Классный урок на «Радио России – Тамбов», эфир 15 мая 2020 года

Алюминий. Получение алюминия. Физические и химические свойства. Применение. Сегодня я хочу рассказать о самом распространённом металле в земной коре, о алюминии. Алюминий по распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Элемент алюминий расположен в III группе, главной подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер 13, относительная атомная масса Ar(Al) → 27. Название элемента образовано от латинского алюмен, так в древности называли квасцы, которые использовали для крашения тканей. Данный элемент носил несколько названий. Так, английский химик и физик Гемфри Дэви, предполагая присутствие его в глиноземе, называл алюминумом. В русской химической литературе 19 века встречаются следующие названия алюминия: глинозем, алумий, алюминий и глиний. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера, т. е. он является переходным элементом и его соединения являются амфотерными. Давайте вспомним, что такое амфотерность. Амфотерность (от др.-греч. ἀμφότεροι «двойственный; обоюдный») — способность химических соединений проявлять в зависимости от условий как кислотные, так и основные свойства. Аl является р-элементом на внешнем уровне его электронной оболочки три электрона. В основном состоянии 2 эл. на 3s-подуровне и 1 эл. на 3р. В возбужденном состоянии на внешнем уровне алюминия находится три неспаренных электрона. Поэтому в соединениях с ковалентной связью алюминий проявляет валентность равную III. Нахождение в природе В природе алюминий в связи с высокой химической активностью встречается почти исключительно в виде соединений. Процент содержания алюминия в земной коре составляет 8,13% массы земной коры. Совместно с кремнием он образует такие известные вам породы и минералы, как алюмосиликаты, слюду, глину. Особое место среди минералов занимает криолит Na₃[AlF₆] (гексафторалюминат натрия), без которого алюминий вряд ли был вторым после железа по значению металлом. Почему? Об этом мы узнаем чуть позже. Целая группа природных веществ в качестве основного компонента содержит оксид алюминия: это бокситы – основное сырьё для производства алюминия; корунд – одно из самых твёрдых природных веществ. Его мелкокристаллические непрозрачные разновидности серовато-чёрного цвета называют наждаком и применяют в качестве абразивного материала. Эту же формулу имеет и другое природное соединение — глинозём. Наиболее драгоценными корундами являются рубины и сапфиры. Их окраска обусловлена различными примесями. Так, ион Сr³⁺ придаёт камню красный цвет (рубин), а ионы Тi ⁴⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ придают синий цвет (сапфир). Эти разновидности благородного корунда наряду с алмазом и изумрудом занимают высшее место в классификации драгоценных камней и применяют для изготовления ювелирных изделий. В настоящее время рубины и сапфиры получают искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей часов и других точных приборов. Кристаллы рубинов применяют в лазерах. Получение алюминия Каждый из нас держал в руках изделия из алюминия, так как сейчас из этого металла делают множество приборов, корпуса телефонов, посуду и многое другое. Такую распространённость в наше время алюминий получил благодаря своей лёгкости, прочности и высокой устойчивости к коррозии (к окислению на воздухе). Однако так было не всегда. С начала открытия алюминия датским физиком Хансом Эрстедом в 1825 году и до конца 19 века ещё не было известно о простом получении его из руды и поэтому алюминий получали восстановлением из его хлорида щелочными металлами калием или натрием. Такой способ был очень дорог, а полученный металл стоял дороже золота.  В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. Так в 1889 г. британцы, желая почтить богатым подарком великого русского химика Д.И. Менделеева, подарили ему весы из золота и алюминия. С конца 19 века и по сей день Al получают методом электрометаллургии из оксида алюминия, содержащегося в глинозёме и бокситах. Кристаллическая решётка оксида алюминия состоит из сильно поляризованных атомов алюминия и кислорода, силы притяжения между которыми весьма велики. Это обуславливает высокую температуру плавления оксида алюминия – около 2050 ^оС. Сложность достижения такой высокой температуры и энергоемкость процесса долгое время относили алюминий к числу труднодоступных металлов. В конце XIX века американский студент –химик Чарльз Мартин Холл обнаружил, что глинозём можно растворить при 950 ^оС в расплавленном минерале криолите (вот почему он важен для получения алюминия) и электролизом выделить из полученного раствора алюминий. Независимо от Мартина Холла в том же году это открытие сделал французский металлург Поль Луи Туссен Эру. Для того, чтобы иметь более точное представление об электролизе Al₂O₃ в криолите Na₃AlF₆ , необходимо уточнить схему электролитической диссоциации Al₂O₃. Как же он диссоциирует ? Мы знаем, что гидроксид алюминия Al(ОН)₃ обладает амфотерными свойствами и его кислотную форму можно представить в виде ортоалюминиемой кислоты Н₃AlO_3. Этой кислоте соответствует алюминат анион AlO₃^3-. Формулу алюминиемой соли этой кислоты можно записать AlAlO₃. Так ведь это и есть оксид алюминия. Таким образом, в расплаве криолита он диссоциирует, на катион металла и анион кислотного остатка. Поэтому на катоде (отрицательно заряженном электроде) идёт восстановление катиона Al³⁺ до свободного металла. Катод (-): Al³⁺ +3е = Al На графитовом аноде (положительно заряженном электроде) окисляется алюминат анион AlO₃^3-. При этом происходит следующий электродный процесс: Анод(+): 4AlO₃^3- -12 е = 2Al₂O₃ + 3O₂ При суммировании левых и правых частей электродных процессов получается молекулярное уравнение электролиза: Процесс проводят в специальных электролитических ваннах, которые одновременно являются катодом. Анодом служат угольные брикеты. Температуру плавления криолита в электролизёре поддерживают благодаря очень большой силе тока, которая достигает 250 кА при напряжении около 4 В. Очевидно, что получение алюминия – очень энергоемкий процесс. Кислород, выделяющийся на аноде, реагирует с углеродом, превращаясь в СО₂. При этом угольный анод постепенно «сгорает». Физические свойства алюминия Алюминий как простое вещество представляет собой серебристо-белый металл, достаточно лёгкий (плотность 2,7 г/см³) и относительно легкоплавкий (на бытовой газовой плите с температурой пламени 850^оС алюминиевый чайник расплавится, так как температура плавления его 660 ^оС). На воздухе поверхность металла покрыта тонкой, но очень прочной оксидной плёнкой, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Алюминий очень пластичен, его можно прокатывать в фольгу толщиной 0,001 мм. По электро- и теплопроводности он уступает лишь серебру и меди. По сравнению с перечисленными металлами алюминий дешевле. Казалось бы, вот замечательный материал для изготовления высоковольтных линий электропередач! Но мягкость и пластичность алюминия привели бы к тому, что через год под собственной тяжестью провода провисли бы до земли. Поэтому в технике, где требуется и прочность конструкции, наряду с лёгкостью и высокой электропроводностью, используют не чистый алюминий, а его сплавы (например с магнием, марганцем, медью и никелем - дюралюминий или с кремнием – силумин). Рассмотрим химические свойства алюминия. В электрохимическом ряду напряжений металлов алюминий близок к щелочным и щелочноземельным металлам и проявляет себя как химически активный металл. В некоторых случаях от протекания возможных при нормальных условиях реакций (например с водой) его спасает оксидная плёнка. В химических реакциях он проявляет восстановительные свойства. Для алюминия во всех соединениях характерна единственно возможная степень окисления +3. Порошкообразный алюминий легко взаимодействует с простыми веществами (неметаллами).

1. С галогенами (с такими как Cl₂ и Вr₂). Реакция протекает бурно при комнатной температуре:

2Al + 3Сl₂ → 2AlСl ₃ хлорид алюминия 2Al + 3 Вr₂ → 2AlВr₂ бромид алюминия Очень интересно протекает реакция алюминия с йодом. Если смешать порошок алюминия и йода то реакция не начнётся, для инициации реакции в смесь добавляют каплю воды, от которой происходит смачивание компонентов и смесь загорается сама собой с выделением фиолетового дыма из паров йода, таким образом вода в этой реакции является катализатором.

2. Для начала реакции с другими неметаллами (с S, C, N_2, Р), требуется нагревание, зато дальнейшее взаимодействие, сопровождается выделением большого количества теплоты.

При этом образуются бинарные соединения 2Al + 3S → Al₂S₃ сульфид алюминия 4Al + 3C → Al₄C₃ карбид алюминия 2Al +N₂ → 2AlN нитрид алюминия Al + P → AlP фосфид алюминия

3. С водородом Al непосредственно не реагирует.

При нагревании на воздухе алюминий окисляется с поверхности, не загораясь, и образуется оксид алюминия Al₂O₃. 4Аl + 3O₂ = 2Al₂O₃ +Q Алюминий соединяется с кислородом воздуха и при обычной температуре, на его поверхности тотчас образуется тончайшая, плотная плёнка, она трудно проницаема для кислорода и предохраняет металл от дальнейшего окисления. Если же сильно нагреть фольгу алюминия или порошок алюминия, то они воспламеняются и сгорают ослепительным пламенем. Способность порошка алюминия гореть ослепительным пламенем используется в пиротехнике – производстве бенгальских огней, салютов, фейерверков. Алюминий реагирует со сложными веществами:  1.Так очищенный от оксидной плёнки алюминий способен реагировать с водой. От защитной плёнки можно избавиться механически (очистив поверхность наждачной бумагой) и химически, погрузив алюминий на несколько минут в раствор кислоты, щёлочи или в жидкую ртуть. В результате реакции с водой образуется гидроксид алюминия и водород. 2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

2. Одно из важнейших химических свойств алюминия – способность вытеснять металлы из их оксидов – используют в металлургии. Этим способом получают хром, железо, марганец, ванадий, титан, цирконий. Этот метод получения простых веществ металлов называется алюмотермией:

2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr Для получения высоких температур, используют реакцию, сгорания термитной смеси - смеси оксида железа (II и III) и порошка алюминия: 8Al + 3Fe₃O₄ =4 Al₂O₃ + 9Fe Выделяющейся в этой реакции теплоты достаточно для расплавления получающегося железа, потому этот процесс используют для сварки и резки стальных изделий. 3. Как активный металл алюминий реагирует с растворами кислот с выделением водорода. 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H_2­ 2Al + 3H₂SO₄(разб.) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂ А вот концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют алюминий при обычной температуре, образуя на поверхности металла, прочную оксидную плёнку, которая препятствует дальнейшему протеканию реакции. Поэтому эти кислоты перевозят в алюминиевых цистернах. С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием оксида азота (II): Al + 4HNO₃(разб.) = Al(NO₃)₃ + N_­O↑ + 2H₂O При нагревании Al растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия: 2Al + 6H₂SO₄(конц) = 4Al₂(SO₄)₃ + 3SО₂↑ + 6H₂O Al + 6HNO₃(конц) = Al(NO₃)₃ + 3NO₂↑_­ + 3H₂O

4. Алюминий – амфотерныйметалл, поэтому он взаимодействует со щелочами.

При нагревании с конц. растворами щелочей алюминий образует комплексные соли (тетрагидроксоалюминаты), при этом выделяется водород. 2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ Применение Большую часть производимого алюминия (его производство в мире стоит на 2-м месте после выплавки чугуна и стали) используют для производства сплавов. Они легки, относительно прочны, электропроводны, коррозионноустойчивы, поэтому находят широкое применение в различных областях техники и быту. Сплавы алюминия используют в самолёто- и ракетостроении. Недаром алюминий называют крылатым металлом. Алюминий используют для получения металлов, методом алюмотермии. В строительстве: гофрированными листами алюминиевых сплавов покрывают крыши, а также строят из них различные складские помещения. Высокая электрическая проводимость чистого алюминия используется в электротехнике. Из сплавов алюминия изготовляют электропровода. Порошок алюминия сохраняет металлический блеск и используется как краска «серебрянка». Она не только придает красивый внешний вид изделиям и сооружениям, но и защищает их от химического разрушения. Для защиты от солнечных лучей алюминиевой краской покрывают цистерны, предназначенные для перевозки нефтепродуктов и других горючих веществ. Исследуя влияние алюминия на различные пищевые продукты, ученые установили, что при контакте пищи с алюминием не разрушаются витамины. Это открытие послужило причиной широкого применения алюминия в пищевой промышленности, в виде посуды из алюминия, а также в косметике и бытовой химии. Из алюминия изготавливают разнообразную аппаратуру, предназначенную для переработки пищевых продуктов в сахарной, кондитерской, маслобойной и других отраслях промышленности. Сегодня на уроке мы узнали об алюминии: положение этого элемента в Периодической системе, строение его атома, нахождение в природе, физические и химические свойства металла алюминия, получение и применение алюминия.