Kemijska svojstva aluminijskog stola. Struktura atoma aluminija
Svaki kemijski element može se promatrati sa stajališta triju znanosti: fizike, kemije i biologije. I u ovom ćemo članku pokušati što točnije okarakterizirati aluminij. Ovo je kemijski element koji se prema periodnom sustavu nalazi u trećoj skupini i trećoj periodi. Aluminij je metal srednje kemijske aktivnosti. Također se u njegovim spojevima mogu uočiti amfoterna svojstva. Atomska masa aluminija je dvadeset i šest grama po molu.
Fizička svojstva aluminija
U normalnim je uvjetima čvrsta tvar. Formula za aluminij je vrlo jednostavna. Sastoji se od atoma (ne spajaju se u molekule), koji su uz pomoć kristalne rešetke izgrađeni u kontinuiranu tvar. Boja aluminija - srebrno-bijela. Osim toga, ima metalni sjaj, kao i sve druge tvari ove skupine. Boja aluminija koji se koristi u industriji može varirati zbog prisutnosti nečistoća u leguri. To je prilično lagan metal.
Njegova gustoća je 2,7 g / cm3, odnosno približno je tri puta lakši od željeza. U tome može ustupiti samo magneziju, koji je čak i lakši od dotičnog metala. Tvrdoća aluminija je prilično niska. U njemu je inferioran većini metala. Tvrdoća aluminija je samo 2. Stoga se za njegovo ojačanje u legure na bazi ovog metala dodaju tvrđi.
Taljenje aluminija događa se na temperaturi od samo 660 stupnjeva Celzijusa. I vrije kada se zagrije na temperaturu od dvije tisuće četiri stotine pedeset i dva stupnja Celzijusa. To je vrlo duktilan i topljiv metal. Fizička svojstva aluminija tu ne završavaju. Također bih želio napomenuti da ovaj metal ima najbolju električnu vodljivost nakon bakra i srebra.
Rasprostranjenost u prirodi
Aluminij, čije smo tehničke karakteristike upravo pregledali, prilično je čest u okruženju. Može se uočiti u sastavu mnogih minerala. Element aluminij je četvrti najčešći element u prirodi. U zemljinoj kori ga ima gotovo devet posto. Glavni minerali u kojima su prisutni njegovi atomi su boksit, korund, kriolit. Prva je stijena, koja se sastoji od oksida željeza, silicija i dotičnog metala, a u strukturi su prisutne i molekule vode. Ima heterogenu boju: fragmenti sive, crvenkasto-smeđe i druge boje, koje ovise o prisutnosti raznih nečistoća. Od trideset do šezdeset posto ove pasmine je aluminij, čija se fotografija može vidjeti gore. Osim toga, korund je vrlo čest mineral u prirodi.
Ovo je aluminijev oksid. Njegova kemijska formula je Al2O3. Može biti crvena, žuta, plava ili smeđa. Njegova tvrdoća na Mohsovoj skali je devet jedinica. Sorte korunda uključuju dobro poznate safire i rubine, leukosafire, kao i padparadscha (žuti safir).
Kriolit je mineral koji ima složeniju kemijsku formulu. Sastoji se od aluminijevih i natrijevih fluorida - AlF3.3NaF. Izgleda kao bezbojan ili sivkast kamen s niskom tvrdoćom - samo tri na Mohsovoj ljestvici. U suvremenom svijetu sintetizira se umjetno u laboratoriju. Koristi se u metalurgiji.
Aluminij se u prirodi nalazi i u sastavu glina čiji su glavni sastojci oksidi silicija i dotičnog metala povezani s molekulama vode. Osim toga, ovaj kemijski element može se promatrati u sastavu nefelina, čija je kemijska formula sljedeća: KNa34.
Priznanica
Karakterizacija aluminija uključuje razmatranje metoda njegove sinteze. Postoji nekoliko metoda. Proizvodnja aluminija prvom metodom odvija se u tri faze. Posljednji od njih je postupak elektrolize na katodi i ugljičnoj anodi. Za izvođenje takvog procesa potreban je aluminijev oksid, kao i pomoćne tvari kao što su kriolit (formula - Na3AlF6) i kalcijev fluorid (CaF2). Da bi došlo do procesa razgradnje aluminijevog oksida otopljenog u vodi, potrebno ga je zagrijati zajedno s rastaljenim kriolitom i kalcijevim fluoridom na temperaturu od najmanje devetsto pedeset stupnjeva Celzijusa, a zatim struju od osamdeset tisuća ampera i napon od pet do osam volti. Dakle, kao rezultat ovog procesa, aluminij će se taložiti na katodi, a molekule kisika će se skupljati na anodi, koje, pak, oksidiraju anodu i pretvaraju je u ugljični dioksid. Prije izvođenja ovog postupka, boksit, u obliku kojeg se vadi aluminijev oksid, prethodno se čisti od nečistoća, a također prolazi kroz proces njegove dehidracije.
Proizvodnja aluminija na gore opisani način vrlo je česta u metalurgiji. Postoji i metoda koju je 1827. izumio F. Wehler. Leži u činjenici da se aluminij može iskopati pomoću kemijske reakcije između njegovog klorida i kalija. Moguće je provesti takav proces samo stvaranjem posebnih uvjeta u obliku vrlo visoke temperature i vakuuma. Dakle, od jednog mola klorida i istog volumena kalija može se dobiti jedan mol aluminija i tri mola kao nusprodukt. Ova se reakcija može napisati kao sljedeća jednadžba: AÍSÍ3 + 3K = AÍ + 3KÍ. Ova metoda nije stekla veliku popularnost u metalurgiji.
Svojstva aluminija u kemijskom smislu
Kao što je gore spomenuto, ovo je jednostavna tvar koja se sastoji od atoma koji nisu spojeni u molekule. Slične strukture tvore gotovo sve metale. Aluminij ima prilično visoku kemijsku aktivnost i jaka redukcijska svojstva. Kemijska karakterizacija aluminija počet će opisom njegovih reakcija s drugim jednostavnim tvarima, a potom će biti opisane interakcije sa složenim anorganskim spojevima.
Aluminij i jednostavne tvari
To uključuje, prije svega, kisik - najčešći spoj na planetu. Dvadeset i jedan posto Zemljine atmosfere sastoji se od njega. Reakcije određene tvari s bilo kojom drugom nazivaju se oksidacija ili izgaranje. Obično se javlja pri visokim temperaturama. Ali u slučaju aluminija, oksidacija je moguća u normalnim uvjetima - tako nastaje oksidni film. Ako se ovaj metal zgnječi, on će gorjeti, pri čemu će se osloboditi velika količina energije u obliku topline. Za izvođenje reakcije između aluminija i kisika potrebne su ove komponente u molarnom omjeru 4:3, što rezultira u dva dijela oksida.
Ova kemijska interakcija izražava se sljedećom jednadžbom: 4AÍ + 3O2 = 2AÍO3. Moguće su i reakcije aluminija s halogenima, koji uključuju fluor, jod, brom i klor. Nazivi ovih procesa potječu od naziva odgovarajućih halogena: fluoriranje, jodiranje, bromiranje i kloriranje. Ovo su tipične reakcije dodavanja.
Na primjer, dajemo interakciju aluminija s klorom. Ovakav proces može se dogoditi samo na hladnoći.
Dakle, uzimajući dva mola aluminija i tri mola klora, dobivamo kao rezultat dva mola klorida dotičnog metala. Jednadžba za ovu reakciju je sljedeća: 2AÍ + 3SÍ = 2AÍSÍ3. Na isti način mogu se dobiti aluminijev fluorid, njegov bromid i jodid.
Sa sumporom, predmetna tvar reagira samo kada se zagrije. Da biste izvršili interakciju između ova dva spoja, trebate ih uzeti u molarnim omjerima od dva do tri, a nastaje jedan dio aluminijevog sulfida. Jednadžba reakcije ima sljedeći oblik: 2Al + 3S = Al2S3.
Osim toga, na visokim temperaturama aluminij stupa u interakciju s ugljikom, tvoreći karbid, i s dušikom, tvoreći nitrid. Kao primjer mogu se navesti sljedeće jednadžbe kemijskih reakcija: 4AI + 3C = AI4C3; 2Al + N2 = 2AlN.
Interakcija sa složenim tvarima
To uključuje vodu, soli, kiseline, baze, okside. Sa svim tim kemijskim spojevima aluminij reagira na različite načine. Pogledajmo pobliže svaki slučaj.
Reakcija s vodom
Aluminij pri zagrijavanju stupa u interakciju s najčešćom složenom tvari na Zemlji. To se događa samo u slučaju prethodnog uklanjanja oksidnog filma. Kao rezultat interakcije nastaje amfoterni hidroksid, a vodik se također oslobađa u zrak. Uzimajući dva dijela aluminija i šest dijelova vode, dobivamo hidroksid i vodik u molarnim omjerima od dva do tri. Jednadžba ove reakcije napisana je na sljedeći način: 2AÍ + 6N2O = 2AÍ (ON) 3 + 3N2.
Interakcija s kiselinama, bazama i oksidima
Kao i drugi aktivni metali, aluminij može ući u reakciju supstitucije. Pritom može istisnuti vodik iz kiseline ili kation pasivnijeg metala iz njegove soli. Kao rezultat takvih interakcija nastaje aluminijeva sol i oslobađa se vodik (u slučaju kiseline) ili se taloži čisti metal (koji je manje aktivan od onog koji se razmatra). U drugom slučaju očituju se restorativna svojstva koja su gore spomenuta. Primjer je međudjelovanje aluminija s kojim nastaje aluminijev klorid i vodik se oslobađa u zrak. Ova vrsta reakcije izražava se sljedećom jednadžbom: 2AI + 6HCI = 2AICI3 + 3H2.
Primjer interakcije aluminija sa soli je njegova reakcija s. Uzimajući ove dvije komponente, na kraju ćemo dobiti čisti bakar, koji će se istaložiti. S kiselinama kao što su sumporna i dušična, aluminij reagira na neobičan način. Na primjer, kada se aluminij doda razrijeđenoj otopini nitratne kiseline u molarnom omjeru osam prema trideset, nastaje osam dijelova nitrata dotičnog metala, tri dijela dušikovog oksida i petnaest dijelova vode. Jednadžba za ovu reakciju napisana je na sljedeći način: 8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O. Ovaj se proces događa samo u prisutnosti visoke temperature.
Pomiješamo li aluminij i slabu otopinu sulfatne kiseline u molarnom omjeru dva prema tri, dobivamo sulfat dotičnog metala i vodik u omjeru jedan prema tri. To jest, dogodit će se obična reakcija supstitucije, kao što je slučaj s drugim kiselinama. Radi jasnoće predstavljamo jednadžbu: 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2. Međutim, s koncentriranom otopinom iste kiseline sve je kompliciranije. Ovdje, kao iu slučaju nitrata, nastaje nusprodukt, ali ne u obliku oksida, već u obliku sumpora i vode. Ako uzmemo dvije komponente koje su nam potrebne u molarnom omjeru dva prema četiri, tada kao rezultat dobivamo jedan dio soli dotičnog metala i sumpora, kao i četiri vode. Ova kemijska interakcija može se izraziti pomoću sljedeće jednadžbe: 2Al + 4H2SO4 = Al2(SO4)3 + S + 4H2O.
Osim toga, aluminij može reagirati s alkalijskim otopinama. Da biste izvršili takvu kemijsku interakciju, trebate uzeti dva mola dotičnog metala, istu količinu ili kalija, kao i šest mola vode. Kao rezultat toga nastaju tvari poput natrijevog ili kalijevog tetrahidroksoaluminata, kao i vodik koji se oslobađa kao plin oštrog mirisa u molarnim omjerima od dva do tri. Ova kemijska reakcija može se prikazati kao sljedeća jednadžba: 2AI + 2KOH + 6H2O = 2K[AI(OH)4] + 3H2.
I posljednja stvar koju treba uzeti u obzir su obrasci interakcije aluminija s nekim oksidima. Najčešći i korišteni slučaj je Beketovljeva reakcija. Ona se, kao i mnoge druge gore spomenute, javlja samo pri visokim temperaturama. Dakle, za njegovu provedbu potrebno je uzeti dva mola aluminija i jedan mol željezovog oksida. Kao rezultat međudjelovanja ovih dviju tvari dobivamo aluminijev oksid i slobodno željezo u količini od jednog odnosno dva mola.
Upotreba predmetnog metala u industriji
Imajte na umu da je uporaba aluminija vrlo česta pojava. Prije svega, to treba zrakoplovnoj industriji. Uz to se koriste i legure na bazi predmetnog metala. Možemo reći da je prosječna letjelica 50% od aluminijskih legura, a motor 25%. Također, korištenje aluminija se provodi u procesu proizvodnje žica i kabela zbog njegove izvrsne električne vodljivosti. Osim toga, ovaj metal i njegove legure naširoko se koriste u automobilskoj industriji. Od ovih materijala izrađuju se karoserije automobila, autobusa, trolejbusa, nekih tramvaja, kao i vagona običnih i električnih vlakova.
Koristi se i za manje namjene, primjerice za izradu ambalaže za prehrambene i druge proizvode, posuđe. Za izradu srebrne boje potreban je prah dotičnog metala. Takva boja je potrebna za zaštitu željeza od korozije. Možemo reći da je aluminij drugi najčešće korišteni metal u industriji nakon željeza. Njegovi spojevi i on sam često se koriste u kemijskoj industriji. To je zbog posebnih kemijskih svojstava aluminija, uključujući njegova redukcijska svojstva i amfoternu prirodu njegovih spojeva. Hidroksid razmatranog kemijskog elementa neophodan je za pročišćavanje vode. Osim toga, koristi se u medicini tijekom proizvodnje cjepiva. Također se može naći u nekoj plastici i drugim materijalima.
Uloga u prirodi
Kao što je već spomenuto, aluminij se nalazi u velikim količinama u zemljinoj kori. Posebno je važan za žive organizme. Aluminij je uključen u regulaciju procesa rasta, formira vezivna tkiva, kao što su kosti, ligamenti i druga. Zahvaljujući ovom mikroelementu, procesi regeneracije tjelesnih tkiva odvijaju se brže. Njegov nedostatak karakteriziraju sljedeći simptomi: poremećaji razvoja i rasta kod djece, kod odraslih - kronični umor, smanjena izvedba, poremećena koordinacija pokreta, usporavanje regeneracije tkiva, slabost mišića, osobito u udovima. Do ovog fenomena može doći ako jedete premalo namirnica koje sadrže ovaj element u tragovima.
No, češći problem je višak aluminija u tijelu. U ovom slučaju često se opažaju sljedeći simptomi: nervoza, depresija, poremećaji spavanja, gubitak pamćenja, otpornost na stres, omekšavanje mišićno-koštanog sustava, što može dovesti do čestih prijeloma i uganuća. S dugotrajnim viškom aluminija u tijelu često nastaju problemi u radu gotovo svih organskih sustava.
Brojni razlozi mogu dovesti do ovog fenomena. Prije svega, znanstvenici su odavno dokazali da je posuđe od dotičnog metala neprikladno za kuhanje hrane u njemu, jer na visokim temperaturama dio aluminija ulazi u hranu, a kao rezultat toga konzumirate puno više toga mikroelemenata nego što je tijelu potrebno.
Drugi razlog je redovita uporaba kozmetike koja sadrži dotični metal ili njegove soli. Prije uporabe bilo kojeg proizvoda, morate pažljivo pročitati njegov sastav. Kozmetika nije iznimka.
Treći razlog je dugotrajno uzimanje lijekova koji sadrže puno aluminija. Kao i nepravilna uporaba vitamina i dodataka prehrani koji uključuju ovaj mikroelement.
Sada shvatimo koji proizvodi sadrže aluminij kako bismo regulirali svoju prehranu i pravilno organizirali jelovnik. Prije svega, to su mrkva, prerađeni sirevi, pšenica, stipsa, krumpir. Od voća preporučuju se avokado i breskve. Osim toga, aluminijem su bogati bijeli kupus, riža i mnoge ljekovite biljke. Također, kationi predmetnog metala mogu biti sadržani u vodi za piće. Da biste izbjegli povećan ili smanjen sadržaj aluminija u tijelu (međutim, kao i bilo kojeg drugog elementa u tragovima), morate pažljivo pratiti svoju prehranu i pokušati je učiniti što je moguće uravnoteženijom.
Aluminij
Aluminij- kemijski element III skupine periodnog sustava Mendeljejeva (atomski broj 13, atomska masa 26,98154). U većini spojeva aluminij je trovalentan, ali na visokim temperaturama također može pokazivati oksidacijsko stanje +1. Od spojeva ovog metala najvažniji je Al 2 O 3 oksid.
Aluminij- srebrno-bijeli metal, lagan (gustoća 2,7 g / cm 3), duktilan, dobar vodič struje i topline, talište 660 ° C. Lako se izvlači u žicu i mota u tanke listove. Aluminij je kemijski aktivan (na zraku je prekriven zaštitnim oksidnim filmom - aluminijev oksid.) Pouzdano štiti metal od daljnje oksidacije. Ali ako se aluminijski prah ili aluminijska folija jako zagriju, metal gori zasljepljujućim plamenom pretvarajući se u aluminijev oksid. Aluminij se otapa čak iu razrijeđenoj solnoj i sumpornoj kiselini, osobito pri zagrijavanju. Ali u visoko razrijeđenoj i koncentriranoj hladnoj dušičnoj kiselini aluminij se ne otapa. Kada vodene otopine lužina djeluju na aluminij, oksidni sloj se otapa i nastaju aluminati - soli koje sadrže aluminij u sastavu aniona:
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na.
Aluminij, bez zaštitnog filma, stupa u interakciju s vodom, istiskujući vodik iz nje:
2Al + 6H 2 O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2
Nastali aluminijev hidroksid reagira s viškom lužine, stvarajući hidroksoaluminat:
Al (OH) 3 + NaOH \u003d Na.
Ukupna jednadžba za otapanje aluminija u vodenoj otopini lužine ima sljedeći oblik:
2Al + 2NaOH + 6H2O \u003d 2Na + 3H2.
Aluminij aktivno komunicira s halogenima. Aluminijev hidroksid Al(OH) 3 je bijela, prozirna, želatinozna tvar.
Zemljina kora sadrži 8,8% aluminija. Treći je najzastupljeniji element u prirodi nakon kisika i silicija, a prvi među metalima. Dio je gline, glinenca, tinjca. Poznato je nekoliko stotina Al minerala (aluminosilikati, boksiti, aluniti i drugi). Najvažniji mineral aluminija - boksit sadrži 28-60% glinice - aluminijevog oksida Al 2 O 3 .
U čistom obliku aluminij je prvi dobio danski fizičar H. Oersted 1825. godine, iako je to najčešći metal u prirodi.
Proizvodnja aluminija odvija se elektrolizom aluminijevog oksida Al 2 O 3 u kriolitnoj talini NaAlF 4 na temperaturi od 950 °C.
Aluminij se koristi u zrakoplovstvu, građevinarstvu, uglavnom u obliku aluminijevih legura s drugim metalima, elektrotehnici (zamjena za bakar u proizvodnji kabela i dr.), prehrambenoj industriji (folije), metalurgiji (dodatak legurama), aluminotermiji itd.
Gustoća aluminija, specifična težina i druge karakteristike.
Gustoća - 2,7*10 3 kg/m 3 ;
Specifična gravitacija - 2,7 G/ cm 3;
Specifična toplina na 20°C - 0,21 cal/deg;
Temperatura topljenja - 658,7°C;
Specifični toplinski kapacitet taljenja - 76,8 cal/deg;
Temperatura vrenja - 2000°C;
Relativna promjena volumena tijekom taljenja (ΔV/V) - 6,6%;
Koeficijent linearnog širenja(na cca. 20°C) :
- 22,9 * 10 6 (1 / stupanj);
Koeficijent toplinske vodljivosti aluminija - 180 kcal / m * sat * tuča;
Moduli elastičnosti aluminija i Poissonov omjer
Refleksija svjetlosti od aluminija
Brojevi navedeni u tablici pokazuju koliki se postotak svjetlosti koja pada okomito na površinu odbija od nje.
ALUMINIJ OKSID Al 2 O 3
Aluminijev oksid Al 2 O 3, koji se naziva i glinica, pojavljuje se prirodno u kristalnom obliku, tvoreći mineral korund. Korund ima vrlo visoku tvrdoću. Njegovi prozirni kristali, obojeni crvenom ili plavom bojom, dragocjeno su kamenje - rubin i safir. Trenutno se rubini dobivaju umjetno stapanjem s glinicom u električnoj peći. Koriste se ne toliko za nakit koliko u tehničke svrhe, na primjer, za proizvodnju dijelova za precizne instrumente, kamenje u satovima itd. Kristali rubina koji sadrže malu nečistoću Cr 2 O 3 koriste se kao kvantni generatori - laseri koji stvaraju usmjereni snop monokromatskog zračenja.
Korund i njegova sitnozrnata sorta, koja sadrži veliku količinu nečistoća - šmirgla, koriste se kao abrazivni materijali.
PROIZVODNJA ALUMINIJUMA
Glavna sirovina za proizvodnja aluminija su boksiti koji sadrže 32-60% glinice Al 2 O 3 . Najvažnije rude aluminija također uključuju alunit i nefelin. Rusija ima značajne rezerve aluminijskih ruda. Osim boksita, čija se velika nalazišta nalaze na Uralu i Baškiriji, nefelin, koji se vadi na poluotoku Kola, bogat je izvor aluminija. Mnogo aluminija nalazi se i u naslagama Sibira.
Aluminij se dobiva iz aluminijevog oksida Al 2 O 3 elektrolitičkom metodom. Aluminijev oksid koji se za to koristi mora biti dovoljno čist, jer se nečistoće teško uklanjaju iz taljenog aluminija. Pročišćeni Al 2 O 3 dobiva se preradom prirodnog boksita.
Glavni početni materijal za proizvodnju aluminija je aluminijev oksid. Ne provodi struju i ima vrlo visoko talište (oko 2050 °C), pa zahtijeva previše energije.
Potrebno je smanjiti talište aluminijevog oksida na najmanje 1000 o C. Ovu su metodu usporedno pronašli Francuz P. Eru i Amerikanac C. Hall. Otkrili su da se glinica dobro otapa u rastaljenom kriolitu, mineralu sastava AlF 3 . 3NaF. Ta se talina u proizvodnji aluminija podvrgava elektrolizi na temperaturi od samo oko 950 °C. Zalihe kriolita u prirodi su neznatne, pa je stvoren sintetski kriolit, što je znatno pojeftinilo proizvodnju aluminija.
Hidrolizi se podvrgava rastaljena smjesa kriolita Na 3 i aluminijevog oksida. Smjesa koja sadrži oko 10 težinskih postotaka Al 2 O 3 tali se na 960 °C i ima električnu vodljivost, gustoću i viskoznost koja je najpovoljnija za proces. Za daljnje poboljšanje ovih karakteristika u sastav smjese uvode se aditivi AlF 3 , CaF 2 i MgF 2 . To omogućuje elektrolizu na 950 °C.
Elektrolizer za taljenje aluminija je željezno kućište obloženo iznutra vatrostalnom opekom. Njegovo dno (ispod), sastavljeno od blokova komprimiranog ugljena, služi kao katoda. Anode (jedna ili više) nalaze se na vrhu: to su aluminijski okviri punjeni briketima ugljena. U modernim postrojenjima elektrolizatori su instalirani u nizu; svaka se serija sastoji od 150 ili više stanica.
Tijekom elektrolize na katodi se oslobađa aluminij, a na anodi kisik. Aluminij, koji ima veću gustoću od izvorne taline, skuplja se na dnu elektrolizatora, odakle se povremeno ispušta. Kako se metal oslobađa, u talinu se dodaju novi dijelovi aluminijevog oksida. Kisik koji se oslobađa tijekom elektrolize stupa u interakciju s ugljikom na anodi, koji izgara, stvarajući CO i CO 2 .
Prva tvornica aluminija u Rusiji izgrađena je 1932. u Volkhovu.
ALUMINIJSKE LEGURE
legure, koji povećavaju čvrstoću i druga svojstva aluminija, dobivaju se uvođenjem aditiva za legiranje u njega, kao što su bakar, silicij, magnezij, cink i mangan.
Duraluminijum(duraluminij, duraluminij, od imena njemačkog grada u kojem je započela industrijska proizvodnja legure). Aluminijska legura (baza) s bakrom (Cu: 2,2-5,2%), magnezijem (Mg: 0,2-2,7%), manganom (Mn: 0,2-1%). Podvrgnut je kaljenju i starenju, često obložen aluminijem. To je konstrukcijski materijal za zrakoplovstvo i prometno inženjerstvo.
Silumin- lake lijevane legure aluminija (baza) sa silicijem (Si: 4-13%), ponekad do 23% i nekim drugim elementima: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Proizvode dijelove složene konfiguracije, uglavnom u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji.
magnalije- aluminijske legure (baza) s magnezijem (Mg: 1-13%) i drugim elementima visoke otpornosti na koroziju, dobre zavarljivosti, visoke duktilnosti. Izrađuju fazonske odljevke (lijevane magnale), limove, žice, zakovice i dr. (deformabilna magnalija).
Glavne prednosti svih aluminijskih legura su njihova niska gustoća (2,5-2,8 g/cm3), visoka čvrstoća (po jedinici težine), zadovoljavajuća otpornost na atmosfersku koroziju, relativno niska cijena i jednostavnost proizvodnje i obrade.
Aluminijske legure koriste se u raketnoj tehnici, u izradi zrakoplova, automobila, brodova i instrumenata, u proizvodnji posuđa, sportske opreme, namještaja, reklamnoj i drugim industrijama.
Po širini primjene aluminijske legure su na drugom mjestu nakon čelika i lijevanog željeza.
Aluminij je jedan od najčešćih dodataka u legurama na bazi bakra, magnezija, titana, nikla, cinka i željeza.
Aluminij se također koristi za aluminiziranje (aluminiziranje)- zasićenje površine proizvoda od čelika ili lijevanog željeza aluminijem kako bi se zaštitio osnovni materijal od oksidacije tijekom jakog zagrijavanja, tj. povećava otpornost na toplinu (do 1100 °C) i otpornost na atmosfersku koroziju.
Aluminij je element 13. skupine periodnog sustava kemijskih elemenata, treće periode, s atomskim brojem 13. Pripada skupini lakih metala. Najčešći metal i treći najčešći kemijski element u zemljinoj kori (iza kisika i silicija).
Jednostavna tvar aluminij je lagan, paramagnetski srebrno-bijeli metal, lako se oblikuje, lijeva i strojno obrađuje. Aluminij ima visoku toplinsku i električnu vodljivost, otpornost na koroziju zbog brzog stvaranja jakih oksidnih filmova koji štite površinu od daljnjeg međudjelovanja.
Suvremena metoda dobivanja, Hall-Héroultov proces. Sastoji se od otapanja aluminijevog oksida Al2O3 u talini Na3AlF6 kriolita, nakon čega slijedi elektroliza pomoću potrošnih koksnih ili grafitnih anodnih elektroda. Ovaj način dobivanja zahtijeva vrlo velike količine električne energije, pa je industrijsku primjenu dobio tek u 20. stoljeću.
Laboratorijska metoda za dobivanje aluminija: redukcija bezvodnog aluminijevog klorida metalnim kalijem (reakcija se odvija zagrijavanjem bez zraka):
Srebrno-bijeli metal, lagan, gustoća - 2,7 g / cm³, talište za tehnički aluminij - 658 ° C, za aluminij visoke čistoće - 660 ° C, visoka duktilnost: za tehnički - 35%, za čisti - 50% , valjani u tanki lim pa čak i foliju. Aluminij ima visoku električnu vodljivost (37 106 S/m) i toplinsku vodljivost (203,5 W/(m K)), 65%, ima visoku refleksiju svjetlosti.
Aluminij tvori legure s gotovo svim metalima. Najpoznatije su legure s bakrom i magnezijem (duraluminij) i silicijem (silumin).
Po rasprostranjenosti u zemljinoj kori Zemlja zauzima 1. mjesto među metalima i 3. mjesto među elementima, odmah iza kisika i silicija. Masena koncentracija aluminija u zemljinoj kori, prema različitim istraživačima, procjenjuje se na 7,45 do 8,14%. U prirodi se aluminij, zbog svoje visoke kemijske aktivnosti, javlja gotovo isključivo u obliku spojeva.
Prirodni aluminij gotovo se u potpunosti sastoji od jednog stabilnog izotopa, 27Al, sa zanemarivim tragovima 26Al, najdugovječnijeg radioaktivnog izotopa s vremenom poluraspada od 720 000 godina, proizvedenog u atmosferi cijepanjem jezgri argona 40Ar visokoenergetskim kozmičkim protoni zraka.
U normalnim uvjetima aluminij je prekriven tankim i jakim oksidnim filmom i stoga ne reagira s klasičnim oksidansima: s H2O (t°), O2, HNO3 (bez zagrijavanja). Zbog toga aluminij praktički nije podložan koroziji i stoga je vrlo tražen u modernoj industriji. Međutim, kada se oksidni film uništi (na primjer, u kontaktu s otopinama amonijevih soli NH4 +, vrućim alkalijama ili kao rezultat amalgamacije), aluminij djeluje kao aktivni redukcijski metal. Moguće je spriječiti stvaranje oksidnog filma dodavanjem metala kao što su galij, indij ili kositar aluminiju. U ovom slučaju, površina aluminija je namočena eutektikom niskog tališta na bazi tih metala.
Lako reagira s jednostavnim tvarima:
s kisikom da nastane glinica:
s halogenima (osim fluora), tvoreći klorid, bromid ili aluminijev jodid:
reagira s drugim nemetalima kada se zagrijava:
s fluorom, tvoreći aluminijev fluorid:
sa sumporom, tvoreći aluminijev sulfid:
s dušikom da nastane aluminijev nitrid:
s ugljikom, tvoreći aluminijev karbid:
Aluminijev sulfid i aluminijev karbid potpuno su hidrolizirani:
Sa složenim tvarima:
s vodom (nakon uklanjanja zaštitnog oksidnog filma, na primjer, amalgamacijom ili toplim alkalijskim otopinama):
s alkalijama (uz stvaranje tetrahidroksoaluminata i drugih aluminata):
Lako topljiv u klorovodičnoj i razrijeđenoj sumpornoj kiselini:
Kada se zagrijava, otapa se u kiselinama - oksidansima koji stvaraju topljive aluminijeve soli:
obnavlja metale iz njihovih oksida (aluminotermija):
44. Spojevi aluminija, njihova amfoterna svojstva
Elektronička konfiguracija vanjske razine aluminija je … 3s23p1.
U pobuđenom stanju jedan od s-elektrona prelazi u slobodnu stanicu p-podrazine, ovo stanje odgovara valenciji III i oksidacijskom stanju +3. U vanjskom elektronskom sloju atoma aluminija postoje slobodni d-podrazine.
Najvažniji prirodni spojevi su alumosilikati:
bijela glina Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O, feldspat K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2, liskun K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2 ∙ H2O
Od ostalih prirodnih oblika javljanja aluminija najveći značaj imaju boksiti A12Oz ∙ nN2O, korundni minerali A12Oz i kriolit A1Fz ∙3NaF.
Lagani, srebrnobijeli, duktilni metal, dobro provodi struju i toplinu.
Na zraku je aluminij prekriven najtanjim (0,00001 mm), ali vrlo gustim oksidnim filmom koji štiti metal od daljnje oksidacije i daje mu mat izgled.
Aluminijev oksid A12O3
Bijela krutina, netopljiva u vodi, talište 2050°C.
Prirodni A12O3 je mineral korund. Prozirni obojeni kristali korunda - crveni rubin - sadrži primjesu kroma - i plavi safir - primjesa titana i željeza - drago kamenje. Također se dobivaju umjetnim putem i koriste u tehničke svrhe, primjerice za izradu dijelova za precizne instrumente, kamenje u satovima i sl.
Kemijska svojstva
Aluminijev oksid pokazuje amfoterna svojstva
1. interakcija s kiselinama
A12O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
2. interakcija s alkalijama
A12O3 + 2NaOH – 2NaAlO2 + H2O
Al2O3 + 2NaOH + 5H2O = 2Na
3. Zagrijavanjem smjese oksida odgovarajućeg metala s aluminijevim prahom dolazi do burne reakcije koja dovodi do oslobađanja slobodnog metala iz uzetog oksida. Metoda redukcije s Al (aluminij) često se koristi za dobivanje niza elemenata (Cr, Mn, V, W itd.) u slobodnom stanju
2A1 + WO3 = A12Oz + W
4. interakcija sa solima koja imaju jako alkalno okruženje zbog hidrolize
Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2
Aluminijev hidroksid A1(OH)3
Al(OH)3 je voluminozni bijeli želatinasti talog, praktički netopljiv u vodi, ali lako topiv u kiselinama i jakim lužinama. Stoga ima amfoteran karakter.
Aluminijev hidroksid dobiva se reakcijom izmjene topljivih aluminijevih soli s alkalijama.
AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl
Al3+ + 3OH- = Al(OH)3↓
Ova se reakcija može koristiti kao kvalitativna za ion Al3+
Kemijska svojstva
1. interakcija s kiselinama
Al(OH)3 +3HCl = 2AlCl3 + 3H2O
2. u interakciji s jakim alkalijama nastaju odgovarajući aluminati:
NaOH + Al(OH)3 = Na
3. toplinska razgradnja
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O
Aluminijeve soli prolaze kationsku hidrolizu, kiseli okoliš (pH< 7)
Al3+ + H+OH- ↔ AlOH2+ + H+
Al(NO3)3 + H2O↔ AlOH(NO3)2 + HNO3
Topljive soli aluminija i slabe kiseline prolaze potpunu (nepovratnu hidrolizu)
Al2S3+ 3H2O = 2Al(OH)3 +3H2S
Aluminijev oksid Al2O3 - dio je nekih antacida (na primjer, Almagel), koji se koristi za povećanu kiselost želučanog soka.
KAl(SO4)3 12H2O - kalijeva stipsa koristi se u medicini za liječenje kožnih bolesti, kao hemostatik. Također se koristi kao tanin u industriji kože.
(CH3COO)3Al - Burovljeva tekućina - 8% otopina aluminijevog acetata djeluje adstrigentno i protuupalno, u visokim koncentracijama ima umjerena antiseptička svojstva. Koristi se u razrijeđenom obliku za ispiranje, losione, za upalne bolesti kože i sluznice.
AlCl3 - koristi se kao katalizator u organskoj sintezi.
Al2(SO4)3 18 H20 - koristi se u obradi vode.
Dobivanje kalijeve stipse
Aluminij(lat. Aluminium), - u periodnom sustavu aluminij se nalazi u trećoj periodi, u glavnoj podskupini treće skupine. Naboj jezgre +13. Elektronska struktura atoma je 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Atomski radijus metala je 0,143 nm, kovalentni je 0,126 nm, uvjetni radijus iona Al 3+ je 0,057 nm. Energija ionizacije Al - Al + 5,99 eV.
Najkarakterističnije oksidacijsko stanje atoma aluminija je +3. Negativno oksidacijsko stanje je rijetko. U vanjskom elektronskom sloju atoma postoje slobodni d-podrazine. Zbog toga njegov koordinacijski broj u spojevima može biti ne samo 4 (AlCl 4-, AlH 4-, alumosilikati), već i 6 (Al 2 O 3, 3+).
Referenca povijesti. Naziv aluminij dolazi od lat. alumen – dakle još 500. pr. zvan aluminijska stipsa, koja se koristila kao sredstvo za jedkanje u bojanju tkanina i za štavljenje kože. Danski znanstvenik H. K. Oersted 1825. godine, djelujući amalgamom kalija na bezvodni AlCl 3 i potom otjeravši živu, dobio je relativno čisti aluminij. Prvu industrijsku metodu za proizvodnju aluminija predložio je 1854. francuski kemičar A.E. St. Clair Deville: metoda se sastojala u redukciji aluminijevog i natrijevog dvostrukog klorida Na 3 AlCl 6 metalnim natrijem. Po boji sličan srebru, aluminij je u početku bio vrlo skup. Od 1855. do 1890. godine proizvedeno je samo 200 tona aluminija. Suvremenu metodu proizvodnje aluminija elektrolizom taline kriolit-aluminij oksida razvili su 1886. istodobno i neovisno C. Hall u SAD-u i P. Héroux u Francuskoj.
Biti u prirodi
Aluminij je najzastupljeniji metal u zemljinoj kori. Čini 5,5–6,6 mol. udjela% ili 8 tež.%. Njegova glavna masa je koncentrirana u aluminosilikatima. Izuzetno čest proizvod razaranja stijena koje su formirale je glina, čiji glavni sastav odgovara formuli Al 2 O 3. 2SiO2. 2H 2 O. Od ostalih prirodnih oblika aluminija najveći značaj ima boksit Al 2 O 3. xH 2 O i minerali korund Al 2 O 3 i kriolit AlF 3 . 3NaF.
Priznanica
Danas se aluminij u industriji proizvodi elektrolizom otopine glinice Al 2 O 3 u rastaljenom kriolitu. Al 2 O 3 mora biti dovoljno čist, budući da se nečistoće s velikim poteškoćama uklanjaju iz taljenog aluminija. Temperatura taljenja Al 2 O 3 je oko 2050 o C, a kriolita 1100 o C. Rastaljena smjesa kriolita i Al 2 O 3 koja sadrži oko 10 tež. % Al 2 O 3 podvrgava se elektrolizi, koja se rastali. na 960 o C i ima električnu vodljivost, gustoću i viskoznost, najpovoljnije za proces. Dodavanjem AlF 3 , CaF 2 i MgF 2 moguća je elektroliza na 950°C.
Elektrolitička ćelija za taljenje aluminija je željezno kućište obloženo iznutra vatrostalnom opekom. Njegovo dno (ispod), sastavljeno od blokova komprimiranog ugljena, služi kao katoda. Anode se nalaze na vrhu: to su aluminijski okviri ispunjeni briketima ugljena.
Al 2 O 3 \u003d Al 3+ + AlO 3 3-
Tekući aluminij se oslobađa na katodi:
Al 3+ + 3e - \u003d Al
Aluminij se skuplja na dnu peći, odakle se povremeno ispušta. Na anodi se oslobađa kisik:
4AlO 3 3- - 12e - \u003d 2Al 2 O 3 + 3O 2
Kisik oksidira grafit do ugljikovih oksida. Kako ugljik izgara, anoda se nakuplja.
Aluminij se također koristi kao legirajući dodatak mnogim legurama kako bi im se dala otpornost na toplinu.
Fizikalna svojstva aluminija. Aluminij kombinira vrlo vrijedan niz svojstava: nisku gustoću, visoku toplinsku i električnu vodljivost, visoku duktilnost i dobru otpornost na koroziju. Lako se može kovati, štancati, valjati, izvlačiti. Aluminij je dobro zavaren plinskim, kontaktnim i drugim vrstama zavarivanja. Aluminijska rešetka je plošno centrirana kubična s parametrom a = 4,0413 Å. Svojstva aluminija, kao i svih metala, u velikoj mjeri ovise o njegovoj čistoći. Svojstva aluminija visoke čistoće (99,996%): gustoća (pri 20 °C) 2698,9 kg/m 3 ; tpl 660,24 °C; t bale oko 2500 °C; koeficijent toplinske ekspanzije (od 20 ° do 100 ° C) 23,86 10 -6; toplinska vodljivost (pri 190 °C) 343 W/m K, specifični toplinski kapacitet (pri 100 °C) 931,98 J/kg K. ; električna vodljivost u odnosu na bakar (na 20 °C) 65,5%. Aluminij ima malu čvrstoću (vlačna čvrstoća 50–60 MN/m2), tvrdoću (170 MN/m2 po Brinellu) i visoku duktilnost (do 50%). Tijekom hladnog valjanja, vlačna čvrstoća aluminija raste na 115 MN/m 2, tvrdoća - do 270 MN/m 2, relativno istezanje se smanjuje na 5% (1 MN/m 2 ~ i 0,1 kgf/mm 2). Aluminij je dobro poliran, anodiziran i ima visoku reflektivnost blisku srebru (reflektira do 90% energije upadne svjetlosti). Posjedujući visok afinitet prema kisiku, aluminij je na zraku prekriven tankim, ali vrlo jakim oksidnim filmom Al 2 O 3 , koji štiti metal od daljnje oksidacije i određuje njegova visoka antikorozivna svojstva. Snaga oksidnog filma i njegov zaštitni učinak znatno se smanjuju u prisutnosti nečistoća žive, natrija, magnezija, bakra itd. Aluminij je otporan na atmosfersku koroziju, morsku i slatku vodu, praktički ne stupa u interakciju s koncentriranim ili visoko razrijeđenim nitratom kiselina, s organskim kiselinama, prehrambeni proizvodi.
Kemijska svojstva
Kad se fino usitnjeni aluminij zagrijava, on snažno gori na zraku. Slično se odvija i njegova interakcija sa sumporom. S klorom i bromom, kombinacija se javlja već na običnoj temperaturi, s jodom - kada se zagrijava. Na vrlo visokim temperaturama, aluminij se također spaja izravno s dušikom i ugljikom. Naprotiv, ne stupa u interakciju s vodikom.
Aluminij je prilično otporan na vodu. Ali ako se zaštitni učinak oksidnog filma ukloni mehanički ili amalgamacijom, dolazi do energetske reakcije:
Visoko razrijeđene, kao i vrlo koncentrirane HNO3 i H2SO4, gotovo ne djeluju na aluminij (na hladnom), dok se pri srednjim koncentracijama ovih kiselina on postupno otapa. Čisti aluminij je prilično stabilan u odnosu na solnu kiselinu, ali se uobičajeni tehnički metal otapa u njemu.
Pod djelovanjem alkalnih vodenih otopina na aluminij, oksidni sloj se otapa i nastaju aluminati - soli koje sadrže aluminij u sastavu aniona:
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na
Aluminij, bez zaštitnog filma, stupa u interakciju s vodom, istiskujući vodik iz nje:
2Al + 6H 2 O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2
Nastali aluminijev hidroksid reagira s viškom lužine, stvarajući hidroksoaluminat:
Al(OH) 3 + NaOH = Na
Ukupna jednadžba za otapanje aluminija u vodenoj otopini lužine:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H 2
Aluminij se primjetno otapa u otopinama soli koje hidrolizom imaju kiselu ili alkalnu reakciju, npr. u otopini Na 2 CO 3 .
U nizu naprezanja nalazi se između Mg i Zn. U svim svojim stabilnim spojevima aluminij je trovalentan.
Spajanje aluminija s kisikom popraćeno je ogromnim oslobađanjem topline (1676 kJ/mol Al 2 O 3), mnogo većim nego kod mnogih drugih metala. S obzirom na to, kada se smjesa odgovarajućeg metalnog oksida s aluminijevim prahom zagrijava, dolazi do burne reakcije koja dovodi do oslobađanja slobodnog metala iz uzetog oksida. Metoda redukcije s Al (aluminij) često se koristi za dobivanje niza elemenata (Cr, Mn, V, W itd.) u slobodnom stanju.
Aluminotermija se ponekad koristi za zavarivanje pojedinih čeličnih dijelova, posebice spojeva tramvajskih tračnica. Upotrijebljena smjesa ("termit") obično se sastoji od finog praha aluminija i Fe 3 O 4 . Pali se fitiljem od mješavine Al i BaO 2. Glavna reakcija odvija se prema jednadžbi:
8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe + 3350 kJ
Štoviše, temperatura se razvija oko 3000 o C.
Aluminijev oksid je bijela, vrlo vatrostalna (tt 2050 o C) i u vodi netopljiva masa. Prirodni Al 2 O 3 (mineral korunda), kao i umjetno dobiven i zatim jako kalciniran, odlikuju se visokom tvrdoćom i netopljivošću u kiselinama. Al 2 O 3 (tzv. glinica) može se prevesti u topljivo stanje fuzijom s alkalijama.
Prirodni korund, inače onečišćen željeznim oksidom, koristi se za proizvodnju bruseva, šipki itd. zbog svoje izuzetne tvrdoće. U sitno usitnjenom obliku naziva se šmirgl i koristi se za čišćenje metalnih površina i izradu brusnog papira. U iste svrhe često se koristi Al 2 O 3, dobiven taljenjem boksita (tehnički naziv - alund).
Prozirni obojeni kristali korunda - crveni rubin - primjesa kroma - i plavi safir - primjesa titana i željeza - drago kamenje. Također se dobivaju umjetnim putem i koriste u tehničke svrhe, primjerice za izradu dijelova za precizne instrumente, kamenje u satovima i sl. Kristali rubina koji sadrže malu nečistoću Cr 2 O 3 koriste se kao kvantni generatori - laseri koji stvaraju usmjereni snop monokromatskog zračenja.
Zbog netopljivosti Al 2 O 3 u vodi, hidroksid Al(OH) 3 koji odgovara ovom oksidu može se dobiti samo neizravno iz soli. Proizvodnja hidroksida može se prikazati sljedećom shemom. Pod djelovanjem lužina, OH ioni postupno zamjenjuju 3+ molekule vode u akvokompleksima:
3+ + OH - \u003d 2+ + H2O
2+ + OH - = + + H 2 O
OH - \u003d 0 + H2O
Al(OH) 3 je voluminozni bijeli želatinasti talog, praktički netopljiv u vodi, ali lako topiv u kiselinama i jakim alkalijama. Stoga ima amfoteran karakter. Međutim, njegova bazična, a posebno kisela svojstva su dosta slabo izražena. U suvišku NH 4 OH, aluminijev hidroksid je netopljiv. Jedan oblik dehidriranog hidroksida, aluminijev gel, koristi se u tehnici kao adsorbent.
U interakciji s jakim alkalijama nastaju odgovarajući aluminati:
NaOH + Al(OH)3 = Na
Aluminati najaktivnijih jednovalentnih metala vrlo su topljivi u vodi, ali su zbog jake hidrolize njihove otopine postojane samo uz dovoljan suvišak lužina. Aluminati proizvedeni od slabijih baza gotovo su potpuno hidrolizirani u otopini i stoga se mogu dobiti samo suhim putem (legiranjem Al 2 O 3 s oksidima odgovarajućih metala). Nastaju metaaluminati koji po svom sastavu nastaju iz metaaluminijeve kiseline HAlO 2 . Većina ih je netopljiva u vodi.
Al(OH) 3 stvara soli s kiselinama. Derivati većine jakih kiselina vrlo su topljivi u vodi, ali su prilično hidrolizirani, pa stoga njihove otopine pokazuju kiselu reakciju. Topljive soli aluminija i slabe kiseline još su jače hidrolizirane. Zbog hidrolize se iz vodenih otopina ne mogu dobiti sulfidne, karbonatne, cijanidne i neke druge soli aluminija.
U vodenom mediju, Al 3+ anion je izravno okružen sa šest molekula vode. Takav hidratizirani ion je donekle disociran prema shemi:
3+ + H 2 O \u003d 2+ + OH 3 +
Njegova konstanta disocijacije je 1. 10 -5 tj. to je slaba kiselina (po snazi je slična octenoj kiselini). Oktaedarski okoliš Al 3+ sa šest molekula vode također se zadržava u kristalnim hidratima niza aluminijevih soli.
Aluminosilikate možemo smatrati silikatima u kojima je dio tetraedra silicij-kisik SiO 4 4 - zamijenjen tetraedrima aluminij-kisik AlO 4 5- Od aluminosilikata najčešći su feldspati koji čine više od polovice mase zemljina kora. Njihovi glavni predstavnici su minerali
ortoklas K 2 Al 2 Si 6 O 16 ili K 2 O . Al2O3. 6SiO2
albit Na 2 Al 2 Si 6 O 16 ili Na 2 O . Al2O3. 6SiO2
anortit CaAl 2 Si 2 O 8 ili CaO. Al2O3. 2SiO2
Vrlo su česti minerali iz skupine tinjca, na primjer muskovit Kal 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2. Od velike praktične važnosti je mineral nefelin (Na, K) 2, koji se koristi za dobivanje glinice, sode i cementa. Ova se proizvodnja sastoji od sljedećih postupaka: a) nefelin i vapnenac sinteriraju se u cijevnim pećima na 1200°C:
(Na, K) 2 + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2
b) dobivena masa se ispire vodom - nastaje otopina natrijevih i kalijevih aluminata i CaSiO 3 talog:
NaAlO 2 + KAlO 2 + 4H 2 O \u003d Na + K
c) CO 2 koji nastaje tijekom sinteriranja prolazi kroz otopinu aluminata:
Na + K + 2CO 2 = NaHCO 3 + KHCO 3 + 2Al(OH) 3
d) zagrijavanjem dobiva se Al (OH) 3 glinica:
2Al(OH)3 \u003d Al2O3 + 3H2O
e) isparavanjem matične lužnice izdvaja se soda i potaž, a prethodno dobiveni mulj koristi se za proizvodnju cementa.
Pri proizvodnji 1 t Al 2 O 3 dobije se 1 t soda proizvoda i 7,5 t cementa.
Neki aluminosilikati imaju labavu strukturu i sposobni su za ionsku izmjenu. Takvi silikati - prirodni i posebno umjetni - koriste se za omekšavanje vode. Osim toga, zbog svoje visoko razvijene površine, koriste se kao nosači katalizatora, tj. kao materijali impregnirani katalizatorom.
Aluminijevi halogenidi su u normalnim uvjetima bezbojne kristalne tvari. U nizu aluminijevih halogenida, AlF 3 se uvelike razlikuje po svojstvima od svojih kolega. Vatrostalan je, slabo topiv u vodi, kemijski neaktivan. Glavna metoda za dobivanje AlF 3 temelji se na djelovanju bezvodnog HF na Al 2 O 3 ili Al:
Al 2 O 3 + 6HF = 2AlF 3 + 3H 2 O
Aluminijevi spojevi s klorom, bromom i jodom topljivi su, visoko reaktivni i visoko topljivi ne samo u vodi, već iu mnogim organskim otapalima. Međudjelovanje aluminijevih halogenida s vodom prati značajno oslobađanje topline. U vodenoj otopini svi su visoko hidrolizirani, ali za razliku od tipičnih kiselih halogenida nemetala, njihova je hidroliza nepotpuna i reverzibilna. Budući da su primjetno hlapljivi već u normalnim uvjetima, AlCl 3 , AlBr 3 i AlI 3 dime se u vlažnom zraku (zbog hidrolize). Mogu se dobiti izravnom interakcijom jednostavnih tvari.
Gustoće pare AlCl 3 , AlBr 3 i AlI 3 pri relativno niskim temperaturama više-manje točno odgovaraju udvostručenim formulama - Al 2 Hal 6 . Prostorna struktura ovih molekula odgovara dvama tetraedrima sa zajedničkim rubom. Svaki atom aluminija vezan je na četiri atoma halogena, a svaki od središnjih atoma halogena vezan je na oba atoma aluminija. Od dvije veze središnjeg atoma halogena, jedna je donor-akceptorska, a aluminij djeluje kao akceptor.
S halogenim solima niza jednovalentnih metala, aluminijevi halogenidi tvore kompleksne spojeve, uglavnom tipa M3 i M (gdje je Hal klor, brom ili jod). Sklonost reakcijama adicije općenito je jako izražena u halogenidima koji se razmatraju. To je razlog najvažnije tehničke primjene AlCl 3 kao katalizatora (u rafiniranju nafte iu organskim sintezama).
Od fluoroaluminata najveću primjenu ima kriolit Na 3 (za proizvodnju Al, F 2, emajla, stakla i dr.). Industrijska proizvodnja umjetnog kriolita temelji se na obradi aluminijevog hidroksida fluorovodičnom kiselinom i sodom:
2Al(OH) 3 + 12HF + 3Na 2 CO 3 = 2Na 3 + 3CO 2 + 9H 2 O
Kloro-, bromo- i jodoaluminati se dobivaju taljenjem aluminijevih trihalogenida s halogenidima odgovarajućih metala.
Iako aluminij ne reagira kemijski s vodikom, aluminijev hidrid se može dobiti neizravno. To je bijela amorfna masa sastava (AlH 3) n . Raspada se zagrijavanjem iznad 105 °C uz oslobađanje vodika.
Kada AlH 3 međudjeluje s bazičnim hidridima u otopini etera, nastaju hidroaluminati:
LiH + AlH 3 = Li
Hidroaluminati su bijele krutine. Brzo se razlaže vodom. Oni su moćni restauratori. Koristi se (osobito Li) u organskoj sintezi.
Aluminijev sulfat Al 2 (SO 4) 3. 18H 2 O dobiva se djelovanjem vruće sumporne kiseline na aluminijev oksid ili kaolin. Koristi se za pročišćavanje vode, kao i u pripremi nekih vrsta papira.
Kalijeva stipsa KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O se koristi u velikim količinama za štavljenje kože, kao i za bojenje kao sredstvo za jedkanje pamučnih tkanina. U potonjem slučaju, učinak stipse temelji se na činjenici da se aluminijev hidroksid nastao kao rezultat njihove hidrolize taloži u vlaknima tkanine u fino raspršenom stanju i, adsorbirajući boju, čvrsto je drži na vlaknima .
Od ostalih derivata aluminija treba spomenuti njegov acetat (inače sol octene kiseline) Al(CH 3 COO) 3, koji se koristi za bojanje tkanina (kao sredstvo za jedkanje) i u medicini (losioni i oblozi). Aluminijev nitrat lako je topiv u vodi. Aluminijev fosfat je netopljiv u vodi i octenoj kiselini, ali je topiv u jakim kiselinama i lužinama.
aluminij u tijelu. Aluminij je dio tkiva životinja i biljaka; u organima sisavaca nađeno je od 10 -3 do 10 -5% aluminija (po sirovoj tvari). Aluminij se nakuplja u jetri, gušterači i štitnjači. U biljnim proizvodima sadržaj aluminija kreće se od 4 mg po 1 kg suhe tvari (krumpir) do 46 mg (žuta repa), u životinjskim proizvodima - od 4 mg (med) do 72 mg po 1 kg suhe tvari (govedina). . U dnevnoj ljudskoj prehrani sadržaj aluminija doseže 35-40 mg. Poznati su organizmi - koncentratori aluminija, na primjer, mahovine (Lycopodiaceae), koje sadrže do 5,3% aluminija u pepelu, mekušci (Helix i Lithorina), u pepelu od kojih 0,2-0,8% aluminija. Tvoreći netopljive spojeve s fosfatima, aluminij remeti ishranu biljaka (apsorpcija fosfata iz korijena) i životinja (apsorpcija fosfata u crijevima).
Geokemija aluminija. Geokemijska svojstva aluminija određena su njegovim visokim afinitetom prema kisiku (u mineralima je aluminij uključen u kisikove oktaedre i tetraedre), konstantnom valencijom (3) i niskom topljivošću većine prirodnih spojeva. U endogenim procesima tijekom skrućivanja magme i stvaranja magmatskih stijena, aluminij ulazi u kristalnu rešetku feldspata, tinjca i drugih minerala – aluminosilikata. U biosferi je aluminij slab migrant, u organizmima i hidrosferi ga ima malo. U vlažnoj klimi, gdje truli ostaci bujne vegetacije stvaraju mnogo organskih kiselina, aluminij migrira u tlima i vodama u obliku organomineralnih koloidnih spojeva; aluminij se adsorbira koloidima i taloži u donjem dijelu tla. Veza između aluminija i silicija je djelomično prekinuta i mjestimice u tropima nastaju minerali - aluminijevi hidroksidi - bemit, dijaspora, hidrargilit. Najveći dio aluminija ulazi u sastav aluminosilikata - kaolinita, beidelita i drugih glinenih minerala. Slaba pokretljivost određuje rezidualno nakupljanje aluminija u kori trošenja vlažnih tropa. Kao rezultat toga nastaju eluvijalni boksiti. U prošlim geološkim epohama boksiti su se nakupljali iu jezerima i obalnom pojasu mora tropskih područja (na primjer, sedimentni boksiti Kazahstana). U stepama i pustinjama, gdje ima malo žive tvari, a vode su neutralne i alkalne, aluminij gotovo ne migrira. Migracija aluminija najsnažnija je u vulkanskim područjima, gdje se uočavaju izrazito kisele riječne i podzemne vode bogate aluminijem. Na mjestima istiskivanja kiselih voda s alkalnim - morskim (na ušćima rijeka i dr.), aluminij se taloži uz stvaranje naslaga boksita.
Primjena aluminija. Kombinacija fizikalnih, mehaničkih i kemijskih svojstava aluminija uvjetuje njegovu široku primjenu u gotovo svim područjima tehnike, a posebice u obliku njegovih legura s drugim metalima. U elektrotehnici aluminij uspješno zamjenjuje bakar, posebice u proizvodnji masivnih vodiča, npr. u nadzemnim vodovima, visokonaponskim kabelima, rasklopnim sabirnicama, transformatorima (električna vodljivost aluminija doseže 65,5% električne vodljivosti bakra, a više je od tri puta lakša od bakra; s presjekom koji osigurava istu vodljivost, masa aluminijskih žica upola je manja od mase bakrenih žica). Ultra čisti aluminij koristi se u proizvodnji električnih kondenzatora i ispravljača, čiji se rad temelji na sposobnosti filma aluminijevog oksida da prenosi električnu struju samo u jednom smjeru. Ultra čisti aluminij, pročišćen zonskim taljenjem, koristi se za sintezu poluvodičkih spojeva tipa A III B V koji se koriste za proizvodnju poluvodičkih elemenata. Čisti aluminij koristi se u proizvodnji raznih zrcalnih reflektora. Aluminij visoke čistoće koristi se za zaštitu metalnih površina od atmosferske korozije (obloge, aluminijske boje). Zbog relativno niskog presjeka apsorpcije neutrona, aluminij se koristi kao konstrukcijski materijal u nuklearnim reaktorima.
Aluminijski spremnici velikog kapaciteta skladište i transportiraju tekuće plinove (metan, kisik, vodik itd.), dušičnu i octenu kiselinu, čistu vodu, vodikov peroksid i jestiva ulja. Aluminij se široko koristi u opremi i aparatima za prehrambenu industriju, za pakiranje hrane (u obliku folije), za proizvodnju raznih kućanskih proizvoda. Došlo je do naglog porasta potrošnje aluminija za završnu obradu zgrada, arhitektonskih, prometnih i sportskih objekata.
U metalurgiji je aluminij (osim legura na njegovoj osnovi) jedan od najčešćih legirnih dodataka u legurama na bazi Cu, Mg, Ti, Ni, Zn i Fe. Aluminij se također koristi za dezoksidaciju čelika prije izlijevanja u kalup, kao i u procesima dobivanja pojedinih metala aluminotermijom. Na bazi aluminija metalurgijom praha nastao je SAP (sinterirani aluminijski prah) koji ima visoku otpornost na toplinu na temperaturama iznad 300 °C.
Aluminij se koristi u proizvodnji eksploziva (amonala, alumotola). Različiti spojevi aluminija naširoko se koriste.
Proizvodnja i potrošnja aluminija u stalnom je porastu, te po stopama rasta znatno nadmašuje proizvodnju čelika, bakra, olova i cinka.
Popis korištene literature
1. V.A. Rabinovich, Z.Ya. Khavin "Sažeta kemijska referenca"
2. L.S. Guzey "Predavanja o općoj kemiji"
3. N.S. Akhmetov "Opća i anorganska kemija"
4. B.V. Nekrasov "Udžbenik opće kemije"
5. N.L. Glinka "Opća kemija"
DEFINICIJA
Aluminij nalazi se u trećoj periodi, skupini III glavne (A) podskupine periodnog sustava. Ovo je prvi p-element 3. perioda.
Metal. Oznaka - Al. Redni broj - 13. Relativna atomska masa - 26,981 a.m.u.
Elektronska struktura atoma aluminija
Atom aluminija sastoji se od pozitivno nabijene jezgre (+13), unutar koje se nalazi 13 protona i 14 neutrona. Jezgra je okružena s tri ljuske, duž kojih se kreće 13 elektrona.
Riža. 1. Shematski prikaz strukture atoma aluminija.
Distribucija elektrona u orbitalama je sljedeća:
13Al) 2) 8) 3 ;
1s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 1 .
Na vanjskoj energetskoj razini aluminija nalaze se tri elektrona, svi elektroni 3. podrazine. Energetski dijagram ima sljedeći oblik:
Teoretski, pobuđeno stanje je moguće za atom aluminija zbog prisutnosti praznog 3 d-orbitale. Međutim, rasparivanje elektrona 3 s- podrazina se zapravo ne pojavljuje.
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
