Alumiiniumlaua keemilised omadused. Alumiiniumi aatomi struktuur
Iga keemilist elementi saab käsitleda kolme teaduse seisukohast: füüsika, keemia ja bioloogia. Ja selles artiklis proovime alumiiniumi võimalikult täpselt iseloomustada. See on keemiline element, mis on perioodilisuse tabeli järgi kolmandas rühmas ja kolmandas perioodis. Alumiinium on keskmise keemilise aktiivsusega metall. Ka selle ühendites võib täheldada amfoteerseid omadusi. Alumiiniumi aatommass on kakskümmend kuus grammi mooli kohta.
Alumiiniumi füüsikalised omadused
Tavatingimustes on see tahke aine. Alumiiniumi valem on väga lihtne. See koosneb aatomitest (ei ühine molekulideks), mis ehitatakse kristallvõre abil pidevaks aineks. Alumiiniumi värvus - hõbevalge. Lisaks on sellel, nagu kõigil teistel selle rühma ainetel, metalliline läige. Tööstuses kasutatava alumiiniumi värvus võib sulamis sisalduvate lisandite tõttu erineda. See on üsna kerge metall.
Selle tihedus on 2,7 g / cm3, see tähendab, et see on umbes kolm korda kergem kui raud. See võib anda ainult magneesiumi, mis on isegi kergem kui kõnealune metall. Alumiiniumi kõvadus on üsna madal. Selles on see enamikust metallidest madalam. Alumiiniumi kõvadus on vaid kaks. Seetõttu lisatakse selle tugevdamiseks sellel metallil põhinevatele sulamitele kõvemaid.
Alumiiniumi sulamine toimub ainult temperatuuril 660 kraadi Celsiuse järgi. Ja see keeb, kui seda kuumutada temperatuurini kaks tuhat nelisada viiskümmend kaks kraadi Celsiuse järgi. See on väga plastiline ja sulav metall. Alumiiniumi füüsikalised omadused sellega ei lõpe. Samuti tahaksin märkida, et sellel metallil on vase ja hõbeda järel parim elektrijuhtivus.
Levimus looduses
Alumiinium, mille tehnilisi omadusi äsja vaatasime, on keskkonnas üsna levinud. Seda võib täheldada paljude mineraalide koostises. Alumiinium on looduses levinuim element neljas. Seda on maapõues peaaegu üheksa protsenti. Peamised mineraalid, milles selle aatomid esinevad, on boksiit, korund, krüoliit. Esimene on kivim, mis koosneb raua, räni ja kõnealuse metalli oksiididest ning struktuuris on ka veemolekule. Sellel on heterogeenne värvus: halli, punakaspruuni ja muude värvide killud, mis sõltuvad mitmesuguste lisandite olemasolust. Kolmkümmend kuni kuuskümmend protsenti sellest tõust on alumiinium, mille fotot näete ülal. Lisaks on korund looduses väga levinud mineraal.
See on alumiiniumoksiid. Selle keemiline valem on Al2O3. See võib olla punane, kollane, sinine või pruun. Selle kõvadus Mohsi skaalal on üheksa ühikut. Korundi sortide hulka kuuluvad tuntud safiirid ja rubiinid, leukosafiirid, aga ka padparadscha (kollane safiir).
Krüoliit on mineraal, millel on keerulisem keemiline valem. See koosneb alumiinium- ja naatriumfluoriididest - AlF3.3NaF. See näeb välja nagu värvitu või hallikas kivi, mille kõvadus on Mohsi skaalal ainult kolm. Kaasaegses maailmas sünteesitakse seda laboris kunstlikult. Seda kasutatakse metallurgias.
Alumiiniumi leidub looduses ka savide koostises, mille põhikomponentideks on räni ja vaadeldava metalli oksiidid, mis on seotud veemolekulidega. Lisaks võib seda keemilist elementi täheldada nefeliinide koostises, mille keemiline valem on järgmine: KNa34.
Kviitung
Alumiiniumi iseloomustamine hõlmab selle sünteesimeetodite kaalumist. On mitmeid meetodeid. Alumiiniumi tootmine esimesel meetodil toimub kolmes etapis. Viimane neist on elektrolüüsi protseduur katoodil ja süsinikanoodil. Sellise protsessi läbiviimiseks on vaja alumiiniumoksiidi, aga ka abiaineid, nagu krüoliit (valem - Na3AlF6) ja kaltsiumfluoriid (CaF2). Vees lahustunud alumiiniumoksiidi lagunemise protsessi toimumiseks tuleb seda koos sulatatud krüoliidi ja kaltsiumfluoriidiga kuumutada temperatuurini vähemalt üheksasada viiskümmend kraadi Celsiuse järgi ning seejärel kaheksakümne tuhande amprise vooluni ja pinge viis kuni kaheksa volti. Seega sadestub selle protsessi tulemusena katoodile alumiinium ja anoodile kogunevad hapniku molekulid, mis omakorda oksüdeerivad anoodi ja muudavad selle süsinikdioksiidiks. Enne selle protseduuri läbiviimist puhastatakse boksiit, mille kujul alumiiniumoksiidi kaevandatakse, eelnevalt lisanditest ja läbib ka selle dehüdratsiooni.
Alumiiniumi tootmine ülalkirjeldatud viisil on metallurgias väga levinud. Samuti on olemas meetod, mille 1827. aastal leiutas F. Wehler. See seisneb selles, et alumiiniumi saab kaevandada selle kloriidi ja kaaliumi vahelise keemilise reaktsiooni abil. Sellist protsessi on võimalik läbi viia ainult eritingimuste loomisega väga kõrge temperatuuri ja vaakumi näol. Seega saab ühest moolist kloriidist ja samast mahust kaaliumist saada ühe mooli alumiiniumi ja kolm mooli kõrvalsaadusena. Selle reaktsiooni saab kirjutada järgmise võrrandiga: АІСІ3 + 3К = АІ + 3КІ. See meetod pole metallurgias suurt populaarsust saavutanud.
Alumiiniumi omadused keemiliselt
Nagu eespool mainitud, on see lihtne aine, mis koosneb aatomitest, mis ei ole molekulideks ühendatud. Sarnased struktuurid moodustavad peaaegu kõik metallid. Alumiiniumil on üsna kõrge keemiline aktiivsus ja tugevad redutseerivad omadused. Alumiiniumi keemiline iseloomustus algab selle reaktsioonide kirjeldusega teiste lihtsate ainetega ja seejärel kirjeldatakse koostoimeid keeruliste anorgaaniliste ühenditega.
Alumiinium ja lihtained
Nende hulka kuuluvad esiteks hapnik - planeedi kõige levinum ühend. Kakskümmend üks protsenti Maa atmosfäärist koosneb sellest. Teatud aine reaktsioone mis tahes muu ainega nimetatakse oksüdatsiooniks või põlemiseks. Tavaliselt esineb see kõrgel temperatuuril. Aga alumiiniumi puhul on tavatingimustes võimalik oksüdeerumine – nii tekibki oksiidkile. Kui see metall purustatakse, siis see põleb, vabastades samal ajal suurel hulgal energiat soojuse kujul. Alumiiniumi ja hapniku vahelise reaktsiooni läbiviimiseks on neid komponente vaja molaarsuhtes 4:3, mille tulemuseks on kaks osa oksiidist.
Seda keemilist vastasmõju väljendatakse järgmise võrrandiga: 4АІ + 3О2 = 2АІО3. Võimalikud on ka alumiiniumi reaktsioonid halogeenidega, mille hulka kuuluvad fluor, jood, broom ja kloor. Nende protsesside nimetused tulenevad vastavate halogeenide nimedest: fluorimine, jodimine, broomimine ja kloorimine. Need on tüüpilised liitumisreaktsioonid.
Näiteks anname alumiiniumi koostoime klooriga. Selline protsess võib toimuda ainult külmas.
Seega, võttes kaks mooli alumiiniumi ja kolm mooli kloori, saame tulemuseks kaks mooli kõnealuse metalli kloriidi. Selle reaktsiooni võrrand on järgmine: 2АІ + 3СІ = 2АІСІ3. Samamoodi saab alumiiniumfluoriidi, selle bromiidi ja jodiidi.
Väävliga reageerib kõnealune aine ainult kuumutamisel. Nende kahe ühendi vahelise koostoime läbiviimiseks peate võtma need molaarsetes vahekordades kaks kuni kolm ja moodustub üks osa alumiiniumsulfiidist. Reaktsioonivõrrandil on järgmine kuju: 2Al + 3S = Al2S3.
Lisaks interakteerub alumiinium kõrgel temperatuuril süsinikuga, moodustades karbiidi, ja lämmastikuga, moodustades nitriidi. Näitena võib tuua järgmised keemiliste reaktsioonide võrrandid: 4AI + 3C = AI4C3; 2Al + N2 = 2AlN.
Koostoime keeruliste ainetega
Nende hulka kuuluvad vesi, soolad, happed, alused, oksiidid. Kõigi nende keemiliste ühenditega reageerib alumiinium erineval viisil. Vaatame iga juhtumit lähemalt.
Reaktsioon veega
Alumiinium interakteerub kuumutamisel kõige tavalisema kompleksainega Maal. See juhtub ainult oksiidkile eelneva eemaldamise korral. Interaktsiooni tulemusena tekib amfoteerne hüdroksiid, samuti paiskub õhku vesinik. Võttes kaks osa alumiiniumi ja kuus osa vett, saame hüdroksiidi ja vesiniku molaarsetes vahekordades kaks kuni kolm. Selle reaktsiooni võrrand on kirjutatud järgmiselt: 2АІ + 6Н2О = 2АІ (ОН) 3 + 3Н2.
Koostoime hapete, aluste ja oksiididega
Nagu teisedki aktiivsed metallid, on alumiinium võimeline astuma asendusreaktsiooni. Seejuures võib see happest vesiniku või passiivsema metalli katiooni soolast välja tõrjuda. Selliste interaktsioonide tulemusena tekib alumiiniumsool ja eraldub ka vesinik (happe puhul) või sadestub puhas metall (see, mis on vaadeldavast vähemaktiivne). Teisel juhul ilmnevad ülalmainitud taastavad omadused. Näitena võib tuua alumiiniumi vastasmõju, millega tekib alumiiniumkloriid ja vesinik eraldub õhku. Seda tüüpi reaktsiooni väljendatakse järgmise võrrandiga: 2AI + 6HCI = 2AICI3 + 3H2.
Alumiiniumi ja soola vastasmõju näide on selle reaktsioon Võttes need kaks komponenti, saame lõpuks puhta vase, mis sadestub. Alumiinium reageerib hapetega nagu väävel ja lämmastik omapärasel viisil. Näiteks kui nitraathappe lahjendatud lahusele lisatakse alumiiniumi molaarsuhtes kaheksa osa kolmkümmend, moodustub kaheksa osa kõnealuse metalli nitraati, kolm osa lämmastikoksiidi ja viisteist osa vett. Selle reaktsiooni võrrand on kirjutatud järgmiselt: 8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O. See protsess toimub ainult kõrge temperatuuri juuresolekul.
Kui segame alumiiniumi ja nõrga sulfaathappe lahuse molaarsuhtes kaks kuni kolm, saame kõnealuse metalli sulfaadi ja vesiniku vahekorras üks kuni kolm. See tähendab, et toimub tavaline asendusreaktsioon, nagu ka teiste hapete puhul. Selguse huvides esitame võrrandi: 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2. Sama happe kontsentreeritud lahusega on aga kõik keerulisem. Siin, nagu nitraadi puhul, tekib kõrvalsaadus, kuid mitte oksiidi, vaid väävli ja vee kujul. Kui võtta kaks meile vajalikku komponenti molaarsuhtes kaks kuni neli, siis saame selle tulemusena ühe osa kõnealuse metalli soolast ja väävlist ning neli vett. Seda keemilist koostoimet saab väljendada järgmise võrrandi abil: 2Al + 4H2SO4 = Al2(SO4)3 + S + 4H2O.
Lisaks on alumiinium võimeline reageerima leeliselahustega. Sellise keemilise interaktsiooni läbiviimiseks peate võtma kaks mooli kõnealust metalli, sama palju või kaaliumi, samuti kuus mooli vett. Selle tulemusena tekivad sellised ained nagu naatrium- või kaaliumtetrahüdroksoaluminaat, aga ka vesinik, mis eraldub terava lõhnaga gaasina molaarsuhtes kaks kuni kolm. Seda keemilist reaktsiooni saab esitada järgmise võrrandiga: 2AI + 2KOH + 6H2O = 2K[AI(OH)4] + 3H2.
Ja viimane asi, mida tuleks arvesse võtta, on alumiiniumi koostoime mustrid mõnede oksiididega. Kõige tavalisem ja kasutatav juhtum on Beketovi reaktsioon. See, nagu paljud teised eespool käsitletud, esineb ainult kõrgetel temperatuuridel. Seega on selle rakendamiseks vaja võtta kaks mooli alumiiniumi ja üks mool raudoksiidi. Nende kahe aine koosmõju tulemusena saame alumiiniumoksiidi ja vaba rauda vastavalt ühe ja kahe mooli koguses.
Kõnealuse metalli kasutamine tööstuses
Pange tähele, et alumiiniumi kasutamine on väga levinud nähtus. Esiteks vajab seda lennundustööstus. Koos sellega kasutatakse ka kõnealusel metallil põhinevaid sulameid. Võib öelda, et keskmine lennuk on 50% alumiiniumisulamitest ja selle mootor 25%. Samuti kasutatakse alumiiniumi suurepärase elektrijuhtivuse tõttu juhtmete ja kaablite valmistamisel. Lisaks kasutatakse seda metalli ja selle sulameid autotööstuses laialdaselt. Nendest materjalidest on valmistatud autode, busside, trollibusside, osade trammide, aga ka tava- ja elektrirongivagunite kered.
Seda kasutatakse ka väiksematel eesmärkidel, näiteks toidu- ja muude toodete, nõude pakendite tootmiseks. Hõbedavärvi valmistamiseks on vaja kõnealuse metalli pulbrit. Sellist värvi on vaja raua kaitsmiseks korrosiooni eest. Võib öelda, et alumiinium on ferrumi järel tööstuses enimkasutatav metall. Selle ühendeid ja teda ennast kasutatakse sageli keemiatööstuses. See on tingitud alumiiniumi erilistest keemilistest omadustest, sealhulgas selle redutseerivatest omadustest ja selle ühendite amfoteersusest. Kõnealuse keemilise elemendi hüdroksiid on vajalik vee puhastamiseks. Lisaks kasutatakse seda meditsiinis vaktsiinide valmistamise ajal. Seda võib leida ka mõnest plastist ja muudest materjalidest.
Roll looduses
Nagu eespool juba mainitud, leidub alumiiniumi maakoores suurtes kogustes. See on eriti oluline elusorganismide jaoks. Alumiinium osaleb kasvuprotsesside reguleerimises, moodustab sidekudesid, nagu luu-, sidekude jt. Tänu sellele mikroelemendile toimuvad kehakudede regenereerimise protsessid kiiremini. Selle puudumist iseloomustavad järgmised sümptomid: arengu- ja kasvuhäired lastel, täiskasvanutel - krooniline väsimus, sooritusvõime langus, liigutuste koordinatsiooni häired, kudede regeneratsiooni vähenemine, lihasnõrkus, eriti jäsemetes. See nähtus võib ilmneda, kui sööte liiga vähe seda mikroelementi sisaldavaid toite.
Enamlevinud probleem on aga alumiiniumi liig organismis. Sellisel juhul täheldatakse sageli järgmisi sümptomeid: närvilisus, depressioon, unehäired, mälukaotus, stressiresistentsus, lihas-skeleti süsteemi pehmenemine, mis võib põhjustada sagedasi luumurde ja nikastusi. Pikaajalise alumiiniumi ülejäägiga kehas tekivad sageli probleemid peaaegu iga organsüsteemi töös.
Selle nähtuse põhjuseks võivad olla mitmed põhjused. Esiteks on teadlased juba ammu tõestanud, et kõnealusest metallist valmistatud nõud ei sobi selles toidu valmistamiseks, kuna kõrgel temperatuuril satub osa alumiiniumist toidu sisse ja selle tulemusena kulub seda palju rohkem. mikroelemente, kui organism vajab.
Teiseks põhjuseks on kõnealust metalli või selle sooli sisaldavate kosmeetikavahendite regulaarne kasutamine. Enne mis tahes toote kasutamist peate hoolikalt lugema selle koostist. Kosmeetika pole erand.
Kolmas põhjus on pikaajaline rohkelt alumiiniumi sisaldavate ravimite võtmine. Nagu ka seda mikroelementi sisaldavate vitamiinide ja toidulisandite ebaõige kasutamine.
Nüüd mõtleme välja, millised tooted sisaldavad alumiiniumi, et oma dieeti reguleerida ja menüüd õigesti korraldada. Esiteks on need porgandid, sulatatud juustud, nisu, maarjas, kartul. Puuviljadest on soovitatavad avokaadod ja virsikud. Lisaks on alumiiniumirikas valge kapsas, riis ja paljud ravimtaimed. Samuti võivad kõnealuse metalli katioonid sisalduda joogivees. Alumiiniumi sisalduse suurenemise või vähenemise vältimiseks kehas (samas, nagu iga muu mikroelemendi puhul), peate hoolikalt jälgima oma toitumist ja püüdma seda võimalikult tasakaalustada.
Alumiiniumist
Alumiiniumist- Mendelejevi perioodilise süsteemi III rühma keemiline element (aatomnumber 13, aatommass 26,98154). Enamikus ühendites on alumiinium kolmevalentne, kuid kõrgel temperatuuril võib selle oksüdatsiooniaste olla ka +1. Selle metalli ühenditest on kõige olulisem Al 2 O 3 oksiid.
Alumiiniumist- hõbevalge metall, kerge (tihedus 2,7 g / cm 3), plastiline, hea elektri- ja soojusjuht, sulamistemperatuur 660 ° C. See tõmmatakse kergesti traadiks ja rullitakse õhukesteks lehtedeks. Alumiinium on keemiliselt aktiivne (õhus on see kaetud kaitsva oksiidkilega – alumiiniumoksiidiga.) Kaitseb metalli usaldusväärselt edasise oksüdeerumise eest. Kui aga alumiiniumpulbrit või alumiiniumfooliumit tugevalt kuumutada, põleb metall pimestava leegiga, muutudes alumiiniumoksiidiks. Alumiinium lahustub isegi lahjendatud vesinikkloriid- ja väävelhapetes, eriti kuumutamisel. Kuid väga lahjendatud ja kontsentreeritud külmas lämmastikhappes alumiinium ei lahustu. Kui leeliste vesilahused mõjutavad alumiiniumi, lahustub oksiidikiht ja moodustuvad aluminaadid - aniooni koostises alumiiniumi sisaldavad soolad:
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na.
Alumiinium, millel puudub kaitsekile, suhtleb veega, tõrjudes sellest välja vesiniku:
2Al + 6H 2O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2
Saadud alumiiniumhüdroksiid reageerib leelise liiaga, moodustades hüdroksoaluminaadi:
Al (OH) 3 + NaOH \u003d Na.
Alumiiniumi lahustumise üldvõrrand leelise vesilahuses on järgmine:
2Al + 2NaOH + 6H 2O \u003d 2Na + 3H 2.
Alumiinium suhtleb aktiivselt halogeenidega. Alumiiniumhüdroksiid Al(OH) 3 on valge, poolläbipaistev, želatiinne aine.
Maakoor sisaldab 8,8% alumiiniumi. See on hapniku ja räni järel looduses leviku poolest kolmas element ning metallide seas esimene. See on osa savidest, päevakividest, vilgukividest. Tuntud on mitusada Al-mineraali (alumosilikaadid, boksiidid, aluniidid ja teised). Alumiinium-boksiidi kõige olulisem mineraal sisaldab 28-60% alumiiniumoksiid-alumiiniumoksiidi Al 2 O 3 .
Puhtal kujul sai alumiiniumi esmakordselt 1825. aastal Taani füüsik H. Oersted, kuigi see on looduses kõige levinum metall.
Alumiiniumi tootmine toimub alumiiniumoksiidi Al 2 O 3 elektrolüüsil NaAlF 4 krüoliidi sulatis temperatuuril 950 °C.
Alumiiniumi kasutatakse lennunduses, ehituses, peamiselt alumiiniumisulamitena koos teiste metallidega, elektrotehnikas (vaseasendaja kaablite valmistamisel jne), toiduainetööstuses (foolium), metallurgias (sulami lisand), aluminotermias jne.
Alumiiniumi tihedus, erikaal ja muud omadused.
Tihedus - 2,7*10 3 kg/m 3 ;
Erikaal - 2,7 G/ cm3;
Erisoojus temperatuuril 20 °C - 0,21 cal/°;
Sulamistemperatuur - 658,7 °C;
Sulamise erisoojusmaht - 76,8 cal/°;
Keemistemperatuur - 2000 °C;
Suhteline mahu muutus sulamise ajal (ΔV/V) - 6,6%;
Lineaarne paisumistegur(umbes 20°C) :
- 22,9 * 10 6 (1 / kraad);
Alumiiniumi soojusjuhtivuse koefitsient - 180 kcal / m * tund * rahe;
Alumiiniumi elastsusmoodulid ja Poissoni suhe
Valguse peegeldus alumiiniumi poolt
Tabelis toodud numbrid näitavad, mitu protsenti pinnalt risti langevast valgusest peegeldub pinnalt.
ALUMIINIUMOKSIID Al 2 O 3
Alumiiniumoksiid Al 2 O 3, mida nimetatakse ka alumiiniumoksiidiks, esineb looduslikult kristalsel kujul, moodustades mineraalse korundi. Korundil on väga kõrge kõvadus. Selle punase või sinise värvi läbipaistvad kristallid on vääriskivid - rubiin ja safiir. Praegu saadakse rubiine kunstlikult, sulatades alumiiniumoksiidiga elektriahjus. Neid kasutatakse mitte niivõrd ehete, kuivõrd tehnilistel eesmärkidel, näiteks täppisinstrumentide osade, kellade kivide jms valmistamiseks. Väikest Cr 2 O 3 lisandit sisaldavaid rubiinikristalle kasutatakse kvantgeneraatoritena – laseritena, mis loovad suunatud monokromaatilise kiirguse kiire.
Abrasiivsete materjalidena kasutatakse korundi ja selle peeneteralist sorti, mis sisaldab suurel hulgal lisandeid - smirgelt.
ALUMIINIUMI TOOTMINE
Peamine tooraine selleks alumiiniumi tootmine on boksiidid, mis sisaldavad 32-60% alumiiniumoksiidi Al 2 O 3 . Olulisemate alumiiniumimaakide hulka kuuluvad ka aluniit ja nefeliin. Venemaal on märkimisväärsed alumiiniumimaakide varud. Lisaks boksiitidele, mille suured maardlad asuvad Uuralites ja Baškiirias, on Koola poolsaarel kaevandatud nefeliin rikkalik alumiiniumiallikas. Palju alumiiniumi leidub ka Siberi maardlates.
Alumiinium saadakse alumiiniumoksiidist Al 2 O 3 elektrolüütilise meetodiga. Selleks kasutatav alumiiniumoksiid peab olema piisavalt puhas, kuna sulatatud alumiiniumist eemaldatakse lisandid suure vaevaga. Puhastatud Al 2 O 3 saadakse loodusliku boksiidi töötlemisel.
Alumiiniumi tootmise peamine lähtematerjal on alumiiniumoksiid. See ei juhi elektrit ja on väga kõrge sulamistemperatuuriga (umbes 2050 °C), mistõttu kulub liiga palju energiat.
Alumiiniumoksiidi sulamistemperatuuri on vaja alandada vähemalt 1000 o C. Selle meetodi leidsid paralleelselt prantslane P. Eru ja ameeriklane C. Hall. Nad leidsid, et alumiiniumoksiid lahustub hästi sula krüoliidis, mis on AlF 3 koostisega mineraal. 3NaF. Seda sulatit elektrolüüsitakse alumiiniumi tootmisel temperatuuril ainult umbes 950 ° C. Krüoliidi varud looduses on ebaolulised, seetõttu loodi sünteetiline krüoliit, mis vähendas oluliselt alumiiniumi tootmiskulusid.
Hüdrolüüs viiakse läbi krüoliidi Na 3 ja alumiiniumoksiidi sulaseguga. Umbes 10 massiprotsenti Al 2 O 3 sisaldav segu sulab 960 °C juures ning selle elektrijuhtivus, tihedus ja viskoossus on protsessi jaoks kõige soodsamad. Nende omaduste edasiseks parandamiseks lisatakse segu koostisse lisandeid AlF 3, CaF 2 ja MgF 2. See teeb võimalikuks elektrolüüsi 950 °C juures.
Alumiiniumi sulatamiseks mõeldud elektrolüsaator on raudkest, mis on seestpoolt vooderdatud tulekindlate tellistega. Selle põhi (alumine), mis on kokku pandud kokkusurutud kivisöe plokkidest, toimib katoodina. Anoodid (üks või mitu) asuvad peal: need on söebrikettiga täidetud alumiiniumraamid. Kaasaegsetes tehastes paigaldatakse elektrolüsaatorid järjestikku; iga seeria koosneb 150 või enamast lahtrist.
Elektrolüüsi käigus eraldub katoodil alumiinium ja anoodil hapnik. Alumiinium, mille tihedus on suurem kui algsel sulatil, kogutakse elektrolüsaatori põhja, kust see perioodiliselt tühjendatakse. Metalli vabanemisel lisatakse sulatisele uued osad alumiiniumoksiidi. Elektrolüüsi käigus vabanev hapnik interakteerub anoodi süsinikuga, mis põleb läbi, moodustades CO ja CO 2 .
Esimene alumiiniumitehas Venemaal ehitati 1932. aastal Volhovis.
ALUMIINIUMISULAMID
Sulamid, mis suurendavad alumiiniumi tugevust ja muid omadusi, saadakse legeerivate lisandite, näiteks vase, räni, magneesiumi, tsingi ja mangaani sisseviimisega.
Duralumiinium(duralumiinium, duralumiinium, Saksa linna nimest, kus sulami tööstuslikku tootmist alustati). Alumiiniumsulam (alus) vase (Cu: 2,2-5,2%), magneesiumi (Mg: 0,2-2,7%) mangaaniga (Mn: 0,2-1%). See on läbinud kõvenemise ja vananemise, sageli plakeeritud alumiiniumiga. See on lennundus- ja transporditehnika ehitusmaterjal.
Silumiin- kergvalu alumiiniumsulamid (alus) räniga (Si: 4-13%), mõnikord kuni 23% ja mõned muud elemendid: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Nad toodavad keeruka konfiguratsiooniga osi, peamiselt auto- ja lennukitööstuses.
magnaalia- alumiiniumsulamid (alus) magneesiumi (Mg: 1-13%) ja muude kõrge korrosioonikindlusega, hea keevitatavusega, kõrge elastsusega elementidega. Nad valmistavad vormivalandeid (valumagnaleid), lehti, traati, neete jne. (deformeeruv magnaalia).
Kõigi alumiiniumisulamite peamised eelised on nende madal tihedus (2,5-2,8 g / cm 3), kõrge tugevus (kaaluühiku kohta), rahuldav vastupidavus atmosfääri korrosioonile, suhteliselt madal hind ning tootmise ja töötlemise lihtsus.
Alumiiniumsulameid kasutatakse raketitehnoloogias, lennuki-, auto-, laeva- ja instrumentide valmistamisel, riistade, spordikaupade, mööbli-, reklaami- ja muudes tööstusharudes.
Kasutusala poolest on alumiiniumisulamid terase ja malmi järel teisel kohal.
Alumiinium on üks levinumaid lisandeid vasel, magneesiumil, titaanil, niklil, tsingil ja raual põhinevates sulamites.
Kasutatakse ka alumiiniumi aluminiseerimine (alumiinimine)- teras- või malmtoodete pinna küllastumine alumiiniumiga, et kaitsta alusmaterjali tugeval kuumutamisel oksüdeerumise eest, s.t. tõsta kuumakindlust (kuni 1100 °C) ja vastupidavust atmosfääri korrosioonile.
Alumiinium on keemiliste elementide perioodilisuse tabeli 13. rühma, kolmanda perioodi element, järjenumbriga 13. Kuulub kergmetallide rühma. Levinuim metall ja kolmas keemiline element maapõues (hapniku ja räni järel).
Lihtne alumiinium on kerge, paramagnetiline hõbevalge metall, mida on lihtne vormida, valada ja töödelda. Alumiiniumil on kõrge soojus- ja elektrijuhtivus, korrosioonikindlus tänu tugevate oksiidkilede kiirele moodustumisele, mis kaitsevad pinda edasise vastasmõju eest.
Kaasaegne saamise meetod, Hall-Héroult protsess. See seisneb alumiiniumoksiidi Al2O3 lahustamises Na3AlF6 krüoliidi sulatis, millele järgneb elektrolüüs, kasutades tarbitavaid koksi või grafiitanoodi elektroode. See saamise meetod nõuab väga suuri elektrikoguseid ja seetõttu hakati seda tööstuslikult kasutama alles 20. sajandil.
Laboratoorsed meetodid alumiiniumi saamiseks: veevaba alumiiniumkloriidi redutseerimine metallilise kaaliumiga (reaktsioon kulgeb ilma õhuta kuumutamisel):
Hõbevalge metall, kerge, tihedus - 2,7 g / cm³, sulamistemperatuur tehnilisel alumiiniumil - 658 ° C, kõrge puhtusastmega alumiiniumil - 660 ° C, kõrge elastsus: tehnilisel - 35%, puhtal - 50%, valtsitud õhukeseks leheks ja ühtlaseks fooliumiks. Alumiiniumil on kõrge elektrijuhtivus (37 106 S/m) ja soojusjuhtivus (203,5 W/(m K)), 65%, kõrge valguspeegeldusvõimega.
Alumiinium moodustab sulameid peaaegu kõigi metallidega. Tuntuimad on vase ja magneesiumiga (duralumiinium) ja räni (silumiin) sulamid.
Levimuse poolest maakoores on Maa metallide hulgas 1. ja elementide seas 3. kohal, jäädes alla ainult hapnikule ja ränile. Alumiiniumi massikontsentratsioon maakoores on erinevate teadlaste hinnangul 7,45–8,14%. Looduses esineb alumiiniumi oma kõrge keemilise aktiivsuse tõttu peaaegu eranditult ühendite kujul.
Looduslik alumiinium koosneb peaaegu täielikult ühest stabiilsest isotoobist 27Al, milles on tühised jäljed 26Al-st, pikima elueaga radioaktiivsest isotoobist, mille poolestusaeg on 720 000 aastat ja mis tekib atmosfääris 40Ar argooni tuumade lõhustumisel suure energiaga kosmilise toimega. kiirte prootonid.
Alumiinium on tavatingimustes kaetud õhukese ja tugeva oksiidkilega ega reageeri seetõttu klassikaliste oksüdeerijatega: H2O (t°), O2, HNO3-ga (ilma kuumutamata). Seetõttu ei ole alumiinium praktiliselt korrosioonile allutatud ja seetõttu on see tänapäevases tööstuses laialdaselt nõutud. Kui aga oksiidkile hävib (näiteks kokkupuutel ammooniumisoolade NH4+ lahustega, kuumade leelistega või amalgamatsiooni tulemusena), toimib alumiinium aktiivse redutseeriva metallina. Oksiidkile teket on võimalik vältida, lisades alumiiniumile metalle nagu gallium, indium või tina. Sel juhul niisutatakse alumiiniumi pinda nendel metallidel põhineva madala sulamistemperatuuriga eutektikaga.
Reageerib kergesti lihtsate ainetega:
hapnikuga alumiiniumoksiidi moodustamiseks:
halogeenidega (va fluor), moodustades kloriidi, bromiidi või alumiiniumjodiidi:
reageerib kuumutamisel teiste mittemetallidega:
fluoriga, moodustades alumiiniumfluoriidi:
väävliga, moodustades alumiiniumsulfiidi:
lämmastikuga alumiiniumnitriidi moodustamiseks:
süsinikuga, moodustades alumiiniumkarbiidi:
Alumiiniumsulfiid ja alumiiniumkarbiid hüdrolüüsitakse täielikult:
Komplekssete ainetega:
veega (pärast kaitsva oksiidkile eemaldamist, näiteks liitmise või kuuma leelise lahusega):
leelistega (tetrahüdroksoaluminaatide ja muude aluminaatide moodustumisega):
Kergesti lahustuv vesinikkloriid- ja lahjendatud väävelhapetes:
Kuumutamisel lahustub see hapetes - oksüdeerivates ainetes, mis moodustavad lahustuvaid alumiiniumisoolasid:
taastab metallid nende oksiididest (aluminotermia):
44. Alumiiniumiühendid, nende amfoteersed omadused
Alumiiniumist välistaseme elektrooniline konfiguratsioon on … 3s23p1.
Ergastatud olekus läheb üks s-elektronidest p-alataseme vabasse rakku, sellele olekule vastab valents III ja oksüdatsiooniaste +3. Alumiiniumi aatomi välises elektronkihis on vabad d-alatasemed.
Olulisemad looduslikud ühendid on alumosilikaadid:
valge savi Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O, päevakivi K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2, vilgukivi K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2 ∙ H2O
Teistest looduslikest alumiiniumi esinemisvormidest on suurima tähtsusega boksiitid A12Оз ∙ nН2О, korundmineraalid А12Оз ja krüoliit А1Fз ∙3NaF.
Kerge, hõbevalge, plastiline metall, juhib hästi elektrit ja soojust.
Õhus on alumiinium kaetud kõige õhema (0,00001 mm), kuid väga tiheda oksiidkilega, mis kaitseb metalli edasise oksüdeerumise eest ja annab sellele mati välimuse.
Alumiiniumoksiid А12О3
Valge tahke aine, vees lahustumatu, sulamistemperatuur 2050°C.
Looduslik A12O3 on mineraalne korund. Läbipaistvad värvilised korundi - punase rubiini - kristallid sisaldavad kroomi - ja sinise safiiri - titaani ja raua - vääriskivide segu. Neid saadakse ka kunstlikult ja kasutatakse tehnilistel eesmärkidel, näiteks täppisinstrumentide osade, kellade kivide jms valmistamiseks.
Keemilised omadused
Alumiiniumoksiidil on amfoteersed omadused
1. koostoime hapetega
А12О3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
2. interaktsioon leelistega
А12О3 + 2NaOH – 2NaAlO2 + H2O
Al2O3 + 2NaOH + 5H2O = 2Na
3. Kui vastava metalli oksiidi ja alumiiniumipulbri segu kuumutatakse, tekib äge reaktsioon, mille tulemusel vabaneb võetud oksiidist vaba metall. Redutseerimismeetodit Al-iga (alumiinium) kasutatakse sageli mitme elemendi (Cr, Mn, V, W jne) saamiseks vabas olekus.
2A1 + WO3 = A12Oz + W
4. koostoime hüdrolüüsi tõttu tugevalt aluselise keskkonnaga sooladega
Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2
Alumiiniumhüdroksiid A1(OH)3
Al(OH)3 on mahukas valge želatiinsete sade, mis vees praktiliselt ei lahustu, kuid lahustub kergesti hapetes ja tugevates leelistes. Seetõttu on sellel amfoteerne iseloom.
Alumiiniumhüdroksiid saadakse lahustuvate alumiiniumsoolade vahetusreaktsioonil leelistega.
AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl
Al3+ + 3OH- = Al(OH)3↓
Seda reaktsiooni saab kasutada Al3+ iooni kvalitatiivse reaktsioonina
Keemilised omadused
1. koostoime hapetega
Al(OH)3 + 3HCl = 2AlCl3 + 3H2O
2. tugevate leelistega suhtlemisel tekivad vastavad aluminaadid:
NaOH + A1(OH)3 = Na
3. termiline lagunemine
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O
Alumiiniumisoolad läbivad katioonide hüdrolüüsi happelises keskkonnas (pH< 7)
Al3+ + H+OH- ↔ AlOH2+ + H+
Al(NO3)3 + H2O↔ AlOH(NO3)2 + HNO3
Alumiiniumi ja nõrkade hapete lahustuvad soolad läbivad täieliku (pöördumatu hüdrolüüsi)
Al2S3+ 3H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S
Alumiiniumoksiid Al2O3 - on osa mõnedest antatsiididest (näiteks Almagel), mida kasutatakse maomahla happesuse suurendamiseks.
КAl(SO4)3 12H2О - kaaliummaarjast kasutatakse meditsiinis nahahaiguste raviks, hemostaatilise ainena. Nahatööstuses kasutatakse seda ka tanniinina.
(CH3COO)3Al - Burovi vedelik - 8% alumiiniumatsetaadi lahus on kokkutõmbava ja põletikuvastase toimega, suurtes kontsentratsioonides mõõdukate antiseptiliste omadustega. Seda kasutatakse lahjendatud kujul loputamiseks, losjoonide, naha ja limaskestade põletikuliste haiguste korral.
AlCl3 – kasutatakse orgaanilise sünteesi katalüsaatorina.
Al2(SO4)3 18 H20 – kasutatakse veepuhastuses.
Kaaliumimaarja saamine
Alumiiniumist(lat. Alumiinium), - perioodilises süsteemis on alumiinium kolmandas perioodis, kolmanda rühma põhialarühmas. Põhitasu +13. Aatomi elektrooniline struktuur on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Metalli aatomiraadius on 0,143 nm, kovalentne 0,126 nm, Al 3+ iooni tingimuslik raadius on 0,057 nm. Ionisatsioonienergia Al - Al + 5,99 eV.
Alumiiniumi aatomi kõige iseloomulikum oksüdatsiooniaste on +3. Negatiivne oksüdatsiooniaste on haruldane. Aatomi välises elektronkihis on vabad d-alatasemed. Tänu sellele võib selle koordinatsiooniarv ühendites olla mitte ainult 4 (AlCl 4-, AlH 4-, alumosilikaadid), vaid ka 6 (Al 2 O 3, 3+).
Ajaloo viide. Nimetus alumiinium pärineb latist. alumen – nii aastal 500 eKr. nimetatakse alumiiniummaarjaks, mida kasutati peitsina kangaste värvimisel ja naha parkimisel. Taani teadlane H. K. Oersted sai 1825. aastal kaaliumi amalgaamiga veevaba AlCl 3 toimel ja seejärel elavhõbeda eemale peletades suhteliselt puhta alumiiniumi. Esimese tööstusliku meetodi alumiiniumi tootmiseks pakkus 1854. aastal välja prantsuse keemik A.E. St. Clair Deville: meetod seisnes alumiiniumi ja naatriumi topeltkloriidi Na 3 AlCl 6 redutseerimises naatriummetalliga. Värvilt hõbedale sarnane oli alumiinium alguses väga kallis. Aastatel 1855–1890 toodeti ainult 200 tonni alumiiniumi. Kaasaegse meetodi alumiiniumi tootmiseks krüoliit-alumiiniumoksiidi sulami elektrolüüsi teel töötasid 1886. aastal välja samaaegselt ja üksteisest sõltumatult C. Hall USA-s ja P. Héroux Prantsusmaal.
Looduses olemine
Alumiinium on maapõues kõige enam leiduv metall. See moodustab 5,5–6,6 mol. osa% ehk 8 massiprotsenti. Selle põhimass on koondunud alumosilikaatidesse. Nende moodustunud kivimite hävimise äärmiselt levinud saadus on savi, mille põhikoostis vastab valemile Al 2 O 3. 2SiO2. 2H 2 O. Teistest alumiiniumi looduslikest vormidest on boksiit Al 2 O 3 kõige olulisem. xH 2 O ja mineraalid korund Al 2 O 3 ja krüoliit AlF 3. 3NaF.
Kviitung
Praegu toodetakse alumiiniumi tööstuses sulatatud krüoliidis oleva alumiiniumoksiidi Al 2 O 3 lahuse elektrolüüsi teel. Al 2 O 3 peab olema piisavalt puhas, kuna sulatatud alumiiniumist eemaldatakse lisandid suurte raskustega. Al 2 O 3 sulamistemperatuur on umbes 2050 o C ja krüoliidi oma 1100 o C. Krüoliidi ja Al 2 O 3 sula segu, mis sisaldab umbes 10 massiprotsenti Al 2 O 3, allutatakse elektrolüüsile, mis sulab. temperatuuril 960 o C ning sellel on protsessi jaoks kõige soodsam elektrijuhtivus, tihedus ja viskoossus. AlF 3, CaF 2 ja MgF 2 lisamisega on võimalik elektrolüüs 950°C juures.
Alumiiniumi sulatamiseks mõeldud elektrolüütelement on raudkest, mis on seestpoolt vooderdatud tulekindlate tellistega. Selle põhi (alumine), mis on kokku pandud kokkusurutud kivisöe plokkidest, toimib katoodina. Anoodid asuvad peal: need on söebrikettiga täidetud alumiiniumraamid.
Al 2 O 3 \u003d Al 3+ + AlO 3 3-
Katoodil eraldub vedel alumiinium:
Al 3+ + 3e - \u003d Al
Alumiinium kogutakse ahju põhja, kust see perioodiliselt vabastatakse. Anoodil vabaneb hapnik:
4AlO 3 3 - 12e - \u003d 2Al 2 O 3 + 3O 2
Hapnik oksüdeerib grafiidi süsinikoksiidideks. Süsiniku põlemisel tekib anood.
Alumiiniumi kasutatakse ka paljude sulamite legeeriva lisandina, et anda neile kuumakindlus.
Alumiiniumi füüsikalised omadused. Alumiinium ühendab endas väga väärtusliku omaduste komplekti: madal tihedus, kõrge soojus- ja elektrijuhtivus, kõrge plastilisus ja hea korrosioonikindlus. Seda saab kergesti sepistada, tembeldada, rullida, tõmmata. Alumiinium on hästi keevitatud gaasi-, kontakt- ja muud tüüpi keevitusega. Alumiiniumvõre on näo keskel, parameetriga a = 4,0413 Å. Alumiiniumi, nagu kõigi metallide, omadused sõltuvad suurel määral selle puhtusest. Kõrge puhtusastmega alumiiniumi (99,996%) omadused: tihedus (20 °C juures) 2698,9 kg/m 3; t pl 660,24 °C; t pall umbes 2500 °C; soojuspaisumise koefitsient (20 ° kuni 100 ° C) 23,86 10 -6; soojusjuhtivus (190 °C juures) 343 W/m K, erisoojusmahtuvus (100 °C juures) 931,98 J/kg K. ; elektrijuhtivus vase suhtes (temperatuuril 20 °C) 65,5%. Alumiiniumil on madal tugevus (tõmbetugevus 50–60 MN/m2), kõvadus (Brinelli järgi 170 MN/m2) ja kõrge elastsus (kuni 50%). Külmvaltsimisel tõuseb Alumiiniumi tõmbetugevus 115 MN/m 2-ni, kõvadus - kuni 270 MN/m 2, suhteline pikenemine väheneb 5%-ni (1 MN/m 2 ~ ja 0,1 kgf/mm 2). Alumiinium on hästi poleeritud, anodeeritud ja kõrge hõbedale lähedase peegelduvusega (peegeldab kuni 90% langeva valguse energiast). Kõrge hapnikuafiinsusega alumiinium on õhus kaetud õhukese, kuid väga tugeva oksiidkilega Al 2 O 3, mis kaitseb metalli edasise oksüdeerumise eest ja määrab selle kõrged korrosioonivastased omadused. Elavhõbeda, naatriumi, magneesiumi, vase jne lisandite korral väheneb oksiidkile tugevus ja kaitseefekt. Alumiinium on vastupidav atmosfääri korrosioonile, merele ja mageveele, praktiliselt ei suhtle kontsentreeritud või tugevalt lahjendatud lämmastikhappega. hape, orgaaniliste hapetega, toiduained.
Keemilised omadused
Peeneks jaotatud alumiiniumi kuumutamisel põleb see õhu käes tugevalt. Selle koostoime väävliga kulgeb sarnaselt. Kloori ja broomi puhul tekib kombinatsioon juba tavalisel temperatuuril, joodiga - kuumutamisel. Väga kõrgel temperatuuril ühineb alumiinium ka otse lämmastiku ja süsinikuga. Vastupidi, see ei suhtle vesinikuga.
Alumiinium on üsna veekindel. Kuid kui oksiidkile kaitsev toime eemaldatakse mehaaniliselt või liitmise teel, tekib energeetiline reaktsioon:
Väga lahjendatud, samuti väga kontsentreeritud HNO3 ja H2SO4 ei avalda alumiiniumile peaaegu mingit mõju (külmas), samas kui nende hapete keskmise kontsentratsiooni korral lahustub see järk-järgult. Puhas alumiinium on vesinikkloriidhappe suhtes üsna stabiilne, kuid tavaline tehniline metall lahustub selles.
Alumiiniumi leeliseliste vesilahuste toimel lahustub oksiidikiht ja moodustuvad aluminaadid - aniooni koostises alumiiniumi sisaldavad soolad:
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na
Alumiinium, millel puudub kaitsekile, suhtleb veega, tõrjudes sellest välja vesiniku:
2Al + 6H 2O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2
Saadud alumiiniumhüdroksiid reageerib leelise liiaga, moodustades hüdroksoaluminaadi:
Al(OH)3 + NaOH = Na
Alumiiniumi lahustumise üldvõrrand leelise vesilahuses:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2
Alumiinium lahustub märgatavalt soolalahustes, millel on hüdrolüüsi tõttu happeline või aluseline reaktsioon, näiteks Na2CO3 lahuses.
Pingete seerias paikneb see Mg ja Zn vahel. Kõigis oma stabiilsetes ühendites on alumiinium kolmevalentne.
Alumiiniumi ja hapniku kombinatsiooniga kaasneb tohutu soojuse eraldumine (1676 kJ/mol Al 2 O 3 ), mis on palju suurem kui paljude teiste metallide puhul. Seda silmas pidades, kui vastava metalloksiidi segu kuumutatakse alumiiniumipulbriga, tekib äge reaktsioon, mille tulemusel vabaneb võetud oksiidist vaba metall. Redutseerimismeetodit Al-iga (alumiinium) kasutatakse sageli mitme elemendi (Cr, Mn, V, W jne) saamiseks vabas olekus.
Aluminotermiat kasutatakse mõnikord üksikute terasdetailide, eriti trammirööbaste liitekohtade keevitamiseks. Kasutatav segu ("termiit") koosneb tavaliselt alumiiniumi ja Fe 3 O 4 peentest pulbritest. See süüdatakse Al ja BaO 2 segust valmistatud kaitsmega. Peamine reaktsioon toimub vastavalt võrrandile:
8Al + 3Fe3O4 = 4Al 2O3 + 9Fe + 3350 kJ
Lisaks tõuseb temperatuur umbes 3000 o C.
Alumiiniumoksiid on valge, väga tulekindel (mp 2050 o C) ja vees lahustumatu mass. Looduslik Al 2 O 3 (korundmineraal), samuti kunstlikult saadud ja seejärel tugevalt kaltsineeritud, eristub kõrge kõvaduse ja hapetes lahustumatuse poolest. Al 2 O 3 (nn alumiiniumoksiid) saab leelistega sulamise teel muuta lahustuvaks olekuks.
Looduslikku korundi, mis on tavaliselt raudoksiidiga saastunud, kasutatakse selle äärmise kõvaduse tõttu lihvketaste, vardade jms valmistamiseks. Peeneks purustatud kujul nimetatakse seda smirgeliks ja seda kasutatakse metallpindade puhastamiseks ja liivapaberi valmistamiseks. Samadel eesmärkidel kasutatakse sageli Al 2 O 3, mis saadakse boksiidi (tehniline nimetus - alund) sulatamisel.
Läbipaistvad värvilised korundi kristallid - punane rubiin - kroomi segu - ja sinine safiir - titaani ja raua segu - vääriskivid. Neid saadakse ka kunstlikult ja kasutatakse tehnilistel eesmärkidel, näiteks täppisinstrumentide osade, kellade kivide jms valmistamiseks. Väikest Cr 2 O 3 lisandit sisaldavaid rubiinikristalle kasutatakse kvantgeneraatoritena – laseritena, mis loovad suunatud monokromaatilise kiirguse kiire.
Al 2 O 3 vees lahustumatuse tõttu on sellele oksiidile vastavat hüdroksiidi Al(OH) 3 võimalik saada ainult kaudselt sooladest. Hüdroksiidi tootmist võib kujutada järgmisel skeemil. Leeliste toimel asendavad OH-ioonid järk-järgult 3+ veemolekule akvokompleksides:
3+ + OH - \u003d 2+ + H2O
2+ + OH- = + + H2O
OH - \u003d 0 + H2O
Al(OH)3 on mahukas valge želatiinsete sade, mis praktiliselt ei lahustu vees, kuid lahustub kergesti hapetes ja tugevates leelistes. Seetõttu on sellel amfoteerne iseloom. Selle aluselised ja eriti happelised omadused on aga üsna nõrgalt väljendunud. Üle NH4OH on alumiiniumhüdroksiid lahustumatu. Dehüdreeritud hüdroksiidi ühte vormi, alumiiniumgeeli, kasutatakse inseneritöös adsorbendina.
Tugevate leelistega suhtlemisel moodustuvad vastavad aluminaadid:
NaOH + Al(OH)3 = Na
Kõige aktiivsemate ühevalentsete metallide aluminaadid lahustuvad vees hästi, kuid tugeva hüdrolüüsi tõttu on nende lahused stabiilsed ainult piisava leelise liia juuresolekul. Nõrgematest alustest toodetud aluminaadid hüdrolüüsitakse lahuses peaaegu täielikult ja seetõttu on neid võimalik saada ainult kuival teel (Al 2 O 3 legeerimisel vastavate metallide oksiididega). Tekivad metaaluminaadid, mis oma koostises on toodetud metaalumiiniumhappest HAlO 2 . Enamik neist on vees lahustumatud.
Al(OH)3 moodustab hapetega sooli. Enamiku tugevate hapete derivaadid lahustuvad vees hästi, kuid on pigem hüdrolüüsitud ja seetõttu ilmneb nende lahustes happeline reaktsioon. Alumiiniumi ja nõrkade hapete lahustuvad soolad hüdrolüüsitakse veelgi tugevamalt. Hüdrolüüsi tõttu ei saa vesilahustest saada sulfiide, karbonaati, tsüaniidi ja mõningaid muid alumiiniumsoolasid.
Vesikeskkonnas ümbritseb Al 3+ anioon vahetult kuue veemolekuliga. Selline hüdreeritud ioon on skeemi kohaselt mõnevõrra dissotsieerunud:
3+ + H2O \u003d 2+ + OH 3+
Selle dissotsiatsioonikonstant on 1. 10 -5 , s.o. see on nõrk hape (tugevuselt sarnane äädikhappele). Kuue veemolekuliga Al 3+ oktaeedriline keskkond säilib ka mitmete alumiiniumisoolade kristalsetes hüdraatides.
Alumosilikaate võib pidada silikaatideks, milles osa räni-hapniku tetraeedrist SiO 4 4 - asendub alumiinium-hapniku tetraeedriga AlO 4 5- Alumosilikaatidest on kõige levinumad päevakivid, mis moodustavad üle poole tetraeedri massist. maakoor. Nende peamised esindajad on mineraalid
ortoklass K 2 Al 2 Si 6 O 16 või K 2 O . Al2O3. 6SiO2
albite Na2Al2Si6O16 või Na2O. Al2O3. 6SiO2
anortiit CaAl 2 Si 2 O 8 või CaO. Al2O3. 2SiO2
Vilgukivi rühma mineraalid on väga levinud, näiteks muskoviit Kal 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2. Suur praktiline tähtsus on mineraalne nefeliin (Na, K) 2, mida kasutatakse alumiiniumoksiidi, soodatoodete ja tsemendi saamiseks. See tootmine koosneb järgmistest toimingutest: a) nefeliin ja lubjakivi paagutatakse toruahjudes temperatuuril 1200 °C:
(Na, K) 2 + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2
b) saadud mass leostatakse veega - moodustub naatrium- ja kaaliumaluminaatide lahus ning CaSiO 3 muda:
NaAlO 2 + KAlO 2 + 4H 2 O \u003d Na + K
c) Paagutamisel tekkiv CO 2 juhitakse läbi aluminaatide lahuse:
Na + K + 2CO 2 = NaHCO 3 + KHCO 3 + 2Al(OH) 3
d) Al(OH)3 alumiiniumoksiidi kuumutamine saadakse:
2Al(OH)3 \u003d Al2O3 + 3H2O
e) emalahuse aurustamisega eraldatakse sooda ja potage ning eelnevalt saadud muda kasutatakse tsemendi tootmiseks.
1 t Al 2 O 3 tootmisel saadakse 1 t soodatooteid ja 7,5 t tsementi.
Mõnedel alumosilikaatidel on lahtine struktuur ja nad on võimelised ioonivahetust tegema. Selliseid silikaate – looduslikke ja eriti kunstlikke – kasutatakse vee pehmendamiseks. Lisaks kasutatakse neid kõrgelt arenenud pinna tõttu katalüsaatorikandjatena, s.t. katalüsaatoriga immutatud materjalidena.
Alumiiniumhalogeniidid on tavatingimustes värvitud kristalsed ained. Alumiiniumhalogeniidide seerias erineb AlF 3 omaduste poolest suuresti oma analoogidest. See on tulekindel, vees kergelt lahustuv, keemiliselt inaktiivne. Peamine meetod AlF 3 saamiseks põhineb veevaba HF toimel Al 2 O 3 või Al:
Al2O3 + 6HF = 2AlF3 + 3H2O
Alumiiniumiühendid kloori, broomi ja joodiga on sulavad, väga reaktsioonivõimelised ja hästi lahustuvad mitte ainult vees, vaid ka paljudes orgaanilistes lahustites. Alumiiniumhalogeniidide interaktsiooniga veega kaasneb märkimisväärne soojuse eraldumine. Vesilahuses on need kõik tugevalt hüdrolüüsitud, kuid erinevalt tüüpilistest mittemetalliliste hapete halogeniididest on nende hüdrolüüs mittetäielik ja pöörduv. Olles juba tavatingimustes märgatavalt lenduv, suitsevad AlCl 3, AlBr 3 ja AlI 3 niiskes õhus (hüdrolüüsi tõttu). Neid saab saada lihtsate ainete otsesel koostoimel.
AlCl 3 , AlBr 3 ja AlI 3 aurutihedused suhteliselt madalatel temperatuuridel vastavad enam-vähem täpselt kahekordistatud valemitele - Al 2 Hal 6 . Nende molekulide ruumiline struktuur vastab kahele ühise servaga tetraeedrile. Iga alumiiniumi aatom on seotud nelja halogeeniaatomiga ja iga keskne halogeeni aatom on seotud mõlema alumiiniumi aatomiga. Keskse halogeeni aatomi kahest sidemest on üks doonor-aktseptor, kusjuures alumiinium toimib aktseptorina.
Mitmete ühevalentsete metallide halogeniidsooladega moodustavad alumiiniumhalogeniidid kompleksühendeid, peamiselt M 3 ja M tüüpi (kus Hal on kloor, broom või jood). Kalduvus liitumisreaktsioonidele on vaadeldavate halogeniidide puhul üldiselt tugevalt väljendunud. See on AlCl 3 kui katalüsaatori kõige olulisema tehnilise kasutuse põhjus (nafta rafineerimisel ja orgaanilises sünteesis).
Fluoroaluminaatidest on krüoliit Na 3 suurim kasutusala (Al, F 2, emailide, klaasi jne tootmiseks). Kunstliku krüoliidi tööstuslik tootmine põhineb alumiiniumhüdroksiidi töötlemisel vesinikfluoriidhappe ja soodaga:
2Al(OH)3 + 12HF + 3Na2CO3 = 2Na3 + 3CO2 + 9H2O
Kloro-, bromo- ja jodoaluminaadid saadakse alumiiniumtrihalogeniidide sulatamisel vastavate metallide halogeniididega.
Kuigi alumiinium ei reageeri keemiliselt vesinikuga, võib alumiiniumhüdriidi saada kaudselt. See on valge amorfse koostisega mass (AlH 3) n . Laguneb kuumutamisel üle 105 ° C vesiniku vabanemisega.
Kui AlH3 interakteerub aluseliste hüdriididega eetrilahuses, tekivad hüdroaluminaadid:
LiH + AlH3 = Li
Hüdridoaluminaadid on valged tahked ained. Vee toimel kiiresti lagunev. Nad on võimsad taastajad. Kasutatakse (eriti Li) orgaanilises sünteesis.
Alumiiniumsulfaat Al 2 (SO 4) 3. 18H 2 O saadakse kuuma väävelhappe toimel alumiiniumoksiidile või kaoliinile. Seda kasutatakse vee puhastamiseks, samuti teatud tüüpi paberi valmistamiseks.
Kaaliummaarjas KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O kasutatakse suurtes kogustes naha parkimisel, samuti värvimisel puuvillase riide peitsina. Viimasel juhul põhineb maarja toime asjaolul, et nende hüdrolüüsi tulemusena moodustunud alumiiniumhüdroksiid ladestub kanga kiududesse peeneks hajutatud olekus ja adsorbeerides värvi, hoiab seda kindlalt kiul. .
Teistest alumiiniumi derivaatidest tuleb mainida selle atsetaati (muidu äädikhappe soola) Al(CH 3 COO) 3, mida kasutatakse kangaste värvimisel (peitmena) ja meditsiinis (losjoonid ja kompressid). Alumiiniumnitraat lahustub vees kergesti. Alumiiniumfosfaat ei lahustu vees ja äädikhappes, kuid lahustub tugevates hapetes ja leelistes.
alumiinium korpuses. Alumiinium on osa loomade ja taimede kudedest; imetajate elundites leiti 10-3 kuni 10-5% alumiiniumi (tooraine kohta). Alumiinium koguneb maksa, kõhunäärmesse ja kilpnäärmesse. Taimsetes toodetes on alumiiniumi sisaldus vahemikus 4 mg 1 kg kuivaine kohta (kartul) kuni 46 mg (kollane naeris), loomsetes toodetes - 4 mg (mesi) kuni 72 mg 1 kg kuivaine kohta (veiseliha) . Inimese igapäevases toidus ulatub alumiiniumisisaldus 35-40 mg-ni. Tuntud on organismid - alumiiniumi kontsentraatorid, näiteks samblad (Lycopodiaceae), mis sisaldavad tuhas kuni 5,3% alumiiniumi, molluskid (Helix ja Lithorina), mille tuhas 0,2–0,8% alumiiniumi. Moodustades fosfaatidega lahustumatuid ühendeid, häirib alumiinium taimede (fosfaadi imendumine juurtest) ja loomade toitumist (fosfaadi imendumine soolestikus).
Alumiiniumi geokeemia. Alumiiniumi geokeemilised omadused määravad ära selle kõrge afiinsus hapniku suhtes (mineraalides sisaldub alumiinium hapnikuoktaeedrites ja tetraeedrites), püsiv valents (3) ja enamiku looduslike ühendite madal lahustuvus. Magma tahkestumise ja tardkivimite moodustumise käigus toimuvates endogeensetes protsessides satub alumiinium päevakivide, vilgukivide ja teiste mineraalide – alumosilikaatide – kristallvõresse. Biosfääris on alumiinium nõrk rändaja, seda leidub organismides ja hüdrosfääris vähe. Niiskes kliimas, kus rohke taimestiku kõdunevad jäänused moodustavad palju orgaanilisi happeid, rändab alumiinium muldades ja vetes mineraalsete orgaaniliste kolloidühenditena; alumiinium adsorbeerub kolloidide poolt ja sadestub pinnase alumises osas. Side alumiiniumi ja räni vahel katkeb osaliselt ja troopikas tekivad kohati mineraalid - alumiiniumhüdroksiidid - böömiit, diaspoor, hüdrargilliit. Suurem osa alumiiniumist on osa aluminosilikaatidest – kaoliniidist, beideliidist ja teistest savimineraalidest. Nõrk liikuvus määrab alumiiniumi jääkkuhjumise niiske troopika ilmastikukoores. Selle tulemusena moodustuvad eluviaalsed boksiidid. Varasematel geoloogilistel ajastutel kogunesid boksiidid ka järvedesse ja troopiliste piirkondade merede rannikuvööndisse (näiteks Kasahstani setteboksiidid). Steppides ja kõrbetes, kus elusainet on vähe ning veed on neutraalsed ja aluselised, alumiinium peaaegu ei rända. Alumiiniumi ränne on kõige jõulisem vulkaanilistel aladel, kus vaadeldakse ülihappelist alumiiniumirikast jõe- ja maa-alust vett. Kohtades, kus happelised veed nihkuvad leeliselise merega (jõgede jm suudmes), ladestub alumiinium koos boksiidisademete moodustumisega.
Alumiiniumi rakendus. Alumiiniumi füüsikaliste, mehaaniliste ja keemiliste omaduste kombinatsioon määrab selle laialdase kasutuse peaaegu kõigis tehnoloogiavaldkondades, eriti sulamite kujul teiste metallidega. Elektrotehnikas asendab alumiinium edukalt vaske, eriti massiivsete juhtmete tootmisel, näiteks õhuliinides, kõrgepingekaablites, jaotusseadmete siinides, trafodes (alumiiniumi elektrijuhtivus ulatub 65,5% vase elektrijuhtivusest ja see on rohkem kui kolm korda kergem kui vask; sama juhtivuse tagava ristlõikega on alumiiniumtraatide mass poole väiksem kui vasktraat). Ülipuhast alumiiniumi kasutatakse elektrikondensaatorite ja alaldite tootmisel, mille töö põhineb alumiiniumoksiidkile võimel edastada elektrivoolu ainult ühes suunas. Tsoonsulatusega puhastatud ülipuhast alumiiniumi kasutatakse pooljuhtseadmete tootmiseks kasutatavate A III B V tüüpi pooljuhtühendite sünteesiks. Puhast alumiiniumi kasutatakse erinevate peegelhelkurite tootmisel. Kõrge puhtusastmega alumiiniumi kasutatakse metallpindade kaitsmiseks atmosfääri korrosiooni eest (vooder, alumiiniumvärv). Suhteliselt madala neutronite neeldumise ristlõikega alumiiniumi kasutatakse tuumareaktorites konstruktsioonimaterjalina.
Suure mahutavusega alumiiniummahutites hoitakse ja transporditakse vedelgaase (metaan, hapnik, vesinik jne), lämmastik- ja äädikhappeid, puhast vett, vesinikperoksiidi ja toiduõlisid. Alumiiniumi kasutatakse laialdaselt toiduainetööstuse seadmetes ja aparaatides, toiduainete pakendamiseks (fooliumi kujul), erinevate majapidamistarvete tootmiseks. Järsult on kasvanud alumiiniumi tarbimine hoonete, arhitektuuri-, transpordi- ja spordirajatiste viimistlemisel.
Metallurgias on alumiinium (välja arvatud sellel põhinevad sulamid) üks levinumaid legeerivaid lisandeid Cu, Mg, Ti, Ni, Zn ja Fe baasil valmistatud sulamites. Alumiiniumi kasutatakse ka terase deoksüdeerimiseks enne selle vormi valamist, samuti teatud metallide saamise protsessides aluminotermilisel meetodil. Alumiiniumi baasil loodi pulbermetallurgia abil SAP (paagutatud alumiiniumpulber), millel on kõrge kuumakindlus temperatuuril üle 300 ° C.
Alumiiniumi kasutatakse lõhkeainete (ammonaal, alumotool) tootmisel. Laialdaselt kasutatakse erinevaid alumiiniumiühendeid.
Alumiiniumi tootmine ja tarbimine kasvab pidevalt, ületades kasvutempo poolest oluliselt terase, vase, plii ja tsingi tootmist.
Kasutatud kirjanduse loetelu
1. V.A. Rabinovitš, Z. Ya. Khavin "Kokkuvõtlik keemiline viide"
2. L.S. Guzey "Loengud üldisest keemiast"
3. N.S. Akhmetov "Üldine ja anorgaaniline keemia"
4. B.V. Nekrasov "Üldise keemia õpik"
5. N.L. Glinka "Üldine keemia"
MÄÄRATLUS
Alumiiniumist asub III perioodil perioodilise tabeli põhi(A) alagrupi III grupp. See on 3. perioodi esimene p-element.
Metallist. Nimetus - Al. Järjearv - 13. Suhteline aatommass - 26,981 a.m.u.
Alumiiniumi aatomi elektrooniline struktuur
Alumiiniumi aatom koosneb positiivselt laetud tuumast (+13), mille sees on 13 prootonit ja 14 neutronit. Tuum on ümbritsetud kolme kestaga, mida mööda liigub 13 elektroni.
Riis. 1. Alumiiniumi aatomi struktuuri skemaatiline esitus.
Elektronide jaotus orbitaalidel on järgmine:
13Al) 2) 8) 3 ;
1s 2 2s 2 2lk 6 3s 2 3lk 1 .
Alumiiniumi välisel energiatasemel on kolm elektroni, kõik 3. alamtaseme elektronid. Energiadiagramm on järgmisel kujul:
Teoreetiliselt on alumiiniumi aatomi jaoks võimalik ergastatud olek vaba 3 olemasolu tõttu d-orbitaalid. Kuid elektronide lagunemine 3 s- alamtaset tegelikult ei esine.
Näited probleemide lahendamisest
NÄIDE 1
