На каких физических и химических свойствах основано применение

Химия
9 класс

Строение и свойства атомов. Алюминий Аl — элемент главной подгруппы III группы (IIIA группы) 3-го периода Периодической системы Д. И. Менделеева.

Атом алюминия содержит на внешнем энергетическом уровне три электрона, которые он легко отдаёт при химических взаимодействиях. У родоначальника подгруппы и верхнего соседа алюминия — бора радиус атома меньше (у бора он равен 0,080 нм, у алюминия — 0,143 нм).

Кроме того, у атома алюминия появляется один промежуточный восьмиэлектронный слой (2ё; 8ё; Зё), который препятствует притяжению внешних электронов к ядру. Поэтому у атомов алюминия восстановительные свойства выражены гораздо сильнее, чем у атомов бора, который проявляет неметаллические свойства.

Почти во всех своих соединениях алюминий имеет степень окисления +3.

Алюминий — простое вещество. Серебристо-белый лёгкий металл. Плавится при 660 °С. Очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в фольгу толщиной до 0,01 мм. Обладает очень большой электрической проводимостью и теплопроводностью. Образует с другими металлами лёгкие и прочные сплавы.

Алюминий — очень активный металл. В ряду напряжений он находится сразу же после щелочных и щёлочноземельных металлов. Однако при комнатной температуре на воздухе алюминий не изменяется, поскольку его поверхность покрыта очень прочной тонкой плёнкой оксида, которая защищает металл от воздействия с компонентами воздуха и воды.

Если порошок алюминия или тонкую алюминиевую фольгу сильно нагреть, то они воспламеняются и сгорают ослепительным пламенем:

Эту реакцию вы наблюдаете при горении бенгальских огней и фейерверков.

Алюминий, как и все металлы, легко реагирует с неметаллами, особенно в порошкообразном состоянии. Для того чтобы началась реакция, необходимо первоначальное нагревание (за исключением реакций с галогенами — хлором и бромом), зато потом все реакции алюминия с неметаллами идут очень бурно и сопровождаются выделением большого количества теплоты:

Алюминий хорошо растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах:

А вот концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют алюминий, образуя на поверхности металла плотную, прочную оксидную плёнку, которая препятствует дальнейшему протеканию реакции. Поэтому эти кислоты перевозят в алюминиевых цистернах.

Как вы уже знаете, оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами. Алюминий растворяется в водных растворах щелочей, образуя соли — алюминаты, которые называют комплексными1:

1 При взаимодействии гидроксида и оксида алюминия с растворами щелочей также образуются комплексные соли, например Na[Al(OH)4].

Алюминий широко используют в металлургии для получения металлов — хрома, марганца, ванадия, титана, циркония из их оксидов. Как вы помните, этот способ носит название алюминотермии. На практике часто применяют термит — смесь Fe3O4 с порошком алюминия. Если эту смесь поджечь, например, с помощью магниевой ленты, то происходит энергичная реакция с выделением большого количества теплоты:

Выделяющейся теплоты вполне достаточно для полного расплавления образующегося железа, поэтому этот процесс используют для сварки стальных изделий.

Алюминий очень прочно связан в природных соединениях с кислородом и другими элементами, и выделить его из этих соединений химическими методами очень трудно. Алюминий можно получить электролизом — разложением расплава его оксида Аl2O3 на составные части с помощью электрического тока. Но температура плавления оксида алюминия около 2050 °С, поэтому для проведения электролиза необходимы большие затраты энергии.

Технически доступным металлом алюминий стал после того, как в 1886 г. американский и французский учёные Ч. Холл и П. Эру установили, что оксид алюминия хорошо растворяется в расплавленном при 1000 °С криолите, формула которого Na3AlF6, с образованием электропроводного расплава. Расплав оксида алюминия в криолите подвергают электролизу в специальных установках (рис. 63) на алюминиевых заводах.

Рис. 63.
Схема электролизной установки для получения алюминия:
1 — электролит — расплавленный криолит с добавками фторидов кальция и алюминия (для снижения температуры плавления) и оксид алюминия (добавляют периодически); 2 — угольный катод; 3 — угольный анод; 4 — корка из застывшего оксида алюминия, защищающая расплавленный алюминий от окисления; 5 — стальная ванна; 6 — патрубок для отбора расплавленного алюминия

Мировое производство алюминия постоянно увеличивается. В настоящее время он оттеснил на третье и последующие места медь и другие цветные металлы и стал вторым по значению металлом продолжающегося железного века.

Алюминий почти втрое легче стали и устойчив к коррозии, поэтому выгоднее стали в тех областях применения, где требуются эти свойства (рис. 64).

Рис. 64.
Основные области применения алюминия и его сплавов

Соединения алюминия. В природе алюминий встречается только в виде соединений и по распространённости в земной коре занимает первое место среди металлов и третье — среди всех элементов (после кислорода и кремния). Общее содержание алюминия в земной коре составляет около 9% (по массе).

Укажем важнейшие природные соединения алюминия.

Алюмосиликаты. Эти соединения можно рассматривать как соли, образованные оксидами алюминия, кремния, щелочных и щёлочноземельных металлов. Они и составляют основную массу земной коры. В частности, алюмосиликаты входят в состав полевых шпатов — наиболее распространённых минералов и глин.

Боксит (рис. 65, а) — горная порода, из которой получают алюминий, содержит оксид алюминия Аl2O3.

Рис. 65.
Природные соединения алюминия:
а — боксит; б — корунд; в — рубин; г — сапфир

Корунд (рис. 65, б) — минерал состава Аl2O3, обладает очень высокой твёрдостью, его мелкозернистая разновидность, содержащая примеси, — наждак — применяется как абразивный (шлифовочный) материал.

Эту же формулу имеет и другое природное соединение — глинозём.

Хорошо известны прозрачные, окрашенные примесями кристаллы корунда: красные — рубины (рис. 65, в) и синие — сапфиры (рис. 65, г), которые используют как драгоценные камни. В настоящее время их получают искусственно и используют не только в ювелирном деле, но и для технических целей, например для изготовления деталей часов и других точных приборов. Кристаллы рубинов применяют в лазерах.

Оксид алюминия Аl2O3 — белое вещество с очень высокой температурой плавления. Может быть получен разложением при нагревании соответствующего ему гидроксида алюминия:

Гидроксид алюминия Аl(OН)3 выпадает в виде белого студенистого осадка при действии щелочей на растворы солей алюминия (рис. 66), например:

АlСl3(изб) + 3NaOH = Аl(ОН)3↓ + 3NaCl.

Рис. 66.
Получение гидроксида алюминия реакцией обмена из растворимой соли алюминия

Как амфотерный гидроксид, он легко растворяется в щелочах и кислотах (рис. 67):

Аl(ОН)3 + NаОН(изб) = Na[Al(OH)4],

Аl(ОН)3 + 3HN03 = Al(NO3)3 + 3H2O.

Рис. 67.
Химические свойства гидроксида алюминия:
а — взаимодействие с щёлочью; б — взаимодействие с кислотой

Лабораторный опыт № 16
Получение гидроксида алюминия и исследование его свойств

В две пробирки налейте по 1 мл раствора соли алюминия (хлорида или сульфата), а затем добавьте в каждую с помощью пипетки по 5 капель раствора щёлочи (гидроксида натрия или калия). Что наблюдаете? Прилейте к содержимому каждой пробирки раствор кислоты (соляной, серной или азотной). Что наблюдаете? О каком свойстве гидроксида алюминия свидетельствует вторая часть опыта? Запишите уравнения проделанных реакций в молекулярной и ионной формах.

Соли неустойчивых алюминиевых кислот — орто-алюминиевой Н3АlO3 и метаалюминиевой НАlO2 (её можно рассматривать как ортоалюминиевую кислоту, от молекулы которой отняли молекулу воды) — называют алюминатами. К природным алюминатам относится благородная шпинель (она украшает историческую реликвию — корону российских императоров) и драгоценный хризоберилл.

Соли алюминия, кроме фосфатов, хорошо растворимы в воде. Некоторые соли (сульфиды, сульфиты) разлагаются водой.

Хлорид алюминия АlСl3 применяют в качестве катализатора в производстве очень многих органических веществ.

Открытие алюминия. Алюминий был впервые получен датским физиком X. Эрстедом в 1825 г. Название этого элемента происходит от латинского алюмен, так в древности назывались квасцы, которые использовали для крашения тканей.

Новые слова и понятия

1. Строение атома алюминия.
2. Физические и химические свойства алюминия: образование бромида, сульфида, карбида, оксида и алюминатов.
3. Алюминотермия.
4. Получение алюминия электролизом.
5. Области применения алюминия.
6. Природные соединения алюминия: алюмосиликаты (глина и полевые шпаты), корунд (рубин, сапфир, наждак).
7. Амфотерность оксида и гидроксида алюминия.

Задания для самостоятельной работы

1. Почему в алюминиевой посуде нельзя хранить щелочные или кислые растворы?
2. Какое соединение алюминия могло послужить материалом для гиперболоида из романа А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина»?
3. Какую химическую реакцию положил в основу рассказа «Бенгальские огни» его автор Н. Носов?
4. На каких физических и химических свойствах основано применение в технике алюминия и его сплавов?
5. Напишите в ионном виде уравнения реакций между растворами сульфата алюминия и гидроксида калия при недостатке и избытке последнего.
6. Напишите уравнения реакций следующих превращений:

   

   Реакции, идущие с участием электролитов, запишите в ионной форме. Первую реакцию рассмотрите как окислительно-восстановительный процесс.

7. Вычислите объём водорода (н. у.), который может быть получен при растворении в едком натре 270 мг сплава алюминия, содержащего 5% меди. Выход водорода примите равным 85% от теоретически возможного.
8. Напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или химического процесса», используя свои знания по химии алюминия.