Какое свойство алюминия позволяет
Алюминий
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 XIX столетии.
Открытие металлов главной подгруппы III группы
В | Al | Ga | In | Tl |
1806 г. | 1825 г. | 1875 г. | 1863 г. | 1861 г. |
Г.Люссак, | Г.Х.Эрстед | Л. де | Ф.Рейх, | У.Крукс |
Л. Тенар | (Дания) | (Франция) | И.Рихтер | (Англия) |
(Франция) | (Германия) |
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.
В данной лекции мы подробнее рассмотрим
свойства алюминия.
1. Положение
алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые 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 1s22s22p63s23p1 |
|
Возбуждённое состояние 1s22s22p63s13p2 |
|
Алюминий проявляет в соединениях степень
окисления +3:
Al0 – 3 e- → Al+3
2. Физические свойства
Алюминий в свободном виде — серебристо-белый
металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 650 оС. Алюминий имеет невысокую
плотность (2,7 г/см3) — примерно втрое меньше, чем у железа или
меди, и одновременно — это прочный металл.
3. 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 —
Al2O3 • H2O (с примесями SiO2, Fe2O3,
CaCO3)
·
Нефелины —
KNa3[AlSiO4]4
·
Алуниты — KAl(SO4)2 • 2Al(OH)3
·
Глинозёмы
(смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3,
магнезитом MgCO3)
·
Корунд —
Al2O3
·
Полевой
шпат (ортоклаз) — K2O×Al2O3×6SiO2
·
Каолинит —
Al2O3×2SiO2 × 2H2O
·
Алунит — (Na,K)2SO4×Al2(SO4)3×4Al(OH)3
·
Берилл —
3ВеО • Al2О3 • 6SiO2
Боксит |
|
Al2O3 | Корунд
|
Рубин
| |
Сапфир
|
4.Химические
свойства алюминия и его соединений
Алюминий легко взаимодействует с
кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый
вид).
ДЕМОНСТРАЦИЯ ОКСИДНОЙ ПЛЁНКИ
Алюминий |
|
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).
I. Взаимодействие с простыми веществами
Алюминий уже при комнатной температуре
активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он
взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и
углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора — воды:
2Аl
+ 3S = Аl2S3 (сульфид алюминия),
2Аl
+ N2 = 2АlN (нитрид
алюминия),
Аl
+ Р = АlР (фосфид алюминия),
4Аl
+ 3С = Аl4С3 (карбид алюминия).
2 Аl +
3 I2 = 2 AlI3
(йодид алюминия) ОПЫТ
Все эти соединения
полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно,
сероводорода, аммиака, фосфина и метана:
Al2S3 + 6H2O
= 2Al(OH)3 + 3H2S
Al4C3 + 12H2O
= 4Al(OH)3+ 3CH4
В виде стружек или порошка он ярко горит
на воздухе, выделяя большое количество теплоты:
4Аl
+ 3O2 = 2Аl2О3 +
1676 кДж.
ГОРЕНИЕ АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУХЕ
ОПЫТ
II. Взаимодействие со сложными
веществами
Взаимодействие с водой:
2 Al + 6 H2O = 2 Al
(OH)3 + 3 H2
без оксидной пленки
ОПЫТ
Взаимодействие с оксидами металлов:
Алюминий –
хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в
ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов.
Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких
металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.
3 Fe3O4 + 8
Al = 4 Al2O3 + 9 Fe
+Q
Термитная смесь Fe3O4 и Al
(порошок) –используется ещё и в термитной сварке.
Сr2О3 +
2Аl = 2Сr + Аl2О3
Взаимодействие с кислотами:
С раствором
серной кислоты: 2 Al + 3 H2SO4 = Al2(SO4)3
+ 3 H2
С холодными
концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную
кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен
восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:
2Аl + 6Н2SО4(конц)
= Аl2(SО4)3
+ 3SО2 + 6Н2О,
Аl + 6НNO3(конц) = Аl(NO3)3 +
3NO2 + 3Н2О.
Взаимодействие со щелочами.
2 Al + 2 NaOH + 6 H2O = 2 Na[Al(OH)4]
+ 3 H2
ОПЫТ
Na[Аl(ОН)4] – тетрагидроксоалюминат
натрия
По
предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали
для получения водорода для аэростатов.
С растворами солей:
2Al + 3CuSO4 = Al2(SO4)3 +
3Cu
Если
поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:
2Al + 3HgCl2
= 2AlCl3
+ 3Hg
Выделившаяся
ртуть растворяет алюминий, образуя амальгаму.
Обнаружение ионов алюминия в растворах: ОПЫТ
5. Применение алюминия и
его соединений
РИСУНОК 1
РИСУНОК 2
Физические и химические свойства
алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминия
является авиационная промышленность: самолет на 2/3 состоит из
алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы
нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому
алюминий называют крылатым металлом. Из
алюминия изготовляют кабели и провода: при одинаковой электрической проводимости
их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.
Учитывая коррозионную устойчивость
алюминия, из него изготовляют детали
аппаратов и тару для азотной кислоты. Порошок алюминия является основой при
изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а
также для отражения тепловых лучей такой
краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.
Оксид алюминия используется для
получения алюминия, а также как огнеупорный материал.
Гидроксид алюминия – основной компонент
всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного
сок.
Соли алюминия сильно гидролизуются. Данное свойство применяют в
процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое
количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате
выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой
взвешенные частицы мути и бактерии.
Таким образом, сульфат алюминия является
коагулянтом.
6. Получение алюминия
1) Современный рентабельный способ
получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886
году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном
криолите. Расплавленный криолит Na3AlF6 растворяет Al2O3,
как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в
расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только
растворителем, а оксид алюминия — электролитом.
2Al2O3 эл.ток→ 4Al + 3O2
В
английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается
следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый
металлический век — век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик,
явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков
серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять
этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником
американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем,
как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.
2) 2Al2O3 + 3
C =
4 Al + 3 CO2
ЭТО ИНТЕРЕСНО:
- Металлический
алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед.
Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного
с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы
восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид
алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер.
Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием. - В 18-19 веках
алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за
заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из
золота и алюминия. - К 1855 году
французский ученый Сен- Клер Девиль
разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но
способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством
Наполеона III, императора Франции. В знак своей преданности и благодарности Девиль изготовил
для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку –
первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить
своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В
то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только
после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости
сравнялся с обычными металлами. - А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает
расстройство нервной системы. При его
избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С,
соединения кальция, цинка. - При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется
много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета
«Сатурн» сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея
использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал
Ф. А. Цандер.
ТРЕНАЖЁРЫ
Тренажёр
№1 — Характеристика алюминия по положению в Периодической системе элементов Д.
И. Менделеева
Тренажёр
№2 — Уравнения реакций алюминия с простыми и сложными веществами
Тренажёр
№3 — Химические свойства алюминия
ЗАДАНИЯ ДЛЯ
ЗАКРЕПЛЕНИЯ
№1.
Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно
использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической
реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?
№2. Закончите уравнения химических реакций:
Al + H2SO4 (раствор) ->
Al + CuCl2 ->
Al + HNO3(конц) -t->
Al + NaOH + H2O ->
№3.
Осуществите превращения:
Al -> AlCl3 -> Al -> Al2S3 ->
Al(OH)3 -t->Al2O3 -> Al
№4.
Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора
гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите
процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?
Алюминий – это пластичный и лёгкий металл белого цвета, покрытый серебристой матовой оксидной плёнкой. В периодической системе Д. И. Менделеева этот химический элемент обозначается, как Al (Aluminium) и находится в главной подгруппе III группы, третьего периода, под атомным номером 13. Купить алюминий вы можете на нашем сайте.
История открытия
В 16 веке знаменитый Парацельс сделал первый шаг к добыче алюминия. Из квасцов он выделил «квасцовую землю», которая содержала оксид неизвестного тогда металла. В 18 веке к этому эксперименту вернулся немецкий химик Андреас Маргграф. Оксид алюминия он назвал «alumina», что на латинском языке означает «вяжущий». На тот момент металл не пользовался популярностью, так как не был найден в чистом виде.
Долгие годы выделить чистый алюминий пытались английские, датские и немецкие учёные. В 1855 году в Париже на Всемирной выставке металл алюминий произвёл фурор. Из него делали только предметы роскоши и ювелирные украшения, так как металл был достаточно дорогим. В конце 19 века появился более современный и дешёвый метод получения алюминия. В 1911 году в Дюрене выпустили первую партию дюралюминия, названного в честь города. В 1919 из этого материала был создан первый самолёт.
Физические свойства
Металл алюминий характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, стойкостью к коррозии и морозу, пластичностью. Он хорошо поддаётся штамповке, ковке, волочению, прокатке. Алюминий хорошо сваривается различными видами сварки. Важным свойством является малая плотность около 2,7 г/см³. Температура плавления составляет около 660°С.
Механические, физико-химические и технологические свойства алюминия зависят от наличия и количества примесей, которые ухудшают свойства чистого металла. Основные естественные примеси – это кремний, железо, цинк, титан и медь.
По степени очистки различают алюминий высокой и технической чистоты. Практическое различие заключается в отличии коррозионной устойчивости к некоторым средам. Чем чище металл, тем он дороже. Технический алюминий используется для изготовления сплавов, проката и кабельно-проводниковой продукции. Металл высокой чистоты применяют в специальных целях.
По показателю электропроводности алюминий уступает только золоту, серебру и меди. А сочетание малой плотности и высокой электропроводности позволяет конкурировать в сфере кабельно-проводниковой продукции с медью. Длительный отжиг улучшает электропроводность, а нагартовка ухудшает.
Теплопроводность алюминия повышается с увеличением чистоты металла. Примеси марганца, магния и меди снижают это свойство. По показателю теплопроводности алюминий проигрывает только меди и серебру. Благодаря этому свойству металл применяется в теплообменниках и радиаторах охлаждения.
Алюминий обладает высокой удельной теплоёмкостью и теплотой плавления. Эти показатели значительно больше, чем у большинства металлов. Чем выше степень чистоты алюминия, тем больше он способен отражать свет от поверхности. Металл хорошо полируется и анодируется.
Алюминий имеет большое сродство к кислороду и покрывается на воздухе тонкой прочной плёнкой оксида алюминия. Эта плёнка защищает металл от последующего окисления и обеспечивает его хорошие антикоррозионные свойства. Алюминий обладает стойкостью к атмосферной коррозии, морской и пресной воде, практически не вступает во взаимодействия с органическими кислотами, концентрированной или разбавленной азотной кислотой.
Химические свойства
Алюминий — это достаточно активный амфотерный металл. При обычных условиях прочная оксидная плёнка определяет его стойкость. Если разрушить оксидную плёнку, алюминий выступает как активный металл-восстановитель. В мелкораздробленном состоянии и при высокой температуре металл взаимодействует с кислородом. При нагревании происходят реакции с серой, фосфором, азотом, углеродом, йодом. При обычных условиях металл взаимодействует с хлором и бромом. С водородом реакции не происходит. С металлами алюминий образует сплавы, содержащие интерметаллические соединения – алюминиды.
При условии очищения от оксидной пленки, происходит энергичное взаимодействие с водой. Легко протекают реакции с разбавленными кислотами. Реакции с концентрированной азотной и серной кислотой происходят при нагревании. Алюминий легко реагирует со щелочами. Практическое применение в металлургии нашло свойство восстанавливать металлы из оксидов и солей – реакции алюминотермии.
Получение
Алюминий находится на первом месте среди металлов и на третьем среди всех элементов по распространённости в земной коре. Приблизительно 8% массы земной коры составляет именно этот металл. Алюминий содержится в тканях животных и растений в качестве микроэлемента. В природе он встречается в связанном виде в форме горных пород, минералов. Каменная оболочка земли, находящаяся в основе континентов, формируется именно алюмосиликатами и силикатами.
Алюмосиликаты – это минералы, образовавшиеся в результате вулканических процессов в соответствующих условиях высоких температур. При разрушении алюмосиликатов первичного происхождения (полевые шпаты) сформировались разнообразные вторичные породы с более высоким содержанием алюминия (алуниты, каолины, бокситы, нефелины). В состав вторичных пород алюминий входит в виде гидроокисей или гидросиликатов. Однако не каждая алюминийсодержащая порода может быть сырьём для глинозёма – продукта, из которого при помощи метода электролиза получают алюминий.
Наиболее часто алюминий получают из бокситов. Залежи этого минерала распространены в странах тропического и субтропического пояса. В России также применяются нефелиновые руды, месторождения которых располагаются в Кемеровской области и на Кольском полуострове. При добыче алюминия из нефелинов попутно также получают поташ, кальцинированную соду, цемент и удобрения.
В бокситах содержится 40-60% глинозёма. Также в составе имеются оксид железа, диоксид титана, кремнезём. Для выделения чистого глинозёма используют процесс Байера. В автоклаве руду нагревают с едким натром, охлаждают, отделяют от жидкости «красный шлам» (твёрдый осадок). После осаждают гидроокись алюминия из полученного раствора и прокаливают её для получения чистого глинозёма. Глинозём должен соответствовать высоким стандартам по чистоте и размеру частиц.
Из добытой и обогащённой руды извлекают глинозём (оксид алюминия). Затем методом электролиза глинозём превращают в алюминий. Заключительным этапом является восстановление процессом Холла-Эру. Процесс заключается в следующем: при электролизе раствора глинозёма в расплавленном криолите происходит выделение алюминия. Катодом служит дно электролизной ванны, а анодом – угольные бруски, находящиеся в криолите. Расплавленный алюминий осаждается под раствором криолита с 3-5% глинозёма. Температура процесса поднимается до 950°С, что намного превышает температуру плавления самого алюминия (660°С). Глубокую очистку алюминия проводят зонной плавкой или дистилляцией его через субфторид.
Применение
Алюминий применяется в металлургии в качестве основы для сплавов (дуралюмин, силумин) и легирующего элемента (сплавы на основе меди, железа, магния, никеля). Сплавы алюминия используются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении и автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Алюминий применяется при производстве взрывчатых веществ. Анодированный алюминий (покрытый окрашенными плёнками из оксида алюминия) применяют для изготовления бижутерии. Также металл используется в электротехнике.
Рассмотрим, как используют различные изделия из алюминия.
Алюминиевая лента представляет собой тонкую алюминиевую полосу толщиной 0,3-2 мм, шириной 50-1250 мм, которая поставляется в рулонах. Используется лента в пищевой, лёгкой, холодильной промышленности для изготовления охлаждающих элементов и радиаторов.
Круглая алюминиевая проволока применяется для изготовления кабелей и проводов для электротехнических целей, а прямоугольная для обмоточных проводов.
Алюминиевые трубы отличаются долговечностью и стойкостью в условиях сельских и городских промышленных районов. Применяются они в отделочных работах, дорожном строительстве, конструкции автомобилей, самолётов и судов, производстве радиаторов, трубопроводов и бензобаков, монтаже систем отопления, магистральных трубопроводов, газопроводов, водопроводов.
Алюминиевые втулки характеризуются простотой в обработке, монтаже и эксплуатации. Используются они для концевого соединения металлических тросов.
Алюминиевый круг — это сплошной профиль круглого сечения. Используется это изделие для изготовления различных конструкций.
Алюминиевый пруток применяется для изготовления гаек, болтов, валов, крепежных элементов и шпинделей.
Около 3 мг алюминия каждый день поступает в организм человека с продуктами питания. Больше всего металла в овсянке, горохе, пшенице, рисе. Учёными установлено, что он способствует процессам регенерации, стимулирует развитие и рост тканей, оказывает влияние на активность пищеварительных желёз и ферментов.
Алюминиевый лист
Алюминиевая плита
Алюминиевые чушки
Алюминиевые уголки
Алюминиевая проволока
При использовании алюминиевой посуды в быту необходимо помнить, что хранить и нагревать в ней можно исключительно нейтральные жидкости. Если же в такой посуде готовить, к примеру, кислые щи, то алюминий поступит в еду, и она будет иметь неприятный «металлический» привкус.
Алюминий входит в состав лекарственных препаратов, используемых при заболеваниях почек и желудочно-кишечного тракта.