Химические свойства алюминия и основные реакции

Нахождение в природе

Алюминий впервые получен химическим путем немецким химиком Ф. Велером в 1827 г., а в 1856 г. французский химик Сен-Клер Девиль выделил его электрохимическим методом.
Алюминий является самым распространенным в природе металлом. Содержание его в земной коре составляет 7,45% (по массе). Важнейшие природные соединения алюминия — алюмосиликаты, боксит, корунд и криолит.
Алюмосиликаты составляют основную массу земной коры. Продукт их выветривания — глина и полевые шпаты (ортоклаз, альбит, анортит). Основной состав глин (каолин) соответствует формуле Аl₂O₃•2SiO₂•2Н₂O.
Боксит — горная порода, из которой получают алюминий. Состоит главным образом из гидратов оксида алюминия Аl₂O₃•nН₂O.

Физические свойства

Физические свойства алюминия хорошо изучены. Это — серебристо-белый легкий металл, плавящийся при 660°С. Он очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и раскатывается в листы. Из алюминия можно изготовить фольгу толщиной менее 0,01мм. Алюминий обладает очень большой тепло- и электропроводностью. Сплавы алюминия с различными металлами обладают большой прочностью и легкостью.

Химические свойства

Алюминий очень активный металл. В ряду напряжений он стоит после щелочных и щелочноземельных металлов. Однако на воздухе он довольно устойчив, так как его поверхность покрывается очень плотной пленкой оксида, предохраняющей его от дальнейшего контакта с воздухом. Если с алюминиевой проволоки снять защитную оксидную пленку, то алюминий начнет энергично взаимодействовать с кислородом и водяными парами воздуха, превращаясь в рыхлую массу гидроксида алюминия. Эта реакция сопровождается выделением тепла. Очищенный от защитной оксидной пленки алюминий взаимодействует с водой с выделением водорода:

Алюминий хорошо растворим в разбавленных серной и соляной кислотах:

Разбавленная азотная кислота на холоду пассивирует алюминий, но при нагревании алюминий растворяется в ней с выделением монооксида азота, гемиоксида азота, свободного азота или аммиака, например:

Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий.
Так как оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами, то алюминий легко растворяется в водных растворах всех щелочей, кроме гидроксида аммония:

Порошкообразный алюминий легко взаимодействует с галогенами, кислородом и всеми неметаллами. Для начала реакций необходимо нагревание. В дальнейшем реакции протекают очень интенсивно и сопровождаются выделением большого количества тепла:

Сульфид алюминия может существовать только в твердом виде. В водных растворах он подвергается полному гидролизу с образованием гидроксида алюминия и сероводорода:

Алюминий легко отнимает кислород и галогены у оксидов и солей других металлов. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла:

Процесс восстановления металлов из их оксидов алюминием называется алюмотермией. Алюмотермией пользуются при получении некоторых редких металлов, которые образуют прочную связь с кислородом (ниобий, тантал, молибден, вольфрам и др.).
Смесь мелкого порошка алюминия и магнитного железняка называется термитом. После поджигания термита с помощью специального запала реакция протекает самопроизвольно и температура смеси повышается до 3500°С. Железо при такой температуре находится в расплавленном состоянии. Эту реакцию используют для сваривания рельсов.

Получение

Впервые алюминий был получен восстановлением хлорида алюминия металлическим натрием:

В настоящее время его получают электролизом расплавленных солей. В качестве электролита служит расплав, содержащий 85— 90% комплексной соли 3NaF • A1F₃ (или Na₃AlFe) — криолита и 10–15% оксида алюминия Al₂O₃ — глинозема. Такая смесь плавится при температуре около 1000°С. При растворении в расплавленном криолите глинозем ведет себя как соль алюминия и алюминиевой кислоты и диссоциирует на катионы алюминия и анионы кислотного остатка алюминиевой кислоты:

Криолит диссоциирует:

При пропускании электрического тока катионы алюминия и натрия движутся к катоду — графитовому корпусу ванны, покрытому на дне слоем расплавленного алюминия, получаемого в процессе электролиза. Так как алюминий менее активен, чем натрий, то он восстанавливается в первую очередь. Восстановленный алюминий в расплавленном состоянии собирается на дне ванны, откуда его периодически выводят.
Анионы AlO₃³⁻ и A1F₆³⁻  движутся к аноду — графитовым стержням или болванкам. На аноде в первую очередь разряжается анион AlO₃³⁻:

Оксид алюминия вновь диссоциирует, и процесс повторяется. Расход глинозема все время восполняется. Количество криолита практически не меняется. Незначительные потери криолита происходят вследствие образования на аноде тетрафторида углерода CF₄ . Электролитическое производство алюминия требует больших затрат электроэнергии (на получение 1 т алюминия расходуется около 20 тыс. квт • ч электроэнергии), поэтому алюминиевые заводы строят вблизи электростанций.

Применение

Алюминий находит самое широкое применение. Он используется в электротехнике, его сплавы, отличаясь большой легкостью и прочностью, применяются в самолето- и машиностроении, он все больше вытесняет стали в производстве теплообменных аппаратов, из него изготовляют фольгу, применяемую в радиотехнике и для упаковки пищевых продуктов. Алюминием покрывают стальные и чугунные изделия в целях предохранения их от коррозии: изделия нагревают до 1000° С в смеси алюминиевого порошка (49%), оксида алюминия (49%) и хлорида аммония (2%). Этот процесс называется алитированием. Алитированные изделия выдерживают нагревание°С, не подвергаясь коррозии.

Оксид алюминия Al₂O₃

Представляет собой белое вещество, обладающее высокой температурой плавления (2050°С). В природе оксид алюминия встречается в виде корунда и глинозема. Иногда встречаются прозрачные кристаллы корунда красивой формы и окраски. Корунд, окрашенный соединениями хрома в красный цвет, называют рубином, а окрашенный соединениями титана и железа в синий цвет — сапфиром. Рубин и сапфир являются драгоценными
камнями. В настоящее время их довольно легко получают искусственно.
Оксид алюминия обладает амфотерными свойствами, но он не растворяется в воде, кислотах и щелочах. При кипячении оксида алюминия в концентрированном растворе щелочи он частично переходит в раствор. Оксид алюминия переводят в растворимое состояние сплавлением со щелочами или с пиросульфатом калия:

Полученные сплавы растворяются в воде. При сплавлении оксида алюминия с поташом или содой образуются алюминаты, которые легко растворяются в воде:

Природный корунд — очень твердое вещество. Он применяется для изготовления наждачных кругов и шлифовальных порошков. Рубин используют для изготовления втулок часовых и других точных механизмов.
Глинозем используется как сырье для получения алюминия. Обезвоженный оксид алюминия применяется как адсорбент при очистке и разделении органических веществ методом хроматографии.

Гидроксид алюминия Al (ОН)₃

Представляет собой белое вещество, которое при нагревании теряет воду, превращаясь оксид алюминия. Гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами. Свежеосажденный гидроксид легко растворяется в кислотах и щелочах (кроме гидроксида аммония):

Гидроксид алюминия является слабым основанием и еще более слабой кислотой, поэтому соли алюминия находятся в растворе только в присутствии избытка кислоты, а алюминаты — только в присутствии избытка щелочи. При разбавлении растворов водой эти соединения сильно гидролизуют.
Высушенный гидроксид алюминия теряет часть воды, не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах и этим напоминает оксид алюминия.
Гидроксид алюминия обладает свойством поглощать различные вещества, поэтому его применяют при очистке воды.