Pierwiastek chemiczny aluminium to lekki metal o srebrzystym kolorze. Najczęściej spotykane jest aluminium skorupa Ziemska metal. Właściwości fizyczne i chemiczne aluminium pozwoliły na szerokie zastosowanie we współczesnym przemyśle i życiu codziennym.
Właściwości chemiczne aluminium
Wzór chemiczny aluminium to Al. Liczba atomowa 13. Aluminium należy do prostych substancji, ponieważ jego cząsteczka zawiera atom tylko jednego pierwiastka. Zewnętrzny poziom energii atomu aluminium zawiera 3 elektrony. Elektrony te są łatwo przekazywane przez atom glinu podczas reakcje chemiczne. Dlatego aluminium ma wysoką aktywność chemiczną i jest w stanie wypierać metale z ich tlenków. Ale w normalnych warunkach jest dość odporny na oddziaływania chemiczne, ponieważ jest pokryty mocną warstwą tlenku.
Aluminium reaguje z tlenem tylko w wysokich temperaturach. W wyniku reakcji powstaje tlenek glinu. Z siarką, fosforem, azotem, węglem interakcja zachodzi również w wysokich temperaturach. Ale w normalnych warunkach aluminium reaguje z chlorem i bromem. Reaguje z jodem po podgrzaniu, ale tylko wtedy, gdy woda działa jako katalizator. Aluminium nie reaguje z wodorem.
W przypadku metali aluminium może tworzyć związki zwane glinkami.
Aluminium oczyszczone z warstewki tlenkowej reaguje z wodą. Wodorotlenek, który powstaje w wyniku tej reakcji, jest związkiem słabo rozpuszczalnym.
Glin łatwo reaguje z rozcieńczonymi kwasami, tworząc sole. Reaguje jednak ze stężonymi kwasami dopiero po podgrzaniu, tworząc sole i produkty redukcji kwasu.
Aluminium łatwo reaguje z zasadami.
Właściwości fizyczne aluminium
Aluminium jest metalem trwałym, ale jednocześnie plastycznym, łatwym do obróbki: tłoczenia, polerowania, rysowania.
Aluminium jest najlżejszym z metali. Posiada bardzo wysoką przewodność cieplną. Pod względem przewodności elektrycznej aluminium praktycznie nie ustępuje miedzi, ale jednocześnie jest znacznie lżejsze i tańsze.
Zastosowanie aluminium
Po raz pierwszy metal aluminiowy został uzyskany przez duńskiego fizyka Hans Christian Oersted w 1825 r.. A w tamtych czasach rozważano aluminium metal szlachetny. Fashionistki uwielbiały nosić z niego biżuterię.
Ale przemysłowa metoda produkcji aluminium została stworzona znacznie później - w 1855 roku przez francuskiego chemika Henri Etienne Saint-Clair Deville.
Stopy aluminium są stosowane w prawie wszystkich gałęziach przemysłu maszynowego. Współczesny przemysł lotniczy, kosmiczny i motoryzacyjny, przemysł stoczniowy nie może obejść się bez takich stopów. Najbardziej znane stopy to duraluminium, silumin, stopy odlewnicze. Być może najpopularniejszym z tych stopów jest duraluminium.
Podczas obróbki aluminium na gorąco i na zimno uzyskuje się profile, druty, rury, taśmy, blachy. blachy aluminiowe lub taśma są szeroko stosowane w nowoczesnym budownictwie. Tak więc do uszczelnienia końców różnych paneli budowlanych używana jest specjalna taśma aluminiowa, aby zapewnić: niezawodna ochrona przed wnikaniem opadów i kurzu do panelu.
Ponieważ aluminium ma wysoką przewodność elektryczną, stosuje się je do produkcji przewodów elektrycznych i szynoprzewodów elektrycznych.
Aluminium nie jest metalem szlachetnym. Ale niektóre z jego związków są wykorzystywane w przemyśle jubilerskim. Chyba nie wszyscy wiedzą, że rubin i szafir to monokryształy tlenku glinu, do których dodawane są tlenki barwiące. Czerwony kolor rubinu zawdzięczamy jonom chromu, a niebieski szafirowi zawartość jonów żelaza i tytanu. Czysty krystaliczny tlenek glinu nazywany jest korundem.
W warunkach przemysłowych powstaje sztuczny korund, rubin i szafir.
Aluminium jest również wykorzystywane w medycynie. Jest częścią niektórych leków o działaniu adsorbującym, otaczającym i przeciwbólowym.
Trudno znaleźć gałąź nowoczesnego przemysłu, która nie wykorzystuje aluminium i jego związków.
Charakter oddziaływania metali z gazami w warunkach spawania w dużej mierze determinuje charakter porów.
Aluminium ma wysokie powinowactwo do tlenu. Rozpuszczalność tlenu w ciekłym aluminium jest znikoma (nie więcej niż 0,0003%), a powstawanie tlenków jest charakterystyczne dla procesu oddziaływania aluminium i jego stopów z tlenem. Tlenek glinu tworzy kilka krystalicznych modyfikacji, których istnienie i przejście od jednej do drugiej determinuje temperatura, czas ekspozycji i skład środowiska.
Szybkość procesów dyfuzji i reakcji chemicznych, które determinują prawo kinetyczne utleniania, w tym przypadku są porównywalne.
Należy zauważyć, że temperatura, w której rozpoczyna się intensywne chemiczne oddziaływanie metali z parą wodną, jest tym niższa, im bardziej rozwinięta jest powierzchnia metalu. Wytrzymałość termiczna tlenku Al 2 O 3 jest niezwykle wysoka. Niektóre właściwości tlenku: temperatura topnienia 2310-2320 K; temperatura wrzenia 2500-3800 K; gęstość w temperaturze topnienia 3,01 g/cm3, w stanie ciekłym – 2,5 g/cm3; ciepło topnienia 110 kJ/mol, ciepło parowania 485 kJ/mol; gęstość w 20˚С 3,96 g/cm3; gęstość filmu (stosunek objętości cząsteczkowej filmu do objętości atomowej metalu) 1,25; współczynnik rozszerzalności 6,58×10 -6 K -1 ; opór elektryczny 1×10 7 Ohm/cm.
Utlenianie aluminium przebiega z dużą szybkością przy znikomym ciśnieniu cząstkowym tlenu lub gazów złożonych zawierających tlen i wzrasta jeszcze bardziej wraz ze wzrostem temperatury.
Na etap początkowy utleniania aluminium, tworzy się zwarta, amorficzna warstewka Al 2 O 3 typu barierowego, która jest nieprzepuszczalna dla otaczającego powietrza. Dalszy wzrost warstewki tlenkowej jest możliwy w wyniku wzajemnej dyfuzji kationów metali i anionów tlenu przez warstwę powstałego tlenku. Etap dyfuzji wzrostu tlenku jest endotermiczny; jest procesem aktywowanym termicznie.
W praktyce utlenianie aluminium następuje w obecności wilgoci, której zawartość w powietrzu sięga 4%. W tych warunkach cząsteczki wody są głównie adsorbowane na powierzchni aluminium, ponieważ w przeciwieństwie do niepolarnych cząsteczek azotu, tlenu i wodoru są dipolami o znacznie większej zdolności adsorpcyjnej.
Po adsorpcji fizycznej, która charakteryzuje się słabym oddziaływaniem sił van der Waalsa, rozpoczyna się drugi etap - chemisorpcja:
2Al + 3H2O → 6H + Al2O3
Uwolniony wodór atomowy łatwo dyfunduje do filmu i siatki
aluminium, gdzie często jest zjonizowane. Powstały film tlenkowy ma wysoką zdolność adsorpcji i adsorbuje wilgoć, tlen i inne gazy na swojej powierzchni. Tlen następnie dysocjuje na atomy
wnika w nieuporządkowaną strukturę filmu i może się formować
metastabilna faza Al 2 O 3 i monowodorotlenek wodoru AlOOH, który później przekształca się w triwodorotlenek Al(OH) 3 .
Tak więc podczas utleniania w temperaturze 18-20˚С w atmosferze powietrza zawierającego wilgoć powstają cienkie warstwy tlenków typu ochronnego, mające złożony skład Al2O3 → AlOOH → Al(OH)3.
Dalsze utlenianie glinu i wzrost warstewki tlenkowej są możliwe w podwyższonych temperaturach w wyniku dyfuzji kationów metali przez warstewkę do powierzchni gaz-tlenek i odwrotnie, dyfuzji anionów do powierzchni styku warstewka tlenkowa-metal.
Tempo wzrostu grubości warstewki tlenkowej wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a przejście metalu ze stanu stałego do stanu ciekłego nie powoduje zmiany tego trendu. Ponieważ kinetykę utleniania określa dyfuzja kationów, ciśnienie cząstkowe tlenu nie powinno znacząco wpływać na ten proces.
Na skład, strukturę i ogólnie mechanizm i kinetykę utleniania aluminium mają wpływ pierwiastki stopowe w jego stopach i zanieczyszczenia metaliczne. Główne pierwiastki stopowe w stopach to miedź, magnez, mangan, krzem, cynk i lit. W wielu stopach wprowadzane są niewielkie ilości tytanu, berylu, chromu, niklu, kadmu, skandu itp. Całkowita zawartość pierwiastków stopowych w przerobionych stopach aluminium zwykle nie przekracza 10%.
Pierwiastki takie jak magnez, beryl, lit ze względu na wyższe niż aluminium, negatywne energie formacje tlenkowe mogą być utleniane w stopach aluminium nawet przy bardzo niskich poziomach. Lit, sód, magnez w ciekłym aluminium pełnią rolę pierwiastków powierzchniowo czynnych. Ich stężenie w warstwie powierzchniowej jest wyższe niż średnie stężenie w stopie.
Właściwości powłoki tlenkowej na aluminium, które mają bardzo ważne w
określenie charakteru i mechanizmu powstawania porów podczas spawania:
1. Folia z tlenku glinu charakteryzuje się wysokim właściwości ochronne a na pewnym etapie utleniania może zapobiec dalszej interakcji aluminium z gazami.
2. Tlenek glinu ma wysoką temperaturę topnienia i nie topi się w warunkach spawania. W związku z tym folia powierzchniowa pozostaje zarówno w objętości jeziorka spawalniczego (folia, która dostała się do jeziorka z) Odwrotna strona krawędzie i ich powierzchnie końcowe) oraz na jej powierzchni (folia zewnętrznej strony zgrzewanych krawędzi), pomimo większej gęstości niż gęstość ciekłego aluminium. W ostatni przypadek Folia jest utrzymywana na powierzchni kąpieli przez siły napięcia powierzchniowego.
3. Tlenek glinu nie rozpuszcza się ani w stałym, ani w ciekłym metalu. Folia ma również wysoką wytrzymałość mechaniczną.
4. Obecność w stopach aluminium takich pierwiastków stopowych jak lit i magnez sprawia, że film tlenkowy na aluminium ma większą zdolność adsorpcji i zwiększa jego rolę jako potencjalnego źródła gazów.
5. Ważną właściwością warstewki tlenkowej na aluminium jest jej wysoka zdolność adsorpcji pary wodnej. Para wodna zaadsorbowana przez utlenioną powierzchnię aluminium jest zatrzymywana do wysokich temperatur. Część wilgoci obecnej na powierzchni aluminium jest zatrzymywana nawet po trzymaniu metalu w próżni w temperaturach do 350˚С. Reszta, najwyraźniej związana w postaci hydratu i znajdująca się w głębokich mikropęknięciach warstewki tlenkowej, jest usuwana w wyższych temperaturach i może reagować z metalem, tworząc wodór. Hydrat tlenku glinu zatrzymuje trochę wody do
aktywny metal. Jest stabilny w powietrzu, w normalnych temperaturach szybko się utlenia, pokrywając się gęstym filmem tlenkowym, który chroni metal przed dalszym zniszczeniem.
Oddziaływanie aluminium z innymi substancjami
W normalnych warunkach nie wchodzi w interakcję z wodą nawet w stanie wrzenia. Po usunięciu ochronnej warstwy tlenku aluminium wchodzi w energetyczną interakcję z powietrzem i parą wodną, zamieniając się w luźną masę wodorotlenku glinu z uwolnieniem wodoru i ciepła. Równanie reakcji:
2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂
wodorotlenek glinu
Jeśli usuniesz ochronną warstwę tlenku z aluminium, metal wchodzi w aktywną interakcję. W tym przypadku proszek aluminiowy spala się, tworząc tlenek. Równanie reakcji:
4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃
Metal ten aktywnie oddziałuje również z wieloma kwasami. Podczas reakcji z kwasem solnym uwalnia się wodór:
2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂
W normalnych warunkach stężony kwas azotowy nie wchodzi w interakcje z aluminium, ponieważ będąc silnym środkiem utleniającym, wzmacnia warstwę tlenku. Z tego powodu kwas azotowy jest przechowywany i transportowany w aluminiowych pojemnikach.
Transport kwasów
Aluminium w zwykłej temperaturze pasywuje się rozcieńczonym kwasem azotowym i stężonym kwasem siarkowym. Metal rozpuszcza się w gorącym kwasie siarkowym:
2Al + 4H₂SO4 = Al₂(SO4)₃ + S + 4H₂O
Interakcja z niemetalami
Aluminium reaguje z halogenami, siarką, azotem i wszystkimi niemetalami. Aby reakcja zaszła, konieczne jest ogrzewanie, po czym następuje interakcja z uwolnieniem duża liczba ciepło.
Oddziaływanie aluminium z wodorem
Aluminium nie reaguje bezpośrednio z wodorem, chociaż znany jest stały związek polimerowy Alan, w którym występują tzw. obligacje trzycentrowe. W temperaturach powyżej 100 stopni Celsjusza alan nieodwracalnie rozkłada się na proste substancje. Wodorek glinu reaguje gwałtownie z wodą.
Aluminium nie reaguje bezpośrednio z wodorem: metal tworzy związki tracąc elektrony, które są akceptowane przez inne pierwiastki. Atomy wodoru nie przyjmują elektronów, które oddają metale, tworząc związki. Tylko bardzo reaktywne metale (potas, sód, magnez, wapń) mogą „zmusić” atomy wodoru do przyjęcia elektronów, tworząc stałe związki jonowe (wodorki). Bezpośrednia synteza wodorku glinu z wodoru i aluminium wymaga ogromnego ciśnienia (około 2 miliardów atmosfer) i temperatury powyżej 800 K. Można poznać właściwości chemiczne innych metali.
Należy zauważyć, że jest to jedyny gaz, który wyraźnie rozpuszcza się w aluminium i jego stopach. Rozpuszczalność wodoru zmienia się w zależności od temperatury i pierwiastek kwadratowy od presji. Rozpuszczalność wodoru w ciekłym aluminium jest znacznie wyższa niż w stałym aluminium. Ta właściwość zmienia się nieznacznie w zależności od skład chemiczny stopy.
Aluminium i jego porowatość wodorowa
pianka aluminiowa
Powstawanie pęcherzyków wodoru w aluminium bezpośrednio zależy od szybkości chłodzenia i krzepnięcia, a także od obecności centrów zarodkowania uwalniania wodoru - tlenków uwięzionych w stopie. Do powstania porowatości aluminium konieczny jest znaczny nadmiar zawartości rozpuszczonego wodoru w porównaniu z rozpuszczalnością wodoru w stałym aluminium. W przypadku braku centrów zarodkowania wydzielanie wodoru wymaga stosunkowo wysokiego stężenia substancji.
Lokalizacja wodoru w zestalonym aluminium zależy od poziomu jego zawartości w ciekłym aluminium oraz warunków, w jakich zachodziło zestalanie. Ponieważ porowatość wodorowa jest wynikiem kontrolowanych przez dyfuzję mechanizmów zarodkowania i wzrostu, procesy takie jak zmniejszenie stężenia wodoru i zwiększenie szybkości krzepnięcia hamują zarodkowanie i wzrost porów. Z tego powodu odlewy metalowe odlewane ciśnieniowo są bardziej podatne na wady związane z wodorem niż odlewy formowane wtryskowo.
Są różne źródła wodoru w aluminium.
Materiały wsadowe(złom, wlewki, zwroty odlewnicze, tlenki, piasek i smary stosowane w obróbce skrawaniem). Zanieczyszczenia te są potencjalnymi źródłami wodoru powstającego podczas chemicznego rozkładu pary wodnej lub redukcji substancji organicznych.
narzędzia do topienia. Skrobaki, szczyty, łopaty są źródłem wodoru. Tlenki i pozostałości topnika na narzędziach pochłaniają wilgoć z otaczającego powietrza. Materiały ogniotrwałe pieców, kanały dystrybucji, kadzie do pobierania próbek, wanny wapniowe i zawiesiny cementowe są potencjalnymi źródłami wodoru.
Atmosfera pieca. Jeśli piec do topienia pracuje z olejem lub gazu ziemnego możliwe jest niepełne spalanie paliwa z wytworzeniem wolnego wodoru.
Topniki(sole higroskopijne, gotowe do natychmiastowego wchłonięcia wody). Z tego powodu mokry topnik nieuchronnie wprowadza wodór do wytopu powstałego podczas chemicznego rozkładu wody.
formy odlewnicze. W trakcie napełniania formy płynne aluminium przepływa turbulentnie i wciąga powietrze do wewnętrznej objętości. Jeśli powietrze nie zdąży opuścić formy, zanim aluminium zacznie twardnieć, przewód wniknie w metal.
Część I
1. Uzupełnij schemat budowy atomu aluminium.
13Al 2e, 8e, 3e lub
2. Al wykazuje silne właściwości redukujące, otrzymując s.d. +3, zgodnie z odpowiednim schematem:
3. Ten sam schemat odzwierciedla edukację w prosta sprawa metalowe połączenie.
Aluminium ma metal sieci krystalicznej i charakteryzuje się następującymi cechami właściwości fizyczne: srebrzystobiały, elektro-, przewodzący ciepło, plastik.
4. Wypełnij tabelę „Zastosowanie aluminium w oparciu o jego właściwości fizyczne”.
5. W szeregu aktywności metali aluminium podąża za metalami z grupy IIA, tj. jest bardzo aktywny, ale jak sugeruje domowe doświadczenie, w normalnych warunkach nie wchodzi w interakcję z wodą (druty i naczynia aluminiowe nie są niszczone przez wodę). Czemu?
Jest ochronny film z tlenku glinu.
Jak przeprowadzić reakcję, której schemat:
Al+H2O→Al(OH)3+H2?
Zmiel aluminium na proszek i wymieszaj z wodą w wysokiej temperaturze.
6. Właściwości chemiczne aluminium (wypisz równania możliwych reakcji - molekularna, pełna i skrócona jonowa).
1) Pali się po podgrzaniu (należy rozważyć pod kątem redukcji utleniania).
2) Reaguje z niemetalami (rozważ OVR).
3) Oddziałuje z roztworami kwasów.
4) Współdziała z roztworami soli.
5) Oddziałuje z tlenkami metali - aluminotermia.
6) Oddziałuje z roztworami alkalicznymi.
część druga
1. Wypełnij tabelę „Zastosowanie aluminium w oparciu o jego właściwości chemiczne”.
2. Napisz równania reakcji, które można wykorzystać do przeprowadzenia odpowiednich przejść w świetle OVR.
3. Amalgamat to związek zawierający rtęć.
W chemii glinu odgrywa ważną rolę - jako czynnik redukujący w syntezie organicznej.
4. Przygotuj wiadomość o amalgamatach złota i ich znaczeniu za pomocą różne źródła informacje (Internet). Zapisz streszczenia wiadomości lub sporządź jej plan w specjalnym zeszycie.
Metoda amalgamacji opiera się na zdolności rtęci do tworzenia stopów - amalgamatów z różnymi metalami, w tym ze złotem. W metodzie tej zwilżona kruszona skała była mieszana z rtęcią i poddawana dodatkowemu mieleniu w młynach misowych. Amalgamat złota (i metali towarzyszących) został usunięty przez płukanie, po czym rtęć została oddestylowana z zebranego amalgamatu i ponownie użyta. Metoda amalgamacji znana jest od I wieku p.n.e. e., nabył największą skalę w amerykańskich koloniach Hiszpanii od XVI wieku. Stało się to możliwe dzięki obecności w Hiszpanii ogromnego złoża rtęci – Almaden. W późniejszym czasie stosowano metodę amalgamacji zewnętrznej, kiedy kruszona skała złotonośna podczas płukania przechodziła przez śluzy wzbogacające wyłożone blachą miedzianą pokrytą cienką warstwą rtęci. Metoda amalgamacji ma zastosowanie tylko w złożach o wysokiej zawartości złota lub już w jego wzbogaceniu. Obecnie jest używany bardzo rzadko, głównie przez górników w Afryce i Ameryce Południowej.
5. Przygotuj prezentację korzystając z Internetu (5-10 slajdów) na temat „Historia aluminium”. Zapisz zarys prezentacji.
1) Otwieranie aluminium
2) Bycie w naturze
3) Właściwości fizyczne i chemiczne
4) Odbiór
5) Aplikacja
6. Oblicz, ile gramów tlenku chromu (III) zawierającego 20% zanieczyszczeń i mol glinu potrzeba, aby uzyskać 4,5 mola chromu metodą aluminotermii.
