ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алюминий расположен в третьем периоде, III группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы. Это первый p-элемент 3-го периода.

Металл. Обозначение - Al. Порядковый номер - 13. Относительная атомная масса - 26,981 а.е.м.

Электронное строение атома алюминия

Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра (+13), внутри которого находится 13 протонов и 14 нейтронов. Ядро окружено тремя оболочками, по которым движутся 13 электронов.

Рис. 1. Схематическое изображение строения атома алюминия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

13Al) 2) 8) 3 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На внешнем энергетическом уровне алюминия находится три электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид:

Теоретически возможно возбужденное состояние для атома алюминия за счет наличия вакантной 3d -орбитали. Однако распаривания электронов 3s -подуровня на деле не происходит.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Получение алюмокалиевых квасцов

Алюминий (лат. Aluminium), – в периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный – 0,126 нм, условный радиус иона Al 3+ – 0,057 нм. Энергия ионизации Al – Al + 5,99 эВ.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl 4- , AlH 4- , алюмосиликаты), но и 6 (Al 2 O 3 , 3+).

Историческая справка . Название Алюминий происходит от лат. alumen – так еще за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский ученый X. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный АlСl 3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый Алюминий. Первый промышленного способ производства Алюминия предложил в 1854 французский химик А.Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида Алюминия и натрия Na 3 AlCl 6 металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, Алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 годы было получено всего 200 т Алюминия. Современный способ получения Алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава разработан в 1886 году одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

Нахождение в природе

Алюминий – самый распространенный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5–6,6 мол. доли% или 8 масс.%. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al 2 O 3 . 2SiO 2 . 2H 2 O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al 2 O 3 . xH 2 O и минералы корунд Al 2 O 3 и криолит AlF 3 . 3NaF.

Получение

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленнном криолите. Al 2 O 3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al 2 O 3 около 2050 о С, а криолита – 1100 о С. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al 2 O 3 , содержащую около 10 масс.% Al 2 O 3 , которая плавится при 960 о С и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF 3 , CaF 2 и MgF 2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 о С.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это – алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.

Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3 3-

На катоде выделяется жидкий алюминий:

Al 3+ + 3е - = Al

Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:

4AlO 3 3- – 12е - = 2Al 2 O 3 + 3O 2

Кислород окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания углерода анод наращивают.

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

Физические свойства алюминия . Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки. Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Å. Свойства Алюминий, как и всех металлов, в значит, степени зависят от его чистоты. Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20 °С) 2698,9 кг/м 3 ; t пл 660,24 °С; t кип около 2500 °С; коэффициент термического расширения (от 20° до 100 °С) 23,86·10 -6 ; теплопроводность (при 190 °С) 343 вт/м·К , удельная теплоемкость (при 100 °С) 931,98 дж/кг·К. ; электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50–60 Мн/м 2), твердостью (170 Мн/м 2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м 2 , твердость – до 270 Мн/м 2 , относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м 2 ~ и 0,1 кгс/мм 2). Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al 2 О 3 , защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.

Химические свойства

При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом – при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:

Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и H2SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется.

При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты – соли, содержащие алюминий в составе аниона:

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

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH) 3 + NaOH = Na

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2

Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na 2 CO 3 .

В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.

Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al 2 O 3), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.

Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в часности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь («термит») состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe 3 O 4 . Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO 2 . Основная реакция идет по уравнению:

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe + 3350 кДж

Причем развивается температура около 3000 о С.

Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050 о С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al 2 O 3 (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al 2 O 3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.

Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al 2 O 3 , получаемым сплавлением боксита (техническое название – алунд).

Прозрачные окрашеннные кристаллы корунда – красный рубин – примесь хрома – и синий сапфир – примесь титана и железа – драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3 , применяют в качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

Ввиду нерастворимости Al 2 O 3 в воде отвечающий этому оксиду гидроксид Al(OH) 3 может быть получен лишь косвенным путем из солей. Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами OH – постепенно замещаются в аквокомплексах 3+ молекулы воды:

3+ + OH - = 2+ + H 2 O

2+ + OH - = + + H 2 O

OH - = 0 + H 2 O

Al(OH) 3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке NH 4 OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида – алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + Al(OH) 3 = Na

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al 2 O 3 с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO 2 . Большинство из них в воде нерастворимо.

С кислотами Al(OH) 3 образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

В водной среде анион Al 3+ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:

3+ + H 2 O = 2+ + OH 3 +

Константа его диссоциации равна 1 . 10 -5 , т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al 3+ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.

Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO 4 4 – заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO 4 5- Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители – минералы

ортоклаз K 2 Al 2 Si 6 O 16 или K 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2

альбит Na 2 Al 2 Si 6 O 16 или Na 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2

анортит CaAl 2 Si 2 O 8 или CaO . Al 2 O 3 . 2SiO 2

Очень распространены минералы группы слюд, например мусковит Kal 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2 . Большое практическое значение имеет минерал нефелин (Na, K) 2 , который используется для получения глинозема содовых продуктов и цемента. Это производство складывается из следующих операций: a) нефелин и известняк спекают в трубчатых печах при 1200 о С:

(Na, K) 2 + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2

б) образовавшуюся массу выщелачивают водой – образуется раствор алюминатов натрия и калия и шлам CaSiO 3:

NaAlO 2 + KAlO 2 + 4H 2 O = Na + K

в) через раствор алюминатов пропускают образовавшийся при спекании CO 2:

Na + K + 2CO 2 = NaHCO 3 + KHCO 3 + 2Al(OH) 3

г) нагреванием Al(OH) 3 получают глинозем:

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

д) выпариванием маточного раствора выделяют соду и потаж, а ранее полученный шлам идет на производство цемента.

При производстве 1 т Al 2 O 3 получают 1 т содопродуктов и 7.5 т цемента.

Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты – природные и особенно искусственные – применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.

Галогениды алюминия в обычных условиях – бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF 3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF 3 основан на действии безводного HF на Al 2 O 3 или Al:

Al 2 O 3 + 6HF = 2AlF 3 + 3H 2 O

Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

Плотности паров AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам – Al 2 Hal 6 . Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена – с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M 3 и M (где Hal – хлор, бром или иод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl 3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F 2 , эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na 3 . Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

2Al(OH) 3 + 12HF + 3Na 2 CO 3 = 2Na 3 + 3CO 2 + 9H 2 O

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH 3) n . Разлагается при нагревании выше 105 о С с выделением водорода.

При взаимодействии AlH 3 с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:

LiH + AlH 3 = Li

Гидридоалюминаты – белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они – сильные восстановители. Применяются (в особенности Li) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3 . 18H 2 O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе – уксуснокислую соль) Al(CH 3 COO) 3 , используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.

Алюминий в организме . Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10 -3 до 10 -5 % Алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание Алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения – от 4 мг (мед) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание алюминия достигает 35–40 мг. Известны организмы – концентраторы алюминия, например, плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2–0,8% алюминия. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).

Геохимия алюминия . Геохимические черты алюминия определяются его большим сродством к кислороду (в минералах алюминий входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород алюминий входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, слюд и других минералов – алюмосиликатов. В биосфере алюминий – слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, алюминий мигрирует в почвах и водах в виде органоминеральных коллоидных соединений; алюминий адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь алюминия с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы – гидрооксиды алюминия – бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть алюминия входит в состав алюмосиликатов – каолинита, бейделлита и других глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление алюминия в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, алюминий почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция алюминия в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые алюминием. В местах смещения кислых вод с щелочными – морскими (в устьях рек и других), алюминий осаждается с образованием бокситовых месторождений.

Применение Алюминия . Сочетание физических, механических и химических свойств Алюминия определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с других металлами. В электротехнике Алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например, в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость Алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из Алюминий вдвое меньше медных). Сверхчистый Алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности оксидной пленки Алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый Алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа А III B V , применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый Алюминий используют в производстве разного рода зеркальных отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, Алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.

В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т.д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление Алюминий для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

В металлургии Алюминий (помимо сплавов на его основе) – одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе Сu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют Алюминий также для раскисления стали перед заливкой ее в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе Алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спеченный алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300 °С большой жаропрочностью.

Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения Алюминия.

Производство и потребление Алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.

Список использованной литературы

1. В.А. Рабинович, З.Я. Хавин «Краткий химический справочник»

2. Л.С. Гузей «Лекции по общей химии»

3. Н.С. Ахметов «Общая и неорганическая химия»

4. Б.В. Некрасов «Учебник общей химии»

5. Н.Л. Глинка «Общая химия»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алюминий - тринадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Al от латинского «aluminium». Расположен в третьем периоде, IIIА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 13.

Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8% (масс.).

Алюминий - серебристо-белый (рис. 1) легкий металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.

При комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой пленкой оксида, обладающего очень сильным защитным действием.

Рис. 1. Алюминий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса алюминия

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии алюминий существует в виде одноатомных молекул Al, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 26,9815.

Изотопы алюминия

Известно, что в природе алюминий может находиться в виде одного стабильного изотопа 27 Al. Массовое число равно 27. Ядро атома изотопа алюминия 27 Al содержит тринадцать протонов и четырнадцать нейтронов.

Существуют радиоактивные изотопы алюминия с массовыми числами от 21-го до 42-х, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 26 Al, период полураспада которого составляет 720 тысяч лет.

Ионы алюминия

На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеется три электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 1 .

В результате химического взаимодействия алюминий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Al 0 -3e → Al 3+ .

Молекула и атом алюминия

В свободном состоянии алюминий существует в виде одноатомных молекул Al. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу алюминия:

Сплавы алюминия

Основное применение алюминия - производство сплавов на его основе. Легирующие добавки (например, медь, кремний, магний, цинк, марганец) вводят в алюминий главным образом для повышения его прочности.

Широкое применение имеют дуралюмины, содержащие медь и магний, силумины, в которых основной добавкой служит кремний, магналий (сплав алюминия с 9,5-11,5% магния).

Алюминий - одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка и железа.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Тип урока . Комбинированный.

Задачи:

Образовательные:

1. Актуализировать знания учащихся о строении атома, физических смыслах порядкового номера, номера группы, номера периода на примере алюминия.

2. Сформировать у учащихся знания о том, что алюминию в свободном состоянии присущи особые, характерные физические и химические свойства.

Развивающие:

1. Возбудить интерес к изучению науки путем предоставления кратких исторических и научных сообщений о прошлом, настоящем и будущем алюминия.

2. Продолжить формирование исследовательских навыков учащихся при работе с литературой, выполнением лабораторной работы.

3. Расширить понятие амфотерности раскрытием электронного строения алюминия, химических свойств его соединений.

Воспитательные:

1. Воспитывать бережное отношение к окружающей среде, предоставляя сведения о возможном использовании алюминия вчера, сегодня, завтра.

2. Формировать умения работать коллективом у каждого учащегося, считаться с мнением всей группы и отстаивать свое корректно, выполняя лабораторную работу.

3. Знакомить учащихся с научной этикой, честностью и порядочностью естествоиспытателей прошлого, предоставляя сведения о борьбе за право быть первооткрывателем алюминия.

ПОВТОРЕНИЕ ПРОЙДЕННОГО МАТЕРИАЛЛА по темам щелочные и щелочноземельные М (ПОВТОРЕНИЕ):

Какое количество электронов на внешнем энергетическом уровне щелочных и щелочноземельных М?

Какие продукты образуются при взаимодействии с кислородом натрия или калия? (пероксид), способен ли литий в реакции с кислородом давать пероксид? (нет, в результате реакции образуется оксид лития.)

Как получают оксиды натрия и калия? (прокаливанием пероксидов с соответствующими Ме, Пр: 2Na+Na 2 O 2 =2Na 2 O).

Проявляют ли щелочные и щелочноземельные металлы отрицательные степени окисления? (нет, не имеют, так как являются сильными восстановителями.).

Как изменяется радиус атома в главных подгруппах (сверху вниз) Переодической системы? (увеличивается), с чем это связано? (с увеличением числа энергетических уровней).

Какие из изученных нами групп металлов легче воды? (у щелочных).

При каких условиях идет образование гидридов у щелочноземельных металлов? (при высоких температурах).

Какое вещество кальций или магний активнее реагирует с водой? (более активно реагирует кальций. Магний активно реагирует с водой только при нагревании ее до 100 0 С).

Как изменяется растворимость гидроксидов щелочноземельных металлов в воде, в ряду от кальция до бария? (растворимость в воде увеличивается).

Расскажите про особенности хранения щелочных и щелочноземельных металлов, почему их хранят именно так? (т.к. данные металлы очень реакциоспособны, то их хранят в таре под слоем керосина).

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по темам щелочные и щелочноземельные М:

КОНСПЕКТ УРОКА (ИЗУЧЕНЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА):

Учитель: Здравствуйте ребята, сегодня мы с вами переходим к изучению IIIА подгруппы. Перечислите элементы расположенные в IIIА подгруппе?

Обучаемые: Она включает в себя такие элементы как бор, алюминий, галлий, индий и таллий.

Учитель: Какое число электронов они содержат на внешнем энергетическом уровне, степени окисления?

Обучаемые: Три электрона, степень окисления +3, хотя для таллия более устойчивой является степень окисления +1.

Учитель: Металлические свойства элементов подгруппы бора выражены значительно слабее, чем у элементов подгруппы бериллия. Бор является неМ. В дальнейшем внутри подгруппы с возрастанием заряда ядра М свойства усиливаются. А l – уже М, но не типичный. Его гидроксид обладает амфотерными свойствами.

Из М главной подгруппы III группы наибольшее значение имеет алюминий, свойства которого мы изучим подробно. Он интересен нам потому, что является переходным элементом.

Алюминий

Алюминий - химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное - оксид Al 2 O 3 .

Алюминий - серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 °C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой - оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na .

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH) 3 + NaOH = Na.

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

2Al + 2NaOH +6H 2 O = 2Na + 3H 2 .

Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH) 3 - белое, полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый - среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия - боксит содержит 28-60% глинозема - оксида алюминия Al 2 O 3 .

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.

Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al 2 O 3 в расплаве криолита NaAlF 4 при температуре 950 °C.

Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Плотность алюминия, удельный вес и другие характеристики.

Плотность - 2,7*10 3 кг/м 3 ;
Удельный вес - 2,7 г /cм 3 ;
Удельная теплоемкость при 20°C - 0,21 кал/град;
Температура плавления - 658,7°C ;
Удельная теплоемкость плавления - 76,8 кал/град;
Температура кипения - 2000°C ;
Относительное изменение объема при плавлении (ΔV/V) - 6,6%;
Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20°C) : - 22,9 *10 6 (1/град);
Коэффициент теплопроводности алюминия - 180 ккал/м*час*град;

Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

Отражение света алюминием

Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

ОКСИД АЛЮМИНИЯ Al 2 O 3

Оксид алюминия Al 2 O 3 , называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни - рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3 , применяют а качестве квантовых генераторов - лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей - наждак, применяются как абразивные материалы.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al 2 O 3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al 2 O 3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al 2 O 3 получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 °C), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 o C. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите - минерале состава AlF 3 . 3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 °C на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na 3 и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al 2 O 3 , плавится при 960 °C и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF 3 , CaF 2 и MgF 2 . Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 °C.

Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO 2 .

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ

Сплавы , повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин - легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Магналии - сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).

Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см 3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий - одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.

Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) - насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.