23. ЕЛЕМЕНТИ ІIІА ГРУПИ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

23.1. Алюміній

Назва “Алюміній” походить від лат. “alumen” – галун. Галуни – перші сполуки алюмінію, які використовували ще у древньому Римі як протраву при фарбуванні тканин і обробці дерева для надання йому вогнетривких властивостей.

Поширення в природі. Алюміній – найпоширеніший метал у земній корі (біля 8%)і займає третє місце після Оксигену та Силіцію. У вільному стані Алюміній не зустрічається. Входить до складу глин, польових шпатів, слюд та інших мінералів (усього понад 250 найменувань) (табл. 23.1).

Таблиця 23.1

Деякі природні сполуки Алюмінію

Назва мінералу	Формула
Боксит	K₂SO₄∙2Al₂(SO₄)₃∙2Al₂O₃∙6H₂O
Корунд	Al₂O₃∙nH₂O
Слюда*	K₂O∙2H₂O∙3Al₂O₃∙6SiO₂
Польовий шпат*	K₂O∙Al₂O₃∙6SiO₂
Каолін (біла глина)*	Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O
Нефелін*	(Na,K)₂O∙Al₂O₃∙2SiO₂
Кріоліт	Na₃[AlF₆]

*алюмосилікати.

Одержання. Металічний алюміній вперше одержав датський фізик Г.Х Ерстед у 1820 р. при електролізі розплаву глинозему (Al₂O₃). У 1825 р. алюміній коштував у 1500 разів дорожче, ніж залізо (зараз лише втричі). З алюмінію були виготовлені іграшка сина Наполеона ІІІ і головний убір статуї Вашингтона. Тоді його називали “срібло із глини”. Наступні 36 років не з’явилось промислових способів одержання алюмінію. У 1855 р. А.Е. Сент-Клер Девіль (Франція) розробив промисловий спосіб одержання алюмінію відновленням алюміній хлориду металічним натрієм:

AlCl₃ + 3Na = Al + 3NaCl.

Цим способом до 1890 р. одержали майже 200 т алюмінію.

На сьогодні основним промисловим способом одержання алюмінію є електроліз розплаву бокситу Al₂O₃∙nH₂O. Температура плавлення бокситу – 2050 ⁰С і він не розчинний у воді. Для проведення електролізу необхідно проводити процес хоча б при 1000 ⁰С, в іншому випадку вартість добутого алюмінію надто висока для широкого використання. Ч.М. Холл (США) П. Еру (Франція) у 1886 р. з’ясували, що боксит добре розчиняється у кріоліті Na₃[AlF₆], температура плавлення утвореного розчину 950 ⁰С. Його зараз використовують при виробництві алюмінію.

Електроліз проводять у залізних ємностях, вимощених зсередини вогнетривкою цеглою з вугільними блоками (катоди). На них виділяється розплавлений алюміній, а на опущених зверху вугільних анодах – кисень. Анод реагує з киснем (згорає), тому його періодично нарощують. Схеми окисно-відновних реакцій при виробництві алюмінію:

Al₂O₃ = 2Al³⁺ + 3O^2–

К (–) Al³⁺ + 3e^– = Al¯

A (+) 2O^2– – 4 e^– = O₂

C + O₂ = CO₂.

Процес триває безперервно при напрузі 4 – 5 В і силі струму 150 000 А. На виробництво 1 т алюмінію витрачається 20 000 кВт∙год електроенергії. Таким способом одержують алюміній 98% чистоти, який очищають методом зонної плавки.

Фізичні властивості. Алюміній – легкий сріблясто-білий метал, з хорошою тепло- та електропровідністю, пластичний, ковкий (табл. 23.2).

Таблиця 23.2

Деякі властивості алюмінію

Характеристика	Алюміній
Порядковий номер	13
Атомна маса	26
Конфігурація зовнішнього електронного рівня	3s²3р¹
Атомний радіус, пм	143
Густина, г/см³	2,72
Температура плавлення, ⁰С	660
Температура кипіння, ⁰С	2400

Хімічні властивості. У вільному стані алюміній – типовий активний метал. Однак, за нормальних умов на повітрі не змінюється, що зумовлено утворенням не поверхні оксидної плівки (товщиною 10^–6 см). Через це алюміній не розчиняється і у воді. Знищення плівки веде до руйнування металу. Як типовий метал, алюміній виявляє тільки відновні властивості.

І. Взаємодія з простими речовинами.

Алюміній за звичайних умов реагує лише з галогенами (з йодом за наявності слідів води). При нагріванні реагує з вуглецем, киснем, сіркою, азотом, утворюючи відповідні бінарні сполуки. При їх гідролізі утворюються відповідні сполуки неметалів з Гідрогеном та алюміній гідроксид. З воднем алюміній безпосередньо не реагує.

ІІ. Взаємодія зі складними речовинами.

1. Алюміній після руйнування захисної плівки (дією солей Hg²⁺, лугів або механічному пошкодженні) розчиняється у воді з утворенням алюміній гідроксиду Al(ОН)₃ і виділенням водню Н₂:

2Al + 6Н₂О = 2Al(ОН)₃ + 3Н₂.

Утворений Al(ОН)₃ розчиняється у надлишку лугу з утворенням гідроксоалюмінату.

2. Взаємодія з кислотами-неокисниками (HСl або розведена сульфатна) відбувається при нагріванні і веде до утворення відповідних солей і виділення водню:

2Al + 6НСl = 2AlСl₃ + 3Н₂; 2Al + 3Н₂SO₄ = 2Al₂(SO₄)₃ + 3Н₂.

У фосфатній кислоті алюміній не розчиняється через утворення нерозчинного в H₃PO₄ алюміній фосфату AlPO₄.

При взаємодії з розведеною нітратною кислотою водень не виділяється, а утворюються продукти відновлення нітратної кислоти:

8Al + 30HNO₃ = 8Al(NO₃)₃ + 3N₂O + 15H₂O.

У концентрованих сульфатній та нітратній кислотах алюміній не розчиняється, тому ці кислоти перевозять в алюмінієвій тарі.

3. Взаємодія з лугами веде до утворення комплексних сполук алюмінію – гідроксоалюмінатів:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂,

2Al + 6NaOH + 6H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂.

Остання реакція відбувається у надлишку лугу.

Ці реакції використовують у лабораторії для одержання чистого водню.

Алюміній розчиняється і у розчинах солей, які при гідролізі створюють лужне або кисле середовище (зокрема, Na₂CO₃).

5. Взаємодія з оксидами металів лежить в основі методу алюмотермії:

8Al + 3Fe₃O₄ = 9Fe + 4Al₂O₃.

В ході реакції температура сягає 3500 ⁰С, що дозволяє використовувати горіння суміші порошків алюмінію та Fe₃O₄ (термітну суміш) для зварювання металевих деталей (рейки, балки тощо).