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 комплексными 1:

1 При взаимодействии гидроксида и оксида алюминия с растворами щелочей также образуются комплексные соли, например Na.

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 Fe3O 4 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 Аl 2 O 3 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 Na 3 AlF 6 , 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 Аl 2 O 3 .

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

Корунд (рис. 65, б) - минерал состава Аl 2 O 3 , 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 Аl 2 O 3 - 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:

АlСl 3(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,

Аl(ОН)3 + 3HN03 = Al(NO 3) 3 + 3H 2 O.

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

Лабораторный опыт № 16
Получение гидроксида алюминия и исследование его свойств

Соли неустойчивых алюминиевых кислот - орто-алюминиевой Н 3 АlO 3 и метаалюминиевой НАlO 2 (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 АlСl 3 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.

Мы отправляем его в воздух и запускаем в космос, ставим на плиту, строим из него здания, изготавливаем шины, мажем на кожу и лечим им язву... Вы еще не поняли? Речь идет об алюминии.

Попробуйте перечислить все области применения алюминия и обязательно ошибетесь. Скорее всего о существовании многих из них вы даже не подозреваете. Все знают, что алюминий - материал авиастроителей. Но как насчет автомобилестроения или, скажем. медицины? Знаете ли вы, что алюминий является пищевой добавкой Е-137, которая обычно используется как краситель, придающий продуктам серебристый оттенок?

Алюминий - элемент, который с легкостью образует устойчивые соединения с любыми металлами, кислородом, водородом, хлором и многими другими веществами. В результате подобных химических и физических воздействий получаются диаметрально разные по своим свойствам сплавы и соединения.

Использование оксидов и гидроксидов алюминия

Сферы применения алюминия настолько обширны, что для ограждения товаропроизводителей, конструкторов и инженеров от непреднамеренных ошибок, в нашей стране применение маркировки сплавов алюминия - стало обязательным. Каждому сплаву или соединению присваивается свое буквенно-цифровое обозначение, которое в дальнейшем позволяет быстро отсортировать их и направить для дальнейшей обработки.

Наиболее распространенные природные соединения алюминия - его оксид и гидроксид. в природе они существуют исключительно в виде минералов - корундов, бокситов, нефелинов, пр. - и в качестве глинозема. Применение алюминия и его соединений связано с ювелирной, косметологической, медицинской сферами, химической промышленностью и строительством.

Цветные, "чистые" (не мутные) корунды - это известные всем нам драгоценности - рубины и сапфиры. Однако по своей сути они - не что иное, как самый обычный оксид алюминия. Помимо ювелирной сферы, применение оксида алюминия распространяется на хим.промышленность, где он обычно выступает адсорбентом, а также на производство керамической посуды. Керамические котелки, горшочки, чашки обладают замечательными жаропрочными свойствами именно благодаря содержащемуся в них алюминию. Свое применение окись алюминия нашла и как материал для изготовления катализаторов. Нередко оксиды алюминия добавляют в бетон для его лучшего затвердевания, а стекло, в которое добавили алюминий, становится жаропрочным.

Перечень областей применения гидроксида алюминия выглядит еще более внушительно. Благодаря способности поглощать кислоту и оказывать каталитическое действие на иммунитет человека, гидроксид алюминия используется при изготовлении лекарств и вакцин от гепатитов типа "А" и "В" и столбнячной инфекции. Им также лечат почечную недостаточность, обусловленную наличием большого числа фосфатов в организме. Попадая в организм, гидроксид алюминия вступает в реакцию с фосфатами и образует неразрывные с ними связи, а затем естественным путем выводится из организма.

Гидроксид, в виду его отличной растворимости и не токсичности, нередко добавляют в пасту для чистки зубов, шампунь, мыло, примешивают к солнцезащитным средствам, питательным и увлажняющим кремам для лица и тела, антиперсперантам, тоникам, очищающим лосьонам, пенкам и пр. Если необходимо равномерно и стойко окрасить ткань, то в краситель добавляют немного гидроксида алюминия и цвет буквально "втравляется" в поверхность материи.

Применение хлоридов и судьфатов алюминия

Крайне важными соединениями алюминия являются также хлориды и сульфаты. Хлорид алюминия в естественном состоянии не встречается, однако его довольно просто получить промышленным путем из бокситов и каолинов. Применение хлорида алюминия ввиде катализатора довольно однобоко, но практически бесценно для нефтеперерабатывающей отрасли.

Алюминиевые сульфаты существуют в естественном состоянии в качестве минералов вулканических пород и известны своей способностью к абсорбации воды из воздуха. Применение сернокислого алюминия распространяется на косметическую и текстильную промышленность. В первой, он выступает в качестве добавки в антиперсперанды, во второй - в виде красителя. Интересно применение сульфата алюминия в составе реппелентов от насекомых. Сульфаты не только отпугивают комаров, мух и мошек, но и обезболивают место укуса. Однако несмотря на ощутимую пользу, сульфаты алюминия неоднозначно действуют на здоровье людей. Если вдохнуть или проглотить сульфат алюминия, можно получить серьезное отравление.

Алюминиевые сплавы - основные области применения

Искусственно полученные соединения алюминия с металлами (сплавы), в отличие от естественных образований, могут иметь такие свойства, какие пожелает сам производитель - достаточно изменить состав и количество легирующих элементов. На сегодняшний день существуют практически безграничные возможности для получения сплавов алюминия и их применения.

Самая известная отрасль использования алюминиевых сплавов - авиастроение. Самолеты практически полностью изготовлены из алюминиевых сплавов. Сплавы цинка, магния и алюминия дают небывалую прочность, используемую в обшивке самолетов и изготовлении деталей конструкции.

Аналогично используются алюминиевые сплавы и в строении кораблей, подводных лодок и мелкого речного транспорта. Здесь из алюминия наиболее выгодно делать надстроечные конструкции, они более чем в половину снижают вес судна, при этом не ухудшая их надежности.

Подобно самолетам и кораблям, автомобили с каждым годом все больше и больше становятся "алюминиевыми". Алюминий применяется не только в деталях кузова, теперь это еще и рамы, балки, стойки и панели кабины. Благодаря химической инертности алюминиевых сплавов, низкой подверженности коррозии и теплоизоляционным свойствам из сплавов алюминия изготавливают цистерны для перевозок жидких продуктов.

Широко известно применение алюминия в промышленности. Нефте- и газодобыча не были бы такими как сейчас, если бы не чрезвычайно коррозионстойкие, химически инертные трубопроводы из алюминиевых сплавов. Буры, сделанные из алюминия, весят в несколько раз меньше, а значит легко перевозятся и монтируются. И это не говря уже о разного рода, резервуарах, котлах и прочих емкостях...

Из алюминия и его сплавов производят кастрюли, сковороды, противни, половники и прочую домашнюю утварь. Алюминиевая посуда отлично проводит тепло, очень быстро нагревается, при этом легко чистится, не вредит здоровью и продуктам. На алюминиевой фольге мы запекаем мясо в духовке и выпекаем пироги, в алюминий упакованы масла и маргарины, сыры, шоколад и конфеты.

Крайне важная и перспективная область - применение алюминия в медицине. Помимо тех областей использования (вакцины, почечные лекарства, адсорбенты), о которых говорилось ранее, следует также упомянуть использование алюминия в лекарствах от язвы и изжоги.

Из всего вышесказанного можно сделать один вывод - марки алюминия и их применение слишком многообразны, чтобы посвящать им одну небольшую статью. Об алюминии лучше писать книги, ведь не зря же его называют "металлом будущего".