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.