Алюминий: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 1: "Алюминий"

Общая характеристика. Главную подгруппу третьей группы Периодической системы (IIIA подгруппу) открывает бор, являющийся типичным неметаллом. Аналогично IA и IIA подгруппам в этой подгруппе свойства первого элемента заметно отличаются от свойств остальных представителей подгруппы: алюминия, галлия, индия и таллия. Алюминий проявляет металлические свойства, которые далее в ряду галлий — индий — таллий усиливаются. Всем элементам IIIА подгруппы свойственна электронная конфигурация внешнего уровня ns^2np^1 , что определяет высшую степень окисления +3 . Кристаллический бор почти такой же твёрдый, как алмаз. Он обладает полупроводниковыми свойствами, подобно кремнию. Бор — очень тугоплавкий элемент, остальные представители подгруппы — легкоплавкие металлы, в особенности галлий. Как и в других группах, с увеличением атомного номера увеличивается радиус атома элемента. Алюминий в свободном виде — серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Алюминий очень лёгкий и мягкий, что делает его незаменимым в производстве проводов.

Нахождение в природе. Алюминий — самый распространённый металл на Земле (третье место среди всех элементов). Из-за высокого сродства к кислороду алюминий не встречается в природе в виде свободного металла, а входит в состав глинозёмов Al_2O_3 , бокситов Al_2O_3 \cdot xH_2O , криолита Na_3AlF_6 и других минералов. Кроме того, алюминий встречается в виде алюмосиликатов в таких породах, как глина, слюда и полевой шпат.

Химические свойства. Поверхность алюминия обычно покрыта тонкой, но очень прочной плёнкой оксида Al_2O_3 , которая предохраняет его от взаимодействия с окружающей средой. Благодаря этой плёнке поверхность алюминиевых изделий кажется тусклой и жирной на ощупь. Если оксидную плёнку удалить механически или химически, то очень недолго, до образования новой плёнки, металл будет энергично реагировать с водой: 2Al + 6H_2O = 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2\uparrow.

Окисление алюминия кислородом (особенно если алюминий находится в виде стружек или порошка) происходит с большим выделением энергии, что свидетельствует о высоком сродстве алюминия к кислороду: 4Al + 3O_2 \overset{t}{=} 2Al_2O_3 + 3352 Дж.

Благодаря этому алюминий используется для восстановления металлов из их оксидов методом алюмотермии, например: Cr_2O_3 + 2Al \overset{t}{=} 2Cr + Al_2O_3, 3Fe_3O_4 + 8Al \overset{t}{=} 9Fe + 4Al_2O_3.

При нагревании алюминий взаимодействует с другими неметаллами — серой, азотом, фосфором и углеродом: 2Al + 3S \overset{t}{=} Al_2S_3, 2Al + N_2 \overset{t}{=} 2AlN, Al + P \overset{t}{=} AlP, 4Al + 3C \overset{t}{=} Al_4C_3.

Все эти соединения алюминия полностью гидролизуются водой с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана, например: Al_2S_3 + 6H_2O = 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow Al_4C_3 + 12H_2O = 4Al(OH)_3\downarrow + 3CH_4\uparrow.

Алюминий при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды: 2Al + 3Br_2 = 2AlBr_3.

Алюминий легко растворяется в соляной кислоте любой концентрации и разбавленной серной кислоте с выделением водорода: 2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow, 2Al + 3H_2SO_4 = Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\uparrow.

В разбавленной азотной кислоте происходит реакция с выделением оксида азота(II): Al + 4HNO_3(разб) = Al(NO_3)_3 + NO\uparrow + 2H_2O.

Алюминий растворяется не только в кислотах, но и в растворах щелочей с образованием тетрагидроксоалюминатов и выделением водорода: 2Al + 2KOH + 6H_2O = 2K[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow.

Способы получения. Алюминий получают электрохимическим способом путём электролиза боксита Al_2O_3 , растворённого в расплавленном криолите Na_3AlF_6 , на инертных электродах: 2Al_2O_3 (расплав в Na_3AlF_6) = 4Al + 3O_2\uparrow.

Электролитическое получение металла из водных растворов солей алюминия невозможно, так как на катоде будет выделяться водород, а не алюминий. Электрохимическое производство алюминия требует очень больших затрат электроэнергии, поэтому заводы по производству алюминия строят вблизи крупных электростанций.