Хімічні властивості алюмінію і його застосування

Одним з поширених елементів планети є алюміній. Фізичні та хімічні властивості алюмінію застосовуються в промисловості. Все, що необхідно знати, про цей метал ви знайдете в нашій статті.

Будова атома

Алюміній – це 13 елемент періодичної таблиці. Він знаходиться в третьому періоді, III групи, головною підгрупи.

Властивості і застосування алюмінію пов’язані з його електронною будовою. Атом алюмінію має позитивно заряджене ядро ​​(+13) та 13 негативно заряджених електронів, розташованих на трьох енергетичних рівнях. Електронна конфігурація атома – 1s22s22p63s23p1.

На зовнішньому енергетичному рівні знаходиться три електрона, які визначають постійну валентність III. У реакціях з речовинами алюміній переходить в збуджений стан і здатний віддавати все три електрона, утворюючи ковалентні зв’язки. Як і інші активні метали, алюміній є потужним відновлювальним.

Алюміній – амфотерний метал, який утворює амфотерні оксиди і гідроксиди. Залежно від умов сполуки виявляють кислотні або основні властивості.

Фізичний опис

• легкістю (щільність 2,7 г / см 3 );
• сріблясто-сірим кольором;
• високу електропровідність;
• ковкістю;
• пластичністю;
• температурою плавлення – 658 ° C;
• температурою кипіння – 2518,8 ° C.

З металу роблять бляшані ємності, фольгу, дріт, сплави. Алюміній використовують при виготовленні мікросхем, дзеркал, композитних матеріалів.

Алюміній – парамагнетик. Метал притягується магнітом тільки в присутності магнітного поля.

Хімічні властивості

На повітрі алюміній швидко окислюється, покриваючись оксидною плівкою. Вона захищає метал від корозії, а також перешкоджає взаємодії з концентрованими кислотами (азотної, сірчаної). Тому кислоти зберігають і перевозять в алюмінієвій тарі.

При звичайних умовах реакції з алюмінієм можливі тільки після видалення оксидної плівки. Більшість реакцій протікають при високих температурах.

Основні хімічні властивості елемента описані в таблиці.

Горить при високих температурах з виділенням тепла

Взаємодіє з сіркою при температурі вище 200 ° С, з фосфором – при 500 ° С, з азотом – при 800 ° С, з вуглецем – при 2000 ° С

Реагує при звичайних умовах, з йодом – при нагріванні в присутності каталізатора (води)

Реагує з розведеними кислотами при звичайних умовах, з концентрованими – при нагріванні

Реагує з водними розчинами лугів і при сплаву

Витісняє менш активні метали

Алюміній не реагує безпосередньо з воднем. Реакція з водою можлива після зняття оксидної плівки.

Що ми дізналися?

Алюміній – амфотерний активний метал з постійною валентністю. Володіє невеликою щільністю, високу електропровідність, пластичністю. Притягується магнітом тільки в присутності магнітного поля. Алюміній реагує з киснем, утворюючи захисну плівку, яка перешкоджає реакціям з водою, концентрованими азотної та сірчаної кислотами. При нагріванні взаємодіє з неметалами і концентрованими кислотами, при звичайних умовах – з галогенами і розведеними кислотами. В оксидах витісняє менш активні метали. Не реагує з воднем.

1. Алюміній: загальна характеристика, будова; властивості і отримання

Алюміній міститься у \(IIIA\) групі (головній підгрупі \(III\) групи) Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Будова електронної оболонки атома алюмінію — [ Ne ] 3 s 2 3 p 1 . На зовнішньому електронному рівні атом містить \(3\) електрона. Тому у своїх сполуках алюміній завжди проявляє тільки одну ступінь окиснення, рівну \(+3\).

За поширеністю у земній корі алюміній займає третє місце після кисню і силіцію, а серед металів — перше.

• боксит, склад якого можна приблизно виразити формулою Al 2 O 3 ⋅ x H 2 O ,
• нефелін ( Na , K ) 2 O ⋅ Al 2 O 3 ⋅ 2 H 2 O ,
• каолініт Al 2 O 3 ⋅ Si O 2 ⋅ 2 H 2 O .

Каолініт — зразок численних алюмосилікатів , що включають переважно атоми Силіцію і Оксигену, які дуже широко поширені в природі.

У вільному стані алюміній — світлий блискучий метал, легкий (густина — \(2,7\) г / см 3 ) , відносно м’який, ковкий, легко витягується в дріт і фольгу, легкоплавкий ( t пл . = \(660\) °С), має високу тепло- і електропровідність.

Алюміній є хімічно активним металом, проте за звичайних умов він є стійким на повітрі і зберігає свій металічний блиск тривалий час. Це пояснюється тим, що поверхня алюмінію покрита тонкою, невидимою оку, прозорою, але щільною плівкою алюміній оксиду, яка перешкоджає взаємодії алюмінію з компонентами атмосфери (парами води і киснем).

Властивості алюмінію зумовили його широке застосування і необхідність отримання алюмінію в вільному вигляді.

У лабораторних умовах невелику кількість алюмінію можна отримати шляхом відновлення алюміній хлориду калієм при високій температурі:

У промислових умовах алюміній отримують з бокситів. При нагріванні бокситів утворюється алюміній оксид. Відновити алюміній з оксиду за допомогою традиційних відновників практично неможливо, тому його отримують методом електролізу .

При цьому на катоді відновлюється алюміній, а на аноді — окиснюється кисень. Сумарна реакція електролізу виражається рівнянням:

✅Алюміній. Властивості

З елементів головної підгрупи III групи ми розглянемо лише алюміній як елемент, що має найбільш важливе практичне значення. Алюміній – це елемент третього періоду. Заряд ядра атома +13. Електрони розташовуються на трьох енергетичних рівнях: 2, 8, 3. Електронна конфігурація атома алюмінію (1s22s22p63s23р1):

Алюміній належить до сімейства р-елементів.

Валентні електрони алюмінію розташовуються на s-оболонці і р-оболонці зовнішнього електронного шару. Цих електронів зо три, тому алюміній може утворювати трьох валентних зв’язку, що для нього найбільш типово.

Єдиний ступінь окислення алюмінію, яку він може проявляти, не рахуючи нейтрального стану, дорівнює +3. Таким чином, в окисно-відновних процесах алюміній поводиться як відновник.

• Чому алюміній відноситься до р-елементів?
• Які ступені окислення можливі для алюмінію?
• Накресліть схему будови Аl + 3.
• Яке поведінку алюмінію в окисно-відновних реакціях?

Алюміній Al – сріблясто-білий метал. Його атомна вага 26,98. Густина алюмінію 2,7, температура плавлення 660 °С, температура кипіння +2060 °. Алюміній належить до групи легких металів. Алюміній має високу електропровідність, рівної 0,6 електропровідності міді, тому при більшому перетині алюмінієвих проводів електропровідність їх дорівнює мідним, а вага набагато менше.

Вперше алюміній був отриманий у 1827 році Велером і коштувала дуже дорого, тому що методи його отримання ще не були розроблені і рівень розвитку електротехніки був ще занадто низький для масового отримання цього металу. В цей час це один з найдешевших і широко поширених металів.

За хімічними властивостями алюміній належить до числа досить активних металів, що володіють амфотерними властивостями. В ряду активності він займає місце за лужноземельними металами. Але в чистому вигляді як на повітрі, так і у воді він може зберігатися дуже довго, тому що його поверхня з часом покривається тонким і дуже міцним шаром окису, яка охороняє його від окислення.

Для того, щоб спостерігати окислення алюмінію на повітрі, необхідно спочатку звільнитися від захисної плівки. Для цього алюміній спочатку протирають наждачним папером, а потім кип’ятять в лугу.

Окис алюмінію, як і сам метал, проявляє амфотерні властивості, а тому розчиняється в лугу. Після цього алюміній опускають в розчин якої-небудь солі ртуті, наприклад нітрату ртуті Hg (NO₃)₂. Алюміній як більш активний метал витісняє ртуть з її солі:

Ртуть відкладається на поверхні алюмінію, утворюючи сплав алюмінію з ртуттю – алюмінієву «амальгаму» (сплави ртуті з металами називаються амальгамою). Такий сплав не здатний утворювати захисну плівку окису, а алюміній в амальгамі поступово окислюється до окису алюмінію з рівняння:

Але оскільки амальгама покриває алюміній нерівномірно, окислювання йде місцями і окис алюмінію помітна на поверхні металу у вигляді пухнастої щітки.

Цікаво взаємодія алюмінію з галогенами – з бромом і йодом. Для реакції використовуються порошкоподібний алюміній і рідкий бром, а для реакції з йодом – суміш порошку йоду з алюмінієм. У всіх випадках алюміній поводиться як відновник.

При високій температурі алюміній витісняє деякі метали з їх оксидів. Ця властивість знайшло застосування. Якщо змішати окис заліза з алюмінієвим порошком і підпалити за допомогою магнієвого спалаху, то відбудеться реакція:

яка супроводжується виділенням великої кількості тепла. За рахунок цього тепла утворюється вільне залізо плавиться і може бути випущено з тигля, в якому відбувається реакція, через розташоване внизу отвір.

Така виплавка металів називається алюмінотермії; в техніці вона застосовується дуже широко. Деякі метали можна отримати тільки алюмінотермічним шляхом. Цей процес був вперше здійснений Н. Н. Бекетовим.

Алюміній є амфотерним металом.

У різних умовах він поводиться по-різному. У розчині лугу алюміній витісняє з води водень, утворюючи сіль алюмінієвої кислоти – алюмінат натрію (або калію), в якому він грає роль кислотоутворюючого елемента:

З кислоти алюміній витісняє водень:

У цьому випадку він проявляє металеві властивості.

Концентровані азотна і сірчана кислоти на алюміній не діють, тому що на його поверхні утворюється захисна плівка, що оберігає метал від подальшого окислення. У розбавленому вигляді азотна кислота на алюміній також не діє, а сірчана діє в слабкому ступені.

• Перерахуйте хімічні властивості алюмінію і обґрунтуйте свою відповідь рівняннями реакцій.
• Чому ртуть називають «алюмінієвою отрутою»?
• Чому побутові вироби з алюмінію служать тривалий час і не піддаються окисленню?
• Що таке Алюмінотермія?
• Суха суміш складається з порошків алюміній, заліза і вугілля. При обробці 6 г цієї суміші соляною кислотою виділилося 4,48 л водню, а при обробці тієї ж кількості суміші розчином їдкого калі – 3,36 л водню. Визначте склад суміші в грамах.
• Мається 200 г піролюзиту, що містить 87% двоокису марганцю. Скільки алюмінію потрібно для відновлення з нього марганцю алюмінотермічним шляхом.
• Як слід обробити алюміній, щоб він окислився на повітрі?
• У трьох пробірках знаходяться розбавлені кислоти – соляна, сірчана й азотна. Як, маючи шматочки алюмінію, визначити, в якій пробірці яка кислота?
• Скільки алюмінату натрію вийде при взаємодії з лугом 27 г алюмінію?

Що ми дізналися?

1. Легкість: Алюміній є дуже легким металом, його густина становить приблизно 2,7 г/см³, що робить його ідеальним для використання в авіації, автомобільній промисловості та будівництві.
2. Міцність: Попри свою легкість, алюміній може бути дуже міцним, особливо коли його сплавляють з іншими металами, такими як мідь, магній та цинк.
3. Корозійна стійкість: Алюміній має високу стійкість до корозії завдяки утворенню щільного шару оксиду алюмінію на поверхні при контакті з киснем, що захищає метал від подальшого окислення.
4. Електропровідність: Алюміній є добрим провідником електричного струму, що робить його корисним у виробництві електричних кабелів та обладнання.
5. Теплопровідність: Висока теплопровідність алюмінію знаходить застосування в радіаторах, кухонному посуді та системах охолодження.
6. Пластичність: Алюміній легко піддається обробці – його можна кувати, вальцювати, витягувати, що дозволяє виробляти з нього різноманітні форми та деталі.
7. Відновлюваність: Алюміній є 100% відновлюваним без втрати своїх властивостей, що робить його екологічно привабливим вибором.
8. Хімічна активність: Хоча алюміній є відносно активним металом, його поверхневий шар оксиду захищає його від швидкого реагування з більшістю хімічних речовин.

Висновок

Алюміній є надзвичайно універсальним металом з унікальним набором властивостей, включаючи легкість, міцність, корозійну стійкість, високу електро- та теплопровідність, а також пластичність.

Його широке використання в різних галузях промисловості, від авіації до пакування, а також можливість повного відновлення роблять алюміній важливим ресурсом у сталому розвитку сучасного світу. Ці властивості, разом із зусиллями з переробки, забезпечують алюмінію ключову роль у досягненні екологічних та економічних цілей.