Алюминий

Алюминий

Обозначение	Al
Период	III
Группа	III
Атомная масса	26,98
Атомный номер	13
Заряд ядра атома	+ 13
Распределение электронов	1s²2s²2p63s²3p¹
Температура плавления	660 °C
Температура кипения	2500 °C
Электроотрицательность (по Полингу)	1,61
Степень окисления	+3
Электропроводность	37·106
Плотность, г/см³	2,7
Удельная теплоёмкость, кДж/кг·К	897 кДж/кг·К

Алюми́ний — химический элемент, лёгкий цветной металл серебристого цвета. Находится в III группе в III периоде, порядковый номер 13 в периодической системе химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Алюминий является амфотерным металлом, сильным восстановителем, взаимодействует с простыми и сложными веществами. Алюминий легко поддаётся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, прочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Вследствие высокой химической активности алюминий встречается в природе только в виде соединений. Алюминий — самый распространённый на Земле металл. Поверхность алюминия покрыта прочной оксидной плёнкой, которая предохраняет алюминий от окисления и придаёт ему коррозионную стойкость. Лишённый оксидной плёнки, алюминий бурно реагирует с водой с выделением водорода. Лёгкий с высокой теплопроводностью и электропроводностью алюминий в сочетании с коррозионной стойкостью широко применяется в технике и быту.

Историческая справка

Алюминий

Название «алюминий» происходит от латинского языка «alumen». Так за 500 лет до нашей эры назывались алюминиевые квасцы, которые использовали в качестве протравы при крашении тканей и для дубления кожи. Впервые алюминий получен Хансом Кристианом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. В 1854 году Анри Этьен Сент-Клер Девиль получил в промышленных масштабах алюминий восстановлением тетрагидроксоалюмината натрия Na₃AlCl₆ металлическим натрием. Современный электролитический способ получения алюминия разработан в 1886 году во Франции Чарльзом Мартином Холлом и Поль Луи Туссеном Эру в США одновременно и независимо друг от друга.

Строение алюминия

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Алюминий расположен в главной подгруппе третьей группы, в третьем периоде периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Электронное строение алюминия в «основном» состоянии 1s²2s²2p⁶3s²3p¹, в «возбуждённом» состоянии 1s²2s²2p⁶3s¹3p². Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии. На внешнем электронном слое у атома алюминия находится три электрона. В химических реакциях он выступает в качестве восстановителя. Характерная степень окисления алюминия +3, заряд иона 3+.

По распространённости в природе алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех химических элементов. Алюминий в свободном состоянии в природе не встречается вследствие высокой химической активности, существует только в виде соединений.

Нахождение алюминия в природе

Алюминий — третий по распространенности в природе металл среди всех элементов после кислорода и кремния. Содержание в земной коре около 8 %. В природе алюминий встречается в виде соединений бокситов, красного (рубины) и синего (сапфиры) корунда, каолинитов, криолитов и полевого шпата.

• 

  Боксит

• 

  Корунд

• 

  Полевой шпат

• 

  Криолит

• 

  Каолинит

• 

  Глина

• 

  Слюда

Характеристика природных соединений алюминия приведена в таблице 1.

Таблица 1 — Характеристика природных соединений алюминия

Соединение алюминия	Химическая формула	Свойства
Боксит (гидрат алюминия), примеси Fe2O3, CaCO3, SiO2	Аl2O3 • H2O	Аморфное с не ярким, слабым блеском, непрозрачное соединение. Удельный вес, если в составе много кремнезёма, составляет около 1,2 г/см³. Удельный вес, в которых больше железа, составляет 2,8 г/см³. Твёрдость боксита от 2 до 7 баллов по шкале Мооса. Спайность — отсутствует. Структура может быть как пористой, так и плотной. Плотность от 2,5 до 3,5 г/см.
Корунд	Аl2O3	По цвету может быть бесцветным, жёлтым, розовым, красным, коричневым, синим, лиловым, зелёным, серым, в порошке — белым. По прозрачности кристаллы различают на прозрачные, просвечивающие и непрозрачные. Спайность отсутствует. На изломе неровный, раковистый край. Обладает алмазным матовым, перламутровым, стеклянным блеском. Твёрдость по шкале Мооса 9. Удельный вес от 3,9 до 4,1 г/см³. У полированных кристаллов корунда иногда можно увидеть эффект астеризма.
Полевой шпат	K2O • Аl2O3 • 6 SiO2	Цвет белый, серый, желтоватый, кремовый, бледно-розовый, иногда прозрачный, бесцветный, красный, голубовато-зелёный и тёмно-серый. Блеск стеклянный. Твёрдость по шкале Мооса от 6 до 6,5. Плотность от 2,5 до 3,4 г/см³. Спайность совершенная в двух направлениях, под прямым или близким к нему углом.
Криолит	Na3AlF6	Цвет белый, при наличии примесей в составе может быть дымчатым, серым, красно-коричневым и чёрным. Твердость по шкале Мооса от 2 до 3. Блеск зависти от степени чистоты камня, может быть как стеклянным, так и жирным. Плотность от 2,95 до 3,01 г/см³. На изломе неровный, раковистый край.
Каолинит	Аl2O3 • SiO2 • 2H2O	Цвет в зависимости от примесей белый, буроватый. Блеск матовый, перламутровый, тусклый. Твёрдость по шкале Мооса от 2 до 2,5. Удельный вес от 2,61 до 2, 68 г/см3.
Силикатные породы (глина, слюда)	входит в состав	Глина обладает пластичностью, связующей способностью, термоустойчивостью, способностью поглощать воду, температура плавления более 1800°С. Слюда обладает термической стабильностью и устойчивостью к высоким температурам, высокой электропроводностью и теплопроводностью, химической инертностью и устойчивостью к кислотам, щелочам, имеет ламинированную структуру, прозрачная.

Физические свойства алюминия

Алюминий — амфотерный металл серебристо-белого цвета, твёрдый, лёгкий, прочный, имеет высокую электропроводность и теплопроводность, температура плавления 660 °C. Природный алюминий состоит из одного изотопа ²⁷₁₃Al. Алюминий обладает высокой пластичностью и хорошей коррозионной стойкостью. Легко поддаётся прессованию, прокатке, ковке, штампованию, волочению. Алюминий хорошо полируется, анодируется, имеет высокую отражательную способность (отражает до 90 % падающего светового излучения). Термической обработкой не упрочняется. Алюминий хорошо подвергается газовой, аргонодуговой, контактной сварке.

На воздухе алюминий покрывается тонким прочным слоем оксида алюминия Аl₂O₃, который защищает металл от дальнейшего окисления и коррозии. При сжигании алюминия в присутствии кислорода достигается температура выше 3000 °С. Алюминий способен вытеснять металлы из соединений, что используется для получения металлов и их сплавов восстановлением оксидов металлов (алюминотермия).

Химические свойства алюминия

Алюминий является высокоактивным амфотерным металлом, проявляет сильные восстановительные свойства.

Алюминий

Взаимодействие алюминия с простыми веществами

• При взаимодействии с кислородом воздуха образует прочную оксидную пленку Аl₂O₃, защищающую алюминий от дальнейшего окисления:

4Аl + 3O₂ = 2Аl₂O₃

• При взаимодействии с галогенами реакция протекает при комнатной температуре при добавлении капли воды, которая является катализатором, с получением иодида алюминия АlI₃:

2Аl + 3I₂ = 2АlI₃

• В химических реакциях с бромом Br₂ алюминий взаимодействует с выделением тепла и света с образованием бромида алюминия АlBr₃:

2Аl + 3Br₂ = 2АlBr₃

• С хлором Cl₂ алюминий реагирует при внесении нагретой алюминиевой фольги в колбу с газообразным хлором, при этом образуется хлорид алюминия АlCl₃:

2Аl + 3Cl₂ = 2АlCl₃

• При взаимодействии алюминия и серы S при нагревании (поджигании) протекает экзотермическая реакция с выделением тепла и света, получается сульфид алюминия Аl₂S₃:

2Аl + 3S = Аl₂S₃

• Алюминий реагирует с азотом N₂ при температуре 800 °С с образованием нитрида алюминия АlN:

2Аl + N₂ = 2АlN

• При взаимодействии с углеродом С при температуре 2000 °С образуется карбид алюминия Аl₄С₃:

2Аl + 3С = Аl₄С₃

Взаимодействие алюминия со сложными веществами

• Защитная оксидная пленка Аl₂O₃ не позволяет алюминию реагировать даже с водой, но при её снятии алюминий образует гидрооксид при взаимодействии с водой, при этом выделяется водород H₂:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂↑

• Алюминий взаимодействует с оксидами менее активных металлов, стоящих правее в электрохимическом ряду напряжений металлов. При взаимодействии с оксидом железа (III) Fe₂O₃ при температуре от 2500 до 3000 °С образуется чистое расплавленное железо:

2Al + Fe₂O₃ = Аl₂O₃ + 2Fe

Такой метод получения металлов путем их восстановления из оксидов металлов называют алюмотермией.

• Взаимодействует алюминий с разбавленными кислотами и кислотами с выраженными слабыми окислительными свойствами. При взаимодействии с ними образуются соли алюминия и выделяется водород H₂:

2Al + 3H₂SO_{4(разбавленная)} = Аl₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

2Al + 6HCl = 2АlCl₃ + 3H₂↑

• При взаимодействии с кислотами, являющимися сильными окислителями (серная кислота H₂SO_{4(концентрированная)} , азотная кислота HNO_{3(концентрированная)}), при нагревании образуется соль, вода, выделяются сероводород (H₂S) и оксиды азота (NO, NO₂) соответственно:

8Al + 15H₂SO_4(конц.) = 4Аl₂(SO₄)₃ + 3H₂S↑ + 12H₂О

Al + 6HNO_3(конц.) = Аl(NO₃)₃ + 3NO₂↑+ 3H₂О

Al + 4HNO_3(конц.) = Аl(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂О

• При нагревании алюминия с разбавленной азотной кислотой HNO₃ образуются оксид азота (I) N₂O и нитрат аммония NН₄NO₃:

8Al + 30HNO_3(разб.) = 8Аl(NO₃)₃ + 3N₂O↑+ 15H₂О

8Al + 30HNO_{3(сильно разб.)} = 8Аl(NO₃)₃ + 3NН₄NO₃+ 9H₂О

• Алюминий вступает в реакции с водными растворами щелочей NaOH с образованием комплексной соли тетрагидроксоалюмината натрия Na{Аl₂(OH)₄} и алюмината натрия NaАlO₂ соответственно:

2Al + 2NaOH + 6H₂О = 2Na{Аl₂(OH)₄} + 3H₂↑

Al + 2NaOH_(тв.) = 2NaАlO₂ + 3H₂О

• Водный раствор алюминия, очищенный от оксидной пленки реагирует с водой с образованием гидрооксида алюминия Al(OH)₃ и выделением водорода H₂:

2Al + 6H₂О = 2Al(OH)₃ + 3H₂↑

Образовавшийся амфотерный гидрооксид алюминия взаимодействует с гидрооксидом натрия NaOH с образованием комплексной соли — тетрагидроксоалюмината натрия Na{Аl₂(OH)₄}:

Al(OH)₃ + NaOH = Na{Аl₂(OH)₄}.

Получение

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла — Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите Na₃AlF₆ при температуре 960 ― 970^°С, затем подвергают электролизу с углеродными электродами. Электролиз раствора оксида алюминия Аl₂O₃ в расплавленном криолите Na₃AlF₆ протекает при температуре 950°С. Электролизная ванна выполняется в виде железного ящика. Подина и боковые стенки футеруются плитами из смеси углерода и графита, которые служат катодом. Сверху в ванну опускаются обожжённые плиты из углеродистой массы — анод. При прохождении постоянного электрического тока оксид алюминия Аl₂O₃ разлагается на алюминий Al, который накапливается на подине, и кислород О₂, образующий с материалом анода оксиды углерода СО и СО₂. Расплавленный алюминий, содержащий около 1 % примесей, разливают в формы или отливают непрерывным методом. Из него электролитическим рафинированием получают алюминий высокой чистоты с содержанием примесей не более 0,05 % примесей. При производстве алюминия зонной плавкой содержание азота и серы не должно превышать 10,4 %, любой другой примеси — не более 0,00001 %. Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии. В результате процесса алюминий выделяется на катоде, на аноде — кислород:

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

Алюминий получают из бокситов Аl₂O₃ • H₂O электролизом при температуре 1000 °C. Так как температура плавления оксида алюминия составляет 2500 °C, то 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

Алюминиевая посуда

Токопроводящее изделие

Резервуар для хранения газов

Алюминий является распространённой легирующей добавкой в сплавах на основе меди, магния, титана, цинка, никеля, железа. Применение алюминия приведено в таблице 2.

Таблица 2 — Применение алюминия

Область применения	Использование
Промышленность	в электротехнике для изготовления кабелей и токопроводящих изделий; электронике для изготовления полупроводниковых приборов; для изготовления зеркал — отражателей; для производства специальной химической аппаратуры и резервуаров для хранения и транспортировки жидких газов — метана, кислорода, водорода, аммиака азотной и уксусной кислоты, чистой воды, пищевых масел; для изготовления в качестве конструкционного материала ядерных реакторов; для раскисления в производстве стали; в алюмотермии для получения металлов и их сплавов; порошкообразный алюминий используют как компонент взрывчатых веществ и ракетных топлив; в строительстве зданий и объектов как конструкционный материал;
Быт	для изготовления деталей бытовых электроприборов, кипятильников, кастрюль, посуды, мебели, спортивного инвентаря, карнизов, лодок, тары для пищевых продуктов; гидроксид алюминия применяют при дублении кож и как протраву при покраске тканей;
Медицина	используют для изготовления лекарств, обладающих адсорбирующим и обволакивающим действием

Литература

1. Общая химия. Учебник / под ред. С. Ф. Дунаева. — М.: Academia, 2017. — 160 c.
2. Общая и неорганическая химия: учебное пособие / под ред. В. В. Денисова, В. М. Таланова. — Рн/Д: Феникс, 2018. — 144 c.
3. Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для СПО. — М.: КноРус, 2019. — 360 c.
4. Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для вузов / под ред. А. И. Ермакова. — М.: Интеграл-Пресс, 2003. — 728 с.
5. Карапетьянц М. Х. Общая и неорганическая химия: учебник / М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин. — М.: КД Либроком, 2015. — 592 c.
6. Карапетьянц М. Х. Общая и неорганическая химия / под ред. М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин. — М.: Ленанд, 2018. — 600 c.