Алюміній

Учитель хімії Ракова Оксана Леонідівна

Загальна характеристика хімічного елемента

Алюміній розташований у IIIA групі. На зовнішньому енергетичному рівні атом Алюмінію містить три електрони, він може лише віддавати електрони, тому стабільний ступінь окиснення Алюмінію у сполуках — +3.

Аналізуючи інші елементи IIIA групи, можна визначити напівметалічність Бору, металічні властивості Галію, що дозволяє припустити проміжні (від металічних до неметалічних) властивості Алюмінію та амфотерність його сполук.

Поширеність у природі

Алюміній є найпоширенішим металічним елементом на Землі. Його вміст у земній корі становить 8 % (за масою) — це перше місце серед металічних елементів і третє серед усіх елементів. Через високу хімічну активність у вигляді простої речовини Алюміній у природі не трапляється. Він міститься у складі багатьох сполук, які утворюють ґрунти, — глиноземів (Al2O3) і бокситів (Αl2Ο3 • xΗ2Ο) (мал. 35.1). Також Алюміній є у складі багатьох мінералів, зокрема коштовного каміння (мал. 35.2). Різне забарвлення цих мінералів зумовлене невеликими домішками оксидів певних металічних елементів (у рубінів — Cr, у сапфірів — Ti та Fe тощо).

Незважаючи на поширеність у природі, Алюміній не міститься в живих організмах і не бере участі в метаболізмі.

В Україні є великі поклади алюмінієвої руди у вигляді бокситів і глинозему в Приазов'ї, на Закарпатті та в межах Українського кристалічного щита — тектонічної смуги, яка простягається вздовж середньої течії Дніпра на відстань понад 1000 км і завширшки 250 км.

Мал. 35.1. Алюмінієва руда боксит

Мал. 35.2. Алюмінієвмісні мінерали: а — берил; б — аквамарин; в — рубін; г — сапфір; д — смарагд; е — корунд; є — топаз

Фізичні властивості алюмінію

• Алюміній — парамагнітний сріблясто-білий метал;

• ковкий, легко витягується в дріт, добре піддається формовці й утворює фольгу;

• tпл. = 660 °С, tкип. = 2520 °С;

• належить до групи легких металів, густина 2,7 г/см3;

• виявляє високу тепло- й електропровідність (65 % від електропровідності міді), а також високу світловідбивну здатність.

Хімічні властивості алюмінію

Алюміній — дуже активний метал, у ряду активності він розміщений значно лівіше від водню. Але поверхня алюмінію вкрита алюміній оксидом — міцною й тугоплавкою речовиною (tпл. = 2044 °С), унаслідок чого алюміній за звичайних умов не взаємодіє з киснем повітря та водою.

1. Взаємодія з киснем. Алюміній активно взаємодіє з киснем повітря, але реакція відбувається лише на зрізі зразка. Якщо зруйнувати плівку алюміній оксиду на поверхні металу або попередити її утворення нанесенням на поверхню алюмінієвого виробу шару ртуті (амальгами алюмінію), то алюміній досить швидко перетворюється на оксид:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

2. Взаємодія з іншими неметалами. Порошкоподібний алюміній активно взаємодіє з галогенами за звичайних умов, а із сіркою, фосфором та іншими неметалами — за нагрівання. Наприклад, із йодом реакція відбувається за кімнатної температури, але за наявності каталітичної кількості води (мал. 35.3, с. 180):

2Al + 3І2 = 2AlІ3

Мал. 35.3. Під час взаємодії алюмінію з йодом виділяється велика кількість теплоти, під дією якої йод частково сублімує, утворюючи хмару випарів йоду фіолетового кольору

3. Взаємодія з кислотами. Як і всі активні метали, алюміній витісняє водень із розбавлених розчинів кислот:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑

2Al + 3H2SO4(poзб.) = Al2(SO4)3 + 3H2↑

За нагрівання алюміній взаємодіє з концентрованими кислотами-окисниками (холодна нітратна кислота пасивує алюміній):

2Al + 6H2SO4(конц.) = Al2(SO4)3 + 3SO2 ↑ + 6H2О

Al + 6HNO3(конц.) = Al(NO3)3 + 3NO2 ↑ + 3H2О

4. Взаємодія з лугами. Алюміній витісняє водень із розчинів лугів:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

5. Відновлення металів (алюмотермія). Алюміній — активний метал, тому витісняє інші метали з їхніх сполук, зокрема з оксидів. Ці реакції використовують для одержання деяких металів алюмотермічним способом:

3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3

Застосування алюмінію

• У великих кількостях алюміній використовують у металургії для одержання інших менш активних металів методом алюмотермії.

• Алюміній є цінним конструкційним матеріалом. Він відносно легкий (густина алюмінію набагато менша за густину сталі), але досить міцний. Тому з алюмінію виготовляють легкі й довговічні будівельні конструкції (мал. 35.4, а).

• Багато алюмінію потребує авіаційна промисловість. Дюралюмінієм обшивають корпуси літаків (мал. 35.4, б).

• Пилоподібний алюміній та деякі його сполуки використовують як тверде ракетне пальне.

• Алюміній легко піддається штамповці, він стійкий до корозії, а його сполуки нетоксичні. Завдяки цьому з алюмінію виготовляють столові прибори, посуд, бляшанки, кухонні гаджети (мал. 35.4, в).

• Через свою високу відбивну здатність та легкість напилення алюміній є ідеальним матеріалом для виготовлення дзеркал.

• Суміш алюмінію з ферум(ІІІ) оксидом — терміт — використовують для зварювання залізничних рейок та труб.

Мал. 35.4. Застосування алюмінію: а — у будівництві; б — в авіаційній промисловості; в — для виготовлення харчових ємностей

Контрольні запитання

1. Схарактеризуйте електронну будову атомів Алюмінію та поширеність його в природі.

2. Схарактеризуйте хімічні й фізичні властивості та застосування алюмінію. На яких властивостях алюмінію ґрунтується його застосування?

3. Чи трапляється в природі самородний алюміній?

Завдання для засвоєння матеріалу

4. Поясніть, чому хімічно активний алюміній стійкий до корозії.

5. Під час взаємодії алюміній нітриду (сполуки Алюмінію й Нітрогену) із водою утворюються амоніак та алюміній гідроксид. Складіть рівняння цієї реакції.

6. За температури 1200 °С кальцій оксид реагує з алюмінієм, утворюючи кальцій і кальцій метаалюмінат. Складіть рівняння цієї реакції.

7. Під час взаємодії плюмбум(ІІ) сульфіду з алюмінієм утворюються свинець і алюміній сульфід. Складіть рівняння цієї реакції, укажіть окисник і відновник.

8. Алюміній іноді застосовують для виготовлення хімічних реакторів. Укажіть, у яких із наведених випадків можна використовувати алюміній, а в яких — ні: а) у процесі бере участь луг; б) у процесі застосовують розчини солей Меркурію; в) у процесі бере участь концентрована нітратна кислота за температури 20 °С; г) у процесі бере участь розчин солі купруму(ІІ); д) реагентом є хлоридна кислота. Відповідь підтвердьте рівняннями реакції.

Комплексні завдання

9. Склад бокситу можна описати формулою Al2O3 • 3H2O, а склад глини — Al2O3 • 2SiO2 • 3H2O. У якій речовині масова частка Алюмінію більша?

10. Суміш порошків алюмінію й міді масою 20 г обробили розбавленим розчином сульфатної кислоти. Під час реакції виділився водень об'ємом 6,72 л (н. у.). Обчисліть масові частки металів у суміші.

11. Обчисліть масу бокситу Al2O3 • 3H2O, що містить 20 % домішок, яка необхідна для одержання алюмінію масою 10,8 кг.

12. Обчисліть масу алюмінію, яку можна добути з алюміній оксиду масою 51 кг. Вихід продукту реакції від теоретично можливого становить 95 %.

Завдання з розвитку критичного мислення

13. За якими ознаками можна відрізнити вироби з алюмінію від виробів з інших металів?

14. Як ви вважаєте, чим можна пояснити, що Алюміній — найпоширеніший металічний елемент у земній корі, проте майже не використовується живими організмами?

15. Алюмінієву ложку після ретельного знежирення занурили в розчин меркурій(ІІ) нітрату. За 30 хвилин її витягли, просушили й залишили на повітрі. Через деякий час ложка зникла, й замість неї утворився білий пухкий порошок. Поясніть зміни, які відбулися. Складіть рівняння відповідних реакцій.

Міні-проекти

16. У своєму четвертому сні Віра Павлівна побачила видіння майбутнього (М. Г. Чернишевський «Що робити?»). Знайдіть у романі четвертий сон з описом майбутнього. Чи здійснився сон Віри Павлівни? Як ви вважаєте, чому Чернишевський уявляв майбутнє саме так?

Розгадай ребуси