№13 Алюминий

История открытия:

Около 1807 г. Дэви, пытавшийся осуществить электролиз глинозема, дал название предполагаемому в нем металлу алюмиум (Alumium). Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. В 1827 г. Велер выделил металлический алюминий более эффективным способом - нагреванием безводного хлористого алюминия с металлическим калием.

Нахождение в природе, получение:

По распространенности в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Содержание алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45% до 8,14% от массы земной коры. В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).
Корунд: Al₂O₃ - относится к классу простых оксидов, и иногда образует прозрачные драгоценные кристаллы - сапфира, и, с добавлением хрома, рубина. Накапливается в россыпях.
Бокситы: Al₂O₃*nH₂O - осадочные алюминиевые руды. Содержат вредную примесь - SiO₂. Бокситы служат важным сырьем для получения алюминия, а также красок, абразивов.
Каолинит: Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O - минерал подкласса слоистых силикатов, главная составная часть белой, огнеупорной, и фарфоровой глины.
Современный метод получения алюминия был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₃ с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке. Для производства 1 т алюминия требуется 1,9 т глинозёма и 18 тыс. кВт·ч электроэнергии.

Физические свойства:

Металл серебристо-белого цвета, легкий, плотность 2,7 г/см³, температура плавления 660°C, температура кипения 2500°C. Высокая пластичность, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу. Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, обладает высокой светоотражательной способностью. Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами.

Химические свойства:

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°);O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако, при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH₄⁺, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Легко реагирует с простыми веществами: кислородом, галогенами: 2Al + 3Br₂ = 2AlBr₃
С другими неметаллами алюминий реагирует при нагревании:
2Al + 3S = Al₂S₃     2Al + N₂ = 2AlN
Алюминий способен только растворять водород, но не вступает с ним в реакцию.
Со сложными веществами: алюминий реагирует со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов):
2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂
Легко растворяется в разбавленной и концентрированной серной кислотах:
2Al + 3H₂SO₄(разб) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂     2Al + 6H₂SO₄(конц) = Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O
Алюминий восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия): 8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

Важнейшие соединения:

Оксид алюминия, Al₂O₃: твердое, тугоплавкое вещество белого цвета. Кристаллический Al₂O₃ химически пассивен, аморфный - более активен. Медленно реагирует с кислотами и щелочами в растворе, проявляя амфотерные свойства:
Al₂O₃ + 6НСl(конц.) = 2АlСl₃ + ЗН₂О       Al₂O₃ + 2NаОН(конц.) + 3Н₂О = 2Na[Al(OH)₄]
(в расплаве щелочи образуется NaAlO₂).
Гидроксид алюминия, Al(OH)₃: белый аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Практически не растворим в воде. При нагревании ступенчато разлагается. Проявляет амфотерные, равно выраженные кислотные и основные свойства. При сплавлении с NaOH образуется NaAlO₂. Для получения осадка Аl(ОН)₃ щелочь обычно не используют (из-за легкости перехода осадка в раствор), а действуют на соли алюминия раствором аммиака - при комнатной температуре образуется Аl(ОН)₃
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: Al³⁺ + H₂O =AlOH²⁺ + H⁺
Нерастворимы в воде фторид AlF₃ и ортофосфат АlРO₄, а соли очень слабых кислот, например Н₂СО₃, вообще не образуются осаждением из водного раствора.
Известны двойные соли алюминия - квасцы состава MAl(SO₄)₂*12H₂O (M=Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, ТI⁺, NH₄⁺), самые распространенные из них алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂*12Н₂O.
Растворение амфотерных гидроксидов в щелочных растворах рассматривается как процесс образования гидроксосолей (гидроксокомплексов). Экспериментально доказано существование гидроксомплексов [Аl(ОН)₄(Н₂О)₂] ^-, [Аl(ОН)₆]^3-, [Аl(ОН)₅(Н₂O)]^2-; из них первый - наиболее прочный. Координационное число алюминия в этих комплексах равно 6, т.е. алюминий является шестикоординированным.
Бинарные соединения алюминия Соединения с преимущественно ковалентными связями, например сульфид Al₂S₃ и карбид Аl₄С₃ полностью разлагаются водой:
Al₂S₃ + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃ + 3Н₂S       Аl₄С₃ + 12H₂O = 4Аl(ОН)₃ + 3СН₄

Применение:

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве - лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность. Алюминий является важным компонентом многих сплавов (медные - алюминиевые бронзы, магниевые и др.)
Применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования.
Алюминий широко используется и в тепловом оборудовании и в криогенной технике.
Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.
Алюминий и его соединения используются в ракетной технике в качестве ракетного горючего. В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

Аллаяров Дамир
ХФ ТюмГУ, 561 группа.