Міністерство освіти і науки РФ РЕФЕРАТ
«АЛЮМІНІЙ»
2007 АЛЮМІНІЙ (лат. Aluminium; від "alumen" - галун), Al, хімічний елемент III групи періодичної системи, атомний номер 13, атомна
маса 26,98154.
1.Загальна характеристика алюмінію Природний
алюміній складається з одного нукліда 27Al. Конфігурація зовнішнього
електронного шару 3s2p1. Практично у всіх з'єднаннях ступінь окислення алюмінію +3 (
валентність III).
Радіус нейтрального атома алюмінію 0,143 нм, радіус іона Al3 + 0,057 нм.
Енергії послідовної іонізації нейтрального атома алюмінію рівні,
відповідно, 5,984, 18,828, 28,44 і 120 еВ. За шкалою Полінга електронегативність алюмінію 1,5.
Проста речовина
алюміній - м'який легкий сріблясто-білий метал.
2.Свойства Алюміній - типовий метал, кристалічна решітка кубічна гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавлення чистого металу 660 ° C, температура
кипіння близько 2450 ° C,
щільність 2,6989 г/см3. Температурний коефіцієнт лінійного розширення алюмінію близько 2,5 · 10-5 К-1
Стандартний електродний потенціал Al
3 + / Al - 1,663 В.
Хімічно
алюміній - досить активний метал. На повітрі його поверхня миттєво покривається щільною плівкою оксиду Al
2 О
3, яка перешкоджає подальшому доступу кисню (O) до металу і приводить до припинення реакції, що зумовлює високі антикорозійні
властивості алюмінію. Захисна
поверхнева плівка на алюмінії утворюється також, якщо його помістити в концентровану азотну кислоту.
З іншими кислотами алюміній активно реагує:
6НСl + 2Al = 2AlCl
3 + 3H
2, 3Н
2 SO
4 + 2Al = Al
2 (SO
4) 3 + 3H
2. Алюміній реагує з розчинами лугів. Спочатку розчиняється захисна оксидна плівка:
Al
2 О
3 + 2NaOH + 3H
2 O = 2Na [Al (OH)
4]. Потім протікають реакції:
2Al + 6H
2 O = 2Al (OH)
3 + 3H
2, NaOH + Al (OH)
3 = Na [Al (OH)
4], або сумарно:
2Al + 6H
2 O + 2NaOH = Na [Al (OH)
4] + 3Н
2, і в результаті утворюються алюмінати: Na [Al (OH)
4] - алюмінат натрію (Na) (тетрагідроксоалюмінат натрію), К [Al (OH) 4] - алюмінат калію (K) (терагідроксоалюмінат калію) або ін Так як для атома алюмінію в цих з'єднаннях
характерно координаційне число 6, а не 4, то дійсні формули зазначених тетрагідроксосоедіненій наступні:
Na [Al (OH)
4 (H
2 O) 2] і К [Al (OH)
4 (H
2 O) 2]. При нагріванні алюміній реагує з галогенами:
2Al + 3Cl
2 = 2AlCl
3, 2Al + 3 Br
2 = 2AlBr
3. Цікаво, що реакція між порошками алюмінію та йоду (I) починається при кімнатній температурі, якщо у вихідну суміш додати кілька крапель води, яка в даному випадку відіграє роль каталізатора:
2Al + 3I
2 = 2AlI
3. Взаємодія алюмінію з сіркою (S) при нагріванні приводить до утворення сульфіду алюмінію:
2Al + 3S = Al
2 S
3, який легко розкладається водою:
Al
2 S
3 + 6Н
2 О = 2Al (ОН)
3 + 3 Н
2 S.
З воднем (H) алюміній безпосередньо не взаємодіє, проте непрямими шляхами, наприклад, з використанням алюминийорганических сполук, можна синтезувати твердий
полімерний гідрид
алюмінію (AlН
3) х - найсильніший відновник.
У вигляді порошку алюміній можна спалити на повітрі, причому утворюється білий тугоплавкий порошок оксиду алюмінію Al
2 О
3. Висока міцність зв'язку в Al
2 О
3 зумовлює більшу теплоту його утворення з простих речовин і здатність алюмінію відновлювати багато
метали з їх оксидів, наприклад:
3Fe
3 O
4 + 8Al = 4Al
2 O
3 + 9Fe і навіть
3СаО + 2Al = Al
2 О
3 + 3Са.
Такий спосіб отримання металів називають
алюминотермия. Амфотерними оксиду Al
2 О
3 відповідає амфотерний гідроксид - аморфне
полімерна сполука, що не має постійного складу.
Склад гідроксиду алюмінію може бути переданий формулою xAl
2 O
3 · yH
2 O, при вивченні хімії в школі формулу гідроксиду алюмінію найчастіше вказують як Аl (OH)
3. У лабораторії гідроксид алюмінію можна отримати у вигляді драглистого осаду обмінними реакціями:
Al
2 (SO
4) 3 + 6NaOH = 2Al (OH)
3 + 3Na
2 SO
4, або за рахунок додавання соди до розчину
солі алюмінію:
2AlCl
3 + 3Na
2 CO
3 + 3H
2 O = 2Al (OH)
3 + 6NaCl + 3CO
2, а також додаванням розчину аміаку до розчину солі алюмінію:
AlCl
3 + 3NH
3 · H2O = Al (OH)
3 + 3H
2 O + 3NH
4 Cl.
Назва та
історія відкриття: латинське aluminium походить від
латинського ж alumen, що означає галун (сульфат алюмінію і калію (K) KAl (SO
4) 2 · 12H
2 O), які здавна використовувалися при виробленні шкір і як в'яжучий засіб. Через високу хімічної активності відкриття та виділення чистого алюмінію розтягнулося майже на 100 років. Висновок про те, що з квасцов може бути отримана «земля» (тугоплавка речовина, по-сучасному - оксид алюмінію) зробив ще в 1754 німецький хімік А. Маргграф. Пізніше виявилося, що така ж «земля» може бути виділена з глини, і її стали називати глиноземом. Отримати металевий алюміній зміг тільки в 1825 датський фізик Х. К. Ерстед.
Він обробив амальгамою калію (сплавом калію (K) з ртуттю (Hg)) хлорид алюмінію AlCl
3, який можна було отримати з глинозему, і після відгону ртуті (Hg) виділив сірий порошок алюмінію.
Тільки через чверть століття цей спосіб вдалося трохи модернізувати. Французький хімік А. Е. Сент-Клер Девіль в 1854 році запропонував використовувати для отримання алюмінію металевий
натрій (Na), і отримав перші злитки нового металу. Вартість алюмінію була тоді дуже висока, і з нього виготовляли ювелірні прикраси.
Промисловий
спосіб виробництва алюмінію шляхом
електролізу розплаву складних сумішей, що включають оксид, фторид алюмінію та інші речовини, незалежно один від одного розробили в 1886 році П. Еру (
Франція) і Ч. Холл (США).
Виробництво алюмінію пов'язано з високою
витратою електроенергії, тому у великих масштабах воно було реалізовано лише у 20-му столітті. У Радянському Союзі перший промисловий алюміній був отриманий 14 травня 1932 року на Волховському алюмінієвому комбінаті, збудованому поруч із Волховської гідроелектростанцією.
3.Нахожденіе в природі За поширеністю в земній корі алюміній займає перше місце серед металів і третє місце серед всіх елементів (після кисню (O) і кремнію (Si)), на його частку припадає близько 8,8% маси земної кори.
Алюміній входить у величезне число
мінералів, головним чином, алюмосилікатів, і гірських порід. Сполуки алюмінію містять граніти, базальти, глини, польові шпати та ін Але ось
парадокс: при величезному числі мінералів і порід, що містять алюміній, родовища бокситів - головного сировини при промисловому отриманні алюмінію, досить рідкісні. У Росії родовища бокситів є в Сибіру і на Уралі. Промислове значення мають також алуніти і нефеліни. Як мікроелемента алюміній присутній у
тканинах рослин і тварин. Існують організми-концентратори, накопичують алюміній у своїх органах, - деякі плауни, молюски.
4.Одержання Промислове отримання: при промисловому виробництві боксити спочатку піддають хімічній переробці, видаляючи з них домішки оксидів кремнію (Si), заліза (Fe) та інших елементів. У результаті такої переробки отримують чистий оксид алюмінію Al
2 O
3 - основна сировина при виробництві металу електролізом. Однак через те, що температура плавлення Al
2 O
3 дуже висока (понад 2000 ° C), використовувати його розплав для електролізу не вдається.
Вихід вчені та інженери
знайшли в наступному. У
електролізної ванні спочатку розплавляють кріоліт Na
3 AlF
6 (температура розплаву трохи нижче 1000 ° C). Кріоліт можна отримати, наприклад, при переробці нефелінів Кольського півострова. Далі в цей розплав додають трохи Al
2 О
3 (до 10% за масою) і деякі інші речовини, покращувалися умови проведення наступного процесу. При
електролізі цього розплаву відбувається розкладання оксиду алюмінію, кріоліт залишається в розплаві, а на катоді утворюється розплавлений алюміній:
2Al
2 О
3 = 4Al + 3О
2. Так як анодом при електролізі служить графіт, то виділяється на аноді кисень (O) реагує з графітом і утворюється вуглекислий газ СО
2. При електролізі отримують метал з вмістом алюмінію майже 99,7%. У техніці застосовують і значно більш чистий алюміній, в якому вміст цього елементу досягає 99,999% і більше.
5.Прімененіе За масштабами застосування алюміній і його
сплави займають друге місце після заліза (Fe) і його сплавів. Широке застосування алюмінію в різних областях техніки і побуту пов'язане з сукупністю його фізичних, механічних і хімічних властивостей: малою щільністю, корозійною стійкістю в
атмосферному повітрі, високою тепло-і електропровідністю, пластичністю і порівняно високою міцністю.
Алюміній легко обробляється різними способами - куванням, штампуванням,
прокаткою і ін Чистий алюміній застосовують для виготовлення дроту (електропровідність алюмінію складає 65,5% від електропровідності міді, але алюміній більш ніж у три рази легше міді, тому алюміній часто замінює
мідь в електротехніці) і фольги, яка використовується як пакувальний матеріал. Основна ж частина виплавленого алюмінію витрачається на отримання різних сплавів.
Сплави алюмінію відрізняються малою щільністю, підвищеної (в порівнянні з чистим
алюмінієм) корозійною стійкістю і високими технологічними властивостями: високою тепло-і електропровідністю, жароміцністю, міцністю і пластичністю. На
поверхні сплавів алюмінію легко наносяться захисні і декоративні покриття.
Різноманітність властивостей алюмінієвих сплавів обумовлено введенням в алюміній різних добавок, що утворюють з ним тверді розчини або інтерметалевих з'єднання. Основну масу алюмінія використовують для отримання легких сплавів - дуралюмина (94% - алюміній, 4% мідь (Cu), по 0,5%
магній (Mg),
марганець (Mn),
залізо (Fe) і
кремній (Si)), силуміну (85-90% - алюміній, 10-14% кремній (Si), 0,1% натрій (Na)) та ін У металургії алюміній використовується не тільки як основа для сплавів, але і як одна із широко застосовуваних легуючих добавок у сплавах на основі міді (Cu), магнію (Mg), заліза (Fe),> нікелю (Ni) і ін
Сплави алюмінію знаходять широке застосування в побуті, в будівництві та архітектурі, в автомобілебудуванні, в суднобудуванні, авіаційній і космічній техніці. Зокрема, з алюмінієвого сплаву був виготовлений перший штучний супутник Землі. Сплав алюмінію і цирконію (Zr) - ціркалой - широко застосовують у ядерному реакторобудуванні. Алюміній застосовують у виробництві вибухових речовин.
Особливо слід відзначити забарвлені плівки з оксиду алюмінію на поверхні металевого алюмінію, одержувані електрохімічним шляхом. Покритий такими плівками металевий алюміній називають анодованим алюмінієм. З анодованого алюмінію, за зовнішнім виглядом нагадує
золото (Au), виготовляють різну біжутерію.
При поводженні з алюмінієм в побуті потрібно
мати на увазі, що нагрівати і зберігати в алюмінієвому посуді можна лише нейтральні (за кислотністю) рідини (наприклад, кип'ятити воду). Якщо, наприклад, в алюмінієвому посуді варити кислі щі, то алюміній переходить в їжу і вона набуває неприємного "металевий" присмак. Оскільки в побуті оксидну плівку дуже легко пошкодити, то використання алюмінієвого посуду все-таки небажане.
6.Біологоческая роль В організм людини алюміній щодня надходить з їжею (близько 2-3 мг), але його
біологічна роль не встановлено. У середньому в організмі людини (70 кг) у кістках, м'язах міститься близько 60 мг алюмінію.