або Al:
Al2O3
+ 6HF = 2AlF3 + 3H2O
Сполуки
алюмінія з хлором, бромом та йодом легкоплавкі, досить реакційноздатні та добре
розчинні не лише у воді, а й в багабтьохорганічних розчинниках. Взаємодія галогенідів алюмінія з водою
супровожджується значним виділенням теплоти.
Будучи
помітно летючими вже при звичайних умовах, AlCl3, AlBr3 і
AlI3 димлять на вологому повітрі (внаслідок гідроліза). Вони можуть
бути отримані при взаємодії простих речовин.
Раздаем по 50$ просто так. Выберите счет, инвестируйте полученные 50$ и наблюдайте за тем, как растут уже ваши деньги. Получите 50 USD здесь http://rancat.xyz/track/BDP50