23. ЕЛЕМЕНТИ ІIІА ГРУПИ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА
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+ + 3O2–
К (–) Al3+ + 3e– = Al¯
A (+) 2O2– – 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).