Алюминий

Здравствуй, уважаемый читатель! Сейчас мы будем разбираться с таким интереснейшим элементом, как алюминий, и подробно узнаем о его свойствах.

Алюминий является самым распространенным металлом, находящимся в соединениях в составе земной коры, следом за ним идёт железо. Но несмотря на этот факт, алюминий — не самый дешёвый в производстве металл (самый дешёвый — свинец) и на его получение тратится значительно больше энергии, чем на производство железа. Немного позже вы узнаете почему.

Алюминий — уникальный металл в том смысле, что изготавливать из него можно почти всё что угодно: фольгу, банки для напитков, кружки, ложки, крючки для одежды — он необычайно ковкий. Однако, из-за этой ковкости его трудно использовать в несущих деталях конструкций, например арматуры или газовых баллонов, для изготовления которых используются более твёрдые материалы.

Чтобы узнать, как можно получать алюминий, нужно узнать о том, в каком виде он встречается в природе.

Геохимия алюминия

Самый распространенный минерал алюминия — это его оксид Al₂O₃. В природе он встречается в разных минералах, из которых самый распространённый — боксит Al₂O₃ * xH₂O:

Включения других элементов в состав минерала делают его необычайно красивым. Прекрасные рубин, сапфир, топаз, аквамарин представляют из себя минералы, состоящие в основном из оксида алюминия, цвет которых обеспечивается за счет примесей — соединений хрома(II и III), железа, титана, марганца и многих других.

• 

• 

• 

Вместе с кремнием алюминий образует группу самых распространённых в земной коре минералов. Их объединяют под общим названием — алюмосиликаты, подчёркивая наличие алюминия и кремния (silicium) в их составе.

Способы получения

Как мы уже выяснили, всё или почти всё, что из себя представляет природный алюминий, — это его оксид Al₂O₃. Алюминий — очень активный металл, поэтому его извлечь из оксида непросто. Приведём некоторые цифры: энергия Гиббса сродства к кислороду, то есть образования оксида, составляет около -300 кДж/моль! А электродный потенциал реакции восстановления алюминия(3+) составляет -1,7 В, что ставит его рядом с бериллием и марганцем.

Поэтому одним из самых распространённых способов для его получения служит электролиз расплава.

Сам оксид алюминия (корунд) чрезвычайно тугоплавкий, поэтому к нему добавляют гексафторалюминат натрия — природный минерал криолит.

Он имеет формулу Na₃[AlF₆] — это комплексное соединение, которое можно получить из водного оксида алюминия по следующей реакции:

\(2Al(OH)_3 + 3Na_2CO_3 + 18HF = 2Na_3[AlF_6] + 3CO_2\uparrow + 9H_2O\)

На территории России криолит встречается в непригодном для получения алюминия виде (загрязнённом), поэтому для электролиза расплава его получают по вышеприведённой реакции.

Вместе с ним к оксиду алюминия добавляют также фторид кальция CaF₂, и в результате смесь начинает плавиться при 950^оС.

В расплавленную смесь погружают графитовые электроды и создают напряжение, в результате чего происходит процесс электролиза, который в данном случае точно описать довольно сложно, поэтому ограничимся приблизительными реакциями.

\(Al_2O_3 = AlO^+ + AlO_2^-\) \(\quad \ominus 3AlO^+ + 3\overline{e} = Al\downarrow + Al_2O_3\) \(\quad \oplus 2AlO_2^- — 2\overline{e} = [O] + Al_2O_3\)

Вместе с этим графитовые электроды довольно быстро сгорают при такой высокой температуре и количестве кислорода, который выделяется на них:

\(C + O_2 = CO_2\uparrow\)

Суммируя всё вышесказанное, в процессе электролиза расплава на катоде выделяется алюминий, который из-за большей, нежели расплав, плотности собирается на дне жидким слоем; на аноде же выделяется кислород. Выглядит это вживую вот так:

Химические свойства алюминия

Алюмотермия

Как мы уже сказали, алюминий — активный металл. Настолько активный, что может применяться как восстановитель железа, марганца, хрома и других подобных металлов, при этом переходя в очень стабильный оксид. Данный метод получения других металлов из их оксидов реакцией с алюминиевой пудрой носит название алюмотермия, или реакция термит:

\(3Fe_3O_4 + 8Al = 4Al_2O_3 + 9Fe\) \(3MnO_2 + 4Al = 3Mn + 2Al_2O_3\) \(Cr_2O_3 + 2Al = 2Cr + Al_2O_3\)

Как вы уже заметили, в своём оксиде алюминий находится в степени окисления +3. И да, действительно, это самая устойчивая для алюминия степень окисления. Однако для него существует ещё одна ненулевая степень окисления! И это +1, о которой мы поговорим чуть позже.

Для начала отметим реакции алюминия со многими простыми веществами (при нагревании), элементы которых окружают алюминий в таблице Менделеева:

\(4Al + 3C = Al_4C_3 \quad \text{t = }1500^oC\) \(2Al + N_2 = 2AlN \quad t > 800^oC\) \(2Al + 3S = Al_2S_3 \quad t > 700^oC\)

Многие из образующихся в подобных реакциях соединения легко гидролизуются:

\(Al_2S_3 + 6H_2O = 3H_2S\uparrow + 2Al(OH)_3\downarrow, \text{быстро}\) \(AlN + 4HCl = AlCl_3 + NH_4Cl, \text{медленно}\)

Отношение к кислотам

Алюминий не реагирует с концентрированными азотной и серной кислотами — то есть пассивируется.

Однако с разбавленными кислотами-неокислителями (то есть разбавленной серной, соляной) реагирует с умеренной скоростью из-за довольно инертной плёнки оксида на поверхности, которая медленно «съедается» кислотой:

\(2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow\)

Гидроксид алюминия очень легко взаимодействует с кислотами, образуя соли алюминия:

\(Al(OH)_3 + 3HCl = AlCl_3 + 3H_2O\)

Отношение к щелочам. Амфотерность

Алюминий — амфотерный металл. Это значит, что он и его соединения проявляют как кислотные, так и основные свойства.

Например, он реагирует с раствором щелочи:

\(2Al + 2NaOH + 6H_2O = 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow\)

Экспериментально замечено, что эта реакция идет с большей скоростью, нежели алюминия с кислотой, а значит мы можем сделать вывод, что кислотные свойства алюминия выражены сильнее, чем основные.

Помимо реакции с кислотой, гидроксид алюминия также легко растворяется и в растворе щёлочи!

\(Al(OH)_3 + NaOH = Na[Al(OH)_4]\)

В результате этих реакций образуется комплексное соединение — тетрагидроксоалюминат натрия, которое имеет переменный состав, сильно зависящий от pH. В водных растворах при pH 13-14 (сильнощелочных средах) существуют тетрагидроксоалюминат-ионы, а при понижении pH (подкислении среды) между ионами начинают происходить процессы полимеризации через кислородные мостики. Например, охарактеризовано существование и строение ионов следующих составов:

\([Al_{13}O_4(OH)_{24}(H_2O)_{12}]^{7+},\quad [Al_{13}(OH)_{35}]^{4+}\)

А вместе с однозарядными катионами (катионами щелочных металлов и аммония) образует устойчивые кристаллизующиеся соединения квасцы (название происходит от слова кислый, так как соединения алюминия гидролизуются и растворы солей имеют кислую реакцию среды):

\((NH_4)_2SO_4 + Al_2(SO_4)_3 + 24H_2O = 2NH_4Al(SO_4)_2 * 12H_2O\)

В их структуре присутствуют тетраэдрические гексаакваионы [Al(H₂O)₆]³⁺.

При сплавлении со щелочами алюминий образует соль мета- или ортоалюминиевой кислоты. При этом также могут образоваться алюминаты более сложного состава:

\(Al(OH)_3 + NaOH = NaAlO_2 + 2H_2O\) \(NaAlO_2 + Na_2O = Na_3AlO_3\)

Нестабильные соединения

Говоря о неустойчивых соединениях алюминия, начнём с гидрида. Обменной реакцией алан (гидрид алюминия) может быть получен в эфирном растворе:

\(3LiH + AlCl_3 = 3LiCl + AlH_3\downarrow\)

Продукт этой реакции — твёрдое белое полимерное вещество. Структурные фрагменты [Al₂H₆] напоминают бораны, и из эфирных растворов может осаждаться также сольват AlH₃ * xEt₂O.

Выше 150^оС алан разлагается на простые вещества:

\(2AlH_3 = 2Al + 3H_2\uparrow\)

Одновалентный алюминий

Вот мы и дошли до места, где упомянем соединения алюминия в степени окисления +1. Да, они немногочисленны, но сказать о них стоит.

Выше 1000 градусов Цельсия существует оксид Al₂O, получаемый реакцией обычного оксида с кремнием:

\(Al_2O_3 + 2Si = Al_2O\uparrow + 2SiO\)

А при нагревании фторида алюминия(III) с металлическим алюминием образуется субфторид алюминия — синий газ:

\(AlF_3 + 2Al = 3AlF\uparrow\)

Так как подобные соединения являются летучими и легко разлагаются, их можно использовать в транспортных реакциях для очистки алюминия. Это такие реакции, где в одной части прибора из грязного источника получается летучий оксид или субфторид, а в другой части прибора, скажем, на раскалённой проволоке, этот неустойчивый газ разлагается, образуя высокочистый алюминий.

Также известен сульфид:

\(Al_2S_3 + 4Al = 3Al_2S\)

Эти соединения необходимо получать в инертной атмосфере.

Любите химию!