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 Al2O3nH2O. 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).