Тема: Алюминий. Важнейшие соединения алюминия
· 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 получен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дороже 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 природе алюминий не встречается.
Важнейшие природные соединения алюминия:
· алюмосиликаты - Na2O·Al2O3·2SiO2; K2O·Al2O3·2SiO2
· бокситы - Al2O3· n H2O
· корунд - Al2O3
· криолит - 3NaF·AlF3
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. 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 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 транспортирования 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:
o Al2O3+2NaOH = 2NaAlO2+H2O - растворение оксидной пленки;
o 2Al+6H2O = 2Al(OH)3+3H2↑ - взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
o NaOH+Al(OH)3 = NaAlO2+2H2O - взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
o 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 автомобилестроении, самолетостроении, 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.
Задание
1. Приведите пример химического уравнения реакции,сущность которого выражена схемой:
2 Al0 +6 H+ = 2 Al+3 + 3 H20
2. Запишите уравнения химических реакций между а) алюминием и сульфатом меди; б) алюминием и оксидом марганца (II).
3. Какова масса кремния, полученного при восстановлении алюминием 1 кг оксида кремния (IV), содержащего 10% примесей?