Алюминий
Алюминий - химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное - оксид Al 2 O 3 .
Алюминий - серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 °C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой - оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na .
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2
Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
Al(OH) 3 + NaOH = Na.
Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:
2Al + 2NaOH +6H 2 O = 2Na + 3H 2 .
Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH) 3 - белое, полупрозрачное, студенистое вещество.
В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый - среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия - боксит содержит 28-60% глинозема - оксида алюминия Al 2 O 3 .
В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.
Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al 2 O 3 в расплаве криолита NaAlF 4 при температуре 950 °C.
Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.
Плотность алюминия, удельный вес и другие характеристики.
Плотность -
2,7*10 3 кг/м
3 ;
Удельный вес -
2,7 г
/cм 3 ;
Удельная теплоемкость при 20°C -
0,21 кал/град;
Температура плавления -
658,7°C ;
Удельная теплоемкость плавления -
76,8 кал/град;
Температура кипения -
2000°C ;
Относительное изменение объема при плавлении (ΔV/V) -
6,6%;
Коэффициент линейного расширения
(при температуре около 20°C) :
- 22,9 *10 6 (1/град);
Коэффициент теплопроводности алюминия -
180 ккал/м*час*град;
Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона
Отражение света алюминием
Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.
ОКСИД АЛЮМИНИЯ Al 2 O 3
Оксид алюминия Al 2 O 3 , называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни - рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3 , применяют а качестве квантовых генераторов - лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.
Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей - наждак, применяются как абразивные материалы.
ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ
Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al 2 O 3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.
Алюминий получают из оксида алюминия Al 2 O 3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al 2 O 3 получают переработкой природного боксита.
Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 °C), поэтому требуется слишком много энергии.
Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 o C. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите - минерале состава AlF 3 . 3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 °C на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.
Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na 3 и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al 2 O 3 , плавится при 960 °C и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF 3 , CaF 2 и MgF 2 . Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 °C.
Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.
При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO 2 .
Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.
СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ
Сплавы , повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.
Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.
Силумин - легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.
Магналии - сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).
Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см 3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.
Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.
По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.
Алюминий - одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.
Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) - насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.
(А l ), галлий (Ga ), индий (In ) и таллий (Т l ).
Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIX столетии.
Открытие металлов главной подгруппы III группы
|
В |
Al |
Ga |
In |
Tl |
|
1806 г. |
1825 г. |
1875 г. |
1863 г. |
1861 г. |
|
Г.Люссак, |
Г.Х.Эрстед |
Л. де Буабодран |
Ф.Рейх, |
У.Крукс |
|
Л. Тенар |
(Дания) |
(Франция) |
И.Рихтер |
(Англия) |
|
(Франция) |
(Германия) |
Бор представляет собой неметалл. Алюминий - переходный металл, а галлий, индий и таллий - полноценные металлы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свойства простых веществ усиливаются.
В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.
1. Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления.
Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar (Al ) = 27. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.
Al +13) 2) 8) 3 , p – элемент,
|
Основное состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 |
|
|
Возбуждённое состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 |
|
Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:
Al 0 – 3 e - → Al +3
Алюминий в свободном виде - серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3) - примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно - это прочный металл.
3. Нахождение в природе
По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов , уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.
В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).
Некоторые из них:
· Бокситы - Al 2 O 3 H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3)
· Нефелины - KNa 3 4
· Алуниты - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3
· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2 , известняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3)
· Корунд - Al 2 O 3
· Полевой шпат (ортоклаз) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2
· Каолинит - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O
· Алунит - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3
· Берилл - 3ВеО Al 2 О 3 6SiO 2
|
Боксит |
|
|
Al 2 O 3 |
Корунд
|
|
Рубин
|
|
|
Сапфир
|
4. Химические свойства алюминия и его соединений
Алюминий легко взаимодействует с
кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый
вид).
ДЕМОНСТРАЦИЯ ОКСИДНОЙ ПЛЁНКИ
Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изученияхимических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).
I . Взаимодействие с простыми веществами
Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора - воды:
2А l + 3 S = А l 2 S 3 (сульфид алюминия),
2А l + N 2 = 2А lN (нитрид алюминия),
А l + Р = А l Р (фосфид алюминия),
4А l + 3С = А l 4 С 3 (карбид алюминия).
2 Аl +3
I
2
=2 A
l
I 3 (йодид алюминия) ОПЫТ
Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:
Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S
Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4
В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выделяя большое количество теплоты:
4А l + 3 O 2 = 2А l 2 О 3 + 1676 кДж.
ГОРЕНИЕ АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУХЕ
ОПЫТ
II . Взаимодействие со сложными веществами
Взаимодействие с водой :
2 Al + 6 H 2 O=2 Al (OH) 3 +3 H 2
без оксидной пленки
ОПЫТ
Взаимодействие с оксидами металлов:
Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов . Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.
3 Fe 3 O 4 +8 Al =4 Al 2 O 3 +9 Fe + Q
Термитная смесь Fe 3 O 4 иAl (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.
С r 2 О 3 + 2А l = 2С r + А l 2 О 3
Взаимодействие с кислотами :
С раствором серной кислоты:2 Al+ 3 H 2 SO 4 =Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2
С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:
2А l + 6Н 2 S О 4(конц) = А l 2 (S О 4) 3 + 3 S О 2 + 6Н 2 О,
А l + 6Н NO 3(конц) = А l (NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3Н 2 О.
Взаимодействие со щелочами .
2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O =2 Na [ Al (OH ) 4 ] +3 H 2
ОПЫТ
Na [А l (ОН) 4 ] – тетрагидроксоалюминат натрия
По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.
С растворами солей:
2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu
Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:
2 Al + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 Hg
Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуяамальгаму .
Обнаружение ионов алюминия в растворах
:
ОПЫТ
5. Применение алюминия и его соединений
Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминияявляется авиационная промышленность : самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода : при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.
Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты . Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражениятепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.
Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.
Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.
Соли алюминия сильногидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.
Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.
6. Получение алюминия
1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na 3 AlF 6 растворяет Al 2 O 3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия - электролитом.
2Al 2 O 3 эл.ток →4Al + 3O 2
В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.
2) 2Al 2 O 3 +3 C=4 Al+3 CO 2
ЭТО ИНТЕРЕСНО:
- Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
- В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
- К 1855 году французский ученыйСен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством НаполеонаIII, императораФранции. В знаксвоей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
- А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы.При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
- При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.
ТРЕНАЖЁРЫ
Тренажёр №1 - Характеристика алюминия по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева
Тренажёр №2 - Уравнения реакций алюминия с простыми и сложными веществами
Тренажёр №3 - Химические свойства алюминия
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
№1.
Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно
использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической
реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?
№2.
Закончите
уравнения
химических
реакций
:
Al + H 2 SO 4 (раствор
) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (конц
) - t ->
Al + NaOH + H 2 O ->
№3.
Осуществите превращения:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 ->
Al(OH) 3 - t ->Al 2 O 3 -> Al
№4.
Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора
гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите
процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?
Тип урока . Комбинированный.
Задачи:
Образовательные:
1. Актуализировать знания учащихся о строении атома, физических смыслах порядкового номера, номера группы, номера периода на примере алюминия.
2. Сформировать у учащихся знания о том, что алюминию в свободном состоянии присущи особые, характерные физические и химические свойства.
Развивающие:
1. Возбудить интерес к изучению науки путем предоставления кратких исторических и научных сообщений о прошлом, настоящем и будущем алюминия.
2. Продолжить формирование исследовательских навыков учащихся при работе с литературой, выполнением лабораторной работы.
3. Расширить понятие амфотерности раскрытием электронного строения алюминия, химических свойств его соединений.
Воспитательные:
1. Воспитывать бережное отношение к окружающей среде, предоставляя сведения о возможном использовании алюминия вчера, сегодня, завтра.
2. Формировать умения работать коллективом у каждого учащегося, считаться с мнением всей группы и отстаивать свое корректно, выполняя лабораторную работу.
3. Знакомить учащихся с научной этикой, честностью и порядочностью естествоиспытателей прошлого, предоставляя сведения о борьбе за право быть первооткрывателем алюминия.
ПОВТОРЕНИЕ ПРОЙДЕННОГО МАТЕРИАЛЛА по темам щелочные и щелочноземельные М (ПОВТОРЕНИЕ):
Какое количество электронов на внешнем энергетическом уровне щелочных и щелочноземельных М?
Какие продукты образуются при взаимодействии с кислородом натрия или калия? (пероксид), способен ли литий в реакции с кислородом давать пероксид? (нет, в результате реакции образуется оксид лития.)
Как получают оксиды натрия и калия? (прокаливанием пероксидов с соответствующими Ме, Пр: 2Na+Na 2 O 2 =2Na 2 O).
Проявляют ли щелочные и щелочноземельные металлы отрицательные степени окисления? (нет, не имеют, так как являются сильными восстановителями.).
Как изменяется радиус атома в главных подгруппах (сверху вниз) Переодической системы? (увеличивается), с чем это связано? (с увеличением числа энергетических уровней).
Какие из изученных нами групп металлов легче воды? (у щелочных).
При каких условиях идет образование гидридов у щелочноземельных металлов? (при высоких температурах).
Какое вещество кальций или магний активнее реагирует с водой? (более активно реагирует кальций. Магний активно реагирует с водой только при нагревании ее до 100 0 С).
Как изменяется растворимость гидроксидов щелочноземельных металлов в воде, в ряду от кальция до бария? (растворимость в воде увеличивается).
Расскажите про особенности хранения щелочных и щелочноземельных металлов, почему их хранят именно так? (т.к. данные металлы очень реакциоспособны, то их хранят в таре под слоем керосина).
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по темам щелочные и щелочноземельные М:
КОНСПЕКТ УРОКА (ИЗУЧЕНЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА):
Учитель: Здравствуйте ребята, сегодня мы с вами переходим к изучению IIIА подгруппы. Перечислите элементы расположенные в IIIА подгруппе?
Обучаемые: Она включает в себя такие элементы как бор, алюминий, галлий, индий и таллий.
Учитель: Какое число электронов они содержат на внешнем энергетическом уровне, степени окисления?
Обучаемые: Три электрона, степень окисления +3, хотя для таллия более устойчивой является степень окисления +1.
Учитель: Металлические свойства элементов подгруппы бора выражены значительно слабее, чем у элементов подгруппы бериллия. Бор является неМ. В дальнейшем внутри подгруппы с возрастанием заряда ядра М свойства усиливаются. А l – уже М, но не типичный. Его гидроксид обладает амфотерными свойствами.
Из М главной подгруппы III группы наибольшее значение имеет алюминий, свойства которого мы изучим подробно. Он интересен нам потому, что является переходным элементом.
Этот легкий металл с серебристо-белым оттенком в современной жизни встречается почти повсеместно. Физические и химические свойства алюминия позволяют широко использовать его в промышленности. Самые известные месторождения - в Африке, Южной Америке, в Карибском регионе. В России места добычи бокситов имеются на Урале. Мировыми лидерами по производству алюминия являются Китай, РФ, Канада, США.
Добыча Al
В природе этот серебристый металл в силу своей высокой химической активности встречается лишь в виде соединений. Наиболее известные геологические породы, содержащие алюминий, - это бокситы, глиноземы, корунды, полевые шпаты. Промышленное значение имеют бокситы и глиноземы, именно месторождения этих руд позволяют добывать алюминий в чистом виде.
Свойства
Физические свойства алюминия позволяют легко вытягивать заготовки этого металла в проволоку и прокатывать в тонкие листы. Этот металл не является прочным, для повышения данного показателя при выплавке его легируют различными добавками: медью, кремнием, магнием, марганцем, цинком. Для промышленного назначения важно еще одно физическое свойство вещества алюминия - это его способность быстро окисляться на воздухе. Поверхность изделия из алюминия в естественных условиях обычно покрыта тонкой оксидной пленкой, которая эффективно защищает металл и препятствует его коррозии. При уничтожении этой пленки серебристый металл быстро окисляется, при этом его температура заметно повышается.
Внутреннее строение алюминия
Физические и химические свойства алюминия во многом зависят от его внутреннего строения. Кристаллическая решетка этого элемента является разновидностью гранецентрированного куба.
Данный тип решетки присущ многим металлам, таким, как медь, бром, серебро, золото, кобальт и другие. Высокая теплопроводность и способность проводить электричество сделали этот металл одним из самых востребованных в мире. Остальные физические свойства алюминия, таблица которых представлена ниже, раскрывают полностью его свойства и показывают сферы их применения.
Легирование алюминия
Физические свойства меди и алюминия таковы, что при добавлении к алюминиевому сплаву некоторого количества меди его кристаллическая решетка искривляется, и прочность самого сплава повышается. На этом свойстве Al основано легирование легких сплавов для повышения их прочности и стойкости к воздействию агрессивной среды.
Объяснение процесса упрочнения лежит в поведении атомов меди в кристаллической решетке алюминия. Частицы Cu стремятся выпасть из кристаллической решетки Al, группируются на ее особых участках.
Там, где атомы меди образуют скопления, образуется кристаллическая решетка смешанного типа CuAl 2 , в которой частицы серебристого металла одновременно входят в состав и общей кристаллической решетки алюминия, и в состав решетки смешанного типа CuAl 2. Силы внутренних связей в искаженной решетке гораздо больше, чем в обычной. А значит, и прочность новообразованного вещества гораздо выше.
Химические свойства
Известно взаимодействие алюминия с разбавленными серной и соляной кислотой. При нагревании этот металл в них легко растворяется. Холодная концентрированная или сильно разбавленная азотная кислота не растворяет этот элемент. Водные растворы щелочей активно воздействуют на вещество, в процессе реакции образуя алюминаты - соли, в составе которых имеются ионы алюминия. Например:
Al 2 O 3 +3H2O+2NaOH=2Na
Получившееся в результате реакции соединение носит название тетрагидроксоалюминат натрия.
Тонкая пленка на поверхности алюминиевых изделий защищает этот металл не только от воздуха, но и от воды. Если эту тонкую преграду убрать, элемент станет бурно взаимодействовать с водой, выделяя из нее водород.
2AL+6H 2 O= 2 AL (OH) 3 +3Н 2
Образовавшееся вещество называется гидроксидом алюминия.
AL (OH) 3 реагирует с щелочью, образуя кристаллы гидроксоалюмината:
Al(OH) 2 +NaOH=2Na
Если это химическое уравнение сложить с предыдущим, получим формулу растворения элемента в щелочном растворе.
Al(OH) 3 +2NaOH+6H 2 O=2Na +3H 2
Горение алюминия
Физические свойства алюминия позволяют ему вступать в реакцию с кислородом. Если порошок этого металла или алюминиевую фольгу нагреть, то она вспыхивает и горит белым ослепительным пламенем. В конце реакции образуется оксид алюминия Al 2 O 3.
Глинозем
Полученный оксид алюминия имеет геологическое название глинозем. В естественных условиях он встречается в виде корунда - твердых прозрачных кристаллов. Корунд отличается высокой твердостью, в шкале твердых веществ его показатель составляет 9. Сам корунд бесцветен, но различные примеси могут окрасить его в красный и синий цвет, так получаются драгоценные камни, которые в ювелирном деле называются рубинами и сапфирами.
Физические свойства оксида алюминия позволяют выращивать эти драгоценные камни в искусственных условиях. Технические драгоценные камни используются не только для ювелирных украшений, они применяются в точном приборостроении, для изготовления часов и прочего. Широко используются искусственные кристаллы рубина и в лазерных устройствах.
Мелкозернистая разновидность корунда с большим количеством примесей, нанесенная на специальную поверхность, известна всем как наждак. Физические свойства оксида алюминия объясняют высокие абразивные свойства корунда, а также его твердость и устойчивость к трению.
Гидроксид алюминия
Al 2 (OH) 3 является типичным амфотерным гидроксидом. В соединении с кислотой это вещество образует соль, содержащую положительно заряженные ионы алюминия, в щелочах образует алюминаты. Амфотерность вещества проявляется в том, что он может вести себя и как кислота, и как щелочь. Это соединение может существовать и в желеобразном, и в твердом виде.
В воде практически не растворяется, но вступает в реакцию с большинством активных кислот и щелочей. Физические свойства гидроксида алюминия используются в медицине, это популярное и безопасное средство снижения кислотности в организме, его применяют при гастритах, дуоденитах, язвах. В промышленности Al 2 (OH) 3 используется в качестве адсорбента, он прекрасно очищает воду и осаждает растворенные в ней вредные элементы.
Промышленное использование
Алюминий был открыт в 1825 году. Поначалу данный металл ценился выше золота и серебра. Это объяснялось сложностью его извлечения из руды. Физические свойства алюминия и его способность быстро образовывать защитную пленку на своей поверхности затрудняли исследование этого элемента. Лишь в конце 19 века был открыт удобный способ плавки чистого элемента, пригодный для использования в промышленных масштабах.
Легкость и способность сопротивляться коррозии - уникальные физические свойства алюминия. Сплавы этого серебристого металла применяются в ракетной технике, в авто-, судо-, авиа- и приборостроении, в производстве столовых приборов и посуды.
Как чистый металл Al используется при изготовлении деталей для химической аппаратуры, электропроводов и конденсаторов. Физические свойства алюминия таковы, что его электропроводность не так высока, как у меди, но этот недостаток компенсируется легкостью рассматриваемого металла, что позволяет делать провода из алюминия более толстыми. Так, при одинаковой электропроводности алюминиевый провод весит в два раза меньше медного.
Не менее важным является применение Al в процессе алитирования. Так называется реакция насыщения поверхности чугунного или стального изделия алюминием с целью защиты основного металла от коррозии при нагревании.
В настоящее время изведанные запасы алюминиевых руд вполне сопоставимы с потребностями людей в этом серебристом металле. Физические свойства алюминия могут преподнести еще немало сюрпризов его исследователям, а сферы применения этого металла гораздо шире, чем можно представить.
Алюми́ний - элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов, третьего периода, с атомным номером 13. Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).
Простое вещество алюминий - лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белогоцвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- иэлектропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.
Современный метод получения, процесс Холла-Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых илиграфитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.
Лабораторный способ получения алюминия: восстановлением металлическим калием безводного хлорида алюминия (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):
Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность - 2,7 г/см³, температура плавления у технического алюминия - 658 °C, у алюминия высокой чистоты - 660 °C, высокая пластичность: у технического - 35 %, у чистого - 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу. Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·106 См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 %, обладает высокой светоотражательной способностью.
Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием(силумин).
По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре по данным различных исследователей оценивается от 7,45 до 8,14 %. В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений.
Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al с ничтожными следами 26Al, наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при расщеплении ядер аргона 40Ar протонами космических лучей с высокими энергиями.
При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°), O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Не допустить образования оксидной пленки можно, добавляя к алюминию такие металлы как галлий,индий или олово. При этом поверхность алюминия смачивают легкоплавкие эвтектики на основе этих металлов.
Легко реагирует с простыми веществами:
с кислородом, образуя оксид алюминия:
с галогенами (кроме фтора), образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:
с другими неметаллами реагирует при нагревании:
со фтором, образуя фторид алюминия:
с серой, образуя сульфид алюминия:
с азотом, образуя нитрид алюминия:
с углеродом, образуя карбид алюминия:
Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:
с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):
со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):
Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:
При нагревании растворяется в кислотах - окислителях, образующих растворимые соли алюминия:
восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):
44.Соединения алюминия, их амфотерные свойства
Электронная конфигурация внешнего уровня алюминия … 3s23p1.
В возбужденном состоянии один из s-электронов переходит на свободную ячейку p-подуровня, такое состояние отвечает валентности III и степени окисления +3. Во внешнем электронном слое атома алюминия существуют свободные d-подуровни.
Важнейшие природные соединения – алюмосиликаты:
белая глина Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O, полевой шпат K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2, слюда K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2 ∙ H2O
Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют бокситы А12Оз ∙ nН2О, минералы корунд А12Оз и криолит А1Fз ∙3NaF.
Легкий, серебристо-белый, пластичный металл, хорошо проводит электрический ток и тепло.
На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид.
Оксид алюминия А12О3
Белое твердое вещество, нерастворимое в воде, температура плавления 20500С.
Природный А12О3 - минерал корунд. Прозрачные окрашенные кристаллы корунда - красный рубин – содержит примесь хрома - и синий сапфир - примесь титана и железа - драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п.
Оксид алюминия проявляет амфотерные свойства
1. взаимодействие с кислотами
А12О3 +6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
2. взаимодействие со щелочами
А12О3 + 2NaOH – 2NaAlO2 + H2O
Al2O3 + 2NaOH + 5H2O = 2Na
3. при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Мп, V, W и др.) в свободном состоянии
2А1 + WO3 = А12Оз + W
4. взаимодействие с солями, имеющими сильнощелочную среду, вследствие гидролиза
Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2
Гидроксид алюминия А1(ОН)3
А1(ОН)3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер.
Получают гидроксид алюминия реакцией обмена растворимых солей алюминия со щелочами
AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl
Al3+ + 3OH- = Al(OH)3↓
Данную реакцию можно использовать как качественную на ион Al3+
Химические свойства
1. взаимодействие с кислотами
Al(OH)3 +3HCl = 2AlCl3 + 3H2O
2. при взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:
NaOH + А1(ОН)з = Na
2Al(OH)3 = Al2О3 + 3H2O
Соли алюминияподвергаются гидролизу по катиону, среда кислая (рН < 7)
Al3+ + Н+ОН- ↔ AlОН2+ + Н+
Al(NO3)3 + H2O↔ AlOH(NO3)2 + HNO3
Растворимые соли алюминия и слабых кислот подвергаются полному (необратимому гидролизу)
Al2S3+ 3H2O = 2Al(OH)3 +3H2S
Оксид алюминия Al2O3 – входит в состав некоторых антацидных средств (например, Almagel), используется при повышенной кислотности желудочного сока.
КAl(SO4)3 12H2О – алюмокалиевые квасцы применяются в медицине для лечения кожных заболеваний, как кровоостанавливающие средство. А также используют как дубильное вещество в кожевенной промышленности.
(CH3COO)3Al - Жидкость Бурова- 8% раствор ацетата алюминия оказывает вяжущее и противовоспалительное действие, в больших концентрациях обладает умеренными антисептическими свойствами. Применяется в разведенном виде для полоскания, примочек, при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек.
AlCl3 - применяется в качестве катализатора в органическом синтезе.
Al2(SO4)3 · 18 H20 – применяется при очистки воды.