›

Свойства алюминия при обычных условиях. Физические и химические свойства алюминия

Около 1807 г. Дэви, пытавшийся осуществить электролиз глинозема, дал название предполагаемому в нем металлу алюмиум (Alumium). Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. В 1827 г. Велер выделил металлический алюминий более эффективным способом - нагреванием безводного хлористого алюминия с металлическим калием.

Нахождение в природе, получение:

По распространенности в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Содержание 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).
Корунд: Al 2 O 3 - относится к классу простых оксидов, и иногда образует прозрачные драгоценные кристаллы - сапфира, и, с добавлением хрома, рубина. Накапливается в россыпях.
Бокситы: Al 2 O 3 *nH 2 O - осадочные алюминиевые руды. Содержат вредную примесь - SiO 2 . Бокситы служат важным сырьем для получения алюминия, а также красок, абразивов.
Каолинит: Al 2 O 3 *2SiO 2 *2H 2 O - минерал подкласса слоистых силикатов, главная составная часть белой, огнеупорной, и фарфоровой глины.
Современный метод получения алюминия 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 3 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 требуется 1,9 т глинозёма и 18 тыс. кВт·ч электроэнергии.

Физические свойства:

Металл серебристо-белого цвета, легкий, плотность 2,7 г/см 3 , температура плавления 660°C, температура кипения 2500°C. Высокая пластичность, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу. Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, обладает высокой светоотражательной способностью. Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами.

Химические свойства:

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: кислородом, галогенами: 2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3
С другими неметаллами алюминий реагирует при нагревании:
2Al + 3S = Al 2 S 3 2Al + N 2 = 2AlN
Алюминий способен только растворять водород, но не вступает с ним в реакцию.
Со сложными веществами: алюминий реагирует со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов):
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
Легко растворяется в разбавленной и концентрированной серной кислотах:
2Al + 3H 2 SO 4 (разб) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 2Al + 6H 2 SO 4 (конц) = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Алюминий восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия): 8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe

Важнейшие соединения:

Оксид алюминия , Al 2 O 3: твердое, тугоплавкое вещество белого цвета. Кристаллический Al 2 O 3 химически пассивен, аморфный - более активен. Медленно реагирует с кислотами и щелочами в растворе, проявляя амфотерные свойства:
Al 2 O 3 + 6НСl(конц.) = 2АlСl 3 + ЗН 2 О Al 2 O 3 + 2NаОН(конц.) + 3Н 2 О = 2Na
(в расплаве щелочи образуется NaAlO 2).
Гидроксид алюминия , Al(OH) 3: белый аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Практически не растворим в воде. При нагревании ступенчато разлагается. Проявляет амфотерные, равно выраженные кислотные и основные свойства. При сплавлении с NaOH образуется NaAlO 2 . Для получения осадка Аl(ОН) 3 щелочь обычно не используют (из-за легкости перехода осадка в раствор), а действуют на соли алюминия раствором аммиака - при комнатной температуре образуется Аl(ОН) 3
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: Al 3+ + H 2 O =AlOH 2+ + H +
Нерастворимы в воде фторид AlF 3 и ортофосфат АlРO 4 , а соли очень слабых кислот, например Н 2 СО 3 , вообще не образуются осаждением из водного раствора.
Известны двойные соли алюминия - квасцы состава MAl(SO 4) 2 *12H 2 O (M=Na + , K + , Rb + , Cs + , ТI + , NH 4 +), самые распространенные из них алюмокалиевые квасцы KAl(SO 4) 2 *12Н 2 O.
Растворение амфотерных гидроксидов в щелочных растворах рассматривается как процесс образования гидроксосолей (гидроксокомплексов). Экспериментально доказано существование гидроксомплексов [Аl(ОН) 4 (Н 2 О) 2 ] - , [Аl(ОН) 6 ] 3- , [Аl(ОН) 5 (Н 2 O)] 2- ; из них первый - наиболее прочный. Координационное число алюминия в этих комплексах равно 6, т.е. алюминий является шестикоординированным.
Бинарные соединения алюминия Соединения с преимущественно ковалентными связями, например сульфид Al 2 S 3 и карбид Аl 4 С 3 полностью разлагаются водой:
Al 2 S 3 + 6Н 2 О = 2Аl(ОН) 3 + 3Н 2 S Аl 4 С 3 + 12H 2 O = 4Аl(ОН) 3 + 3СН 4

Применение:

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве - лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность. Алюминий является важным компонентом многих сплавов (медные - алюминиевые бронзы, магниевые и др.)
Применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования.
Алюминий широко используется и в тепловом оборудовании и в криогенной технике.
Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.
Алюминий и его соединения используются в ракетной технике в качестве ракетного горючего. В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

Аллаяров Дамир
ХФ ТюмГУ, 561 группа.

Алюминий-серебристо-белый металл, обладающий высокой электропроводностью и теплопроводностью. (Теплопроводность алюминия в 1,8 раз больше, чем у меди, и в 9 раз больше, чем у нержавеющей стали.) Он имеет невысокую плотность - приблизительно втрое меньше, чем у железа, меди и цинка. И все же это очень прочный металл.

Три электрона из внешней оболочки атома алюминия делокализованы по кристаллической решетке металлического алюминия. Эта решетка имеет грансцентрированную кубическую структуру, подобную решетке олова и золота (см. разд. 3.2). Поэтому алюминий обладает хорошей ковкостью.

Химические свойства

Алюминий образует соединения ионного и ковалентного типа. Он характеризуется высокой энергией ионизации (табл. 15.1). Плотность заряда (отношение заряда к радиусу) для иона очень велика по сравнению с катионами других металлов того же периода (см. табл. 15.2).

Рис. 15.2. Гидратированный ион алюминия.

Таблица 15.2. Отношение заряда к радиусу катионов

Поскольку ион имеет высокую плотность заряда, он обладает большой поляризующей способностью. Этим объясняется то, что изолированный ион обнаруживается лишь в очень немногих соединениях, например в безводном фториде алюминия и оксиде алюминия, причем даже эти соединения обнаруживают заметный ковалентный характер. В водном растворе ион поляризует молекулы воды, которые вследствие этого гидратируют катион (см. рис. 15.2). Эта гидратация характеризуется большой экзотермичностью:

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал алюминия равен - 1,66 В:

Поэтому в электрохимическом ряду элементов алюминий расположен довольно высоко (см. разд. 10.5). Это заставляет предположить, что алюминий должен легко реагировать с кислородом и разбавленными минеральными кислотами. Однако, когда алюминий реагирует с кислородом, на его поверхности образуется тонкий непористый слой оксида. Этот слой предохраняет алюминий от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Оксидный слой можно удалить с поверхности алюминия, натирая ее ртутью. После этого алюминий способен соединяться непосредственно с кислородом и другими неметаллами, например серой и азотом. Взаимодействие с кислородом приводит к реакции

Анодирование. Алюминий и легкие алюминиевые сплавы можно защитить еще больше, сделав толще естественный оксидный слой при помощи процесса, который называется анодированием. В этом процессе алюминиевый предмет помещают в качестве анода в электролизер, где в качестве электролита используется хромовая кислота либо серная кислота.

Алюминий реагирует с горячими разбавленными соляной и серной кислотами, образуя водород:

Сначала эта реакция протекает медленно из-за наличия оксидного слоя. Однако по мере того, как он удаляется, реакция становится все более интенсивной.

Концентрированная и разбавленная азотная кислота, а также концентрированная серная кислота делают алюминий пассивным. Это означает, что он не реагирует с указанными кислотами. Такая пассивность объясняется образованием тонкого слоя оксида на поверхности алюминия.

Растворы гидроксида натрия и других щелочей взаимодействуют с алюминием, образуя тетрагидроксоалюминат(III)-ионы и водород:

Если оксидный слой удален с поверхности, алюминий может выступать в роли восстановителя в окислительно-восстановительных реакциях (см. разд. 10.2). Он вытесняет металлы, расположенные ниже его в электрохимическом ряду, из их растворов. Например

Наглядным примером восстановительной способности алюминия является алюмотермитная реакция. Так называется реакция между порошкообразным алюминием и

оксидом В лабораторных условиях ее обычно инициируют, используя в качестве запала ленточку магния. Эта реакция протекает очень бурно, и в ней выделяется такое количество энергии, которого достаточно, чтобы расплавить образующееся железо:

Алюмотермитную реакцию используют для проведения алюмотермитной сварки; например, таким способом соединяют рельсы.

Оксид алюминия Оксид алюминия, или, как его часто называют, глинозем, представляет собой соединение, которое обладает как ионными, так и ковалентными свойствами. Он имеет температуру плавления и в расплавленном состоянии представляет собой электролит. По этой причине его часто считают ионным соединением. Однако в твердом состоянии оксид алюминия имеет каркасную кристаллическую структуру.

Корунд. Безводные формы оксида алюминия образуют в природных условиях минералы группы корундов. Корунд-это очень твердая кристаллическая форма оксида алюминия. Он используется в качестве абразивного материала, так как по твердости уступает только алмазу. Крупные и прозрачные, нередко окрашенные, кристаллы корундов ценятся как драгоценные камни. Чистый корунд бесцветен, однако наличие в нем небольшого количества примесей оксидов -металлов придает драгоценным корундам характерную окраску. Например, окраска рубина обусловлена наличием в корунде ионов а окраска сапфиров - наличием ионов кобальта Фиолетовая окраска аметиста обусловлена наличием в нем примеси марганца. Сплавляя глинозем с оксидами различных -металлов, можно получать искусственные драгоценные камни (см. также табл. 14.6 и 14.7).

Оксид алюминия нерастворим в воде и обладает амфотерными свойствами, вступая в реакцию как с разбавленными кислотами, так и с разбавленными щелочами. Реакция с кислотами описывается общим уравнением:

Реакция со щелочами приводит к образованию -иона:

Галогениды алюминия. Строение и химическая связь в галогенидах алюминия описаны в разд. 16.2.

Хлорид алюминия можно получать, пропуская сухой хлор либо сухой хлороводород над нагретым алюминием. Например

За исключением фторида алюминия, все остальные галогениды алюминия гидролизуются водой:

По этой причине галогениды алюминия в контакте с влажным воздухом «дымят».

Ионы алюминия. Мы уже указывали выше, что ион гидратируется в воде. При растворении солей алюминия в воде устанавливается следующее равновесие:

В этой реакции вода выступает в роли основания, так как она акцептирует протон, а гидратированный ион алюминия выступает в роли кислоты, так как он донирует протон. По этой причине соли алюминия обладают кислотными свойствами. Если в

Химические свойства алюминия

1. Не взаимодействует с Н 2 .

2. Как активный металл реагирует почти со всеми неметаллами без нагревания, если снять оксидную пленку.

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

2Al + 3Cl 2 → 2AlCl 3

Al + P → AlP

3. Реагирует с Н 2 О:

Алюминий – активный металл с большим сродством к кислороду. На воздухе покрывается защитной пленкой оксида. Если пленку уничтожить, то алюминий активно взаимодействует с водой.

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 ­

4. С разбавленными кислотами:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

2Al + 3H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2

С концентрированными HNO 3 и H 2 SO 4 при обычных условиях не реагирует, а только при нагревании.

5. Со щелочами:

2Al + 2NaOH 2NaAlO 2 + 3H 2

С водными растворами щелочей алюминий образует комплексы:

2Al + 2NaOH + 10 H 2 O = 2Na + - + 3H 2

или Na,

Na 3 , Na 2 – гидроксоалюминаты. Продукт зависит от концентрации щелочи.

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3

Al 2 O 3 (глинозем) встречается в природе в виде минерала корунда (по твердости близок к алмазу). Драгоценные камни рубин и сапфир – тоже Al 2 O 3 , окрашенный примесями железа, хрома

Оксид алюминия – амфотерен. При сплавлении его со щелочами получаются соли метаалюминиевой кислоты HAlO 2 . Например:

Также взаимодействует с кислотами

Белый студенистый осадок гидроксида алюминия растворяется как в кислотах

Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3 H 2 O,

так и в избытке растворов щелочей, проявляет амфотерность

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

При сплавлении со щелочами гидроксид алюминия образует соли метаалюминиевой или ортоалюминиевой кислот

Аl(OH) 3 Al 2 O 3 + H 2 O

Соли алюминия сильно гидролизуются. Соли алюминия и слабых кислот превращаются в основные соли или подвергаются полному гидролизу:

AlCl 3 + HOH ↔ AlOHCl 2 + HCl

Al +3 + HOH ↔ AlOH +2 + H + pH>7 протекает по I ступени, но при нагревании может протекать и по II ступени.

AlOHCl 2 + HOH ↔ Al(OH) 2 Cl + HCl

AlOH +2 + HOH ↔ Al(OH) 2 + + H +

При кипячении может протекать и III ступень

Al(OH) 2 Cl + HOH ↔ Al(OH) 3 + HCl

Al(OH) 2 + + HOH ↔ Al(OH) 3 + H +

Соли алюминия хорошо растворимы.

AlCl 3 – хлорид алюминия является катализатором при переработке нефти и различных органических синтезах.

Al 2 (SO 4) 3 ×18H 2 O – сульфат алюминия применяется для очистки воды от коллоидных частиц, захватываемых Al(OH) 3 образовавшихся при гидролизе и снижении жесткости

Al 2 (SO 4) 3 + Ca(HCO 3) 2 = Al(OH) 3 + CO 2 + CaSO 4 ↓

В кожевенной промышленности служит протравой при крошении хлопчатобумажных тканей – KAl(SO 4) 2 ×12H 2 O –сульфат калия-алюминия (алюмокалиевые квасцы).

Основное применение алюминия – производство сплавов на его основе. Дюралюмин – сплав алюминия, меди, магния и марганца.

Силумин – алюминий и кремний.

Основное их достоинство – малая плотность, удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии. Из алюминиевых сплавов изготавливают корпуса искусственных спутников Земли и космических кораблей.

Используется алюминий как восстановитель при выплавке металлов (алюминотермия)

Cr 2 O 3 + 2 Al t = 2Cr + Al 2 O 3 .

Также применяют для термитной сварки металлических изделий (смесь алюминия и оксида железа Fe 3 O 4) называемая термитом дает температуру около 3000°С.

Металлы относятся к удобным для обработки материалам, и лидером среди них является алюминий, химические свойства которого давно известны людям. Этот металл, благодаря своим характеристикам, широко применяется в быту, и отыскать у себя дома изделие из алюминия сможет почти каждый человек. Следует детально рассмотреть свойства этого металла как элемента и как простого вещества.

Как был открыт алюминий

С давних времен люди использовали алюмокалиевые квасцы - соединение алюминия, способное придавать прочность и устойчивость тканям и коже. Такое свойство металла нашло свое применение в кожевничестве: с помощью алюмокалиевых квасцов скорняки выделывали кожу, придавая ей прочность и устойчивость. О том, что оксид алюминия присутствует в природе в чистом виде, люди узнали только во второй половине XVI­II столетия, но получать чистое вещество в те времена еще не научились.

Впервые это удалось сделать Хансу Кристиану Эрстеду, который обработал соль амальгамой калия, выделив затем из полученной смеси порошок серого цвета. Таким образом, данная химическая реакция помогла добыть чистый . В то же время были установлены такие характеристики металла, как высокая восстановительная способность и сильная активность.

Взаимодействие с оксидами реакция замещения атомов металла в оксиде на алюминий позволяет получить большое количество теплоты и новый металл в свободном виде.

Взаимодействие с солями , а именно с растворами некоторых менее активных солей.

Взаимодействие со щелочами : по причине сильного взаимодействия с растворами щелочей, их растворы нельзя хранить в посуде из алюминия.

Алюминотермия - процесс восстановления металлов, сплавов и неметаллов посредством воздействия на их оксиды металлическим алюминием. Благодаря данной особенности алюминия, металлурги могут добывать такие тугоплавкие металлы, как молибден, вольфрам, цирконий, ванадий.

Физические свойства алюминия как простого вещества

В качестве простого вещества алюминий представляет собой металл серебристого цвета. Он способен окисляться на воздухе, покрываясь плотной оксидной пленкой.

Данная особенность металла обеспечивает его высокую стойкость к коррозии. Это свойство алюминия, наравне с другими характеристиками, делает его чрезвычайно популярным металлом, широко применяемым в быту. Кроме того, алюминий имеет легкий вес, сохраняя при этом высокую прочность и пластичность.

Далеко не каждое известное людям вещество имеет совокупность подобных характеристик.

Физические свойства алюминия

Алюминий - пластичный и ковкий металл, применяется для изготовления тончайшей фольги, из алюминия прокатывают проволоку.

Температура кипения металла составляет 2518 °С.

Температура плавления алюминия составляет 660 °С.

Плотность алюминия составляет 2,7 г/см³.

Широкое применение алюминия в сферах жизнедеятельности обусловлено его химическими и физическими свойствами.

Химический элемент алюминий – лёгкий металл серебристого цвета. Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Физические и химические свойства алюминия позволили ему найти широкое применение в современной промышленности и повседневной жизни.

Химические свойства алюминия

Химическая формула алюминия Аl. Атомный номер 13. Алюминий относится к простым веществам, так как его молекула содержит атом только одного элемента. Внешний энергетический уровень атома алюминия содержит 3 электрона. Эти электроны легко отдаются атомом алюминия во время химических реакций. Поэтому алюминий имеет высокую химическую активность и способен вытеснять металлы из их оксидов. Но в обычных условиях он довольно устойчив к химическому взаимодействию, так как покрыт прочной оксидной плёнкой.

С кислородом алюминий взаимодействует только при высокой температуре. В результате реакции образуется оксид алюминия. С серой, фосфором, азотом, углеродом взаимодействие также происходит при высокой температуре. А вот с хлором и бромом алюминий вступает в реакцию при обычных условиях. С йодом реагирует при нагревании, но только если катализатором выступает вода. С водородом алюминий не взаимодействует.

С металлами алюминий способен образовывать соединения, которые называются алюминиды.

В реакцию с водой вступает алюминий, очищенный от оксидной плёнки. Гидроксид, который получается в результате этой реакции, является малорастворимым соединением.

Алюминий легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли. Но с концентрированными кислотами реагирует только при нагревании, образуя соли и продукты восстановления кислоты.

Алюминий легко реагирует со щелочами.

Физические свойства алюминия

Алюминий - прочный металл, но в то же время и пластичный, легко подвергается механической обработке: штамповке, полировке, вытягиванию.

Алюминий самый легкий из металлов. Имеет очень высокую теплопроводность. По электропроводности алюминий практически не уступает меди, но при этом он намного легче и дешевле.

Применение алюминия

Впервые металл алюминий был получен датским физиком Гансом Христианом Эрстедом в 1825 г . И в те времена алюминий считали драгоценным металлом. Модницы любили носить украшения из него.

Но промышленный способ получения алюминия был создан значительно позже - в 1855 г. французским химиком Анри Этьенн Сент-Клер Девилем.

Алюминиевые сплавы применяются практически во всех машиностроительных отраслях. Современная авиационная, космическая и автомобильная промышленность, кораблестроение не могут обходиться без таких сплавов. Наиболее известные сплавы – дюралюминий, силумин, литейные сплавы. Пожалуй, самым востребованным из этих сплавов является дюралюминий.

При переработке алюминия горячей и холодной обработкой получают профили, проволоку, трубы, ленты, листы. Алюминиевые листы или лента широко используются в современном строительстве. Так, специальную алюминиевую ленту применяют для заклеивания торцов различных строительных панелей, чтобы обеспечить надежную защиту от попадания осадков и пыли внутрь панели.

Так как алюминий обладает высокой электропроводностью, его используют для изготовления электропроводов и электротехнических шин.

Алюминий не является драгоценным металлом. Но некоторые его соединения используются в ювелирной промышленности. Наверное, не все знают, что рубин и сапфир – это монокристаллы окиси алюминия, в которые добавлены красящие окислы. Красный цвет рубину придают ионы хрома, а голубой цвет сапфира – от содержания ионов железа и титана. Чистая кристаллическая окись алюминия называется корундом.

В промышленных условиях создают искусственные корунд, рубин и сапфир.

Используется алюминий и в медицине. Он входит в состав некоторых препаратов, которые оказывают адсорбирующее, обволакивающее и обезболивающее действие.

Трудно найти такую отрасль современной промышленности, в которой не использовались бы алюминий и его соединения.