Все химические свойства алюминия

Все химические свойства алюминия

История открытия

Свое название серебристо-белый металл получил от латинского языка, в переводе оно означает квасцы. В 1825 году датский физик Ганс Эрстед нагрел амальгаму калия, восстановил хлорид вещества и выделил новый металл. Затем этот эксперимент повторил и улучшил Фридрих Велер. Он применил чистый металлический калий и первый описал химические особенности алюминия.

Все химические свойства алюминия

Полупромышленный способ выделения открыл Сент-Клер Девиль в 1854 году, но он использовал безопасный натрий. Полученный алюминиевый слиток ученый представил на Парижской выставке. А затем он провел еще один эксперимент — электролиз расплава двойной соли хлорида вещества.

До развития технологий алюминий, созданный электролитическим способом из глинозема, был слишком дорогим. Его слиток стоил больше, чем аналогичный кусок золота. Именно поэтому в 1889 году британские ученые подарили Менделееву аналитические весы. Чаши в них были изготовлены из разных металлов — золота и алюминия. В то время в России последнее вещество называли серебром из глины.

Только в 1886 году отдельно друг от друга химики Эру и Холл разработали промышленный метод добычи металла. Но еще с глубокой древности использовались квасцы — двойная соль калия и алюминия.

Распространенность в природе

По степени распространенности в земле алюминий занимает лидирующую позицию среди всех металлов и третью между элементами периодической таблицы. По исследованиям разных ученых его концентрация в почве колеблется от 7,4 до 8,1%. Молярная масса атома — 26,9815386 г/моль. У вещества высокая химическая активность, поэтому чаще всего оно встречается в виде соединений.

К природным минералам алюминия относятся:

Все химические свойства алюминия

  • хризоберилл или александрит;
  • бокситы;
  • берилл, аквамарин, изумруд;
  • нефелины;
  • каолинит;
  • алуниты;
  • полевые шпаты;
  • глиноземы — смесь каолинов с песком, магнезитом или известняком.

Но в специфических условиях — жерлах вулканов, например, есть незначительное количество самородного металла белого цвета. Содержат его и природные воды, но вещество приобретает вид малотоксичных соединений. Тип аниона или катиона зависит только от кислотности окружающей среды.

В составе алюминия есть радиоактивные изотопы, которые распадаются за 720 000 лет. Образуются они при расщеплении высокоэнергичными космическими лучами ядер аргона.

Способы получения

У алюминия очень прочная химическая связь с кислородом. Из-за высокой реакционной способности восстановиться металлу из алюмосиликатов и природных оксидов сложнее, чем другим подобным веществам. На это также влияет температура плавления его руд — корунды и бокситы.

Все химические свойства алюминия

Невозможно восстановить элемент путем обжига оксида с углеродом, что помогает при работе с железом. У алюминия слишком близкое взаимодействие с кислородом, у углерода этот показатель гораздо ниже.

Получение металла возможно методом неполного восстановления, в ходе которого выделяется промежуточный продукт — карбид алюминия. Затем он разлагается при температуре 1900−2000 градусов, образуя природное вещество.

Этот способ считается более выгодным, чем привычный электролитический, найденный Эру и Холлом. Он требует гораздо меньше энергетических затрат и приводит к минимальному образованию углерода.

Для производства 1 т чернового алюминия необходимо 35 кг его фторида, 65 кг криолита, 600 кг графитовых анодных электродов, 1920 кг глинозема и 61 ГДж электрической энергии. Получить металл в лабораторных условиях можно с помощью метода, найденного Фридрихом Велером. Необходимо восстановить вещество калием его безводного хлорида. Реакция протекает без участия кислорода при нагревании.

Химические свойства

Алюминий — серебристо-белый легкий металл, технический состав плавится при температуре 658 градусов, чистый — при 660, а закипает он при 2518, 8. К физическим свойствам относится и пластичность. Она у вещества очень высокая: 35% и 50% у промышленного и природного сплава соответственно. Его можно раскатать до состояния фольги или тонкого листа.

Все химические свойства алюминия

Модуль Юнга у алюминия составляет 70 ГПа, коэффициент Пуассона — 0,34. Он отлично отражает свет, проводит тепло и электричество. Вещество может взаимодействовать практически со всеми металлами, образует сплавы с кремнием, магнием, медью.

В нормальных условиях алюминий покрыт прочной тонкой оксидной пленкой, поэтому на него не действуют обычные окислители. Но он реагирует на разбавленные серные растворы.

Металлу не опасна коррозия, благодаря чему он нашел широкое применение в промышленности.

Но если пленка разрушилась — ее могут повредить соли аммония, горячие щелочи или амальгамирование, то вещество превращается в восстановитель. Галий, олово и индий не дают ей образоваться, при этом поверхность металла нужно покрыть легкоплавкими эвтектиками.

Перечень того, с чем реагирует алюминий:

  • кислородом;
  • галогенами;
  • неметаллами;
  • водой и ее парами;
  • щелочами;
  • соляной, азотной и серной кислотами.

Все химические свойства алюминия

При реакции с кислородом образуется оксид алюминия, его формула — 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Фторид вещества: 2Al + 3F2 = 2AlF3. Сульфид образуется при взаимодействии с серой:2Al + 3S = Al2S3, 2Al + N2 = 2AlN — это нитрид металла, 4Al + 3C = Al4C3 — карбид после реакции с углеродом.

Характерная степень окисления алюминия — плюс три, но его атомы могут образовывать дополнительные связи. При взаимодействии со щелочами образуется тетрагидроксоалюминат (или другие алюминаты): 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na (Al (OH)4) + 3H2. Металл можно растворить в разбавленной серной кислоте: 2Al + 3H2SO4 = Al2 (SO 4)3 + 3H2.

Интересна реакция алюминия с водой. Для нее необходимо удалить защитную пленку с помощью раствора горячей щелочи или амальгамы: 2Al + 6H2O = 2Al (OH3) + 3H2.

При взаимодействии с окислителями происходит разложение вещества: 2Al + 6H2SO4 = Al2 (SO4)3 + 3SO2 + 6H2O — растворимые соли, уравнение реакций.

Химические свойства алюминия включают восстановление металлов из оксидов, реакцию с парами воды.

Производство алюминия

До начала позапрошлого века не было достоверной информации о производстве металла. Первые несколько миллиграммов получил Ганс Эрстед в 1825. Через два года Фридрих Велер выделил крупинки, но они моментально покрывались пленкой на воздухе.

Все химические свойства алюминия

До конца XIX столетия вещество не производили в промышленных масштабах. И только в 1854 при финансировании Наполеона III, который надеялся об усилении армии с помощью металла, Сент-Клер Девиль вытеснил алюминий натрием из двойного хлорида натрия. Через год он получил первый слиток массой 6 кг, а до 1890 ученый смог создать более 200 т вещества.

В 1885 году построили первый завод в Гмелингеме, Германия. Технологию для производства разработал Николай Бекетов. Его метод мало отличался от способа Сент-Клер Девиля, но основывался на взаимодействии магния и криолита. За пять лет работы завод создал более 58 т металла, что составило четверть мирового производства.

Эру и Холл практически одновременно изобрели еще один метод — электролиз глинозема. Его растворяли в расплавленном криолите. Он и стал основой современного создания алюминия. В России первый завод появился в 1932 году, тогда промышленность СССР порадовала 47,7 млн т металла. Стимулировала производство Вторая мировая война.

А к 2016 в мире сделали около 59 млн т, лидерами стали:

  • Китай;
  • РФ;
  • Канада;
  • США;
  • Австралия.

Монополистом в РФ является «Российский алюминий», компания создает более 13% мирового рынка металла. Цены варьируются от 1253 до 3291 долларов за одну тонну.

Сферы применения

  • Благодаря основным свойствам алюминия — стойкости к коррозии, легкости, плавкости, теплопроводности и нетоксичности соединений — его применяют как конструкционное вещество.
  • А также металл используется во многих сферах человеческой деятельности:

Все химические свойства алюминия

  • черная металлургия;
  • создание сплавов;
  • ювелирное дело;
  • стекловарение;
  • пищевая и военная промышленность;
  • ракетная техника.

В черной металлургии алюминий необходим для создания стали. Он избавляет ее от пористости, делает более плотной. Сплавы металла широко применяют в разной промышленности. Наиболее востребованы соединения с магнием, марганцем, медью, кремнием. Когда алюминий был дорогим, из него делали ювелирные украшения. Обычно это были пуговицы, чаши для весов. Но когда изменились способы его изготовления, использование в этой сфере сразу прекратилось. Хотя сейчас из него делают бижутерию, а в Японии заменяют серебро.

Читайте также:  Ель сербская Пендула: описание, распростарнение, в ландшафтном дизайне

Наполеон Третий приказывал изготавливать себе столовые приборы из белого металла. Их использовал только он и почетные гости, хотя другие предпочитали золото и серебро. Сейчас подобные изделия можно увидеть в столовых, а также в армии — из алюминия делают котелки, ложки и фляжки.

Фосфат, фторид и оксид вещества необходимы в стекловарении, а также металл зарегистрирован как пищевая добавка. Алюмогель — осадок быстрого охлаждения гидроксида алюминия.

Он выступает в качестве основы обезболивающих и обволакивающих средств. Используют металл и в военном деле: его легкость полезна при создании ручного стрелкового оружия. Соединения вещества — суспензии и порошки — применяют при строительстве ракетной техники.

Хотя алюминий распространен в природе, ни один живой организм не использует его в метаболизме. Из-за этого металл называют мертвым, только химия способна превратить его в полезные вещества. У него слабое токсичное действие, но некоторые неорганические соединения сохраняются в растворах, поэтому могут оказывать негативный эффект на организм человека и теплокровных животных.

Все химические свойства алюминия

Самыми опасными считаются сульфаты, хлориды, ацетаты и нитраты. Сначала они действуют на центральную нервную систему, приводят к серьезным расстройствам здоровья. По 15 мг металла может каждый день выходить с мочой, но для людей с нарушенной работой почек даже малейшая доза может оказаться смертельно опасной. Вещество способно накапливаться в тканях головного мозга, костей, печени.

Согласно некоторым медицинским характеристикам, алюминий вызывает болезнь Альцгеймера, рак молочных желез. Но не все исследования подтверждены официально.

Ведь в организм человека молекулы металла попадают с питьевой водой практически каждый день.

Физические и химические свойства алюминия

Алюминий – металл, содержание которого в природе самое большое среди всех известных.

Позднее начало его применения вызвано тем, что, поскольку он обладает высокой химической активностью, то находится в земной коре только в составе различных химических соединений.

Восстановление чистого металла сопряжено с рядом трудностей, преодолеть которые стало возможным только с развитием технологий добычи металлов.

Чистый алюминий – мягкий ковкий металл серебристо-белого цвета. Это один из легчайших металлов, который, к тому же, хорошо поддается разнообразной механической обработке, штамповке, прокатке, литью. На открытом воздухе практически моментально покрывается тонкой и прочной пленкой окисла, которая противодействует дальнейшему окислению.

Все химические свойства алюминия

Внешний вид алюминия

Механические свойства алюминия, такие как мягкость, податливость штамповке, легкость в обработке, послужили широкому распространению во многих отраслях промышленности.  Особенно часто алюминия используется в составе сплавов с другими металлами.

Физические и химические свойства сплавов алюминия послужили поводом к широкому использованию их в качестве конструкционных материалов, снижающих общий вес конструкции без ухудшения прочностных качеств.

Физические свойства

Алюминий не имеет каких-либо уникальных физических свойств, но их сочетание делает металл одним из самых широко востребованных.

Твердость чистого алюминия по шкале Мооса равняется трем, что значительно ниже, чем у большинства металлов. Данный факт является практически единственным препятствием для использования чистого металла.

Если внимательно рассмотреть таблицу физических свойств алюминия, то можно выделить такие качества, как:

  • Малую плотность (2.7 г/см3);
  • Высокую пластичность;
  • Низкое удельное электрическое сопротивление (0,027 Ом·мм2/м);
  • Высокую теплопроводность (203.5 Вт/(м·К));
  • Высокую светоотражательная способность;
  • Низкую температуру плавления (660°С).

Такие физические свойства алюминия, как высокая пластичность, низкая температура плавления, отличные литейные качества, позволяют использовать данный металл в чистом виде и в составе сплавов на его основе для производства изделий любой самой сложной конфигурации.

Вместе с этим, это один из немногих металлов, хрупкость которого не возрастает при охлаждении до сверхнизких температур. Данное свойство определило одну из областей применения в конструктивных элементах криогенной техники и аппаратуры.

Все химические свойства алюминия

Детали из алюминия

Существенно более высокую прочность, сравнимую с прочностью некоторых сортов стали, имеют сплавы на основе алюминия. Наибольшее распространение получили сплавы с добавлением магния, меди и марганца – дюралюминиевые сплавы и с добавлением кремния – силумины. Первая группа отличается высокой прочностью, а последняя одними из самых лучших литейных качеств.

  • Невысокая температура плавления снижает затраты на производство и себестоимость технологических процессов при производстве конструкционных материалов на основе алюминия и его сплавов.
  • Для изготовления зеркал используется такое качество, как высокий коэффициент отражения, сравнимый с показателем серебра, легкость и технологичность вакуумного напыления алюминиевых пленок на различные несущие поверхности (пластики, металл, стекло).

При плавке алюминия и выполнения литья особое внимание обращается на способность расплава поглощать водород. Не оказывая действий на химическом уровне, водород способствует уменьшению плотности и прочности за счет образования микроскопических пор при застывании расплава.

Благодаря низкой плотности и малому электрическому сопротивлению (ненамного выше меди), провода из чистого алюминия находят преимущественное применение при передаче электроэнергии в линиях электропередач, всего диапазона токов и напряжений в электротехнике, как альтернатива медным силовым и обмоточным проводам.

Сопротивление меди несколько меньше, поэтому провода из алюминия необходимо использовать большего сечения, но итоговая масса изделия и его себестоимость оказываются в несколько раз меньше. Ограничением служит только несколько меньшая прочность алюминия и высокая сопротивляемость пайке из-за пленки окислов на поверхности.

Большую роль играет наличие сильного электрохимического потенциала при контакте с таким металлом, как медь. В результате, в месте механического контакта меди и алюминия образуется прочная пленка окисла, имеющего высокое электрическое сопротивление. Это явление приводит к нагреву места соединения вплоть до расплавления проводников.

Существуют жесткие ограничения и рекомендации по применению алюминия в электротехнике.

Все химические свойства алюминия

Алюминий в строительстве

Высокая пластичность позволяет изготавливать тонкую фольгу, которая используется в производстве конденсаторов высокой емкости.

Легкость алюминия и его сплавов стали основополагающими при использовании в авиакосмической отрасли при изготовлении большинства элементов конструкции летательных аппаратов: от несущих конструкций, до элементов обшивки, корпусов приборов и оборудования.

Химические свойства

Являясь довольно химически активным металлом, алюминий активно сопротивляется коррозии. Это происходит благодаря образованию на его внешней поверхности очень прочной оксидной пленки под действием кислорода.

Прочная пленка оксида хорошо защищает поверхность даже от таких сильных кислот, как азотная и серная. Это качество нашло распространение в химии и промышленности для транспортировки концентрированной азотной кислоты.

Все химические свойства алюминия

Химические свойства алюминия

Разрушить пленку можно сильно разбавленной азотной кислотой, щелочами при нагреве или при контакте с ртутью, когда на поверхности образуется амальгама.

В перечисленных случаях оксидная пленка не является защитным фактором и алюминий активно взаимодействует с кислотами, щелочами и окислителями. Оксидная пленка также легко разрушается в присутствии галогенов (хлор, бром).

Таким образом, соляная кислота HCl, хорошо взаимодействует с алюминием при любых условиях.

Химические свойства алюминия зависят от чистоты металла. Использование состава легирующих присадок некоторых металлов, в частности марганца, позволяет увеличить прочность защитной пленки, повысив, таким образом, коррозионную устойчивость алюминия. Некоторые металлы, к примеру, никель и железо, способствуют снижению коррозионную стойкость, но повышают жароустойчивость сплавов.

Оксидная пленка на поверхности алюминиевых изделий играет отрицательную роль при проведении сварочных работ. Мгновенное окисление ванны расплавленного металла при сварке не позволяет сформировать сварочный шов, поскольку окись алюминия имеет очень высокую температуру плавления.

Читайте также:  Обозначения в электронике схемах

Для сварки алюминия используют специальные сварочные аппараты с неплавящимся электродом (вольфрам). Сам процесс ведется в среде инертного газа – аргона. При отсутствии процесса окисления сварочный шов получается прочным, монолитным.

Некоторые легирующие добавки в сплавы дополнительно улучшают сварочные свойства алюминия.

Чистый алюминий практически не образует ядовитых соединений, поэтому активно используется в пищевой промышленности при производстве кухонной посуды, упаковки пищевых продуктов, тары для напитков.

Оказывать негативное действие могут лишь некоторые неорганические соединения.

Исследованиями также установлено, что алюминий не используется в метаболизме живых существ, его роль в жизнедеятельности ничтожна.

III группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (Алюминий)

Алюминий – лёгкий
серебристо-белый металл, легко поддающийся формовке, литью, механической
обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Аl — довольно активный металл, однако при обычных
условиях ведет себя инертно — имеет высокую температуру воспламенения, со
многими веществами реагирует только при высокой температуре;

Все реакции с участием Al проходят через первоначальный
замедленный период из-за наличия на его поверхности очень тонкой, прочной,
газо- и водонепроницаемой пленки Al2O3. При нарушении цельности этой пленки AI реагирует
со многими веществами как активный восстановитель.

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы, в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронная конфигурация алюминия:

Нахождение алюминия в природе

  • Алюминий — самый
    распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех
    элементов (после кислорода и кремния).
  • Содержание в земной коре
     — примерно 8,6 %.
  • В природе алюминий
    встречается в виде соединений:
  • Бокситы — Al2O3 · H2O
    (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)
  • Нефелины — KNa3[AlSiO4]4
  • Алуниты — (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3
  • Глинозёмы (смеси каолинов с
    песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)
  • Корунд (сапфир, рубин, наждак) —
    Al2O3
  • Полевые
    шпаты — (K,Na)2O·Al2O3·6SiO2,
    Ca[Al2Si2O8]
  • Каолинит — Al2O3·2SiO2 ·
    2H2O
  • Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al2О3 · 6SiO2
  • Хризоберилл (александрит) —
    BeAl2O4.

Способы получения алюминия

  1. Промышленный способ:
  2. Электролиз Al2O3 в расплавленном криолите (Na3AlF6)
  3. Алюминий получают электролизом Al2O3 врасплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре 960–970°С:
  4. 2Al2O3 → 4Al + 3O2
  5. Процесс
    электролиза можно представить так:
  6. Al2O3 → Al3+ + AlO33-
  7. На катоде происходит восстановление
    ионов алюминия,
    а на аноде —
    окисление алюминат-ионов:
  8. К: Al3+ +3e → Al0
  9. А: 4AlO33- — 12e → 2Al2O3 + 3O2
  10. Лабораторный
    способ:
  11. Вакуумтермический способ
  12. Восстановление безводного хлорида
    алюминия металлическим калием (при нагревании и без доступа воздуха)
  13. AlCl3 + ЗК = Al + 3KCl

Химические свойства алюминия

Качественные реакции

  • Соли алюминия можно обнаружить с помощью
    водного раствора аммиака. При этом выпадает полупрозрачный белый осадок
    гидроксида алюминия:

AlCl3 + 3NH3·H2O = Al(OH)3↓ + 3NH4Cl

  • Качественной является реакция взаимодействия солей алюминия с недостатком щелочей. При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия:
  • AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3↓+ 3NaCl
  • При дальнейшем добавлении щелочи осадок гидроксида алюминия растворяется с образованием комплексного соединения тетрагидроксоалюмината:
  • Al(OH)3 + NaOH =
    Na[Al(OH)4]
  • Обратите
    внимание
    , если изначально поместить соль алюминия в избыток
    раствора щелочи
    , то сразу образуется растворимый тетрагидроксоалюминат:
  • AlCl3 + 4NaOH =
    Na[Al(OH)4] + 3NaCl
  • Видео Взаимодействие алюминия с раствором аммиака

  1. С кислородом
  2. С кислородом взаимодействуют
    с образованием прочной оксидной пленки — оксида.

  3. При нагревании сгорает с выделением большого количества теплоты (экзотермическая реакция):
  4. 4Al + 3O2 → 2Al2O3 + Q
  5. При этом может развиваться
    температура до 35000С.

  6. С галогенами (F, Cl, Br, I)
  7. Реагирует сгалогенами с
    образованием галогенидов:
  8. 2Al + 3I2 → 2AlI3
  9. С водородом
  10. C
    водородом алюминий непосредственно не
    соединяется
  11. С серой и фосфором
  12. Взаимодействуетс серойпри нагревании до 150 -200С с образованием сульфида:
  13. 2Al + 3S  → Al2S3
  14. С фосфором образует фосфид:
  15. Al + P → AlP
  16. С азотом
  17. С азотом взаимодействует
    при нагревании до 1000оС с образованием нитрида:
  18. 2Al + N2 → 2AlN
  19. С углеродом
  20. С углеродом взаимодействует
    при нагревании примерно до 2000оС с образованием карбида:
  21. 4Al + 3С  → Al4С3

Взаимодействие со сложными веществами

  • С водой
  • Алюминий покрыт стойкой защитной оксидной пленкой Al2O3, которая защищает
    алюминий от дальнейшего окисления и действия воды.
  • При снятии защитной пленки алюминий бурно
    реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия и водорода:
  • 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 +3H2↑
  • Оксидную пленку можно удалить с помощью растворов щелочи,
    хлорида аммония или солей ртути (амальгирование)
  • С кислотами
  • С растворами кислот-неокислителей (HCl, H2SO4, H3PO4) взаимодействуют с образованием соли и выделением
    водорода: 2Al + 6HCl →2AlCl3 +
    3H2↑
  • С кислотами-окислителями (HNO3 и конц. H2SO4):
  1. Алюминий не
    реагирует
     с концентрированными азотной и серной кислотами из-за
    пассивации.
  2. Однако,
    при нагревании реакции протекают довольно активно:
  3. Al + 6HNO3(конц.) = Al(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O
  4. 8Al + 15H2SO4(конц.) = 4Al2(SO4)3 + 3H2S↑ + 12Н2O
  5. С разбавленной азотной кислотой взаимодействует при обычной Т медленно при нагревании — быстро:
  6. 10Al + 36HNO3 (разб) → 3N2 + 10Al(NO3)3 + 18H2O
  7. 8Al + 30HNO3 (оч.разб) = 8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O
  8. С щелочами
  9. Алюминий взаимодействует с
    щелочами
    . При
    взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:
  10. 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ↑
  11. Алюминий реагирует с расплавом щелочи
    с образованием алюмината и водорода:
  12. 2Al + 6NaOH → NaAlO2 + 3H2↑ + Na2O
  13. С солями
  14. При нагревании реагирует с растворами солей менее активных металлов:
  15. 2Al + 3CuCl2 → 2AlCl3 + 3Cu
  16. Al + FeCl3 →  AlCl3 + Fe
  17. С оксидами
  18. Алюминий при нагревании восстанавливает менее активные металлы из их оксидов:
  19. Fe2O3 +
    2Al → 2Fe + Al2O3
  20. Cr2O3 + 2Al → 2Cr
    + Al2O3
  21. Этот
    метод широко используется при получении металлов и называется алюмотермией.
  22. Видео Горение алюминия

Алюминий: химические свойства и способность вступать в реакции с другими веществами

[Deposit Photos]

Металлы относятся к удобным для обработки материалам, и лидером среди них является алюминий, химические свойства которого давно известны людям. Этот металл, благодаря своим характеристикам, широко применяется в быту, и отыскать у себя дома изделие из алюминия сможет почти каждый человек. Следует детально рассмотреть свойства этого металла как элемента и как простого вещества.

[Deposit Photos]

С давних времен люди использовали алюмокалиевые квасцы — соединение алюминия, способное придавать прочность и устойчивость тканям и коже.

Такое свойство металла нашло свое применение в кожевничестве: с помощью алюмокалиевых квасцов скорняки выделывали кожу, придавая ей прочность и устойчивость.

О том, что оксид алюминия присутствует в природе в чистом виде, люди узнали только во второй половине XVI­II столетия, но получать чистое вещество в те времена еще не научились.

Впервые это удалось сделать Хансу Кристиану Эрстеду, который обработал соль амальгамой калия, выделив затем из полученной смеси порошок серого цвета. Таким образом, данная химическая реакция помогла добыть чистый алюминий. В то же время были установлены такие характеристики металла, как высокая восстановительная способность и сильная активность.

После открытия металла работу Эрстеда по получению алюминия продолжал Фридрих Вёлер: в 1827 году он получил алюминиевый порошок, а в 1845-м — шарики металла.

А первый промышленно значимый эксперимент был поставлен французским ученым Девилем в 1854 году.

Именно этот выдающийся химик предложил электрохимический способ получения алюминия и сумел изготовить первые слитки металла (данный способ сохранил свою актуальность и в наши дни).

В XX столетии началось промышленное производство алюминия, который сразу же стал высоко цениться за свои уникальные свойства. Этот металл в настоящее время активно применяется в быту и промышленности: машиностроении, авиации, приборостроении, электротехнической промышленности и многих других сферах жизнедеятельности человека. Здесь вы найдете увлекательные эксперименты с алюминием.

Атом алюминия и его общая характеристика

Чтобы понять, что из себя представляет атом алюминия, необходимо выделить из периодической системы Менделеева несколько его основных характеристик:

  • порядковым номером металла является цифра 13;
  • элемент расположен в третьем малом периоде, главной подгруппе, третьей группе;
  • атомная масса элемента – 26,98;
  • у элемента сильно выражены металлические свойства;
  • алюминий имеет всего 27 изотопов с разными массовыми числами;
  • элемент встречается в двух степенях окисления: 0 и +3.
Читайте также:  Как снять пьяный подшипник перфоратора

Алюминий и его химические свойства

[Deposit Photos]

Если рассматривать химические реакции, чистый алюминий — это сильный восстановитель, проявляющий высокую химическую активность в свободном виде. Чтобы многократно усилить его активность, необходимо убрать оксидную пленку. Алюминий способен вступать в реакции с серой, галогенами, кислотами и щелочами. В обычных условиях данный металл не способен взаимодействовать с водой, без нагревания может вступать в реакцию только с тремя галогенами: хлором, бромом и йодом. Важной химической характеристикой алюминия является способность металла восстанавливать некоторые другие элементы, а также их соединения.

В какие реакции вступает алюминий

Взаимодействие с неметаллами: алюминий реагирует с углеродом, серой, азотом и остальными неметаллами (со многими – только после нагревания, без которого реакция не произойдет). В результате реакции происходит выделение большого количества тепла.

Взаимодействие с кислотами (например, с соляной): в результате выделяется водород.

via GIPHY

  • Взаимодействие с оксидами реакция замещения атомов металла в оксиде на алюминий позволяет получить большое количество теплоты и новый металл в свободном виде.
  • Взаимодействие с солями, а именно с растворами некоторых менее активных солей.
  • Взаимодействие со щелочами: по причине сильного взаимодействия с растворами щелочей, их растворы нельзя хранить в посуде из алюминия.

Алюминотермия — процесс восстановления металлов, сплавов и неметаллов посредством воздействия на их оксиды металлическим алюминием. Благодаря данной особенности алюминия, металлурги могут добывать такие тугоплавкие металлы, как молибден, вольфрам, цирконий, ванадий.

Физические свойства алюминия как простого вещества

В качестве простого вещества алюминий представляет собой металл серебристого цвета. Он способен окисляться на воздухе, покрываясь плотной оксидной пленкой.

Данная особенность металла обеспечивает его высокую стойкость к коррозии. Это свойство алюминия, наравне с другими характеристиками, делает его чрезвычайно популярным металлом, широко применяемым в быту. Кроме того, алюминий имеет легкий вес, сохраняя при этом высокую прочность и пластичность.

via GIPHY

Далеко не каждое известное людям вещество имеет совокупность подобных характеристик.

Физические свойства алюминия

  1. Алюминий — пластичный и ковкий металл, применяется для изготовления тончайшей фольги, из алюминия прокатывают проволоку.
  2. Температура кипения металла составляет 2518 °С.
  3. Температура плавления алюминия составляет 660 °С.
  4. Плотность алюминия составляет 2,7 г/см³.
  5. Широкое применение алюминия в сферах жизнедеятельности обусловлено его химическими и физическими свойствами.

Характерные химические свойства алюминия

Алюминий — амфотерный металл. Электронная конфигурация атома алюминия 1s22s22p63s23p1. Таким образом, на внешнем электронном слое у него находятся три валентных электрона: 2 — на 3s- и 1 — на 3p-подуровне.

В связи с таким строением для него характерны реакции, в результате которых атом алюминия теряет три электрона с внешнего уровня и приобретает степень окисления +3.

Алюминий является высокоактивным металлом и проявляет очень сильные восстановительные свойства.

Взаимодействие алюминия с простыми веществами

с кислородом

При контакте абсолютно чистого алюминия с воздухом атомы алюминия, находящиеся в поверхностном слое, мгновенно взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют тончайшую, толщиной в несколько десятков атомарных слоев, прочную оксидную пленку состава Al2O3, которая защищает алюминий от дальнейшего окисления. Невозможно и окисление крупных образцов алюминия даже при очень высоких температурах. Тем не менее, мелкодисперсный порошок алюминия довольно легко сгорает в пламени горелки:

4Аl + 3О2 = 2Аl2О3

с галогенами

Алюминий очень энергично реагирует со всеми галогенами. Так, реакция между перемешанными порошками алюминия и йода протекает уже при комнатной температуре после добавления капли воды в качестве катализатора. Уравнение взаимодействия йода с алюминием:

  • 2Al + 3I2 =2AlI3
  • С бромом, представляющим собой тёмно-бурую жидкость, алюминий также реагирует без нагревания. Образец алюминия достаточно просто внести в жидкий бром: тут же начинается бурная реакция с выделением большого количества тепла и света:
  • 2Al + 3Br2 = 2AlBr3
  • Реакция между алюминием и хлором протекает при внесении нагретой алюминиевой фольги или мелкодисперсного порошка алюминия в заполненную хлором колбу. Алюминий эффектно сгорает в хлоре в соответствии с уравнением:
  • 2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

с серой

При нагревании до 150-200 оС или после поджигания смеси порошкообразных алюминия и серы между ними начинается интенсивная экзотермическая реакция с выделением света:

— сульфид алюминия

с азотом

При взаимодействии алюминия с азотом при температуре около 800 oC образуется нитрид алюминия:

с углеродом

При температуре около 2000oC алюминий взаимодействует с углеродом и образует карбид (метанид) алюминия, содержащий углерод в степени окисления -4, как в метане.

Взаимодействие алюминия со сложными веществами

с водой

Как уже было сказано выше, стойкая и прочная оксидная пленка из Al2O3 не дает алюминию окисляться на воздухе. Эта же защитная оксидная пленка делает алюминий инертным и по отношению к воде.

При снятии защитной оксидной пленки с поверхности такими методами, как обработка водными растворами щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование), алюминий начинает энергично реагировать с водой с образованием гидроксида алюминия и газообразного водорода:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑

с оксидами металлов

После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000оС. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:

2AI + Fe2O3 = 2Fe + Аl2О3

Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией.

с кислотами-неокислителями

Взаимодействие алюминия с кислотами-неокислителями, т.е. практически всеми кислотами, кроме концентрированной серной и азотной кислот, приводит к образованию соли алюминия соответствующей кислоты и газообразного водорода:

  1. а) 2Аl + 3Н2SO4(разб.) = Аl2(SO4)3 + 3H2↑
  2. 2Аl0 + 6Н+ = 2Аl3+ + 3H20;
  3. б) 2AI + 6HCl = 2AICl3 + 3H2↑

с кислотами-окислителями

-концентрированной серной кислотой

Взаимодействие алюминия с концентрированной серной кислотой в обычных условиях, а также низких температурах не происходит вследствие эффекта, называемого пассивацией. При нагревании реакция возможна и приводит к образованию сульфата алюминия, воды и сероводорода, который образуется в результате восстановления серы, входящей в состав серной кислоты:

Такое глубокое восстановление серы со степени окисления +6 (в H2SO4) до степени окисления -2 (в H2S) происходит благодаря очень высокой восстановительной способности алюминия.

— концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно протекает реакция:

— разбавленной азотной кислотой

  • Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N2O и NH4NO3:
  • 8Al + 30HNO3(разб.) = 8Al(NO3)3 +3N2O↑ + 15H2O
  • 8Al + 30HNO3(оч. разб) = 8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O

со щелочами

  1. Алюминий реагирует как с водными растворами щелочей:
  2. 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
  3. так и с чистыми щелочами при сплавлении:
  • В обоих случаях реакция начинается с растворения защитной пленки оксида алюминия:
  • Аl2О3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]
  • Аl2О3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + Н2О
  • В случае водного раствора алюминий, очищенный от защитной оксидной пленки, начинает реагировать с водой по уравнению:
  • 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑
  • Образующийся гидроксид алюминия, будучи амфотерным, реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием растворимого тетрагидроксоалюмината натрия:
  • Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]

С.И. Широкопояс https://scienceforyou.ru/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector