Вопрос 32. Алюминий: строение, химические свойства

Вопрос 32. Алюминий: строение, химические свойства, применение
Алюминий – самый распространенный металл на Земле. Его массовая
доля в земной коре составляет 8%. Основная масса его сосредоточена в виде
природных соединений, в которых он связан с кислородом и кремнием, так
называемых алюмосиликатов. Алюмосиликаты входят в состав многих
горных пород и глин. Другими важными минералами алюминия являются
боксит Al2O3∙nH2O, криолит Na3[AlF6], корунд Al2O3.
Получают алюминий из Al2O3 электролитическим способом. Для этого
необходим достаточно чистый Al2O3, так как из выплавленного алюминия
примеси удалить очень трудно. Оксид Al2O3 не проводит электрического
тока и имеет высокую температуру плавления (≈ 2050оС). Поэтому
электролизу подвергают расплав оксида алюминия в криолите AlF3∙3NaF,
содержащий 10% по массе Al2O3, плавящийся при 950оС и обладающий
электропроводимостью.
В расплавленном криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:
Al2O3 ↔ Al3+ + AlO33−
Условия электролиза подбираются такими, чтобы на катоде разряжались
катионы Al3+. При этом на аноде будут окисляться ионы AlO33−.
Уравнения электродных процессов:
Катод (−) Al3+ + 3𝑒̅ → Al
4
3−
Анод (+)
4AlO3 − 12𝑒̅ → 2Al2O3 + 3O2 1
электролиз
4Al3+ + 4AlO33− →
4Al + 2Al2O3 + 3O2
или
электролиз
2Al2O3 →
4Al + 3O2
Образующийся кислород сжигает графитовые аноды:
С + O2 = CO2 или 2С + О2 = 2СО
Электронное строение атома алюминия …3s23p1 определяет характерную
для него, постоянную степень окисления +3. Химические связи в
соединениях алюминия с другими элементами имеют в основном
ковалентный характер. Кроме того, в атоме алюминия на внешнем
энергетическом уровне имеются свободные d-орбитали, благодаря чему он
может образовывать сложные комплексные ионы с координационным
числом равным 6, такие как [AlF6]3− или [Al(OH)6]3−.
Алюминий – металл высокой химической активности. На воздухе он
пассивируется, то есть покрывается тончайшей, но очень прочной пленкой
оксида Al2O3, предохраняющей его от дальнейшего окисления:
4Al + 3O2 = 2Al2O3
вследствие чего поверхность металла имеет матовый вид. Свойствами
защитной пленки обладает только одна из полиморфных кристаллических
модификаций Al2O3 со структурой корунда, которая не взаимодействует с
водой. Эта пленка может быть удалена растворением в кислотах или
щелочах, так как Al2O3 проявляет амфотерные свойства:
Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O
Образующийся в расплаве щелочи алюминат натрия NaAlO2 в водных
растворах образует комплексную соль – тетрагидроксоалюминат натрия
Na[Al(OH)4].
Химические свойства алюминия:
1. Взаимодействие с неметаллами
При обычных условиях алюминий реагирует с хлором и бромом; при
нагревании реагирует с кислородом, йодом, углеродом, азотом.
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3
4Al + 3O2 = 2Al2O3
4Al + 3C = Al4C3
2. Взаимодействие с водой
Из-за защитной оксидной пленки на поверхности алюминий устойчив в воде.
Однако при удалении этой пленки происходит энергичное взаимодействие:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
3. Взаимодействие с кислотами
Алюминий взаимодействует с хлороводородной и разбавленной серной
кислотами:
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2
2Al +H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2
Азотная и концентрированная серная кислоты пассивируют алюминий:
при действии этих кислот увеличивается толщина защитной пленки на
металле, и он не растворяется.
4. Взаимодействие со щелочами
2Al + 6NaOH + 6H2O = 2Na3[Al(OH)6] + 3H2
Реакция со щелочами протекает благодаря легкости растворения в них
оксидной пленки.
5. Восстановление оксидов металлов
Алюминий является хорошим восстановителем многих оксидов металлов,
например:
2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr
8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe
Применение алюминия.
Алюминий применяется как в чистом виде (для изготовления электрических
проводов и фольги для конденсаторов), так и в виде сплавов с медью,
марганцем, магнием, кремнием, титаном. Легирующие добавки вводят, как
правило, для повышения его прочности. Основная масса алюминия идет на
изготовление алюминиевых сплавов.
В технике широко распространены дуралюмин (содержит магний и
медь), силумин и магналий с кремнием и магнием, соответственно.
Дуралюмины – легкие прочные и коррозионностойкие сплавы.
Используются как конструкционный материал в авиа- и машиностроении.
Силумин – сплав алюминия, содержащий кремний. Силумин хорошо
подвергается литью, из него можно изготавливать тонкостенные и сложные
по форме изделия. Этот сплав используется в автомобиле-, авиа- и
машиностроении, производстве точных приборов.
Магналин – сплавалюминия с магнием. Используется в авиа- и
машиностроении, в строительстве. Магналин стоек к коррозии в морской
воде, поэтому его применяют в судостроении.
Антифрикационные сплавы алюминия с оловом и медью применяются
в автомобилестроении для изготовления подшипников коленчатого вала.
Основное достоинство конструкционных алюминиевых сплавов – малая их
плотность, высокая прочность а расчете на единицу массы, высокая
стойкость против атмосферной коррозии, дешевизна и простота обработки.
Важной областью применения алюминия является алитирование –
насыщение поверхности стальных или чугунных изделий металлическим
алюминием для придания им жаростойкости и предохранения от коррозии.
Алитированные изделия не окисляются при нагревании до 1000оС.
Смесь порошков алюминия и оксида железа (Fe2O3 или Fe3O4),
имеющая название термит, используется для сварки стальных изделий
(трубопроводов, рельсов). При горении термитной смеси протекает реакция с
большим выделением теплоты:
8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe, ∆Нo = −1352 кДж
За счет выделяющейся теплоты температура может достигать 3500оС.
Оксид алюминия Al2O3 применяют для получения алюминия, как
огнеупорный материал, в производстве керамики. Кристаллический Al2O3 –
корунд служит абразивным материалом. Некоторые природные
разновидности корунда (рубин, сапфир) являются драгоценными камнями,
используются в ювелирном деле.
Криолит Na3[AlF6] применяют для получения алюминия и при
изготовлении керамики и эмалей.