Химия - это просто

Популярно о химии

· Что такое химия
· Периодическая таблица

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

· Водород
· Бор
· Углерод
· Азот
· Кислород
· Алюминий
· Кремний
· Фосфор
· Сера
· Хлор
· Хром
· Марганец
· Железо
· Медь
· Цинк
· Серебро
· Золото
· Ртуть

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Алюминий (Al)

• Обозначение - Al (Aluminium);
• Период - III;
• Группа - 13 (IIIa);
• Атомная масса - 26,981538;
• Атомный номер - 13;
• Радиус атома = 143 пм;
• Ковалентный радиус = 121 пм;
• Распределение электронов - 1s²2s²2p⁶3s²3p¹;
• t плавления = 660°C;
• t кипения = 2518°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,61/1,47;
• Степень окисления: +3, 0;
• Плотность (н. у.) = 2,7 г/см³;
• Молярный объем = 10,0 см³/моль.

Алюминий (квасцы) впервые был полуен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дорооже золота.

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре (массовая доля составляет 7-8%), и третьим по распространенности среди всех элементов после кислорода и кремния. В свободном виде в проироде алюминий не встречается.

Важнейшие природные соединения алюминия:

• алюмосиликаты - Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂; K₂O·Al₂O₃·2SiO₂
• бокситы - Al₂O₃·nH₂O
• корунд - Al₂O₃
• криолит - 3NaF·AlF₃

Алюминий в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером "13", относится к 13(IIIа) группе (См. Атомы 13(IIIа) группы).

Рис. Строение атома алюминия.

Алюминий химически активный металл - на его внешнем электронном уровне находятся три электрона, которые участвуют в образовании ковалентных связей при взаимодействии алюминия с другими химическими элементами (см. Ковалентная связь). Алюминий - сильный восстановитель, во всех соединениях проявляет степень окисления +3.

При комнатной температуре алюминий вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной оксидной пленки, которая надежно препятствует процессу дальнейшего окисления (корродирования) металла, в результате чего химическая активность алюминия снижается.

Благодаря оксидной пленке алюминий не вступает в реакцию с азотной кислотой при комнатной температуре, поэтому, алюминиевая посуда является надежной тарой для хранения и трансопртирования азотной кислоты.

Физические свойства алюминия:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• прочный;
• легкий;
• пластичный (протягивается в тонкую проволоку и фольгу);
• обладает высокой электро- и теплопроводностью;
• температура плавления 660°C
• природный алюминий состоит из одного изотопа ²⁷₁₃Al

Химические свойства алюминия:

• при снятии оксидной пленки алюминий реагирует с водой:
  2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂;
• при комнатной температуре вступает в реакции с бромом и хлором с образованием солей:
  2Al + 3Br₂ = 2AlCl₃;
• при высокой температуре алюминий реагирует с кислородом и серой (реакция сопровождается выделением большого кол-ва тепла):
  4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ + Q;
  2Al + 3S = Al₂S₃ + Q;
• при t=800°C реагирует с азотом:
  2Al + N₂ = 2AlN;
• при t=2000°C реагирует с углеродом:
  2Al + 3C = Al₄C₃;
• восстанавливает многие металлы из их оксидов - алюмотермией (при t до 3000°C) получают промышленным способом вольфрам, ванадий, титан, кальций, хром, железо, марганец:
  8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe;
• с соляной и разбавленной серной кислотой реагирует с выделением водорода:
  2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂;
  2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂;
• с концентрированной серной кислотой реагирует при высокой температуре:
  2Al + 6H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O;
• со щелочами реагирует с выделением водорода и образованием комплексных солей - реакция идет в несколько этапов: при погружении алюминия в раствор щелочи происходит растворение прочной защитной оксидной пленки, которая находится на поверхности металла; после растворения пленки, алюминий, как активиный металл, реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия, который взаимодействует со щелочью, как амфотерный гидроксид:
  • Al₂O₃+2NaOH = 2NaAlO₂+H₂O - растворение оксидной пленки;
  • 2Al+6H₂O = 2Al(OH)₃+3H₂↑ - взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
  • NaOH+Al(OH)₃ = NaAlO₂+2H₂O - взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
  • 2Al+2NaOH+2H₂O = 2NaAlO₂+3H₂↑ - суммарное уравнение реакции алюминия со щелочью.

Соединения алюминия

Al₂O₃ (глинозем)

Оксид алюминия Al₂O₃ является белым, очень тугоплавким и твердым веществом (в природе тверже только алмаз, карборунд и боразон).

Свойства глинозема:

• не растворяется в воде и вступает с ней в реакцию;
• является амфотерным веществом, реагируя с кислотами и щелочами:
  Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O;
  Al₂O₃ + 6NaOH + 3H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆];
• как амфотерный оксид реагирует при сплавлении с оксидами металлов и солями, образуя алюминаты:
  Al₂O₃ + K₂O = 2KAlO₂.

В промышленности глинозем получают из бокситов. В лабораторных условиях глинозем можно получить сжигая алюминий в кислороде:
4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃.

Применение глинозема:

• для получения алюминия и электротехнической керамики;
• в качестве абразивного и огнеупорного материала;
• в качестве катализатора в реакциях органического синтеза.

Al(OH)₃

Гидроксид алюминия Al(OH)₃ является белым твердым кристаллическим веществом, которое получается в результате обменной реакции из раствора гидроксида алюминия - выпадает в виде белого студенистого осадка, кристаллизующегося со временем. Это амфотерное соединение почти не растворимое в воде:
Al(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Al(OH)₆];
Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O.

• взаимодействие Al(OH)₃ с кислотами:
  Al(OH)₃+3H⁺Cl = Al³⁺Cl₃+3H₂O
• взаимодействие Al(OH)₃ со щелочами:
  Al(OH)₃+NaOH^- = NaAlO₂^-+2H₂O

Гидроксид алюминия получают путем действия щелочей на растворы солей алюминия:
AlCl₃ + 3NaOH = Al(OH)₃ + 3NaCl.

Получение и применение алюминия

Алюминий достаточно трудно выделить из природных соединений химическим способом, что объясняется высокой прочностью связей в оксиде алюминия, поэтому, для промышленного получения алюминия применяют электролиз раствора глинозема Al₂O₃ в расплавленном криолите Na₃AlF₆. В результате процесса алюминий выделяется на катоде, на аноде - кислород:

2Al2O3 → 4Al + 3O2

Исходным сырьем служат бокситы. Электролиз протекает при температуре 1000°C: температура плавления оксида алюминия составляет 2500°C - проводить электролиз при такой температуре не представляется возможным, поэтому оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите, и уже затем полученный электролит используют при электролизе для получения алюминия.

Применение алюминия:

• алюминиевые сплавы широко применяются в качестве конструкционных материалов в автомобиле-, самолето-, судостроении: дюралюминий, силумин, алюминиевая бронза;
• в химической промышленности в качестве восстановителя;
• в пищевой промышленности для изготовления фольги, посуды, упаковочного материала;
• для изготовления проводов и проч.