Рефераты по естественным наукам

Алюминий - самый распостраненный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5-6,6 мол. доли % или 8 масс. %. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al ₂ O ₃ ^. 2SiO ₂ ^. 2H ₂ O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al ₂ O ₃ ^. xH ₂ O и минералы корунд Al ₂ O ₃ и криолит AlF ₃ ^. 3NaF.

Впервые алюминий был получен Велером в 1827 году действием металлического калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al ₂ O ₃ в расплавленнном криолите. Al ₂ O ₃ должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al ₂ O ₃ около 2050 ^о С, а криолита - 1100 ^о С. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al ₂ O ₃ , содержащую около 10 масс.% Al ₂ O ₃ , которая плавится при 960 ^о С и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF ₃ , CaF ₂ и MgF ₂ проведение электролиза оказывается возможным при 950 ^о С.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.

Al ³⁺ + 3 е ^- = Al

Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:

В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s ₂ 2s ₂ 2p ₆ 3s ₂ 3p ₁ . Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный - 0,126 нм, условный радиус иона Al ³⁺ - 0,057 нм. Энергия ионизации Al - Al ⁺ 5,99 эВ.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3.Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d -подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl ^4- , AlH ^4- , алюмосиликаты), но и 6 (Al ₂ O ₃ ,[Al(OH ₂ ) ₆ ] ³⁺ ).

Алюминий - типичный амфотерный элемент. Для него характерны не только анионные, но и катионные комплексы. Так, в кислой среде существует катионный аквакомплекс [Al(OH ₂ ) ₆ ] ³⁺ , а в щелочной - анионный гидрокомплекс и [Al(OH) ₆ ] ^3- .

В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7 г/см ³ (т.пл. 660 ^о С, т. кип. ~2500 ^о С). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминмевый провод весит вдвое меньше медного.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO ₃ , K ₂ Cr ₂ O ₇ ) или анодным окислением толщина защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминмя позволяет изготавливать из него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной кислоты.

Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.

Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью. Важнейшие из них - дуралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумин (85 - 90% Al, 10 - 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом - при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:

При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al ₂ O ₃ + 2NaOH + 3H ₂ O = 2Na[Al(OH) ₄ ]

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:

Al(OH) ₃ + NaOH = Na[Al(OH) ₄ ]

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:

В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.

Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al ₂ O ₃ ), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.

Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в часности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь (“термит”) состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe ₃ O ₄ . Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO ₂ . Основная реакция идет по уравнению:

8Al + 3Fe ₃ O ₄ = 4Al ₂ O ₃ + 9Fe + 3350 кДж

Причем развивается температура около 3000 ^о С.

Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050 ^о С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al ₂ O ₃ (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al ₂ O ₃ (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.

Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al ₂ O ₃ , получаемым сплавлением боксита (техническое название - алунд).

Прозрачные окрашеннные кристаллы корунда - красный рубин - примесь хрома - и синий сапфир - примесь титана и железа - драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr ₂ O ₃ , применяют в качестве квантовых генераторов - лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

Ввиду нерастворимости Al ₂ O ₃ в воде отвечающий этому оксиду гидроксид Al(OH) ₃ может быть получен лишь косвенным путем из солей. Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами OH ^- постепенно замещаются в аквокомплексах [Al(OH ₂ ) ₆ ] ³⁺ молекулы воды:

[Al(OH ₂ ) ₆ ] ³⁺ + OH ^- = [Al(OH)(OH ₂ ) ₅ ] ²⁺ + H ₂ O

[Al(OH)(OH ₂ ) ₅ ] ²⁺ + OH ^- = [Al(OH) ₂ (OH ₂ ) ₄ ] ⁺ + H ₂ O

[Al(OH) ₂ (OH ₂ ) ₄ ] ⁺ + OH ^- = [Al(OH) ₃ (OH ₂ ) ₃ ] ⁰ + H ₂ O

Al(OH) ₃ представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке NH ₄ OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида - алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + Al(OH) ₃ = Na[Al(OH) ₄ ]

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al ₂ O ₃ с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO ₂ . Большинство из них в воде нерастворимо.

С кислотами Al(OH) ₃ образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

В водной среде анион Al ³⁺ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:

Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO ₄ ^4- заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO ₄ ^5- . Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители - минералы

ортоклаз K ₂ Al ₂ Si ₆ O ₁₆ или K ₂ O ^. Al ₂ O ₃ ^. 6SiO ₂

Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты - природные и особенно искусственные - применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.

Галогениды алюминия в обычных условиях - бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF ₃ сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF ₃ основан на действии безводного HF на Al ₂ O ₃ или Al:

Al ₂ O ₃ + 6HF = 2AlF ₃ + 3H ₂ O

Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl ₃ , AlBr ₃ и AlI ₃ дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

Плотности паров AlCl ₃ , AlBr ₃ и AlI ₃ при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам - Al ₂ Hal ₆ . Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена - с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M ₃ [AlF ₆ ] и M[AlHal ₄ ] (где Hal - хлор, бром или иод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl ₃ в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F ₂ , эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na ₃ [AlF ₆ ]. Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

2Al(OH) ₃ + 12HF + 3Na ₂ CO ₃ = 2Na ₃ [AlF ₆ ] + 3CO ₂ + 9H ₂ O

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH ₃ ) _n . Разлагается при нагревании выше 105 ^о С с выделением водорода.

При взаимодействии AlH ₃ с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:

LiH + AlH ₃ = Li[AlH ₄ ]

Гидридоалюминаты - белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они - сильные восстановители. Применяются (в особенности Li[AlH ₄ ]) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al ₂ (SO ₄ ) ₃ ^. 18H ₂ O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO ₄ ) ₂ ^. 12H ₂ O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе - уксуснокислую соль) Al(CH ₃ COO) ₃ , используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.

5. Al ₂ O ₃ + 2NaOH + 3H ₂ O = 2Na[Al(OH) ₄ ]

Полученный оксид алюминия растворяется в щелочи.

9. Al(OH) ₃ + NaOH = Na[Al(OH) ₄ ]

Осадок растворился в щелочи.

10. 2Al(OH) ₃ + 3H ₂ SO ₄ = Al ₂ (SO ₄ ) ₃ + 6H ₂ O

S ^о ,Дж/К 28,35 ^. 2 70,08 ^. 6 70,1 ^. 2 130,52 ^. 3

D H = -915,02 ; D S = 54,58

D G = D H - TD S = -915020 - 54,58 ^. 298,15 = -931293,027 Дж/моль