Opis aluminium w chemii. Właściwości chemiczne aluminium. Produkcja i zastosowanie aluminium

DEFINICJA

Aluminium– pierwiastek chemiczny III okresu z grupy IIIA. Numer seryjny – 13. Metal. Aluminium należy do pierwiastków rodziny p. Symbol – Al.

Masa atomowa – 27 u. Konfiguracja elektroniczna zewnętrznego poziomu energii to 3s 2 3p 1. W swoich związkach aluminium wykazuje stopień utlenienia „+3”.

Właściwości chemiczne aluminium

Aluminium wykazuje w reakcjach właściwości redukujące. Ponieważ pod wpływem powietrza na jego powierzchni tworzy się film tlenkowy, jest on odporny na interakcję z innymi substancjami. Na przykład aluminium pasywuje się w wodzie, stężonym kwasie azotowym i roztworze dwuchromianu potasu. Jednak po usunięciu warstwy tlenku z jego powierzchni jest on w stanie oddziaływać z prostymi substancjami. Większość reakcji zachodzi po podgrzaniu:

2Al proszek +3/2O 2 = Al 2 O 3;

2Al + 3F2 = 2AlF3 (t);

2Al proszek + 3Hal 2 = 2AlHal 3 (t = 25C);

2Al + N2 = 2AlN (t);

2Al +3S = Al2S3 (t);

4Al + 3C grafit = Al 4 C 3 (t);

4Al + P 4 = 4AlP (t, w atmosferze H2).

Ponadto aluminium po usunięciu warstwy tlenku z powierzchni może wchodzić w interakcję z wodą, tworząc wodorotlenek:

2Al + 6H 2O = 2Al(OH) 3 + 3H 2.

Aluminium wykazuje właściwości amfoteryczne, dzięki czemu jest w stanie rozpuszczać się w rozcieńczonych roztworach kwasów i zasad:

2Al + 3H 2 SO 4 (rozcieńczony) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2;

2Al + 6HCl rozcieńczony = 2AlCl3 + 3H2;

8Al + 30HNO 3 (rozcieńczony) = 8Al(NO 3) 3 + 3N 2O + 15H 2O;

2Al +2NaOH +3H2O = 2Na + 3H2;

2Al + 2(NaOH×H2O) = 2NaAlO2 + 3H2.

Aluminotermia to metoda otrzymywania metali z ich tlenków, polegająca na redukcji tych metali za pomocą aluminium:

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe;

2Al + Cr 2 O 3 = Al 2 O 3 + 2Cr.

Właściwości fizyczne aluminium

Aluminium ma srebrzystobiały kolor. Główne właściwości fizyczne aluminium to lekkość, wysoka przewodność cieplna i elektryczna. W stanie wolnym, pod wpływem powietrza, aluminium pokrywa się trwałą powłoką tlenku Al 2 O 3, co czyni je odpornym na działanie stężonych kwasów. Temperatura topnienia – 660,37C, temperatura wrzenia – 2500C.

Produkcja i zastosowanie aluminium

Aluminium powstaje w wyniku elektrolizy stopionego tlenku tego pierwiastka:

2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2

Jednak ze względu na niską wydajność produktu coraz częściej stosuje się metodę wytwarzania aluminium poprzez elektrolizę mieszaniny Na 3 i Al 2 O 3. Reakcja zachodzi po podgrzaniu do 960 ° C i w obecności katalizatorów - fluorków (AlF 3, CaF 2 itp.), Podczas gdy na katodzie następuje uwalnianie aluminium, a na anodzie uwalniany jest tlen.

Aluminium znalazło szerokie zastosowanie w przemyśle; stopy na bazie aluminium są głównymi materiałami konstrukcyjnymi w przemyśle lotniczym i stoczniowym.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ten lekki metal o srebrzystobiałym odcieniu można spotkać niemal wszędzie we współczesnym życiu. Właściwości fizyczne i chemiczne aluminium pozwalają na jego szerokie zastosowanie w przemyśle. Najbardziej znane złoża znajdują się w Afryce, Ameryce Południowej i na Karaibach. W Rosji miejsca wydobycia boksytu znajdują się na Uralu. Światowymi liderami w produkcji aluminium są Chiny, Rosja, Kanada i USA.

Wydobycie Al

W naturze ten srebrzysty metal, ze względu na dużą aktywność chemiczną, występuje wyłącznie w postaci związków. Najbardziej znane skały geologiczne zawierające glin to boksyt, tlenek glinu, korund i skaleń. Boksyt i tlenek glinu mają znaczenie przemysłowe, to złoża tych rud umożliwiają wydobycie aluminium w czystej postaci.

Nieruchomości

Właściwości fizyczne aluminium ułatwiają wyciąganie półfabrykatów tego metalu w drut i zwijanie go w cienkie arkusze. Metal ten nie jest trwały, aby zwiększyć ten wskaźnik podczas wytapiania, dodaje się do niego różne dodatki: miedź, krzem, magnez, mangan, cynk. Do celów przemysłowych ważna jest kolejna właściwość fizyczna aluminium - jego zdolność do szybkiego utleniania na powietrzu. Powierzchnia produktu aluminiowego w warunkach naturalnych pokryta jest zwykle cienką warstwą tlenku, która skutecznie chroni metal i zapobiega jego korozji. Kiedy ten film zostanie zniszczony, srebrny metal szybko się utlenia, a jego temperatura zauważalnie wzrasta.

Wewnętrzna konstrukcja z aluminium

Właściwości fizyczne i chemiczne aluminium w dużej mierze zależą od jego struktury wewnętrznej. Sieć krystaliczna tego elementu jest rodzajem sześcianu skupionego na ścianie.

Ten typ siatki jest nieodłączny dla wielu metali, takich jak miedź, brom, srebro, złoto, kobalt i inne. Wysoka przewodność cieplna i zdolność przewodzenia prądu sprawiły, że metal ten jest jednym z najpopularniejszych na świecie. Pozostałe właściwości fizyczne aluminium, których tabela znajduje się poniżej, w pełni ujawniają jego właściwości i pokazują zakres ich zastosowania.

Stop aluminium

Właściwości fizyczne miedzi i aluminium są takie, że po dodaniu pewnej ilości miedzi do stopu aluminium jego sieć krystaliczna ulega zniekształceniu, a wytrzymałość samego stopu wzrasta. Stopowanie stopów lekkich opiera się na tej właściwości Al, aby zwiększyć ich wytrzymałość i odporność na agresywne środowisko.

Wyjaśnieniem procesu utwardzania jest zachowanie atomów miedzi w siatce krystalicznej aluminium. Cząsteczki Cu mają tendencję do wypadania z sieci krystalicznej Al i grupują się w jej specjalnych obszarach.

Tam, gdzie atomy miedzi tworzą skupiska, powstaje sieć krystaliczna typu mieszanego CuAl 2, w której cząstki metalu srebra są jednocześnie zawarte zarówno w ogólnej sieci krystalicznej aluminium, jak i sieci krystalicznej typu mieszanego CuAl 2. Siły wiązań wewnętrznych w zniekształconej sieci są znacznie większe niż zwykle. Oznacza to, że wytrzymałość nowo utworzonej substancji jest znacznie wyższa.

Właściwości chemiczne

Znane jest oddziaływanie glinu z rozcieńczonym kwasem siarkowym i solnym. Po podgrzaniu metal ten łatwo się w nich rozpuszcza. Zimny ​​stężony lub mocno rozcieńczony kwas azotowy nie rozpuszcza tego pierwiastka. Wodne roztwory zasad aktywnie wpływają na substancję, podczas reakcji tworząc gliniany - sole zawierające jony glinu. Na przykład:

Al2O3+3H2O+2NaOH=2Na

Powstały związek nazywa się tetrahydroksoglinianem sodu.

Cienka warstwa na powierzchni wyrobów aluminiowych chroni ten metal nie tylko przed powietrzem, ale także przed wodą. Jeśli usunie się tę cienką barierę, pierwiastek będzie gwałtownie oddziaływać z wodą, uwalniając z niej wodór.

2AL+6H 2O= 2AL (OH)3+3H 2

Powstała substancja nazywa się wodorotlenkiem glinu.

AL (OH) 3 reaguje z zasadą, tworząc kryształy hydroksyglinianu:

Al(OH)2+NaOH=2Na

Jeśli to równanie chemiczne dodamy do poprzedniego, otrzymamy wzór na rozpuszczenie pierwiastka w roztworze zasadowym.

Al(OH) 3 +2NaOH+6H 2O=2Na +3H 2

Spalanie aluminium

Właściwości fizyczne aluminium pozwalają mu reagować z tlenem. Jeśli proszek tego metalu lub folii aluminiowej zostanie podgrzany, wybuchnie i pali się białym, oślepiającym płomieniem. Pod koniec reakcji tworzy się tlenek glinu Al 2 O 3.

Glinka

Powstały tlenek glinu ma nazwę geologiczną tlenek glinu. W naturalnych warunkach występuje w postaci korundu – twardych, przezroczystych kryształów. Korund jest bardzo twardy, jego twardość wynosi 9. Sam korund jest bezbarwny, ale różne zanieczyszczenia mogą zmienić jego kolor na czerwony i niebieski, w wyniku czego powstają kamienie szlachetne znane w biżuterii jako rubiny i szafiry.

Właściwości fizyczne tlenku glinu pozwalają na hodowlę tych kamieni szlachetnych w sztucznych warunkach. Przemysłowe kamienie szlachetne są wykorzystywane nie tylko w biżuterii, są wykorzystywane do produkcji precyzyjnych instrumentów, zegarmistrzostwa i innych rzeczy. Sztuczne kryształy rubinu są również szeroko stosowane w urządzeniach laserowych.

Drobnoziarnista odmiana korundu z dużą ilością zanieczyszczeń, nałożona na specjalną powierzchnię, znana jest wszystkim jako szmergiel. Właściwości fizyczne tlenku glinu wyjaśniają wysokie właściwości ścierne korundu, a także jego twardość i odporność na tarcie.

Wodorotlenek glinu

Al 2 (OH) 3 jest typowym wodorotlenkiem amfoterycznym. W połączeniu z kwasem substancja ta tworzy sól zawierającą dodatnio naładowane jony glinu; w zasadach tworzy gliniany. Amfoteryczny charakter substancji objawia się tym, że może ona zachowywać się zarówno jak kwas, jak i zasada. Związek ten może występować zarówno w postaci galaretki, jak i stałej.

Jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, ale reaguje z większością aktywnych kwasów i zasad. Właściwości fizyczne wodorotlenku glinu wykorzystuje się w medycynie; jest to popularny i bezpieczny środek zmniejszający kwasowość organizmu; stosowany jest przy zapaleniu żołądka, zapaleniu dwunastnicy i wrzodach. W przemyśle Al 2 (OH) 3 stosowany jest jako adsorbent, doskonale oczyszcza wodę i wytrąca rozpuszczone w niej szkodliwe pierwiastki.

Użytek przemysłowy

Aluminium zostało odkryte w 1825 roku. Początkowo metal ten był ceniony wyżej niż złoto i srebro. Tłumaczono to trudnością wydobycia go z rudy. Właściwości fizyczne aluminium i jego zdolność do szybkiego tworzenia na powierzchni filmu ochronnego utrudniają badanie tego pierwiastka. Dopiero pod koniec XIX wieku odkryto wygodną metodę topienia czystego pierwiastka nadającego się do stosowania na skalę przemysłową.

Lekkość i odporność na korozję to wyjątkowe właściwości fizyczne aluminium. Stopy tego srebrzystego metalu wykorzystywane są w wyrobie rakiet, samochodów, statków, samolotów i instrumentów, a także w produkcji sztućców i zastawy stołowej.

Jako czysty metal Al używany jest do produkcji części sprzętu chemicznego, przewodów elektrycznych i kondensatorów. Właściwości fizyczne aluminium są takie, że jego przewodność elektryczna nie jest tak wysoka jak w przypadku miedzi, ale tę wadę rekompensuje lekkość danego metalu, co umożliwia wykonanie grubszych drutów aluminiowych. Zatem przy tej samej przewodności elektrycznej drut aluminiowy waży o połowę mniej niż drut miedziany.

Nie mniej ważne jest wykorzystanie Al w procesie aluminiowania. Jest to nazwa nadana reakcji nasycania powierzchni produktu żeliwnego lub stalowego aluminium w celu ochrony metalu nieszlachetnego przed korozją po podgrzaniu.

Obecnie znane zasoby rud aluminium są w miarę porównywalne z zapotrzebowaniem ludzi na ten srebrzysty metal. Właściwości fizyczne aluminium wciąż potrafią zaskoczyć badaczy, a zakres zastosowań tego metalu jest znacznie szerszy, niż mogłoby się wydawać.

Aluminium i jego związki

Główną podgrupą III grupy układu okresowego są bor (B), glin (Al), gal (Ga), ind (In) i tal (Tl).

Jak widać z powyższych danych, wszystkie te pierwiastki odkryto w XIX wieku.

Bor jest niemetalem. Aluminium jest metalem przejściowym, natomiast gal, ind i tal są metalami pełnoprawnymi. Zatem wraz ze wzrostem promieni atomów pierwiastków każdej grupy układu okresowego zwiększają się właściwości metaliczne prostych substancji.

Pozycja aluminium w tabeli D. I. Mendelejewa. Budowa atomu, stany utlenienia

Pierwiastek aluminium znajduje się w grupie III, głównej podgrupie „A”, okresie 3 układu okresowego, numer seryjny nr 13, względna masa atomowa Ar(Al) = 27. Jego sąsiadem po lewej stronie w tabeli jest magnez - typowy metal, a po prawej - krzem - już niemetalowy. W związku z tym aluminium musi wykazywać właściwości o charakterze pośrednim, a jego związki są amfoteryczne.

Al +13) 2) 8) 3, p – pierwiastek,

Aluminium wykazuje stopień utlenienia +3 w związkach:

Al 0 – 3 e - → Al +3

Właściwości fizyczne

Aluminium w postaci wolnej jest srebrzystobiałym metalem o wysokiej przewodności cieplnej i elektrycznej. Temperatura topnienia wynosi 650 o C. Aluminium ma niską gęstość (2,7 g/cm 3) - około trzykrotnie mniejszą niż żelazo czy miedź, a jednocześnie jest metalem trwałym.

Będąc w naturze

Pod względem rozpowszechnienia w przyrodzie plasuje się na pierwszym miejscu 1. miejsce wśród metali i 3. wśród pierwiastków ustępując jedynie tlenowi i krzemowi. Według różnych badaczy zawartość glinu w skorupie ziemskiej waha się od 7,45 do 8,14% masy skorupy ziemskiej.

W naturze aluminium występuje tylko w związkach(minerały).

Niektórzy z nich:

· Boksyt - Al 2 O 3 H 2 O (z zanieczyszczeniami SiO 2, Fe 2 O 3, CaCO 3)

· Nefeliny – KNa 3 4

Alunity - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3

· Tlenek glinu (mieszaniny kaolinów z piaskiem SiO 2, wapieniem CaCO 3, magnezytem MgCO 3)

Korund - Al 2 O 3 (rubin, szafir)

· Skaleń (ortoklaz) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2

Kaolinit - Al 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O

Alunit - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3

· Beryl - 3BeO Al 2 O 3 6SiO 2

Właściwości chemiczne aluminium i jego związków

Aluminium w normalnych warunkach łatwo reaguje z tlenem i jest pokryte warstwą tlenku (co nadaje mu matowy wygląd).

Jego grubość wynosi 0,00001 mm, ale dzięki temu aluminium nie ulega korozji. Aby zbadać właściwości chemiczne aluminium, usuwa się warstwę tlenku. (Za pomocą papieru ściernego lub chemicznie: najpierw zanurzając go w roztworze alkalicznym w celu usunięcia warstwy tlenkowej, a następnie w roztworze soli rtęci, aby utworzyć stop aluminium z rtęcią - amalgamat).

• Oznaczenie - Al (aluminium);
• Okres - III;
• Grupa - 13 (IIIa);
• Masa atomowa - 26,981538;
• liczba atomowa - 13;
• Promień atomowy = 143 pm;
• Promień kowalencyjny = 121 pm;
• Rozkład elektronów - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 ;
• temperatura topnienia = 660°C;
• temperatura wrzenia = 2518°C;
• Elektroujemność (wg Paulinga/wg Alpreda i Rochowa) = 1,61/1,47;
• Stan utlenienia: +3,0;
• Gęstość (nr.) = 2,7 g/cm3;
• Objętość molowa = 10,0 cm3/mol.

Aluminium (ałun) po raz pierwszy uzyskał w 1825 roku Duńczyk G. K. Oersted. Początkowo, przed odkryciem przemysłowej metody produkcji, aluminium było droższe od złota.

Aluminium jest najobficiej występującym metalem w skorupie ziemskiej (ułamek masowy wynosi 7-8%) i trzecim najliczniejszym ze wszystkich pierwiastków po tlenie i krzemie. W proirodzie aluminium nie występuje w postaci wolnej.

Najważniejsze naturalne związki glinu:

• glinokrzemiany - Na 2 O Al 2 O 3 2SiO 2; K 2 O Al 2 O 3 2SiO 2
• boksyt - Al 2 O 3 · N H2O
• korund - Al 2 O 3
• kriolit - 3NaF AlF 3

Ryż. Struktura atomu glinu.

Aluminium jest metalem aktywnym chemicznie - na jego zewnętrznym poziomie elektronowym znajdują się trzy elektrony, które biorą udział w tworzeniu wiązań kowalencyjnych, gdy aluminium oddziałuje z innymi pierwiastkami chemicznymi (patrz Wiązanie kowalencyjne). Aluminium jest silnym środkiem redukującym i we wszystkich związkach wykazuje stopień utlenienia +3.

W temperaturze pokojowej aluminium reaguje z tlenem zawartym w powietrzu atmosferycznym, tworząc mocny film tlenkowy, który niezawodnie zapobiega procesowi dalszego utleniania (korozji) metalu, w wyniku czego zmniejsza się aktywność chemiczna aluminium.

Dzięki powłoce tlenkowej aluminium nie reaguje z kwasem azotowym w temperaturze pokojowej, dlatego naczynia aluminiowe są niezawodnym pojemnikiem do przechowywania i transportu kwasu azotowego.

Właściwości fizyczne aluminium:

• srebrno-biały metal;
• solidny;
• trwały;
• łatwy;
• tworzywo sztuczne (rozciągnięte w cienki drut i folię);
• ma wysoką przewodność elektryczną i cieplną;
• temperatura topnienia 660°C
• naturalne aluminium składa się z jednego izotopu 27 13 Al

Właściwości chemiczne aluminium:

• podczas usuwania warstwy tlenkowej aluminium reaguje z wodą:
  2Al + 6H 2O = 2Al(OH) 3 + 3H 2;
• w temperaturze pokojowej reaguje z bromem i chlorem, tworząc sole:
  2Al + 3Br2 = 2AlCl3;
• w wysokich temperaturach aluminium reaguje z tlenem i siarką (reakcji towarzyszy wydzielenie dużej ilości ciepła):
  4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 + Q;
  2Al + 3S = Al 2 S 3 + Q;
• w t=800°C reaguje z azotem:
  2Al + N2 = 2AlN;
• w t=2000°C reaguje z węglem:
  2Al + 3C = Al4C3;
• redukuje wiele metali z ich tlenków - aluminotermia(w temperaturach do 3000°C) wolfram, wanad, tytan, wapń, chrom, żelazo, mangan produkowane są na skalę przemysłową:
  8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe;
• reaguje z kwasem solnym i rozcieńczonym kwasem siarkowym, wydzielając wodór:
  2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2;
  2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3+3H2;
• reaguje ze stężonym kwasem siarkowym w wysokiej temperaturze:
  2Al + 6H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O;
• reaguje z zasadami z wydzieleniem wodoru i utworzeniem kompleksowych soli - reakcja przebiega w kilku etapach: po zanurzeniu aluminium w roztworze alkalicznym, trwała ochronna warstwa tlenku znajdująca się na powierzchni metalu rozpuszcza się; po rozpuszczeniu filmu aluminium jako metal aktywny reaguje z wodą, tworząc wodorotlenek glinu, który reaguje z alkaliami jako wodorotlenek amfoteryczny:
  • Al 2 O 3 +2NaOH = 2NaAlO 2 +H 2 O - rozpuszczenie warstwy tlenkowej;
  • 2Al+6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 - oddziaływanie glinu z wodą z wytworzeniem wodorotlenku glinu;
  • NaOH+Al(OH) 3 = NaAlO 2 + 2H 2 O - oddziaływanie wodorotlenku glinu z zasadą
  • 2Al+2NaOH+2H 2 O = 2NaAlO 2 +3H 2 - ogólne równanie reakcji glinu z zasadą.

Połączenia aluminiowe

Al 2 O 3 (tlenek glinu)

Tlenek glinu Al 2 O 3 to biała, bardzo ogniotrwała i twarda substancja (w naturze twardsze są tylko diament, karborund i borazon).

Właściwości tlenku glinu:

• nie rozpuszcza się w wodzie i reaguje z nią;
• jest substancją amfoteryczną, reagującą z kwasami i zasadami:
  Al 2 O 3 + 6HCl = 2 AlCl 3 + 3H 2 O;
  Al2O3 + 6NaOH + 3H2O = 2Na3;
• jak tlenek amfoteryczny reaguje po stopieniu z tlenkami metali i solami, tworząc gliniany:
  Al 2 O 3 + K 2 O = 2KAlO 2.

W przemyśle tlenek glinu otrzymuje się z boksytu. W warunkach laboratoryjnych tlenek glinu można otrzymać poprzez spalanie aluminium w tlenie:
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3.

Zastosowania tlenku glinu:

• do produkcji aluminium i ceramiki elektrycznej;
• jako materiał ścierny i ogniotrwały;
• jako katalizator w reakcjach syntezy organicznej.

Al(OH)3

Wodorotlenek glinu Al(OH) 3 jest białą, krystaliczną substancją stałą, która powstaje w wyniku reakcji wymiany z roztworu wodorotlenku glinu - wytrąca się w postaci białego galaretowatego osadu, który z czasem krystalizuje. Ten amfoteryczny związek jest prawie nierozpuszczalny w wodzie:
Al(OH)3 + 3NaOH = Na3;
Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O.

• oddziaływanie Al(OH) 3 z kwasami:
  Al(OH) 3 +3H + Cl = Al 3+ Cl 3 +3H 2 O
• oddziaływanie Al(OH) 3 z zasadami:
  Al(OH) 3 +NaOH - = NaAlO 2 - +2H 2 O

Wodorotlenek glinu otrzymuje się przez działanie zasad na roztwory soli glinu:
AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3 + 3NaCl.

Produkcja i zastosowanie aluminium

Aluminium jest dość trudne do wyizolowania ze związków naturalnych środkami chemicznymi, co tłumaczy się wysoką siłą wiązań w tlenku glinu, dlatego do przemysłowej produkcji aluminium stosuje się elektrolizę roztworu tlenku glinu Al 2 O 3 w stopionym kriolicie Na 3. Stosuje się AlF6. W wyniku tego procesu na katodzie wydziela się aluminium, a na anodzie tlen:

2Al 2 O 3 → 4Al + 3O 2

Surowcem wyjściowym jest boksyt. Elektroliza zachodzi w temperaturze 1000°C: temperatura topnienia tlenku glinu wynosi 2500°C – w tej temperaturze nie da się przeprowadzić elektrolizy, dlatego tlenek glinu rozpuszcza się w roztopionym kriolicie i dopiero powstały elektrolit wykorzystuje się w procesie elektrolizy w celu wytworzenia aluminium.

Zastosowanie aluminium:

• stopy aluminium są szeroko stosowane jako materiały konstrukcyjne w samochodach, samolotach i przemyśle stoczniowym: duraluminium, silumin, brąz aluminiowy;
• w przemyśle chemicznym jako reduktor;
• w przemyśle spożywczym do produkcji folii, zastawy stołowej, materiałów opakowaniowych;
• do robienia przewodów itp.

(Al), gal (Ga), ind (In) i tal (T l).

Jak widać z powyższych danych, wszystkie te pierwiastki odkryto w XIX wiek.

Odkrycie metali głównej podgrupy III grupy

Bor jest niemetalem. Aluminium jest metalem przejściowym, natomiast gal, ind i tal są metalami pełnoprawnymi. Zatem wraz ze wzrostem promieni atomów pierwiastków każdej grupy układu okresowego zwiększają się właściwości metaliczne prostych substancji.

W tym wykładzie przyjrzymy się bliżej właściwościom aluminium.

1. Pozycja aluminium w tabeli D. I. Mendelejewa. Struktura atomowa, wykazywała stopnie utlenienia.

Element aluminiowy znajduje się w III grupa, główna podgrupa „A”, 3. okres układu okresowego, numer porządkowy nr 13, względna masa atomowa Ar(Al ) = 27. Jego sąsiadem po lewej stronie w tabeli jest magnez - typowy metal, a po prawej krzem - niemetal. W związku z tym aluminium musi wykazywać właściwości o charakterze pośrednim, a jego związki są amfoteryczne.

Al +13) 2) 8) 3, p – pierwiastek,

Aluminium wykazuje stopień utlenienia +3 w związkach:

Al 0 – 3 e - → Al +3

2. Właściwości fizyczne

Aluminium w postaci wolnej jest srebrzystobiałym metalem o wysokiej przewodności cieplnej i elektrycznej.Temperatura topnienia 650 o C. Aluminium ma niską gęstość (2,7 g/cm 3) - około trzykrotnie mniejszą niż żelazo czy miedź, a jednocześnie jest metalem trwałym.

3. Bycie na łonie natury

Pod względem rozpowszechnienia w przyrodzie plasuje się na pierwszym miejscu 1. miejsce wśród metali i 3. wśród pierwiastków ustępując jedynie tlenowi i krzemowi. Według różnych badaczy zawartość glinu w skorupie ziemskiej waha się od 7,45 do 8,14% masy skorupy ziemskiej.

W naturze aluminium występuje tylko w związkach (minerały).

Niektórzy z nich:

· Boksyt - Al 2 O 3 H 2 O (z zanieczyszczeniami SiO 2, Fe 2 O 3, CaCO 3)

· Nefeliny - KNa 3 4

· Alunity - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3

· Tlenek glinu (mieszaniny kaolinów z piaskiem SiO 2, wapieniem CaCO 3, magnezytem MgCO 3)

· Korund - Al 2 O 3

· Skaleń (ortoklaz) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2

· Kaolinit - Al 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O

· Ałunit - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3

· Beryl - 3BeO Al 2 O 3 6SiO 2

4. Właściwości chemiczne aluminium i jego związków

Aluminium w normalnych warunkach łatwo reaguje z tlenem i jest pokryte warstwą tlenku (co nadaje mu matowy wygląd).

POKAZ FOLII TLENKOWEJ

Jego grubość wynosi 0,00001 mm, ale dzięki temu aluminium nie ulega korozji. Aby zbadać właściwości chemiczne aluminium, usuwa się warstwę tlenku. (Za pomocą papieru ściernego lub chemicznie: najpierw zanurzając go w roztworze alkalicznym w celu usunięcia warstwy tlenkowej, a następnie w roztworze soli rtęci, aby utworzyć stop aluminium z rtęcią - amalgamat).

I. Interakcja z substancjami prostymi

Już w temperaturze pokojowej aluminium aktywnie reaguje ze wszystkimi halogenami, tworząc halogenki. Po podgrzaniu reaguje z siarką (200°C), azotem (800°C), fosforem (500°C) i węglem (2000°C), z jodem w obecności katalizatora – wody:

2A l + 3 S = ZA l 2 S 3 (siarczek glinu),

2A l + N 2 = 2A lN (azotek glinu),

ZA l + P = ZA l P (fosforek glinu),

4A l + 3C = ZA l 4 C3 (węglik glinu).

2 Al +3 Ja 2 =2 Al I 3 (jodek glinu) DOŚWIADCZENIE

Wszystkie te związki ulegają całkowitej hydrolizie, tworząc wodorotlenek glinu i odpowiednio siarkowodór, amoniak, fosfinę i metan:

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4

W postaci wiórów lub proszku pali się jasno w powietrzu, wydzielając dużą ilość ciepła:

4A l + 3 O 2 = 2A l 2 O 3 + 1676 kJ.

SPALANIE ALUMINIUM W POWIETRZU

DOŚWIADCZENIE

II. Interakcja z substancjami złożonymi

Interakcja z wodą :

2 Al + 6 H 2 O=2 Al (OH) 3 +3 H 2

bez warstwy tlenkowej

DOŚWIADCZENIE

Interakcja z tlenkami metali:

Aluminium jest dobrym środkiem redukującym, ponieważ jest jednym z metali aktywnych. Plasuje się w szeregu aktywności bezpośrednio po metalach ziem alkalicznych. Dlatego redukuje metale z ich tlenków . Ta reakcja, aluminotermia, jest wykorzystywana do produkcji czystych metali rzadkich, takich jak wolfram, wanad itp.

3 Fe 3 O 4 +8 Al =4 Al 2 O 3 +9 Fe + Q

Do spawania termitowego stosowana jest także mieszanka termitowa Fe 3 O 4 i Al (proszek).

do r 2 O 3 + 2A l = 2C r + ZA l 2 O 3

Interakcja z kwasami :

Z roztworem kwasu siarkowego: 2 Al+ 3 H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2

Nie reaguje z zimnymi stężonymi siarkami i azotem (pasywaty). Dlatego kwas azotowy transportowany jest w zbiornikach aluminiowych. Po podgrzaniu aluminium jest w stanie zredukować te kwasy bez uwalniania wodoru:

2A l + 6H 2 S O 4 (stęż.) = A l 2 (S O 4) 3 + 3 S O 2 + 6H 2 O,

ZA l + 6H NO 3 (stęż.) = ZA l (NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3H 2 O.

Interakcja z alkaliami .

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na [ Al(OH)4 ] +3 H 2

DOŚWIADCZENIE

Nie[Al(OH) 4] – tetrahydroksyglinian sodu

Za namową chemika Gorbowa podczas wojny rosyjsko-japońskiej reakcję tę wykorzystano do produkcji wodoru do balonów.

Z roztworami soli:

2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu

Jeśli powierzchnię aluminium pociera się solą rtęciową, zachodzi następująca reakcja:

2 Glin + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 Hg

Uwolniona rtęć rozpuszcza aluminium, tworząc amalgamat .

Wykrywanie jonów glinu w roztworach : DOŚWIADCZENIE

5. Zastosowanie aluminium i jego związków

Właściwości fizyczne i chemiczne aluminium doprowadziły do ​​jego szerokiego zastosowania w technologii. Przemysł lotniczy jest głównym konsumentem aluminium: 2/3 samolotu składa się z aluminium i jego stopów. Samolot stalowy byłby zbyt ciężki i mógł przewozić znacznie mniej pasażerów. Dlatego aluminium nazywane jest metalem skrzydlatym. Kable i przewody wykonane są z aluminium: przy tej samej przewodności elektrycznej ich masa jest 2 razy mniejsza niż odpowiednie produkty miedziane.

Biorąc pod uwagę odporność aluminium na korozję, tak produkcja części maszyn i zbiorników na kwas azotowy. Proszek aluminiowy jest podstawą do produkcji srebrnej farby zabezpieczającej wyroby żelazne przed korozją, a odbijającej promienie cieplne farbą tą używa się do pokrywania zbiorników magazynujących ropę i kombinezonów strażackich.

Tlenek glinu służy do produkcji aluminium, a także jako materiał ogniotrwały.

Wodorotlenek glinu jest głównym składnikiem znanych leków Maalox i Almagel, które zmniejszają kwasowość soku żołądkowego.

Sole glinu są silnie hydrolizowane. Właściwość tę wykorzystuje się w procesie oczyszczania wody. Do oczyszczanej wody dodaje się siarczan glinu i niewielką ilość wapna gaszonego w celu zneutralizowania powstałego kwasu. W rezultacie uwalnia się obszerny osad wodorotlenku glinu, który osiadając, niesie ze sobą zawieszone cząstki zmętnienia i bakterie.

Zatem siarczan glinu jest koagulantem.

6. Produkcja aluminium

1) Nowoczesną, ekonomiczną metodę produkcji aluminium wynaleźli Amerykanin Hall i Francuz Héroux w 1886 roku. Polega na elektrolizie roztworu tlenku glinu w stopionym kriolicie. Stopiony kriolit Na 3 AlF 6 rozpuszcza Al 2 O 3, tak jak woda rozpuszcza cukier. Elektroliza „roztworu” tlenku glinu w stopionym kriolicie zachodzi tak, jakby kriolit był tylko rozpuszczalnikiem, a tlenek glinu elektrolitem.

2Al 2 O 3 prąd elektryczny →4Al + 3O 2

W angielskiej „Encyklopedii dla chłopców i dziewcząt” artykuł na temat aluminium rozpoczyna się następującymi słowami: „23 lutego 1886 roku rozpoczęła się nowa era metalu w historii cywilizacji – era aluminium. Tego dnia Charles Hall, 22-letni chemik, wszedł do laboratorium swojego pierwszego nauczyciela z tuzinem małych kulek srebrzystobiałego aluminium w dłoni i wiadomością, że znalazł sposób na tanie i w dużych ilościach." Tak Hall stał się założycielem amerykańskiego przemysłu aluminiowego i anglosaskim bohaterem narodowym, jako człowiek, który zmienił naukę w wielki biznes.

2) 2Al 2 O 3 +3 C=4 Al + 3 CO 2

TO JEST INTERESUJĄCE:

• Aluminium metaliczne zostało po raz pierwszy wyizolowane w 1825 roku przez duńskiego fizyka Hansa Christiana Oersteda. Przepuszczając gazowy chlor przez warstwę gorącego tlenku glinu zmieszanego z węglem, Oersted wyodrębnił chlorek glinu bez najmniejszego śladu wilgoci. Aby przywrócić metaliczne aluminium, Oersted musiał poddać działaniu chlorku glinu amalgamatem potasu. 2 lata później niemiecki chemik Friedrich Woeller. Udoskonalił tę metodę, zastępując amalgamat potasowy czystym potasem.
• W XVIII i XIX wieku aluminium było głównym metalem do produkcji biżuterii. W 1889 r. D.I. Mendelejew w Londynie otrzymał cenny prezent za zasługi w rozwoju chemii - wagi wykonane ze złota i aluminium.
• Do 1855 roku francuski naukowiec Saint-Clair Deville opracował metodę wytwarzania aluminium z metalu na skalę techniczną. Ale metoda była bardzo kosztowna. Deville cieszył się szczególnym patronatem cesarza Francji Napoleona III. Na znak swego oddania i wdzięczności Deville wykonał dla syna Napoleona, nowonarodzonego księcia, elegancko grawerowaną grzechotkę – pierwszy „produkt konsumencki” wykonany z aluminium. Napoleon zamierzał nawet wyposażyć swoich strażników w aluminiowy kirys, lecz cena okazała się zaporowa. 1 kg aluminium kosztował wówczas 1000 marek, czyli ok. 5 razy droższe od srebra. Dopiero po wynalezieniu procesu elektrolitycznego aluminium zrównało się wartością ze zwykłymi metalami.
• Czy wiesz, że aluminium dostając się do organizmu człowieka powoduje zaburzenia pracy układu nerwowego. W nadmiarze następuje zaburzenie metabolizmu. A środkami ochronnymi są witamina C, związki wapnia i cynku.
• Kiedy aluminium spala się w tlenie i fluorze, wydziela się dużo ciepła. Dlatego jest stosowany jako dodatek do paliwa rakietowego. Rakieta Saturn podczas lotu spala 36 ton proszku aluminiowego. Pomysł wykorzystania metali jako składnika paliwa rakietowego jako pierwszy zaproponował F. A. Zander.

ĆWICZENIA

Symulator nr 1 - Charakterystyka aluminium według pozycji w układzie okresowym pierwiastków D. I. Mendelejewa

Symulator nr 2 - Równania reakcji aluminium z substancjami prostymi i złożonymi

Symulator nr 3 - Właściwości chemiczne aluminium

ZADANIA ZADANIA

nr 1. Aby otrzymać aluminium z chlorku glinu, jako środek redukujący można zastosować wapń metaliczny. Napisz równanie tej reakcji chemicznej i scharakteryzuj ten proces za pomocą wagi elektronicznej.
Myśleć! Dlaczego tej reakcji nie można przeprowadzić w roztworze wodnym?

Nr 2. Uzupełnij równania reakcji chemicznych:
Al + H 2 SO 4 (roztwór ) ->
Al + CuCl2 ->
Al + HNO3 ( stęż. ) - t ->
Al + NaOH + H 2 O ->

Nr 3. Wykonaj przekształcenia:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 -> Al(OH) 3 - t -> Al 2 O 3 -> Al

Nr 4. Rozwiąż problem:
Stop aluminium i miedzi poddano podczas ogrzewania działaniu nadmiaru stężonego roztworu wodorotlenku sodu. Wydobyło się 2,24 litra gazu (n.o.). Oblicz skład procentowy stopu, jeśli jego całkowita masa wynosiła 10 g?