Алюминий
Другие рефераты
Введение.
Около 100 лет назад Николай Гаврилович Чернышевский, сказал об алюминии,
что этому металлу суждено великое будущее, что алюминий – металл
социализма. Он оказался провидцем: в XX в. элемент №13 алюминий стал
основой многих конструкционных материалов. Элемент 3-го периода и IIIА-
группы Периодической системы. Электронная формула атома [10Ne]3S23p1
степени окисления +III и 0.
По электроотрицательности (1,47) одинаков с бериллием, проявляет амфотерные
(кислотные и основные) свойства. В соединениях может находиться в составе
катионов и анионов. В природе — четвертый по химической распространенности
элемент (первый среди металлов), находится в химически связанном состоянии.
Входит в состав многих алюмосиликатных минералов, горных пород (граниты,
порфиры, базальты, гнейсы, сланцы), различных глин (белая глина называется
каолин), бокситов и глинозёма Аl2О3.
Любопытно проследить динамику производства алюминия за полтора столетия,
прошедших с тех пор, как человек впервые взял в руки кусочек легкого
серебристого металла.
За первые 30 лет, с 1825 по 1855 г., точных цифр нет. Промышленных способов
получения алюминия не существовало, в лабораториях же его получали в лучшем
случае килограммами, а скорее – граммами. Когда в 1855 г. на Всемирной
парижской выставке впервые был выставлен алюминиевый слиток, на него
смотрели как на редчайшую драгоценность. А появился он на выставке потому,
что как раз в 1855 г. французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девиль
разработал первый промышленный способ получения алюминия, основанный на
вытеснении элемента №13 металлическим натрием из двойного хлорида натрия и
алюминия NaCl · AlCl3.
За 36 лет, с 1855 по 1890 г., способом Сент-Клер Девиля было получено 200 т
металлического алюминия.
В последнее десятилетие XIX в (уже по новому способу) в мире получили
28 тыс. т алюминия.
В 1930 г. мировая выплавка этого металла составила 300 тыс. т.
В 1975 г. только в капиталистических странах получено около 10 млн. т
алюминия, причем эти цифры – не наивысшие. По сведениям американского
«Инжениринг энд майнинг джорнэл», производство алюминия в капиталистических
странах в 1975 г. снизилось по сравнению с 1974 г. на 11%, или на
1,4 млн. т .
Столь же поразительны перемены и в стоимости алюминия. В 1825 г. он стоил в
1500 раз дороже железа, в наши дни – лишь втрое. Сегодня алюминий дороже
простой углеродистой стали, но дешевле нержавеющей. Если рассчитывать
стоимость алюминиевых и стальных изделий с учетом их массы и относительной
устойчивости к коррозии, то оказывается, что в наши дни во многих случаях
значительно выгоднее применять алюминий, чем сталь.
Физические свойства Аl
Серебристо-белый, блестящий, пластичный металл. На воздухе покрывается
матовой защитной пленкой Аl2О3, весьма устойчивой и защищающей металл от
коррозии; пассивируется в концентрированной HNO3.
Физические константы:
М, = 26,982 ?27, р = 2,70 г/см3
tпл 660,37 °С, tкип=2500°С
Химические свойства Al
Химически активен, проявляет амфотерные свойства - реагирует с кислотами и
щелочами:
2Аl + 6НСl = 2АlСl3 + ЗН2^
2Аl + 2NaOH + 6Н2О = 2Na[Al(OH)4]] + ЗН2^
2Al + 6NaOH(т) = 2NaAlO2+ + ЗН2 + 2Na2O
Амальгамированный алюминий энергично реагирует с водой:
2Al + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 v + 3H2^ + 836 кДж
Сильный восстановитель, при нагревании взаимодействует с кислородом, серой,
азотом и углеродом:
4Аl+3O2=2Аl2O3, 2Al+3S=Al2S3
2Al+N2=2AlN, 4Аl+ЗС=Аl4Сз
С хлором, бромом и йодом реакция протекает при комнатной температуре (для
иода требуется катализатор — капля Н2О), образуются галогениды AlCl3, АlВг3
и АlI3.
Промышленно важен метод алюминотермии:
2Al + Сг2О3 = Аl2O3 + 2Сг
10Аl + ЗV2О5 = 5Аl2O3 + 6V
Алюминий восстанавливает Nv до N-III:
8Аl + З0НNО3(оч. разб.) = 8Аl(NО3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O
8Al + 18Н2O + 5КОН + 3KNO3 =8K[Al(OH)4]+3NH3^
(движущей силой этих реакций служит промежуточное выделение атомарного
водорода Н°, а во второй реакции — также и образование устойчивого
гидроксокомплекса [Аl(ОН)4]3-).
Получение и применение Al
Получение Al в промышленности — электролиз Аl2О3 в расплаве криолита
Na3[АlF6] при 950 °С:
Применяется как реагент в алюминотермии для получения редких металлов и
сварке стальных конструкций
Алюминий — важнейший конструкционный материал, основа легких коррозионно-
стойких сплавов (с магнием - дюралюмин, или дюраль, с медью --алюминиевая
бронза, из которой чеканят мелкую разменную монету). Чистый алюминий в
больших количествах идет на изготовление посуды и электрических проводов.
Оксид алюминия Al2O3
Белый аморфный порошок или очень твердые белые кристаллы. Физические
константы:
Мr = 101,96?102, р = 3,97 г/см3 tпл=2053°С, tкип=3000°С
Кристаллический Аl2О3 химически пассивен, аморфный — более активен.
Медленно реагирует с кислотами и щелочами в растворе, проявляя амфотерные
свойства:
Al2O3 + 6НСl(конц.) = 2АlСl3 + ЗН2О
Al2O3 + 2NаОН(конц.) + ЗН2О = 2Na[Al(OH)4]
(в расплаве щелочи образуется NaAlO2). Вторая реакция используется для
«вскрытия» бокситов.
Помимо сырья для производства алюминия, Аl2О3 в виде порошка служит
компонентом огнеупорных, химически стойких и абразивных материалов. В виде
кристаллов применяется для изготовления лазеров и синтетических драгоценных
камней ( рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других
металлов — Сr2О3 (красный цвет), Тi2О3 и Fe2О3 (голубой цвет).
Гидроксид алюминия Аl(ОН)з
Белый аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Практически не растворим
в воде. Физические константы:
Мr=78,00, р= 3,97 г/см3,
t разл > 170 °С
При нагревании ступенчато разлагается, образуя промежуточный продукт —
метагидроксид AlO(OH):
Проявляет амфотерные, равно выраженные кислотные и основные свойства:
При сплавлении с NaOH образуется NaAlO;.
Для получения осадка Аl(ОН)3 щелочь обычно не используют (из-за легкости
перехода осадка в раствор), а действуют на соли алюминия гидратом аммиака;
при комнатной температуре образуется Аl(ОН)3, а при кипячении — менее
активный АlO(ОН):
Удобный способ получения Аl(ОН)3 — пропускание СО2 через раствор
гидроксокомплекса:
[Аl(ОН)4]- + СО2 = Аl(ОН)3v+ НСО3-
Применяется для синтеза солей алюминия, органических красителей; как
лекарственный препарат при повышенной кислотности желудочного сока.
Соли алюминия
Соли алюминия и сильных кислот хорошо растворимы в воде и подвергаются в
значительной степени гидролизу по катиону, создавая сильнокислотную среду,
в которой растворяются такие металлы, как магний и цинк:
а)AlCl3=Alз++ЗCl-
Al3++H2O?AlOH2++H+
б)Zn+2H+=Zn2++H2^
Нерастворимы в воде фторид AlF3 и ортофосфат АlРO4, а соли очень слабых
кислот, например Н2СОз, вообще не образуются осаждением из водного
раствора.
Известны двойные соли алюминия — квасцы состава MIAl(SO4)2 • 12H2O (
MI=Na+, K+, Rb+, Cs+, ТI+ ,NH4+), самые распространенные из них
алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2 • 12Н2O.
Бинарные соединения алюминия
Соединения с преимущественно ковалентными связями, например сульфид АlS3 и
карбид АlС3.
Полностью разлагаются водой:
Al2S3 + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 v + ЗН2S^
Аl4С3 + 12H2O = 4Аl(ОН)3 v+ ЗСН4^
Применяются эти соединения как источники чистых газов — Н2S и СН4.
Проценты, проценты...
8,80% массы земной коры составлены алюминием – третьим по
распространенности на нашей планете элементом. Мировое производство
алюминия постоянно растет. Сейчас оно составляет около 2% от производства
стали, если считать по массе. А если по объему, то 5...6%, поскольку
алюминий почти втрое легче стали. Алюминий уверенно оттеснил на третье и
последующие места медь и все другие цветные металлы, стал вторым по
важности металлом продолжающегося железного века. По прогнозам, к концу
нынешнего столетия доля алюминия в общем выпуске металлов должна
достигнуть 4...5% по массе.
Причин тому множество, главные из них – распространенность алюминия, с
одной стороны, и великолепный комплекс свойств – легкость, пластичность,
коррозионная стойкость, электропроводность, универсальность в полном
смысле этого слова – с другой.
Алюминий поздно пришел в технику потому, что в природных соединениях он
прочно связан с другими элементами, прежде всего с кислородом и через
кислород с кремнием, и для разрушения этих соединений, высвобождения из
них легкого серебристого металла нужно затратить много сил и энергии.
Первый металлический алюминий в 1825 г. получил известный датский физик
Ганс Христиан Эрстед, известный в первую очередь своими работами по
электромагнетизму. Эрстед пропускал хлор через раскаленную смесь глинозема
(окись алюминия Аl2О3) с углем и полученный безводный хлористый алюминий
нагревал с амальгамой калия. Затем, как это делал еще Дэви, которому,
кстати, попытка получить алюминий электролизом глинозема не удалась,
амальгаму разлагались нагреванием, ртуть испарялась, и – алюминий явился
на свет.
В 1827 г. Фридрих Вёлер получил алюминий иначе, вытеснив его из того же
хлорида металлическим калием. Первый промышленный способ получения
алюминия, как уже упоминалось, был разработан лишь в 1855 г., а технически
важным металлом алюминий стал лишь на рубеже XIX...XX вв. Почему?
Самоочевидно, что далеко не всякое природное соединение алюминия можно
рассматривать как алюминиевую руду. В середине и даже в конце XIX в. в
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
