1.5.2. Алюминий

Алюминий относится к p-элементам III А группы перио­дической системы. Электронная конфигурация валентных электронов атома алюминия выражается формулой ...3s²3p^s.На внешнем электронном слое атома имеется один неспарен­ный электрон. Поэтому алюминий может проявлять валент­ность, равную единице. Однако эта валентность для алюминия не характерна. Во всех устойчивых соединениях степень окис­ления алюминия равна +3. Валентность, равная трем, отвечает возбужденному состоянию атома Al: .. .3s¹3p².

По своей распространенности алюминий занимает чет­вертое место среди элементов (после О, Н, и Si) и является са­мым распространенным в природе металлом. Основная масса алюминия сосредоточена в алюмосиликатах: полевых шпатах, слюдах, глинах и др.

Свободный алюминий получают электролизом расплава AI₂O₃ (глинозема) в криолите (3NaF·AlF₃). Процесс ведут при температурах около 1000° С в специальных электрических пе­чах, причем на аноде выделяется кислород, а на катоде - жидкий алюминий. Последний собирается на дне печи, откуда его периодически выгружают.

Алюминий серебристо-белый легкий и чрезвычайно пла­стичный металл, обладающий высокой теплопроводностью и электрической проводимостью.

В таблице 1 приведены некоторые физико-механические свойства алюминия.

Таблица 1

Металл	ρ, г/см3	t°пл. С	t°кип. С t°	Твердость,м2	φ,В
А1	2,7	660	2270	127	-1,66

Химические свойства алюминия. Алюминий является очень активным металлом. На воздухе он тотчас покрывается тончайшей, но очень плотной пленкой оксида, предохраняю­щей металл от дальнейшего окисления. В связи с этим его по­верхность обычно имеет не блестящий, а матовый вид.

Отношение к элементарным окислителям. Гидриды алюминия очень неустойчивые соединения полимерного типа, имеющие формулу (АШз)_х.

Галиды образуются при непосредственном взаимодейст­вии алюминия с галогенами: с хлором и бромом при обычной температуре, с иодом - при нагревании. Наиболее прочное со­единение - фторид алюминия AIF3, нерастворимый в воде. А1 активный комплексообразователь. Наиболее устойчивы ком­плексы с октаэдрическим расположением связей (К=6):

3KF + A1F₃ = K₂[A1F₆]

криолит

Криолиты представляют собой природные минералы, ко­торые могут использоваться для получения алюминия.

В оксидах алюминий проявляет степень окисления +3. Оксид алюминия AI₂O₃ - устойчивое соединение, образующее несколько кристаллических форм:

γ-AI₂O₃ —> а- Аl₂Оз

Защитными свойствами обладают оксидные пленки со структурой сх-А1₂Оз, так как они утрачивают способность гид­ратироваться.

α-А1₂O₃ встречается в земной коре в виде минерала ко­рунда, из которого готовят шлифовальные диски и наждачные порошки. Применение корунда в качестве абразивного мате­риала основано на его высокой твердости, уступающей лишь твердости алмаза, карборунда SiC и боразона BN.

Прозрачные кристаллы корунда, окрашенные примесями в красный и синий цвет, являются полудрагоценными камнями

убины и сапфиры. В настоящее время рубины получают ис­кусственно, сплавляя глинозем в электропечах. Они использу­ются не столько для украшений, сколько для технических це­лей (детали точных приборов, камни в часах и т.п.). Кристаллы рубинов, содержащие Cr₂O₃, применяются в качестве кванто­вых генераторов — лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

А1₂Oз - амфотерный оксид, взаимодействует с кислотами и щелочами:

А1₂O_з + 6НС1 = 2А1С1₃ + ЗН₂O

А1₂O₃ + 2NaOH = 2NaA1O₂ + Н₂O

Метаалюминат

В водных растворах образуются: Na[Al(OH)₄], Na₃[Al(OH)₆] - гидроксоалюминаты натрия.

Сульфид алюминия солеобразный. A1₂S3 полностью гид­ролизуется:

A1₂S₃ + 6Н₂O ↔ 2А1(ОН)₃ + H₂S

Карбид алюминия образуется при высоких температурах:

4А1 + ЗС = А1₄С₃

Карбид алюминия легко разлагается водой и разбавлен­ными кислотами:

AI₄C₃ + 12Н₂O = 4А1(ОН)₃ + ЗСН₄

AI₄C3 + 12НС1 = 4А1С1₃ + ЗСН₄

Эти реакции используются для получения метана в лабо­раторных условиях.

Нитрид алюминия образуется при высоких температу­рах. Однако нитрид алюминия A1N неустойчив в отличие от нитридов d -металлов и легко разлагается водой.

Взаимодействие с кислотами, водой и щелочами. В обычном состоянии алюминий покрыт оксидной пленкой и пассивен, но так как оксид А1₂O_з амфотерен и реагирует с ки­слотами и щелочами, то через некоторое время начинается ак­тивное растворение алюминия в обоих типах сред:

2А1 + 2NaOH + 6Н₂O = 2Na[Al(OH)₄] + ЗН₂

2А1 + 6НС1 = 2А1С1₃ + ЗН₂

Сильно окисляющая азотная кислота пассивирует алю­миний, не давая разрушаться оксидному слою. Чистый алюми­ний в холодной азотной кислоте не растворяется. Поэтому ее транспортируют в алюминиевых ёмкостях.

С водой алюминий реагирует в том случае, если оксид­ный слой отсутствует, в парах воды - активно. Оксидный слой можно устранить солями ртути:

ЗHg²⁺+ А1° = А1³⁺+ 3Hg°

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, растекаясь по его поверхности. Над амальгамой алюминия оксидный слой не является сплошным, и алюминий реагирует с водой:

2А1 + 6Н₂0 = 2А1(ОН)₃ + ЗН₂

Получаемый по обменной реакции гидроксид алюминия -студенистый белый осадок, хорошо растворимый в кислотах и щелочах. При прокаливании гидроксид теряет воду и пере­ходит в оксид А1₂O₃.0дна из форм дегидратированного гидро­ксида - алюмогель используется в технике в качестве адсор­бента.

Чрезвычайно большой интерес представляют соединения алюминия - цеолиты, относящиеся к алюмосиликатам. Их со­став может быть выражен общей формулой Ме_хЭ_уО_2у·nН₂O, где Me - Са или Na (реже Ва, Sr, К); Э - Si и А1 в переменном со­отношении. При осторожном нагревании вода из цеолитов по­степенно удаляется. Но даже полное обезвоживание не приво­дит к разрушению кристаллов цеолитов. Катионы Са²⁺ и Na⁺ в цеолитах образуют диффузионный слой; они не закреплены в кристаллической решетке, а вместе с водой располагаются в пустотах кристалла. Это объясняет наличие у цеолитов важных для технических целей катионообменных свойств. Возмож­ность замены одних катионов другими позволяет применять цеолиты в качестве ионообменников.

Ряд искусственных цеолитов используются в качестве так называемых молекулярных сит, кристаллы которых характери­зуются наличием узких каналов диаметром от 3·10^-10 до 13·10^-10 м. Молекулярные сита поглощают вещества, молекулы которых могут войти в эти отверстия. С их помощью можно разделять углеводороды, производить осушку газов.

Алюминий образует со многими металлами интерметаллиды (CuA1₂, Ni₃AI, CoAl, TiAl и т.д.). Интерметаллиды алю­миния используются при разработке сплавов со специальными свойствами.

Применение алюминия. Алюминий применяется как в чистом виде, так и в многочисленных сплавах. Чистый алюми­ний обладает высокой электропроводностью и используется для изготовления электрических проводов, а также для изго­товления обмоток роторов быстроходных электромашин.

Чистый алюминий очень пластичен и из него получают фольгу для конденсаторов (0, 01 мм) и применяют для обертки пищевых продуктов. Чистый алюминий используется в качест­ве протектора для защиты стальных изделий.

Основная масса алюминия используется для получения легких сплавов - дуралюмина (94% А1, остальное Си, Mg, Мn, Fe и Si), силумина (85-90% А1, 10-14% Si) и др. Алюминий применяется, кроме того, как легирующая добавка к сплавам для придания им жаростойкости. Сплавы алюминия, имея хо­рошие механические свойства, характеризуются своей легко­стью. Так, изделия из дуралюмина при равной прочности поч­ти в 3 раза легче стальных. Поэтому алюминий и его сплавы занимают одно из главных мест как конструкционные мате­риалы в самолетостроении и ракетостроении. Коррозионная стойкость алюминия (особенно анодированного) значительно превосходит коррозионную стойкость стали. Поэтому его сплавы используются в судостроении и в нефтегазовом ком­плексе.

Алюминий применяется в алюминотермии для получения ряда металлов и для сварки термитным методом. Алюмино­термия основана на высоком сродстве алюминия к кислороду. Например, в реакции, протекающей по уравнению

8А1 + 3Fe₃O₄ = 4А1₂O₃ + 9Fe

выделяется около 3500 кДж теплоты и развивается температу­ра до 3000° С. Кроме того, алюминий применяется для получе­ния жаростойких термодиффузионных слоев на поверхности стальных изделий (термоалитирование).