Образование алюминатов. Алюминий: свойства химические и физические

Как наиболее легкий и пластичный металл, обладает широкой сферой использования. Он отличается устойчивостью к коррозии, имеет высокую электропроводность, а также легко переносит резкие температурные колебания. Еще одной особенностью является при контакте с воздухом появление на его поверхности особой пленки, которая защищает металл.

Все эти, а также другие особенности послужили его активному использованию. Итак, давайте узнаем подробнее, каковы области применения алюминия.

Данный конструкционный металл имеет широкое распространение. В частности именно с его использования начали свою работу авиастроение, ракетостроение, пищевая промышленность и изготовление посуды. Благодаря своим особенностям алюминий позволяет улучшить маневренность судов за счет меньшей массы.

Конструкции из алюминия в среднем на 50% получаются легче, нежели аналогичные стальные изделия.

Отдельно стоит упомянуть способность металла проводить ток. Такая особенность позволила сделать его главным конкурентом . Он активно применяется при производстве микросхем и в целом в области микроэлектроники.

Наиболее популярными сферами использования можно назвать:

• Авиастроение: насосы, двигатели, корпуса и прочие элементы;
• Ракетостроение: как горючий компонент для ракетного топлива;
• Судостроение: корпуса и палубные надстройки;
• Электроника: провода, кабели, выпрямители;
• Оборонное производство: автоматы, танки, самолеты, различные установки;
• Строительство: лестницы, рамы, отделка;
• Область ЖД: цистерны для нефтепродуктов, детали, рамы для вагонов;
• Автомобилестроение: бампера, радиаторы;
• Быт: фольга, посуда, зеркала, мелкие приборы;

Широкое распространение объясняется преимуществами металла, однако есть у него и существенный недостаток – это невысокая прочность. Чтобы минимизировать его, в металл добавляется и магний.

Как вы уже поняли, основное свое применение получили алюминий и его соединения в электротехнике (и просто технике), быту, промышленности, машиностроении, авиации. Теперь же мы поговорим о применении металла алюминия в строительстве.

О применении алюминия и его сплавах расскажет это видео:

Использование в строительстве

Использование алюминия человеком в области строительства обуславливается его устойчивостью к коррозии. Это дает возможность изготавливать из него конструкции, которые планируется использовать в агрессивных средах, а также на открытом воздухе.

Кровельные материалы

Алюминий активно используется для . Этот листовой материал помимо хороших декоративных, несущих и ограждающих особенностей, отличается и доступной стоимостью по сравнению с остальными кровельными материалами. При этом такая кровля не требует профилактического осмотра или ремонта, а срок ее службы превышает многие существующие материалы.

При добавлении в чистый алюминий других металлов можно получить абсолютно любые декоративные особенности. Такая кровля позволяет иметь широкую цветовую гамму, которая идеально впишется в общий стиль.

Оконные переплеты

Можно встретить алюминий среди фонарных и оконных переплетов. Если с аналогичной целью использовать , то она проявит себя как ненадежный и недолговечный материал.

Сталь же быстро покроется коррозией, будет иметь большой вес переплета и неудобства в его открытии. В свою очередь алюминиевые конструкции такими недостатками не обладают.

О свойствах и использовании алюминия расскажет видеоролик ниже:

Стеновые панели

Алюминиевые панели производятся из сплавов этого металла и используются для внешней отделки домов. Они могут иметь вид обычных штампованных листов или готовых ограждающих панелей, состоящих из листов, утеплителя и облицовки. В любом случае они максимально сдерживают тепло внутри дома и, обладая небольшим весом, не несут нагрузку на фундамент.

Металлы относятся к удобным для обработки материалам, и лидером среди них является алюминий, химические свойства которого давно известны людям. Этот металл, благодаря своим характеристикам, широко применяется в быту, и отыскать у себя дома изделие из алюминия сможет почти каждый человек. Следует детально рассмотреть свойства этого металла как элемента и как простого вещества.

Как был открыт алюминий

С давних времен люди использовали алюмокалиевые квасцы - соединение алюминия, способное придавать прочность и устойчивость тканям и коже. Такое свойство металла нашло свое применение в кожевничестве: с помощью алюмокалиевых квасцов скорняки выделывали кожу, придавая ей прочность и устойчивость. О том, что оксид алюминия присутствует в природе в чистом виде, люди узнали только во второй половине XVI­II столетия, но получать чистое вещество в те времена еще не научились.

Впервые это удалось сделать Хансу Кристиану Эрстеду, который обработал соль амальгамой калия, выделив затем из полученной смеси порошок серого цвета. Таким образом, данная химическая реакция помогла добыть чистый . В то же время были установлены такие характеристики металла, как высокая восстановительная способность и сильная активность.

Взаимодействие с оксидами реакция замещения атомов металла в оксиде на алюминий позволяет получить большое количество теплоты и новый металл в свободном виде.

Взаимодействие с солями , а именно с растворами некоторых менее активных солей.

Взаимодействие со щелочами : по причине сильного взаимодействия с растворами щелочей, их растворы нельзя хранить в посуде из алюминия.

Алюминотермия - процесс восстановления металлов, сплавов и неметаллов посредством воздействия на их оксиды металлическим алюминием. Благодаря данной особенности алюминия, металлурги могут добывать такие тугоплавкие металлы, как молибден, вольфрам, цирконий, ванадий.

Физические свойства алюминия как простого вещества

В качестве простого вещества алюминий представляет собой металл серебристого цвета. Он способен окисляться на воздухе, покрываясь плотной оксидной пленкой.

Данная особенность металла обеспечивает его высокую стойкость к коррозии. Это свойство алюминия, наравне с другими характеристиками, делает его чрезвычайно популярным металлом, широко применяемым в быту. Кроме того, алюминий имеет легкий вес, сохраняя при этом высокую прочность и пластичность.

Далеко не каждое известное людям вещество имеет совокупность подобных характеристик.

Физические свойства алюминия

Алюминий - пластичный и ковкий металл, применяется для изготовления тончайшей фольги, из алюминия прокатывают проволоку.

Температура кипения металла составляет 2518 °С.

Температура плавления алюминия составляет 660 °С.

Плотность алюминия составляет 2,7 г/см³.

Широкое применение алюминия в сферах жизнедеятельности обусловлено его химическими и физическими свойствами.

Кусок чистого алюминия

Очень редкий минерал семейства меди-купалита подкласса металлов и интерметаллидов класса самородных элементов. Преимущественно в виде микроскопических выделений сплошного мелкозернистого строения. Может образовывать пластинчатые или чешуйчатые кристаллы до 1 мм., отмечены нитевидные кристаллы длиной до 0,5 мм. при толщине нитей несколько мкм. Лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кубическая гранецентрированная структура. 4 оранжевых атома

Кристаллическая решетка алюминия - гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10 -10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10 -10 м, а атомный объем 9,999×10 -6 м 3 /г-атом.
Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки. Алюминий обладает большой химической активностью, энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10 -5 см), но прочной пленкой оксида алюминия А1 2 0 3 , которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

СВОЙСТВА

Самородный алюминий. Поле зрения 5 x 4 мм. Азербайджан, Гобустанский район, Каспийское море, Хере-Зиря или остров Булла

Алюминий - мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью, парамагнетик. Температура плавления 660°C. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см 3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов. 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.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

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%.
Современный метод получения, процесс Холла-Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al 2 O 3 в расплаве криолита Na 3 AlF 6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Аллюминий, агрегированный с коркой байерита на поверхности. Узбекистан, Навойская область, Учкудук

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико. Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл: полевые шпаты; бокситы; граниты; кремнезем; алюмосиликаты; базальты и прочие. В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.

ПРИМЕНЕНИЕ

Украшение из алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве - лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость. Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем.
Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на ювелирные изделия из алюминия сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Алюминий (англ. Aluminium) — Al

• Обозначение - Al (Aluminium);
• Период - III;
• Группа - 13 (IIIa);
• Атомная масса - 26,981538;
• Атомный номер - 13;
• Радиус атома = 143 пм;
• Ковалентный радиус = 121 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 ;
• t плавления = 660°C;
• t кипения = 2518°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,61/1,47;
• Степень окисления: +3, 0;
• Плотность (н. у.) = 2,7 г/см 3 ;
• Молярный объем = 10,0 см 3 /моль.

Алюминий (квасцы) впервые был полуен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дорооже золота.

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре (массовая доля составляет 7-8%), и третьим по распространенности среди всех элементов после кислорода и кремния. В свободном виде в проироде алюминий не встречается.

Важнейшие природные соединения алюминия:

• алюмосиликаты - Na 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2 ; K 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2
• бокситы - Al 2 O 3 ·n H 2 O
• корунд - Al 2 O 3
• криолит - 3NaF·AlF 3

Рис. Строение атома алюминия .

Алюминий химически активный металл - на его внешнем электронном уровне находятся три электрона, которые участвуют в образовании ковалентных связей при взаимодействии алюминия с другими химическими элементами (см. Ковалентная связь). Алюминий - сильный восстановитель, во всех соединениях проявляет степень окисления +3.

При комнатной температуре алюминий вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной оксидной пленки, которая надежно препятствует процессу дальнейшего окисления (корродирования) металла, в результате чего химическая активность алюминия снижается.

Благодаря оксидной пленке алюминий не вступает в реакцию с азотной кислотой при комнатной температуре, поэтому, алюминиевая посуда является надежной тарой для хранения и трансопртирования азотной кислоты.

Физические свойства алюминия:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• прочный;
• легкий;
• пластичный (протягивается в тонкую проволоку и фольгу);
• обладает высокой электро- и теплопроводностью;
• температура плавления 660°C
• природный алюминий состоит из одного изотопа 27 13 Al

Химические свойства алюминия :

• при снятии оксидной пленки алюминий реагирует с водой:
  2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 ;
• при комнатной температуре вступает в реакции с бромом и хлором с образованием солей:
  2Al + 3Br 2 = 2AlCl 3 ;
• при высокой температуре алюминий реагирует с кислородом и серой (реакция сопровождается выделением большого кол-ва тепла):
  4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 + Q;
  2Al + 3S = Al 2 S 3 + Q;
• при t=800°C реагирует с азотом:
  2Al + N 2 = 2AlN;
• при t=2000°C реагирует с углеродом:
  2Al + 3C = Al 4 C 3 ;
• восстанавливает многие металлы из их оксидов - алюмотермией (при t до 3000°C) получают промышленным способом вольфрам, ванадий, титан, кальций, хром, железо, марганец:
  8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe;
• с соляной и разбавленной серной кислотой реагирует с выделением водорода:
  2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 ;
  2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 ;
• с концентрированной серной кислотой реагирует при высокой температуре:
  2Al + 6H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O;
• со щелочами реагирует с выделением водорода и образованием комплексных солей - реакция идет в несколько этапов: при погружении алюминия в раствор щелочи происходит растворение прочной защитной оксидной пленки, которая находится на поверхности металла; после растворения пленки, алюминий, как активиный металл, реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия, который взаимодействует со щелочью, как амфотерный гидроксид:
  • Al 2 O 3 +2NaOH = 2NaAlO 2 +H 2 O - растворение оксидной пленки;
  • 2Al+6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 - взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
  • NaOH+Al(OH) 3 = NaAlO 2 +2H 2 O - взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
  • 2Al+2NaOH+2H 2 O = 2NaAlO 2 +3H 2 - суммарное уравнение реакции алюминия со щелочью.

Соединения алюминия

Al 2 O 3 (глинозем)

Оксид алюминия Al 2 O 3 является белым, очень тугоплавким и твердым веществом (в природе тверже только алмаз, карборунд и боразон).

Свойства глинозема:

• не растворяется в воде и вступает с ней в реакцию;
• является амфотерным веществом, реагируя с кислотами и щелочами:
  Al 2 O 3 + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O;
  Al 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O = 2Na 3 ;
• как амфотерный оксид реагирует при сплавлении с оксидами металлов и солями, образуя алюминаты:
  Al 2 O 3 + K 2 O = 2KAlO 2 .

В промышленности глинозем получают из бокситов. В лабораторных условиях глинозем можно получить сжигая алюминий в кислороде:
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 .

Применение глинозема :

• для получения алюминия и электротехнической керамики;
• в качестве абразивного и огнеупорного материала;
• в качестве катализатора в реакциях органического синтеза.

Al(OH) 3

Гидроксид алюминия Al(OH) 3 является белым твердым кристаллическим веществом, которое получается в результате обменной реакции из раствора гидроксида алюминия - выпадает в виде белого студенистого осадка, кристаллизующегося со временем. Это амфотерное соединение почти не растворимое в воде:
Al(OH) 3 + 3NaOH = Na 3 ;
Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O.

• взаимодействие Al(OH) 3 с кислотами:
  Al(OH) 3 +3H + Cl = Al 3+ Cl 3 +3H 2 O
• взаимодействие Al(OH) 3 со щелочами:
  Al(OH) 3 +NaOH - = NaAlO 2 - +2H 2 O

Гидроксид алюминия получают путем действия щелочей на растворы солей алюминия:
AlCl 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 + 3NaCl.

Получение и применение алюминия

Алюминий достаточно трудно выделить из природных соединений химическим способом, что объясняется высокой прочностью связей в оксиде алюминия, поэтому, для промышленного получения алюминия применяют электролиз раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленном криолите Na 3 AlF 6 . В результате процесса алюминий выделяется на катоде, на аноде - кислород:

2Al 2 O 3 → 4Al + 3O 2

Исходным сырьем служат бокситы. Электролиз протекает при температуре 1000°C: температура плавления оксида алюминия составляет 2500°C - проводить электролиз при такой температуре не представляется возможным, поэтому оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите, и уже затем полученный электролит используют при электролизе для получения алюминия.

Применение алюминия:

• алюминиевые сплавы широко применяются в качестве конструкционных материалов в автомобиле-, самолето-, судостроении: дюралюминий, силумин, алюминиевая бронза;
• в химической промышленности в качестве восстановителя;
• в пищевой промышленности для изготовления фольги, посуды, упаковочного материала;
• для изготовления проводов и проч.

Одним из распространённых элементов планеты является алюминий. Физические и химические свойства алюминия применяются в промышленности. Все, что необходимо знать, про этот металл вы найдете в нашей статье.

Строение атома

Алюминий - это 13 элемент периодической таблицы. Он находится в третьем периоде, III группе, главной подгруппе.

Свойства и применение алюминия связаны с его электронным строением. Атом алюминия имеет положительно заряженное ядро (+13) и 13 отрицательно заряженных электронов, располагающихся на трёх энергетических уровнях. Электронная конфигурация атома - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с веществами алюминий переходит в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и другие активные металлы, алюминий является мощным восстановителем.

Рис. 1. Строение атома алюминия.

Алюминий - амфотерный металл, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. В зависимости от условий соединения проявляют кислотные или основные свойства.

Физическое описание

Алюминий обладает:

• лёгкостью (плотность 2,7 г/см 3);
• серебристо-серым цветом;
• высокой электропроводностью;
• ковкостью;
• пластичностью;
• температурой плавления - 658°C;
• температурой кипения - 2518,8°C.

Из металла делают жестяные ёмкости, фольгу, проволоку, сплавы. Алюминий используют при изготовлении микросхем, зеркал, композитных материалов.

Рис. 2. Жестяные ёмкости.

Алюминий - парамагнетик. Металл притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля.

Химические свойства

На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь оксидной плёнкой. Она защищает металл от коррозии, а также препятствует взаимодействию с концентрированными кислотами (азотной, серной). Поэтому кислоты хранят и перевозят в алюминиевой таре.

При обычных условиях реакции с алюминием возможны только после удаления оксидной плёнки. Большинство реакций протекают при высоких температурах.

Основные химические свойства элемента описаны в таблице.

Алюминий не реагирует непосредственно с водородом. Реакция с водой возможна после снятия оксидной плёнки.

Рис. 3. Реакция алюминия с водой.

Что мы узнали?

Алюминий - амфотерный активный металл с постоянной валентностью. Обладает небольшой плотностью, высокой электропроводностью, пластичностью. Притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля. Алюминий реагирует с кислородом, образуя защитную плёнку, которая препятствует реакциям с водой, концентрированными азотной и серной кислотами. При нагревании взаимодействует с неметаллами и концентрированными кислотами, при обычных условиях - с галогенами и разбавленными кислотами. В оксидах вытесняет менее активные металлы. Не реагирует с водородом.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.3 . Всего получено оценок: 73.