Химический элемент алюминий – лёгкий металл серебристого цвета. Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Физические и химические свойства алюминия позволили ему найти широкое применение в современной промышленности и повседневной жизни.
Химические свойства алюминия
Химическая формула алюминия Аl. Атомный номер 13. Алюминий относится к простым веществам, так как его молекула содержит атом только одного элемента. Внешний энергетический уровень атома алюминия содержит 3 электрона. Эти электроны легко отдаются атомом алюминия во время химических реакций. Поэтому алюминий имеет высокую химическую активность и способен вытеснять металлы из их оксидов. Но в обычных условиях он довольно устойчив к химическому взаимодействию, так как покрыт прочной оксидной плёнкой.
С кислородом алюминий взаимодействует только при высокой температуре. В результате реакции образуется оксид алюминия. С серой, фосфором, азотом, углеродом взаимодействие также происходит при высокой температуре. А вот с хлором и бромом алюминий вступает в реакцию при обычных условиях. С йодом реагирует при нагревании, но только если катализатором выступает вода. С водородом алюминий не взаимодействует.
С металлами алюминий способен образовывать соединения, которые называются алюминиды.
В реакцию с водой вступает алюминий, очищенный от оксидной плёнки. Гидроксид, который получается в результате этой реакции, является малорастворимым соединением.
Алюминий легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли. Но с концентрированными кислотами реагирует только при нагревании, образуя соли и продукты восстановления кислоты.
Алюминий легко реагирует со щелочами.
Физические свойства алюминия
Алюминий - прочный металл, но в то же время и пластичный, легко подвергается механической обработке: штамповке, полировке, вытягиванию.
Алюминий самый легкий из металлов. Имеет очень высокую теплопроводность. По электропроводности алюминий практически не уступает меди, но при этом он намного легче и дешевле.
Применение алюминия
Впервые металл алюминий был получен датским физиком Гансом Христианом Эрстедом в 1825 г . И в те времена алюминий считали драгоценным металлом. Модницы любили носить украшения из него.
Но промышленный способ получения алюминия был создан значительно позже - в 1855 г. французским химиком Анри Этьенн Сент-Клер Девилем.
Алюминиевые сплавы применяются практически во всех машиностроительных отраслях. Современная авиационная, космическая и автомобильная промышленность, кораблестроение не могут обходиться без таких сплавов. Наиболее известные сплавы – дюралюминий, силумин, литейные сплавы. Пожалуй, самым востребованным из этих сплавов является дюралюминий.
При переработке алюминия горячей и холодной обработкой получают профили, проволоку, трубы, ленты, листы. Алюминиевые листы или лента широко используются в современном строительстве. Так, специальную алюминиевую ленту применяют для заклеивания торцов различных строительных панелей, чтобы обеспечить надежную защиту от попадания осадков и пыли внутрь панели.
Так как алюминий обладает высокой электропроводностью, его используют для изготовления электропроводов и электротехнических шин.
Алюминий не является драгоценным металлом. Но некоторые его соединения используются в ювелирной промышленности. Наверное, не все знают, что рубин и сапфир – это монокристаллы окиси алюминия, в которые добавлены красящие окислы. Красный цвет рубину придают ионы хрома, а голубой цвет сапфира – от содержания ионов железа и титана. Чистая кристаллическая окись алюминия называется корундом.
В промышленных условиях создают искусственные корунд, рубин и сапфир.
Используется алюминий и в медицине. Он входит в состав некоторых препаратов, которые оказывают адсорбирующее, обволакивающее и обезболивающее действие.
Трудно найти такую отрасль современной промышленности, в которой не использовались бы алюминий и его соединения.
Характер взаимодействия металлов с газами в условиях сварки во многом определяет природу пор.
Алюминий обладает большим сродством к кислороду. Растворимость кислорода в жидком алюминии ничтожно мала (не более 0,0003%) и характерным для процесса взаимодействия алюминия и его сплавов с кислородом является образование оксидов. Оксид алюминия образует несколько кристаллический модификаций, существование которых и переход одной в другую определяется температурой, временем выдержки и составом окружающей среды.
Скорость протекания диффузионных процессов и химических реакций, определяющих кинетический закон окисления, в данном случае соизмеримы.
Следует отметить, что температура, при которой начинается интенсивное химическое взаимодействие металлов с парами воды, тем ниже, чем больше развита поверхность металла. Термическая прочность оксида Al 2 O 3 чрезвычайно велика. Некоторые свойства оксида: температура плавления 2310-2320 К; температура кипения 2500-3800 К; плотность при температуре плавления 3,01 г/см 3 , в жидком состоянии – 2,5 г/см 3 ; теплота плавления 110 кДж/моль, теплота испарения 485 кДж/моль; плотность при 20˚С 3,96 г/см 3 ; плотность плёнки (отношение молекулярного объёма плёнки к атомному объёму металла) 1,25; коэффициент расширения 6,58×10 -6 К -1 ; электросопротивление 1×10 7 Ом/см.
Окисление алюминия протекает с большой скоростью при ничтожно малом парциальном давлении кислорода или кислородосодержащих сложных газов и с повышением температуры ещё более возрастает.
На начальном этапе окисления алюминия формируется компактная аморфная плёнка Al 2 O 3 барьерного типа, не проницаемая для окружающего воздуха. Дальнейший рост оксидной плёнки возможен в результате взаимной диффузии катионов металла и анионов кислорода через слой образовавшегося оксида. Диффузионный этап роста оксида носит эндотермический характер, т.е. является термоактивируемым процессом.
На практике окисление алюминия происходит в присутствии влаги, содержание которой в воздухе доходит до 4%. В этих условиях на поверхность алюминия в первую очередь адсорбируются молекулы воды, так как, в отличие от неполярных молекул азота, кислорода и водорода, они являются диполями, обладающими значительно большей адсорбционной способностью.
После физической адсорбции, характеризующейся слабым взаимодействием сил Ван-дер-Ваальса, начинается вторая стадия – хемосорбция:
2Al + 3Н 2 О → 6Н + Al 2 O 3
Выделяющийся атомарный водород легко диффундирует в плёнку и решётку
алюминия, где часто ионизируется. Образующаяся оксидная плёнка обладает высокой адсорбирующей способностью и адсорбирует на свою поверхность влагу, кислород и другие газы. Далее кислород диссоциирует на атомы,
проникает в неупорядоченную структуру плёнки и может образовывать с
метастабильной фазой Al 2 O 3 и водородом моногидоксид AlOOH, который в дальнейшем превращается в тригидроксид Al(OH) 3 .
Таким образом, при окислении при температуре 18-20˚С в атмосфере воздуха, содержащего влагу, формируются тонкие оксидные плёнки защитного типа, имеющие сложный состав Al 2 O 3 → AlOOH → Al(OH) 3 .
Дальнейшее окисление алюминия и рост оксидной плёнки возможны при повышенных температурах в результате диффузии катионов металла через плёнку к поверхности газ-оксид и, наоборот, диффузии анионов к границе оксидная плёнка-металл.
Скорость увеличения толщины оксидной плёнки возрастает с повышением температуры, а переход металла из твёрдого состояния в жидкое не вызывает изменения в этой тенденции. Поскольку кинетику окисления определяет диффузия катионов парциальное давление кислорода не должно существенно влиять на этот процесс.
На состав, структуру и, в целом, на механизм и кинетику окисления алюминия влияют легирующие элементы в его сплавах и примеси металлов. В качестве основных легирующих элементов в сплавах присутствуют медь, магний, марганец, кремний, цинк, литий. В ряде сплавов в небольших количествах вводят добавки титана, бериллия, хрома, никеля, кадмия, скандия и др. Суммарное содержание легирующих элементов в деформируемых сплавах алюминия обычно не превышает 10%.
Такие элементы как магний, бериллий, литий вследствие более высоких, чем у алюминия, отрицательных энергий образования оксидов могут окисляться в сплавах алюминия даже при очень малом содержании. Литий, натрий, магний в жидком алюминии играют роль поверхностно-активных элементов. Их концентрация в поверхностном слое выше средней концентрации в расплаве.
Свойства оксидной плёнки на алюминии, которые имеют большое значение в
определении природы и механизма образования пор при сварке:
1. Оксидная плёнка алюминия отличается высокими защитными свойствами и на определённом этапе окисления может предотвратить дальнейшее взаимодействие алюминия с газами.
2. Оксид алюминия имеет высокую температуру плавления и в условиях сварки не расплавляется. В связи с этим поверхностная плёнка сохраняется как внутри объёма сварочной ванны (плёнка, попавшая в ванну с обратной стороны кромок и их торцовых поверхностей), так и на её поверхности (плёнка внешней стороны свариваемых кромок), несмотря на большую плотность, чем плотность жидкого алюминия. В последнем случае плёнка удерживается на поверхности ванны силами поверхностного натяжения.
3. Оксид алюминия не растворяется ни в твёрдом, ни в жидком металле. Плёнка также отличается высокой механической прочностью.
4. Наличие в сплавах алюминия таких легирующих элементов как литий и магний, делают оксидную плёнку на алюминии более адсорбционно-способной и усиливает её роль потенциального источника газов.
5. Важным свойством оксидной плёнки на алюминии является её высокая адсорбционная способность к парам воды. Водяной пар, адсорбированный окисленной поверхностью алюминия, удерживается до высоких температур. Часть влаги имеющейся на поверхности алюминия сохраняется даже после выдержки металла в вакууме при температуре до 350˚С. Оставшаяся часть, очевидно, связанная в виде гидрата и находящаяся в глубоких микротрещинах на оксидной плёнке, удаляется при более высоких температурах и может реагировать с металлом с образованием водорода. Гидрат оксида алюминия удерживает некоторое количество воды вплоть до
Активный металл. Он устойчив на воздухе, при нормальной температуре быстро окисляется, покрываясь плотной пленкой оксида, которая защищает металл от дальнейшего разрушения.
Взаимодействие алюминия с другими веществами
При обычных условиях не взаимодействует с водой даже в состоянии кипения. При удалении защитной оксидной пленки алюминий вступает в энергичное взаимодействие с водяным паром воздуха, превращаясь в рыхлую массу гидроксида алюминия с выделением водорода и тепла. Уравнение реакции:
2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂
Гидроксид алюминия
Если снять защитную оксидную пленку с алюминия, то металл вступает в активное взаимодействие с . При этом порошок алюминия сгорает, образуя оксид. Уравнение реакции:
4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃
Этот металл также активно взаимодействует со многими кислотами. При реакции с соляной кислотой наблюдается выделение водорода:
2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂
При обычных условиях концентрированная азотная кислота не взаимодействует с алюминием, так как будучи сильным окислителем, она делает оксидную пленку еще крепче. По этой причине азотная кислота хранится и перевозится в алюминиевой посуде.
Транспортировка кислот
Алюминий при обычной температуре пассивируется разбавленной азотной и концентрированной серной кислотами. В горячей серной кислоте металл растворяется:
2Al + 4H₂SO4 = Al₂(SO4)₃ + S + 4H₂O
Взаимодействие с неметаллами
Алюминий реагирует с галогенами, серой, азотом, и всеми неметаллами. Для протекания реакции необходимо нагревание, после чего взаимодействие происходит с выделением большого количества тепла.
Взаимодействие алюминия с водородом
Алюминий непосредственно с водородом не реагирует, хотя известно твердое полимерное соединение алан , в котором существуют так называемые трехцентровые связи. При температуре выше 100 градусов Цельсия алан необратимо разлагается на простые вещества. Гидрид алюминия бурно реагирует с водой.
Алюминий напрямую не реагирует с водородом: металл образует соединения путем потери электронов, которые принимаются другими элементами. Атомы водорода не принимают электроны, которые отдают металлы для образования соединений. «Принуждать» атомы водорода принять электроны с образованием твердых ионных соединений (гидридов) могут только очень реактивные металлы (калий, натрий, магний, кальций). Для прямого синтеза гидрида алюминия из водорода и алюминия требуется огромное давление (около 2 миллиардов атмосфер) и температура выше 800 К. вы сможете узнать о химических свойствах других металлов.
Следует отметить, что - это единственный газ, заметно растворяющийся в алюминии и его сплавах. Растворимость водорода изменяется пропорционально температуре и квадратному корню из давления. Растворимость водорода в жидком алюминии значительно выше, чем в твердом. Это свойство незначительно изменяется в зависимости от химического состава сплавов.
Алюминий и его водородная пористость
Алюминиевая пена
Образование в алюминии пузырей водорода непосредственно зависит от скорости охлаждения и затвердевания, а также от наличия центров зарождения для выделения водорода - захваченных внутрь расплава оксидов. Для образования пористости алюминия необходимо значительное превышение содержания растворенного водорода по сравнению с растворимостью водорода в твердом алюминии. При отсутствии центров зарождения для выделения водорода требуется относительно высокая концентрация вещества.
Расположение водорода в затвердевшем алюминии зависит от уровня его содержания в жидком алюминии и условий, при которых происходило затвердевание. Так как водородная пористость - это результат механизмов зарождения и роста, контролируемых диффузией, то такие процессы, как снижение концентрации водорода и увеличение скорости затвердевания, подавляют зарождение и рост пор. Из-за этого выполненные методом литья в разъемный кокиль отливки металла более подвержены дефектам, связанным с водородом, чем отливки, изготовленные методом литья под давлением.
Есть разные источники попадания водорода в алюминий .
Шихтовые материалы (лом, слитки, литейный возврат, оксиды, песок и смазки, применяющиеся при механической обработке). Эти загрязнители - потенциальные источники водорода, образовавшегося при химическом разложении паров воды или восстановлении органических веществ.
Плавильные инструменты . Скребки, пики, лопаты являются источником водорода. Оксиды и остатки флюсов на инструментах впитывают влагу из окружающего воздуха. Печные огнеупоры, распределительные каналы, ковши для отбора проб, известковые желоба и цементные растворы - потенциальные источники водорода.
Атмосфера печи . Если плавильная печь работает на мазуте или на природном газе, возможно неполное сгорание топлива с образованием свободного водорода.
Флюсы (гигроскопичные соли, готовые мгновенно впитывать воду). По этой причине влажный флюс неизбежно вносит в расплав водород, образовавшийся при химическом разложении воды.
Литейные формы . В процессе заполнения литейной формы жидкий алюминий течет турбулентно и захватывает воздух во внутренний объем. Если воздух не успеет выйти из формы до начала затвердевания алюминия, то водовод проникнет в металл.
Часть I
1. Дополните схему строения атома алюминия.
13Al 2е, 8е, 3е или
2. Al проявляет сильные восстановительные свойства, получая при этом с.о. +3, по соответствующей схеме:
3. Эта же схема отражает образование в простом веществе металлической связи.
Алюминий имеет металлическую кристаллическую решётку и характеризуется следующими физическими свойствами: серебристо-белый, электро-, термопроводен, пластичный.
4. Заполните таблицу «Применение алюминия на основе его физических свойств».
5. В ряду активности металлов алюминий следует за металлами IIA группы, т.е. очень активен, но с водой, как подсказывает бытовой опыт, не взаимодействует при обычных условиях (алюминиевые провода и посуда не разрушаются под действием воды). Почему?
Есть защитная плёнка оксида алюминия.
Как осуществить реакцию, схема которой:
Al+H2O→Al(OH)3+H2 ?
Растереть алюминий в порошок и смешать с водой при высокой температуре.
6. Химические свойства алюминия (запишите уравнения возможных реакций – молекулярные, полные и сокращённые ионные).
1) Сгорает при нагревании (рассмотрите с позиций окисления-восстановления).
2) Взаимодействует с неметаллами (рассмотрите ОВР).
3) Взаимодействует с растворами кислот.
4) Взаимодействует с растворами солей.
5) Взаимодействует с оксидами металлов – алюминотермия.
6) Взаимодействует с растворами щелочей.
Часть II
1. Заполните таблицу «Применение алюминия на основе его химических свойств».
2. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить соответствующие переходы, в свете ОВР.
3. Амальгама – это соединение, в состав которого входит ртуть.
В химии алюминия она играет важную роль - как восстанавливающий агент в органических синтезах.
4. Подготовьте сообщение об амальгамах золота и их значении, используя различные источники информации(интернет). Запишите тезисы сообщения или составьте его план в особой тетради.
Метод амальгамации основан на способности ртути образовывать сплавы - амальгамы с различными металлами, в том числе и с золотом. В этом методе увлажненная дробленая порода смешивалась со ртутью и подвергалась дополнительному измельчению в мельницах-чашах. Амальгаму золота (и сопутствующих металлов) извлекали промывкой, после чего ртуть отгонялась из собранной амальгамы и использовалась повторно. Метод амальгамации известен с I века до н. э., наибольшие масштабы приобрел в американских колониях Испании начиная с XVI века. Это стало возможным благодаря наличию в Испании огромного ртутного месторождения - Альмаден. В более позднее время использовался метод внешней амальгамации, когда дробленая золотоносная порода при промывке пропускалась через обогатительные шлюзы, выстланные медными листами, покрытыми тонким слоем ртути. Метод амальгамации применим только на месторождениях с высоким содержанием золота или уже при его обогащении. Сейчас он используется очень редко, главным образом старателями в Африке и Южной Америке.
5. Подготовьте с помощью Интернета презентацию (5-10 слайдов) на тему «История алюминия». Запишите план презентации.
1) Открытие алюминия
2) Нахождение в природе
3) Физические и химические свойства
4) Получение
5) Применение
6. Вычислите, какое количество граммов оксида хрома (III), содержащего 20% примесей, и моль алюминия необходимо для получения 4,5 моль хрома с помощью алюминотермии.
