Каталог :: Химия

Доклад: Алюминий, его свойства и соединения

Алюминий
Алюминий - самый распостраненный 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
2O3.2SiO2.2H2O. Из
других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al
2O3.xH2O и минералы корунд Al2
O3 и криолит AlF3.3NaF.
Впервые алюминий был получен Велером в 1827 году действием металлического
калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в
природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.
В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора
глинозема Al2O3 в расплавленнном криолите. Al2
O3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия
примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al2O3 
около 2050оС, а криолита - 1100оС. Электролизу подвергают
расплавленную смесь криолита и Al2O3, содержащую около 10
масс.% Al2O3, которая плавится при 960оС и
обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее
благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF3, CaF
2 и MgF2 проведение электролиза оказывается возможным при 950
оС.
В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в  главной
подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s2
2s22p63s23p1. Металлический атомный
радиус 0,143 нм, ковалентный - 0,126 нм, условный радиус иона Al3+ -
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 (AlCl4-, AlH4-,
алюмосиликаты), но и 6 (Al2O3,[Al(OH2)6
]3+).
В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый металл с
плотностью 2,7 г/см3 (т.пл. 660оС, т. кип. ~2500о
С). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется
высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6
электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве
электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминмевый
провод весит вдвое меньше медного.
На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой
оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый
вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO3
, K2Cr2O7) или анодным окислением толщина
защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминмя позволяет изготавливать из
него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной
кислоты.
Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.
Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и
фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.
Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с
хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью.
Важнейшие из них - дуралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si),
силумин (85 - 90% Al, 10 - 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы
применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в
производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте
применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.
Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам
для придания им жаростойкости.
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:
          2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2­          
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.
Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза
кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na2CO3.
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 Al2O3), 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 Fe3O4. Поджигается она при
помощи запала из смеси Al и BaO2. Основная реакция идет по
уравнению:
8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe + 3350 кДж
Причем развивается температура около 3000оС.
Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050о
С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al2O3 (минерал
корунд), а также  полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается
большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al
2O3 (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 Al2O3, 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 Cr2O3, применяют в качестве квантовых
генераторов - лазеров, создающих направленный пучок монохроматического
излучения.
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
NH4OH 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[Al(OH)4]               
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 Al2O3 с оксидами
соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу
производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO2. 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 Al3+ непосредственно окружен шестью молекулами
воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:
[Al(OH2)6]3+ + H2O = [Al(OH)(OH2)5]2+ + OH3+
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 SiO44- заменена на
алюмокислородные тетраэдры AlO45-. Из алюмосиликатов
наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более
половины массы земной коры. Главные их представители - минералы
ортоклаз K2Al2Si6O16 или K2O.Al2O3.6SiO2
альбит Na2Al2Si6O16 или Na2O.Al2O3.6SiO2
анортит CaAl2Si2O8 или CaO.Al2O3.2SiO2
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 AlF3 сильно отличается по свойствам от
своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен.
Основной способ получения AlF3 основан на действии безводного HF на
Al2O3 или Al:
     Al2O3 + 6HF = 2AlF3 + 3H2O     
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, AlCl3, AlBr3 и AlI3 дымят во влажном
воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием
простых веществ.
Плотности паров AlCl3, AlBr3 и AlI3 при
сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют
удвоенным формулам - Al2Hal6. 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 M3[AlF6] и
M[AlHal4] (где Hal - хлор, бром или иод). Склонность к реакциям
присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с
этим связано важнейшее техническое применение AlCl3 в качестве
катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).
Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F2,
эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na3[AlF6].
Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке
гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:
2Al(OH)3 + 12HF + 3Na2CO3 = 2Na3[AlF6] + 3CO2 + 9H2O
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
(AlH3)n. Разлагается при нагревании выше 105оС
с выделением водорода.
При взаимодействии AlH3 с основными гидридами в эфирном растворе
образуются гидроалюминаты:
                   LiH + AlH3 = Li[AlH4]                   
Гидридоалюминаты - белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они -
сильные восстановители. Применяются (в особенности Li[AlH4]) в
органическом синтезе.
Сульфат алюминия Al2(SO4)3.18H2
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(SO4)2.12H2O
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(CH3COO)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.
Несмотря на наличие громадных количеств алюминия в почках, растениях, как
правило, содержат мало этого элемента. Еще значительно меньше его содержание
в животных организмах. У человека оно составляет лишь десятитысячные доли
процента по массе. Биологическая роль алюминия не выяснена. Токсичностью
соединения его не обладают.