Алюминий, его свойства и соединения
Другие рефераты
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 Al2O3.2SiO2.2H2O. Из других природных форм
нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al2O3.xH2O и минералы
корунд Al2O3 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. Al2O3 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, CaF2 и MgF2
проведение электролиза оказывается возможным при 950оС.
В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в
главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение
атома 1s22s22p63s23p1. 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. ~2500оС).
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.
2050оС) 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
Al2O3 (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 Al3+ 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
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
