АЛЮМИНИЙ (лат. Aluminium; від "alumen" - галун), Al, хімічний елемент III групи періодичної системи, атомний номер 13, атомна маса 26,98154.
Природний алюміній складається з одного нукліда 27Al. Конфігурація зовнішнього електронного шару 3s2p1. Практично у всіх з'єднаннях ступінь окислення алюмінію +3 (валентність III).
Радіус нейтрального атома алюмінію 0,143 нм, радіус іона Al3 + 0,057 нм. Енергії послідовної іонізації нейтрального атома алюмінію рівні, відповідно, 5,984, 18,828, 28,44 і 120 еВ. За шкалою Полінга електронегативність алюмінію 1,5.
Проста речовина алюміній - м'який легкий сріблясто-білий метал.
Властивості: алюміній - типовий метал, кристалічна решітка кубічна гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавлення чистого металу 660 ° C, температура кипіння близько 2450 ° C, щільність 2,6989 г / см3. Температурний коефіцієнт лінійного розширення алюмінію близько 2,5 · 10-5 К-1. Стандартний електродний потенціал Al3 + / Al - 1,663В.
Хімічно алюміній - досить активний метал. На повітрі його поверхня миттєво покривається щільною плівкою оксиду Al2О3, яка перешкоджає подальшому доступу кисню (O) до металу і призводить до припинення реакції, що обумовлює високі антикорозійні властивості алюмінію. Захисна поверхнева плівка на алюмінії утворюється також, якщо його помістити в концентровану азотну кислоту.
З іншими кислотами алюміній активно реагує:
6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,
3Н2SO4 + 2Al = Al2 (SO4) 3 + 3H2.
Алюміній реагує з розчинами лугів. Спочатку розчиняється захисна оксидна плівка:
Al2О3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na [Al (OH) 4].
Потім протікають реакції:
2Al + 6H2O = 2Al (OH) 3 + 3H2,
NaOH + Al (OH) 3 = Na [Al (OH) 4],
або сумарно:
2Al + 6H2O + 2NaOH = Na [Al (OH) 4] + 3Н2,
і в результаті утворюються алюмінати: Na [Al (OH) 4] - алюмінат натрію (Na) (Тетрагідроксоалюмінат натрію), К [Al (OH) 4] - алюмінат калію (K) (Терагідроксоалюмінат калію) або ін. Так як для атома алюмінію в цих з'єднаннях характерно координаційне число 6, а не 4, то дійсні формули зазначених тетрагідроксосоедіненій наступні:
Na [Al (OH) 4 (Н2О) 2] і К [Al (OH) 4 (Н2О) 2].
При нагріванні алюміній реагує з галогенами :
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3,
2Al + 3 Br2 = 2AlBr3.
Цікаво, що реакція між порошками алюмінію та йоду (I) починається при кімнатній температурі, якщо в вихідну суміш додати кілька крапель води, яка в даному випадку грає роль каталізатора:
2Al + 3I2 = 2AlI3.
Взаємодія алюмінію з сіркою (S) при нагріванні приводить до утворення сульфіду алюмінію:
2Al + 3S = Al2S3,
який легко розкладається водою:
Al2S3 + 6Н2О = 2Al (OH) 3 + 3Н2S.
З воднем (H) алюміній безпосередньо не взаємодіє, однак непрямими шляхами, наприклад, з використанням алюмінійорганіческіх з'єднань, можна синтезувати твердий полімерний гідрид алюмінію (AlН3) х - найсильніший відновник.
У вигляді порошку алюміній можна спалити на повітрі, причому утворюється білий тугоплавкий порошок оксиду алюмінію Al2О3.
Висока міцність зв'язку в Al2О3 обумовлює велику теплоту його освіти з простих речовин і здатність алюмінію відновлювати багато метали з їх оксидів, наприклад:
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe і навіть 3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.
Такий спосіб отримання металів називають алюминотермии.
Амфотерному оксиду Al2О3 відповідає амфотерний гідроксид - аморфне полімерна сполука, яка не має постійного складу. Склад гідроксиду алюмінію може бути переданий формулою xAl2O3 · yH2O, при вивченні хімії в школі формулу гідроксиду алюмінію найчастіше вказують як Аl (OH) 3.
У лабораторії гідроксид алюмінію можна отримати у вигляді драглистого осаду обмінними реакціями:
Al2 (SO4) 3 + 6NaOH = 2Al (OH) 3 + 3Na2SO4,
або за рахунок додавання соди до розчину солі алюмінію:
2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al (OH) 3 + 6NaCl + 3CO2,
а також додаванням розчину аміаку до розчину солі алюмінію:
AlCl3 + 3NH3 · H2O = Al (OH) 3 + 3H2O + 3NH4Cl.
Назва та історія відкриття: латинське aluminium походить від латинського ж alumen, що означає галун (сульфат алюмінію і калію (K) KAl (SO4) 2 · 12H2O), які здавна використовувалися при виробленні шкір і як в'яжучий засіб. Через високу хімічної активності відкриття і виділення чистого алюмінію розтягнулося майже на 100 років. Висновок про те, що з квасцов може бути отримана «земля» (тугоплавка речовина, по-сучасному - оксид алюмінію) зробив ще в 1754 німецький хімік А. Маргграф. Пізніше виявилося, що така ж «земля» може бути виділена з глини, і її стали називати глиноземом. Отримати металевий алюміній зміг тільки в 1825 датський фізик Х. К. Ерстед. Він обробив амальгамою калію (сплавом калію (K) зі ртуттю (Hg) ) Хлорид алюмінію AlCl3, який можна було отримати з глинозему, і після відгону ртуті (Hg) виділив сірий порошок алюмінію.
Тільки через чверть століття цей спосіб вдалося трохи модернізувати. Французький хімік А. Е. Сент-Клер Девіль в 1854 році запропонував використовувати для отримання алюмінію металевий натрій (Na) , І отримав перші злитки нового металу. Вартість алюмінію була тоді дуже висока, і з нього виготовляли ювелірні прикраси.
Промисловий спосіб виробництва алюмінію шляхом електролізу розплаву складних сумішей, що включають оксид, фторид алюмінію та інші речовини, незалежно один від одного розробили в 1886 році П. Еру (Франція) і Ч. Хол (США). Виробництво алюмінію пов'язано з високою витратою електроенергії, тому в великих масштабах воно було реалізовано тільки в 20-му столітті. У Радянському Союзі перший промисловий алюміній був отриманий 14 травня 1932 року на Волховському алюмінієвому комбінаті, збудованому поруч із Волховской гідроелектростанцією.
Знаходження в природі: за поширеністю в земній корі алюміній займає перше місце серед металів і третє місце серед усіх елементів (після кисню (O) і кремнію (Si) ), На його частку припадає близько 8,8% маси земної кори. Алюміній входить у величезне число мінералів, головним чином, алюмосилікатів, і гірських порід. З'єднання алюмінію містять граніти, базальти, глини, польові шпати та ін. Але ось парадокс: при величезному числі мінералів і порід, що містять алюміній, родовища бокситів - головного сировини при промисловому отриманні алюмінію, досить рідкісні. У Росії родовища бокситів є в Сибіру і на Уралі. Промислове значення мають також алуніти і нефеліни. Як мікроелемента алюміній присутній в тканинах рослин і тварин. Існують організми-концентратори, накопичують алюміній в своїх органах, - деякі плавуни, молюски.
при промисловому виробництві боксити спочатку піддають хімічній переробці, видаляючи з них домішки оксидів кремнію (Si) , заліза (Fe) і інших елементів. В результаті такої переробки отримують чистий оксид алюмінію Al2O3 - основна сировина при виробництві металу електролізом. Однак через те, що температура плавлення Al2O3 дуже висока (понад 2000 ° C), використовувати його розплав для електролізу не вдається.
Вихід вчені та інженери знайшли в наступному. У електролізної ванні спочатку розплавляють кріоліт Na3AlF6 (температура розплаву трохи нижче 1000 ° C). Криоліт можна отримати, наприклад, при переробці нефелінів Кольського півострова. Далі в цей розплав додають трохи Al2О3 (до 10% по масі) і деякі інші речовини, улучает умови проведення наступного процесу. При електролізі цього розплаву відбувається розкладання оксиду алюмінію, кріоліт залишається в розплаві, а на катоді утворюється розплавлений алюміній:
2Al2О3 = 4Al + 3О2.
Так як анодом при електролізі служить графіт, то виділяється на аноді кисень (O) реагує з графітом і утворюється вуглекислий газ СО2.
При електролізі отримують метал з вмістом алюмінію близько 99,7%. У техніці застосовують і значно більш чистий алюміній, в якому вміст цього елементу досягає 99,999% і більше.
Застосування: за масштабами застосування алюміній і його сплави займають друге місце після заліза (Fe) і його сплавів. Широке застосування алюмінію в різних областях техніки і побуту пов'язано з сукупністю його фізичних, механічних і хімічних властивостей: малу щільність, корозійну стійкість в атмосферному повітрі, високою тепло- і електропровідністю, пластичністю і порівняно високою міцністю. Алюміній легко обробляється різними способами - куванням, штампуванням, прокаткою і ін. Чистий алюміній застосовують для виготовлення дроту (електропровідність алюмінію складає 65,5% від електропровідності міді, але алюміній більш ніж в три рази легше міді, тому алюміній часто замінює мідь в електротехніці) і фольги, використовуваної як пакувальний матеріал. Основна ж частина виплавленого алюмінію витрачається на отримання різних сплавів. Сплави алюмінію відрізняються малою щільністю, підвищеною (в порівнянні з чистим алюмінієм) корозійну стійкість і високими технологічними властивостями: високою тепло- і електропровідністю, жароміцних, міцністю і пластичністю. На поверхні сплавів алюмінію легко наносяться захисні і декоративні покриття.
Різноманітність властивостей алюмінієвих сплавів обумовлено введенням в алюміній різних добавок, що утворюють з ним тверді розчини або интерметаллические з'єднання. Основну масу алюмінію використовують для отримання легких сплавів - дуралюмина (94% - алюміній, 4% мідь (Cu) , По 0,5% магній (Mg) , марганець (Mn) , залізо (Fe) і кремній (Si) ), Силуміну (85-90% - алюміній, 10-14% кремній (Si) , 0,1% натрій (Na) ) І ін. У металургії алюміній використовується не тільки як основа для сплавів, але і як одна з широко застосовуваних легуючих добавок в сплавах на основі міді (Cu) , магнію (Mg) , заліза (Fe) , нікелю (Ni) та ін.
Сплави алюмінію знаходять широке застосування в побуті, в будівництві та архітектурі, в автомобілебудуванні, в суднобудуванні, авіаційній і космічній техніці. Зокрема, з алюмінієвого сплаву був виготовлений перший штучний супутник Землі. Сплав алюмінію і цирконію (Zr) - ціркалой - широко застосовують в ядерному реакторобудуванні. Алюміній застосовують у виробництві вибухових речовин.
Особливо слід відзначити пофарбовані плівки з оксиду алюмінію на поверхні металевого алюмінію, одержувані електрохімічним шляхом. Покритий такими плівками металевий алюміній називають анодованим алюмінієм. З анодованого алюмінію, за зовнішнім виглядом нагадує золото (Au) , Виготовляють різну біжутерію.
При зверненні з алюмінієм в побуті потрібно мати на увазі, що нагрівати і зберігати в алюмінієвому посуді можна тільки нейтральні (по кислотності) рідини (наприклад, кип'ятити воду). Якщо, наприклад, в алюмінієвому посуді варити кислі щі, то алюміній переходить в їжу і вона набуває неприємного «металевий» присмак. Оскільки в побуті оксидну плівку дуже легко пошкодити, то використання алюмінієвого посуду все-таки небажано.
Біологоческая роль: в організм людини алюміній щодня надходить з їжею (близько 2-3 мг), але його біологічна роль не встановлена. В середньому в організмі людини (70 кг) в кістках, м'язах міститься близько 60 мг алюмінію.
А чи знаєте Ви, що ...
