Алюминий - Металлы главных подгрупп I-III групп Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева - НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Строение и свойства атомов

Алюминий (Al) — элемент главной подгруппы III группы периодической системы Д. И. Менделеева. Атом алюминия содержит на внешнем энергетическом уровне три электрона, которые он легко отдает при химических взаимодействиях. У родоначальника подгруппы и верхнего соседа алюминия — бора — радиус атома меньше (у бора он равен 0,080 нм, у алюминия — 0,143 нм). Кроме того, у атома алюминия появляется один промежуточный восьмиэлектронный слой (2ē; 8ē; 3ē), который препятствует протяжению внешних электронов к ядру. Поэтому у атомов алюминия восстановительные свойства выражены достаточно сильно.

Почти во всех своих соединениях алюминий имеет степень окисления +3.

Алюминий — простое вещество

Серебристо-белый легкий металл. Плавится при 660 °С. Очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в фольгу толщиной до 0,01 мм. Обладает очень большой электрической проводимостью и теплопроводностью. Образуют с другими металлами легкие и прочные сплавы.

- ЗАПОМНИ. Сплавы на основе алюминия: дуралюмин (добавки Cu и Mg), силумин (Si), магналий (Mg).

Алюминий — очень активный металл.

Если порошок алюминия или тонкую алюминиевую фольгу сильно нагреть, то они воспламеняются и сгорают ослепительным пламенем:

Эту реакцию можно наблюдать при горении бенгальских огней и фейерверков.

Алюминий, как и все металлы, легко реагирует с неметаллами, особенно в порошкообразном состоянии. Для того чтобы началась реакция, необходимо первоначальное нагревание, за исключением реакций с галогенами — хлором и бромом, зато потом все реакции алюминия с неметаллами идут очень бурно и сопровождаются выделением большого количества теплоты:

Алюминий хорошо растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах:

А вот концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют алюминий, образуя на поверхности металла плотную прочную оксидную пленку, которая препятствует дальнейшему протеканию реакции. Поэтому эти кислоты перевозят в алюминиевых цистернах.

Оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами, поэтому алюминий растворяется в водных растворах щелочей, образуя соли — алюминаты:

Алюминий широко используется в металлургии для получения металлов — хрома, марганца, ванадия, титана, циркония из их оксидов. Этот способ носит название алюмотермия. На практике часто применяют термит — смесь Fe₃O₄ с порошком алюминия. Если эту смесь поджечь, например, с помощью магниевой ленты, то происходит энергичная реакция с выделением большого количества теплоты:

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

Выделяющейся теплоты вполне достаточно для полного расплавления образующегося железа, поэтому этот процесс используют для сварки стальных изделий.

Алюминий можно получить электролизом — разложением расплава его оксида Al₂O₃ на составные части с помощью электрического тока. Но температура плавления оксида алюминия около 2050 °С, поэтому для проведения электролиза необходимы большие затраты энергии.

Соединения алюминия

Алюмосиликаты. Эти соединения можно рассматривать как соли, образованные оксидом алюминия, кремния, щелочных и щелочноземельных металлов. Они и составляют основную массу земной коры. В частности, алюмосиликаты входят в состав полевых шпатов — наиболее распространенных минералов и глин.

Боксит — горная порода, из которой получают алюминий. Она содержит оксид алюминия Al₂O₃.

Корунд — минерал состава Al₂O₃, обладает очень высокой твердостью, его мелкозернистая разновидность, содержащая примеси, — наждак, применяется как абразивный (шлифовочный) материал.

Эту же формулу имеет и другое природное соединение — глинозем.

Хорошо известны прозрачные, окрашенные примесями, кристаллы корунда: красные — рубины и синие — сапфиры, которые используют как драгоценные камни. В настоящее время их получают искусственно и применяют не только для украшений, но и для технических целей, например, для изготовления деталей часов и других точных приборов. Кристаллы рубинов применяются в лазерах.

Оксид алюминия Al₂O₃ — белое вещество с очень высокой температурой плавления. Может быть получен разложением при нагревании гидроксида алюминия:

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

Гидроксид алюминия Al(OH)₃ выпадает в виде студенистого осадка при действии щелочей на растворы солей алюминия:

Как амфотерный гидроксид он легко растворяется в кислотах и растворах щелочей:

Алюминатами называют соли неустойчивых алюминиевых кислот — ортоалюминиевой H₃AlO₃, метаалюминиевой HAlO₂ (ее можно рассматривать как ортоалюминиевую кислоту, от молекулы которой отняли молекулу воды). К природным алюминатам относится благородная шпинель и драгоценный хризоберилл.

Соли алюминия, кроме фосфатов, хорошо растворимы в воде. Некоторые соли (сульфиды, сульфиты) разлагаются водой.

Хлорид алюминия AlCl₃ применяют в качестве катализатора в производстве очень многих органических веществ.

Физические и химические свойства алюминия и его соединений обобщены в табл. 10.

Таблица 10

Алюминий и его соединения

Алюминий	Соединения алюминия
	Оксид алюминия	Гидроксид алюминия
1. Серебристо-белый легкий металл. 2. Окисляется на воздухе с образованием защитной пленки: 4Аl + 3O2 = 2Аl203 3. Вытесняет водород из воды: 4. Взаимодействует с кислотами: 5. Взаимодействует с щелочами: 6. Вытесняет металлы из их оксидов (алюминотермия): 8Аl + 3Fe3O4 = 9Fe + 4Аl2O3 + Q Получение: разложение электрическим током расплава оксида алюминия (в криолите): 2Аl2O3 = 4Аl + 3O2 - 3352 кДж	1. Очень твердый порошок белого цвета. 2. Амфотерный оксид, взаимодействует: а) с кислотами: Аl2O3 + 6Н = 2Аl3+ 3Н2O б) с щелочами: Аl2O3 + 2OН- = 2АlO2- + H2O Образуется а) при окислении или горении алюминия на воздухе: 4Аl + 3O2 = 2Аl2O3 б) в реакции алюминотермии: 2Аl + Fe2O3 = Аl2O3 + 2Fe в) при термическом разложении гидроксида алюминия: 2Аl(ОН)3 = Аl2O3 + 3Н2O	1. Белый нерастворимый в воде порошок. 2. Проявляет амфотерные свойства, взаимодействует: а) с кислотами: б) с щелочами: 3. Разлагается при нагревании: 2Аl(ОН)2 = Al2O3 + 3H2O Образуется при: а) взаимодействии растворов солей алюминия с растворами щелочей (без избытка): б) взаимодействии алюминатов с кислотами (без избытка): Соли алюминия в водных растворах гидролизуются: