Реферат: Алюминий
Министерствообразования и науки РФ
РЕФЕРАТ
«АЛЮМИНИЙ»
2007 год
АЛЮМИНИЙ (лат. Aluminium; от«alumen» — квасцы), Al, химический элемент III группы периодическойсистемы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154.
1.Общая характеристикаалюминия
Природный алюминий состоит изодного нуклида 27Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практическиво всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).
Радиус нейтрального атомаалюминия 0,143 нм, радиус иона Al3+ 0,057 нм. Энергии последовательнойионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5,984, 18,828,28,44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1,5.
Простое вещество алюминий —мягкий легкий серебристо-белый металл.
2.Свойства
Алюминий — типичный металл,кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0,40403нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около2450°C, плотность 2,6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширенияалюминия около 2,5·10–5 К–1 Стандартный электродный потенциал Al3+/Al— 1,663В.
Химически алюминий — довольноактивный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотнойпленкой оксида Al2О3, которая препятствует дальнейшемудоступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, чтообусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитнаяповерхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить вконцентрированную азотную кислоту.
С остальными кислотами алюминийактивно реагирует:
6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,
3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3+ 3H2.
Алюминий реагирует с растворамищелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:
Al2О3 + 2NaOH + 3H2O =2Na[Al(OH)4].
Затем протекают реакции:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3+ 3H2,
NaOH + Al(OH)3= Na[Al(OH)4],
или суммарно:
2Al + 6H2O + 2NaOH =Na[Al(OH)4] + 3Н2,
и в результате образуютсяалюминаты: Na[Al(OH)4] — алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминатнатрия), К[Al(OH)4] — алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др.Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединенийследующие:
Na[Al(OH)4(Н2О)2]и К[Al(OH)4(Н2О)2].
При нагревании алюминий реагируетс галогенами:
2Al + 3Cl2= 2AlCl3,
2Al + 3 Br2= 2AlBr3.
Интересно, что реакция междупорошками алюминия и иода (I) начинается при комнатной температуре, если висходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играетроль катализатора:
2Al + 3I2 = 2AlI3.
Взаимодействие алюминия с серой(S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:
2Al + 3S = Al2S3,
который легко разлагается водой:
Al2S3 + 6Н2О= 2Al(ОН)3 + 3Н2S.
С водородом (H) алюминийнепосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, сиспользованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердыйполимерный гидрид алюминия (AlН3)х — сильнейшийвосстановитель.
В виде порошка алюминий можносжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминияAl2О3.
Высокая прочность связи в Al2О3обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способностьалюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:
3Fe3O4 +8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже
3СаО + 2Al = Al2О3+ 3Са.
Такой способ получения металловназывают алюминотермией.
Амфотерному оксиду Al2О3соответствует амфотерный гидроксид — аморфное полимерное соединение, не имеющеепостоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl2O3·yH2O,при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают какАl(OH)3.
В лаборатории гидроксид алюминияможно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:
Al2(SO4)3+ 6NaOH = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4,
или за счет добавления соды краствору соли алюминия:
2AlCl3+ 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 6NaCl+ 3CO2,
а также добавлением растворааммиака к раствору соли алюминия:
AlCl3+ 3NH3·H2O = Al(OH)3 + 3H2O + 3NH4Cl.
Название и история открытия:латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы(сульфат алюминия и калия (K) KAl(SO4)2·12H2O),которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-завысокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулосьпочти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля»(тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия) сделал еще в 1754немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может бытьвыделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлическийалюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамойкалия (сплавом калия (K) со ртутью (Hg)) хлорид алюминия AlCl3,который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути (Hg) выделилсерый порошок алюминия.
Только через четверть века этотспособ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-КлерДевиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлическийнатрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия былатогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.
Промышленный способ производстваалюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторидалюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П.Эру (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходомэлектроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20-омвеке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховскойгидроэлектростанцией.
3.Нахождение в природе
По распространенности в земнойкоре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всехэлементов (после кислорода (O) и кремния (Si)), на его долю приходится около8,8% массы земной коры. Алюминий входит в огромное число минералов, главнымобразом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты,базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числеминералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов — главного сырьяпри промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождениябокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алунитыи нефелины. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений иживотных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своихорганах, — некоторые плауны, моллюски.
4.Получение
Промышленное получение: припромышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке,удаляя из них примеси оксидов кремния (Si), железа (Fe) и других элементов. Врезультате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al2O3— основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, чтотемпература плавления Al2O3 очень высока (более 2000°C),использовать его расплав для электролиза не удается.
Выход ученые и инженеры нашли вследующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит Na3AlF6(температура расплава немного ниже 1000°C). Криолит можно получить, например,при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляютнемного Al2О3 (до 10% по массе) и некоторые другиевещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизеэтого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается врасплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:
2Al2О3 =4Al + 3О2.
Так как анодом при электролизеслужит графит, то выделяющийся на аноде кислород (O) реагирует с графитом иобразуется углекислый газ СО2.
При электролизе получают металл ссодержанием алюминия около 99,7%. В технике применяют и значительно болеечистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99,999% и более.
5.Применение
По масштабам применения алюминийи его сплавы занимают второе место после железа (Fe)и его сплавов. Широкоеприменение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностьюего физических, механических и химических свойств: малой плотностью,коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- иэлектропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминийлегко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др.Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводностьалюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем втри раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) ифольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемогоалюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаютсямалой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионнойстойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- иэлектропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхностисплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.
Разнообразие свойств алюминиевыхсплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с нимтвердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминияиспользуют для получения легких сплавов — дуралюмина (94% — алюминий, 4% медь(Cu), по 0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина(85-90% — алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (Na)) и др. В металлургииалюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широкоприменяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди (Cu), магния(Mg), железа (Fe), >никеля (Ni) и др.
Сплавы алюминия находят широкоеприменение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, всудостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевогосплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия ициркония (Zr) — циркалой — широко применяют в ядерном реакторостроении.Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.
Особо следует отметить окрашенныепленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемыеэлектрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминийназывают анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему видунапоминающему золото (Au), изготовляют различную бижутерию.
При обращении с алюминием в бытунужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно тольконейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если,например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу иона приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксиднуюпленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-такинежелательно.
6.Биологоческая роль
В организм человека алюминийежедневно поступает с пищей (около 2-3 мг), но его биологическая роль неустановлена. В среднем в организме человека (70 кг) в костях, мышцах содержитсяоколо 60 мг алюминия.