(Аl), галій (Ga), індій (In) і талій (Тl).
Як видно з наведених даних, всі ці елементи були відкритіХІХ столітті.
Відкриття металів головної підгрупи III групи
|
У |
Al |
Ga |
In |
Tl |
|
1806 |
1825 р. |
1875 р. |
1863 р. |
1861 р. |
|
Г.Люссак, |
Г.Х.Ерстед |
Л. де Буабодран |
Ф.Рейх, |
У.Крукс |
|
Л. Тенар |
(Данія) |
(Франція) |
І.Ріхтер |
(Англія) |
|
(Франція) |
(Німеччина) |
Бор є неметал. Алюміній – перехідний метал, а галій, індій та талій – повноцінні метали. Отже, зі зростанням радіусів атомів елементів кожної групи періодичної системи металеві властивості простих речовин посилюються.
У цій лекції ми докладніше розглянемо властивості алюмінію.
1. Положення алюмінію в таблиці Д. І. Менделєєва. Будова атома, що виявляються ступенем окиснення.
Елемент алюмінію розташований в III групі, головній «А» підгрупі, 3 період періодичної системи, порядковий номер №13, відносна атомна маса Ar (Al ) = 27. Його сусідом ліворуч у таблиці є магній – типовий метал, а праворуч – кремній – вже неметал. Отже, алюміній повинен виявляти властивості деякого проміжного характеру та його сполуки є амфотерними.
Al +13) 2) 8) 3 p - елемент,
|
Основний стан 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 |
|
|
Збуджений стан 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 |
|
Алюміній виявляє в сполуках ступінь окиснення +3:
Al 0 – 3 e → Al +3
2. Фізичні властивості
Алюміній у вільному вигляді - сріблясто-білий метал, що має високу тепло- та електропровідність.Температура плавлення650 про С. Алюміній має невисоку щільність (2,7 г/см 3 ) - приблизно втричі менше, ніж у заліза або міді, і одночасно це міцний метал.
3. Знаходження у природі
За поширеністю у природі займає 1-е серед металів та 3-е місце серед елементів, поступаючись тільки кисню та кремнію. Відсоток вмісту алюмінію в земній корі, за даними різних дослідників, становить від 7,45 до 8,14 % від маси земної кори.
У природі алюміній зустрічається лише у сполуках (Мінералах).
Деякі з них:
· Боксити - Al 2 O 3 H 2 O (з домішками SiO 2 Fe 2 O 3 CaCO 3)
· Нефеліни - KNa 3 4
· Алуніти - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3
· Гліноземи (суміші каолінів з піском SiO 2 вапняком CaCO 3 магнезитом MgCO 3)
· Корунд - Al 2 O 3
· Польовий шпат (ортоклаз) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2
· Каолініт - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O
· Алуніт - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3
· Берил - 3ВеО Al 2 Про 3 6SiO 2
|
Боксит |
|
|
Al 2 O 3 |
Корунд
|
|
Рубін
|
|
|
Сапфір
|
4. Хімічні властивості алюмінію та його сполук
Алюміній легко взаємодіє з киснем за звичайних умов і покритий оксидною плівкою (вона надає матового вигляду).
ДЕМОНСТРАЦІЯ ОКСИДНОЇ ПЛІВКИ
Її товщина 0,00001 мм, але завдяки ній алюміній не корозію. Для вивчення хімічних властивостей алюмінію видаляють оксидну плівку. (За допомогою наждакового паперу, або хімічно: спочатку опускаючи в розчин лугу для видалення оксидної плівки, а потім розчин солей ртуті для утворення сплаву алюмінію з ртуттю – амальгами).
I. Взаємодія з простими речовинами
Алюміній вже за кімнатної температури активно реагує з усіма галогенами, утворюючи галогеніди. При нагріванні він взаємодіє із сіркою (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) та вуглецем (2000 °С), з йодом у присутності каталізатора - води:
2А l + 3 S = А l 2 S 3 (сульфід алюмінію),
2А l + N 2 = 2А lN (нітрид алюмінію),
А l + Р = А l Р (фосфід алюмінію),
4А l + 3С = А l 4 3 (карбід алюмінію).
2 Аl +3 I 2 =2 A l I 3 (йодид алюмінію) ДОСВІД
Всі ці сполуки повністю гідролізуються з утворенням гідроксиду алюмінію і, відповідно, сірководню, аміаку, фосфіну та метану:
Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S
Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4
У вигляді стружок або порошку він яскраво горить на повітрі, виділяючи велику кількість теплоти:
4А l + 3 O 2 = 2А l 2 Про 3 + 1676 кДж.
ГОРІННЯ АЛЮМІНІЮ НА ПОВІТРІ
ДОСВІД
II. Взаємодія зі складними речовинами
Взаємодія з водою :
2 Al + 6 H 2 O = 2 Al (OH) 3 +3 H 2
без оксидної плівки
ДОСВІД
Взаємодія з оксидами металів:
Алюміній – гарний відновник, оскільки є одним із активних металів. Стоїть у ряду активності відразу після лужноземельних металів. Тому відновлює метали з їх оксидів . Така реакція – алюмотермія – використовується для отримання чистих рідкісних металів, наприклад, таких як вольфрам, ваннадій та ін.
3 Fe 3 O 4 +8 Al = 4 Al 2 O 3 +9 Fe + Q
Термітна суміш Fe 3 O 4 і Al (порошок) – використовується ще й у термітному зварюванні.
З r 2 Про 3 + 2А l = 2С r + А l 2 Про 3
Взаємодія з кислотами :
З розчином сірчаної кислоти: 2 Al+ 3 H 2 SO 4 =Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2
З холодними концентрованими сірчаною та азотною не реагує (пасивує). Тому азотну кислоту перевозять у алюмінієвих цистернах. При нагріванні алюміній здатний відновлювати ці кислоти без виділення водню:
2А l + 6Н 2 S О 4(кінець) = А l 2 (S О 4) 3 + 3 S О 2 + 6Н 2 О,
А l + 6Н NO 3(кінц) = А l (NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3Н 2 О.
Взаємодія з лугами .
2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na [ Al (OH ) 4 ] +3 H 2
ДОСВІД
Na[Аl(ВІН) 4 ] – тетрагідроксоалюмінат натрію
На пропозицію хіміка Горбова, в російсько-японську війну цю реакцію використовували для отримання водню для аеростатів.
З розчинами солей:
2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu
Якщо поверхню алюмінію потерти сіллю ртуті, відбувається реакція:
2 Al + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 Hg
Виділена ртуть розчиняє алюміній, утворюючи амальгаму .
Виявлення іонів алюмінію у розчинах
:
ДОСВІД
5. Застосування алюмінію та його сполук
Фізичні та хімічні властивості алюмінію зумовили його широке застосування у техніці. Великим споживачем алюмінію є авіаційна промисловість: літак на 2/3 складається з алюмінію та його сплавів. Літак зі сталі виявився б надто важким і зміг би нести набагато менше пасажирів. Тому алюміній називають крилатим металом. З алюмінію виготовляють кабелі та дроти.: при однаковій електричній провідності їхня маса в 2 рази менша, ніж відповідних виробів з міді.
Враховуючи корозійну стійкість алюмінію, з нього виготовляють деталі апаратів та тару для азотної кислоти.. Порошок алюмінію є основою при виготовленні сріблястої фарби для захисту залізних виробів від корозії, а також для відображення теплових променів такою фарбою покривають нафтосховища, костюми пожежних.
Оксид алюмінію використовується для отримання алюмінію, а також як вогнетривкий матеріал.
Гідроксид алюмінію - основний компонент всім відомих ліків маалокса, альмагелю, які знижують кислотність шлункового сік.
Солі алюмінію сильногідролізуються. Дану властивість застосовують у процесі очищення води. У воду, що очищається, вводять сульфат алюмінію і невелику кількість гашеного вапна для нейтралізації утворюється кислоти. В результаті виділяється об'ємний осад гідроксиду алюмінію, який, осідаючи, забирає з собою зважені частинки каламуті і бактерії.
Таким чином, сульфат алюмінію є коагулянтом.
6. Отримання алюмінію
1) Сучасний рентабельний спосіб отримання алюмінію був винайдений американцем Холлом та французом Еру в 1886 році. Він полягає в електролізі розчину оксиду алюмінію у розплавленому кріоліті. Розплавлений кріоліт Na 3 AlF 6 розчиняє Al 2 O 3 як вода розчиняє цукор. Електроліз “розчину” оксиду алюмінію в розплавленому кріоліті відбувається так, якби криоліт був тільки розчинником, а оксид алюмінію - електролітом.
2Al 2 O 3 ел.ток →4Al + 3O 2
В англійській “Енциклопедії для хлопчиків та дівчаток” стаття про алюміній починається такими словами: “23 лютого 1886 року в історії цивілізації почалося нове металеве століття - століття алюмінію. Цього дня Чарльз Холл, 22-річний хімік, з'явився до лабораторії свого першого вчителя з дюжиною маленьких кульок сріблясто-білого алюмінію в руці та з новиною, що він знайшов спосіб виготовляти цей метал дешево та у великих кількостях”. Так Холл став основоположником американської алюмінієвої промисловості та англосаксонським національним героєм, як людина, яка зробила з науки чудовий бізнес.
2) 2Al 2 O 3 +3 C=4 Al+3 CO 2
ЦЕ ЦІКАВО:
- Металевий алюміній першим виділив у 1825 датський фізик Ханс Крістіан Ерстед. Пропустивши газоподібний хлор через шар розпеченого оксиду алюмінію, змішаного з вугіллям, Ерстед виділив хлорид алюмінію без будь-яких слідів вологи. Щоб відновити металевий алюміній, Ерстед знадобилося обробити хлорид алюмінію амальгамою калію. Через 2 роки німецький хімік Фрідріх Веллер. Удосконалив метод, замінивши амальгаму калію чистим калієм.
- У 18-19 століттях алюміній був основним ювелірним металом. У 1889 року Д.И.Менделеев у Лондоні за досягнення у розвитку хімії нагородили цінним подарунком – вагами, зробленими із золота і алюмінію.
- До 1855 французький вчений Сен-Клер Девіль розробив спосіб отримання металевого алюмінію в технічних масштабах. Але спосіб був дуже дорогий. Девіль користувався особливим заступництвом Наполеона III, імператора Франції. У знак своєї відданості та подяки Девіль виготовив для сина Наполеона, новонародженого принца, витончено гравіровану брязкальце – перший «виріб ширвжитку» з алюмінію. Наполеон мав намір навіть спорядити своїх гвардійців алюмінієвими кірасами, але ціна виявилася непомірно високою. Тоді 1 кг алюмінію коштував 1000 марок, тобто. в 5 разів дорожче за срібло. Тільки після винаходу електролітичного процесу алюміній за своєю вартістю зрівнявся із звичайними металами.
- А чи знаєте ви, що алюміній, надходячи в організм людини, викликає розлад нервової системи. При його надлишку порушується обмін речовин. А захисними засобами є вітамін С, сполуки кальцію, цинку.
- При згорянні алюмінію в кисні та фтору виділяється багато тепла. Тому його використовують як присадку до ракетного палива. Ракета Сатурн спалює за час польоту 36 тонн алюмінієвого порошку. Ідея використання металів як компонент ракетного палива вперше висловив Ф. А. Цандер.
ТРЕНАЖИРИ
Тренажер №1 - Характеристика алюмінію за становищем у Періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва
Тренажер №2 - Зрівняння реакцій алюмінію з простими та складними речовинами
Тренажер №3 - Хімічні властивості алюмінію
ЗАВДАННЯ ДЛЯ ЗАКРІПЛЕННЯ
№1. Для отримання алюмінію з хлориду алюмінію як відновник можна використовувати металевий кальцій. Складіть рівняння цієї хімічної реакції, охарактеризуйте цей процес за допомогою електронного балансу.
Подумайте! Чому цю реакцію не можна проводити у водному розчині?
№2. Закінчіть рівняння хімічних реакцій:
Al + H 2 SO 4 (розчин ) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (кінець ) - t ->
Al + NaOH + H 2 O ->
№3. Здійсніть перетворення:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 -> Al(OH) 3 - t -> Al 2 O 3 -> Al
№4. Розв'яжіть завдання:
На сплав алюмінію та міді подіяли надлишком концентрованого розчину гідроксиду натрію при нагріванні. Виділилося 2,24 л газу (н.у.). Обчисліть відсотковий склад металу, якщо його загальна маса була 10 г?
Алюміній був виділений в ході експерименту щодо впливу калієвих сполук ртуті на природні боксити. Враховуючи всю складність процесу, алюміній протягом кількох десятиліть залишався найдорожчим металом землі.
Наукові дослідження призвели до відкриття щодо дешевого способу отримання алюмінію за методом поетапного електролізу з подальшим очищенням та осадженням металу. Повсюдне поширення цього дозволило отримувати чистий алюміній у промислових масштабах. Поточні показники середньодобового виробництва металу перевищують 130 тисяч тонн.
Основні характеристики
Легкий парамагнітний метал сріблястого кольору з каламутною поверхнею. Добре піддається формуванню і куванню, практично не схильний до корозії. На відкритому повітрі покривається природним захисним шаром з оксидів, що запобігає подальшим реакціям між алюмінієм і атмосферним киснем. Має відносно малу міцність на злам, швидко накопичує втому, що обмежує його використання у чистому вигляді.
Добре проводить електрику та теплову енергію, поступаючись за цими показниками лише міді та металам платинової підгрупи. Відносна дешевизна алюмінію забезпечили йому широке поширення як конструкційний метал і універсальний діелектрик.
Фізичні властивості
Метал пластичний, з порівняно низькою щільністю при високих конструкційних показниках (висока тепло- та електропровідність, стійкість до корозійного впливу). Основні фізичні властивості алюмінію можна виділити у вигляді наступного списку:
- Щільність - 2,7 г/см 3;
- Температура плавлення - 659 0 С;
- Коефіцієнт пластичності - 50%;
- Коефіцієнт електропровідності - 32 * 10 6 См / м;
- Середній показник теплопровідності – 204 Вт/м;
На відміну від таких металів, як свинець або мідь, при нагріванні до позначки 600 градусів Цельсія алюміній стає крихким, розбивається на окремі гранули або зерна. Відмінно проводить тепло, легко нагрівається і також легко остигає без наслідків для кристалічної решітки металу.
Алюміній — досить активний метал, що легко сплавляється з іншими металами та неметалами, утворюючи рівномірні кристалічні грати з високими конструктивними якостями.
Хімічні властивості
Хімічно активний амфотерний елемент:
- Реагує із хлором, бромом та іншими галогенами, утворюючи відповідні солі;
- Входить у реакції з неметалами;
- Розчиняється у сильних кислотах;
- Має властивість відновлювати інші метали, що використовується при очищенні заліза та хрому;
Всі перераховані вище реакції вимагають наявності додаткових каталізаторів і проводяться при нагріванні.
Відносний вміст алюмінію визначено в межах від 7 до 8% (у середньому — 7,5% за масою). Кількісна оцінка включає всі мінерали і солі алюмінію. Метал входить до складу великої кількості природних сполук. Основною промисловою сировиною для одержання чистого алюмінію є боксити, алюмосилікати та інші природні мінерали, що містять оксид алюмінію.
Сфера використання
Поєднання низької вартості, стійкості до корозії та високої реактивної здатності вивели алюміній у лідери серед усіх металів, що використовуються сучасною промисловістю. Алюміній - найпоширеніша легуюча добавка для виготовлення сплавів на основі міді, магнію, титану та нікелю. Підвищує показники пружності та міцності, надає сплаву антикорозійних властивостей.
Алюміній несильно поступається міді електропровідністю, при цьому має в 4-5 разів меншу вартість і значно легший процес очищення, що пояснює його поширення для виготовлення провідникових елементів, конденсаторів і електронних компонентів.
Також алюміній використовується як хімічний каталізатор (у складі комбінованих сполук), при виробництві дзеркал і вибухових речовин. Нейтральність алюмінію дозволяє використовувати його в харчовій промисловості для виготовлення пакувальних матеріалів та посуду.
Дата_____________ Клас_______________
Алюміній. Положення алюмінію в періодичній системі та будова його атома. Знаходження у природі. Фізичні та хімічні властивості алюмінію.Цілі уроку:
розглянути поширення алюмінію в природі, його фізичні та хімічні властивості, а також властивості утворених ним сполук.
Хід роботи
1. Організаційний момент уроку. 2. Вивчення нового матеріалу. АлюмінійГоловну підгрупу III групи періодичної системи складають бор (В), (А l), галій (Ga), індій (In) та талій (Т l). Як видно з наведених даних, всі ці елементи були відкриті XIXстолітті. Відкриття металів головної підгрупи III групиУ
Бор є неметал. Алюміній – перехідний метал, а галій, індій та талій – повноцінні метали. Отже, зі зростанням радіусів атомів елементів кожної групи періодичної системи металеві властивості простих речовин посилюються.У цій лекції ми докладніше розглянемо властивості алюмінію.1. Положення алюмінію таблиці Д. І. Менделєєва. Будова атома, що виявляються ступенем окиснення. Елемент алюмінію розташований в III групі, головній «А» підгрупі, 3 період періодичної системи, порядковий номер №13, відносна атомна маса Ar(Al ) = 27. Його сусідом ліворуч у таблиці є магній – типовий метал, а праворуч – кремній – вже неметал. Отже, алюміній повинен виявляти властивості деякого проміжного характеру та його сполуки є амфотерними. Al +13) 2) 8) 3, p - елемент, Основний стан1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 1
Алюміній виявляє в сполуках ступінь окиснення +3: Al 0 – 3 e → Al +3 2. Фізичні властивості Алюміній у вільному вигляді - сріблясто-білий метал, що має високу тепло- та електропровідність. Температура плавлення 650о Алюміній має невисоку щільність (2,7 г/см.) 3 ) – приблизно втричі менше, ніж у заліза чи міді, і одночасно – це міцний метал.3. Знаходження у природі За поширеністю у природі займає1-е серед металів та 3-е місце серед елементів , поступаючись тільки кисню та кремнію. Відсоток вмісту алюмінію в земній корі, за даними різних дослідників, становить від 7,45 до 8,14 % від маси земної кори.У природі алюміній зустрічається лише у сполуках (Мінералах). Деякі з них: Боксити - Al 2 O 3 H 2 O (з домішками SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3 ) Нефеліни - KNa 3 4 Алуніти - KAl(SO 4 ) 2 2 Al(OH) 3 Гліноземи (суміші каолінів з піском SiO 2 , вапняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3 ) Корунд - Al 2 O 3 Польовий шпат (ортоклаз) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2 Каолініт - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O Алуніт - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4 ) 3 ×4Al(OH) 3 Берил - 3ВеО Al 2 Про 3 6SiO 2Боксит
4. Хімічні властивості алюмінію та його сполук Алюміній легко взаємодіє з киснем за звичайних умов і покритий оксидною плівкою (вона надає матового вигляду).Її товщина 0,00001 мм, але завдяки ній алюміній не корозію. Для вивчення хімічних властивостей алюмінію видаляють оксидну плівку. (За допомогою наждакового паперу, або хімічно: спочатку опускаючи в розчин лугу для видалення оксидної плівки, а потім розчин солей ртуті для утворення сплаву алюмінію з ртуттю – амальгами).I . Взаємодія з простими речовинами Алюміній вже за кімнатної температури активно реагує з усіма галогенами, утворюючи галогеніди. При нагріванні він взаємодіє із сіркою (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) та вуглецем (2000 °С), з йодом у присутності каталізатора - води: 2А l + 3 S = А l 2 S 3 (сульфід алюмінію), 2А l + N 2 = 2А lN (нітрид алюмінію),А l + Р = А l Р (фосфід алюмінію), 4А l + 3С = А l 4 С 3 (Карбід алюмінію). 2 Аl + 3 I 2 = 2 A lI 3 (йодид алюмінію)Всі ці сполуки повністю гідролізуються з утворенням гідроксиду алюмінію і, відповідно, сірководню, аміаку, фосфіну та метану: Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 SAl 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4 У вигляді стружок або порошку він яскраво горить на повітрі, виділяючи велику кількість теплоти: 4А l + 3 O 2 = 2А l 2 Про 3 + 1676 кДж.
II. Взаємодія зі складними речовинами Взаємодія з водою : 2 Al + 6 H 2 O = 2 Al (OH) 3 + 3 H 2 без оксидної плівки Взаємодія з оксидами металів: Алюміній – гарний відновник, оскільки є одним із активних металів. Стоїть у ряду активності відразу після лужноземельних металів. Томувідновлює метали з їх оксидів . Така реакція – алюмотермія – використовується для отримання чистих рідкісних металів, наприклад, таких як вольфрам, ваннадій та ін. 3 Fe 3 O 4 + 8 Al = 4 Al 2 O 3 + 9 Fe + Q Термітна суміш Fe 3 O 4 і Al (порошок) – використовується ще й у термітному зварюванні. З r 2 Про 3 + 2А l = 2С r + А l 2 Про 3 Взаємодія з кислотами : З розчином сірчаної кислоти: 2 Al + 3 H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 H 2 З холодними концентрованими сірчаною та азотною не реагує (пасивує). Тому азотну кислоту перевозять у алюмінієвих цистернах. При нагріванні алюміній здатний відновлювати ці кислоти без виділення водню: 2А l + 6Н 2 SО 4(кінець) = А l 2 (SО 4 ) 3 + 3 SО 2 + 6Н 2 О, А l + 6Н NO 3(кінець) = А l(NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3Н 2 О. Взаємодія з лугами . 2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na Al(OH) 4 + 3 H 2 Na[А l(ВІН) 4 ] – тетрагідроксоалюмінат натрію На пропозицію хіміка Горбова, в російсько-японську війну цю реакцію використовували для отримання водню для аеростатів. З розчинами солей: 2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu Якщо поверхню алюмінію потерти сіллю ртуті, відбувається реакція: 2 Al + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 HgВиділена ртуть розчиняє алюміній, утворюючи амальгаму. 5. Застосування алюмінію та його сполук
Фізичні та хімічні властивості алюмінію зумовили його широке застосування у техніці.Великим споживачем алюмінію є авіаційна промисловість : літак на 2/3 складається з алюмінію та його сплавів. Літак зі сталі виявився б надто важким і зміг би нести набагато менше пасажирів.Тому алюміній називають крилатим металом. З алюмінію виготовляють кабелі та дроти. : при однаковій електричній провідності їхня маса в 2 рази менша, ніж відповідних виробів з міді.Враховуючи корозійну стійкість алюмінію, з ньоговиготовляють деталі апаратів та тару для азотної кислоти. . Порошок алюмінію є основою при виготовленні сріблястої фарби для захисту залізних виробів від корозії, а також для відбиття теплових променів такою фарбою покривають нафтосховища, костюми пожежних.Оксид алюмінію використовується для отримання алюмінію, а також як вогнетривкий матеріал.Гідроксид алюмінію - основний компонент всім відомих ліків маалокса, альмагелю, які знижують кислотність шлункового сік. Солі алюмінію сильно гідролізуються. Дану властивість застосовують у процесі очищення води. У воду, що очищається, вводять сульфат алюмінію і невелику кількість гашеного вапна для нейтралізації утворюється кислоти. В результаті виділяється об'ємний осад гідроксиду алюмінію, який, осідаючи, забирає з собою зважені частки каламуті та бактерії.Таким чином, сульфат алюмінію є коагулянтом.6. Отримання алюмінію 1) Сучасний рентабельний спосіб отримання алюмінію був винайдений американцем Холлом та французом Еру в 1886 році. Він полягає в електролізі розчину оксиду алюмінію у розплавленому кріоліті. Розплавлений кріоліт Na 3 AlF 6 розчиняє Al 2 O 3 як вода розчиняє цукор. Електроліз “розчину” оксиду алюмінію в розплавленому кріоліті відбувається так, якби криоліт був тільки розчинником, а оксид алюмінію - електролітом. 2Al 2 O 3 ел.ток → 4Al + 3O 2 В англійській “Енциклопедії для хлопчиків та дівчаток” стаття про алюміній починається такими словами: “23 лютого 1886 року в історії цивілізації почалося нове металеве століття - століття алюмінію. Цього дня Чарльз Холл, 22-річний хімік, з'явився до лабораторії свого першого вчителя з дюжиною маленьких кульок сріблясто-білого алюмінію в руці та з новиною, що він знайшов спосіб виготовляти цей метал дешево та у великих кількостях”. Так Холл став основоположником американської алюмінієвої промисловості та англосаксонським національним героєм, як людина, яка зробила з науки чудовий бізнес. 2) 2Al 2 O 3 + 3 C = 4 Al + 3 CO 2 ЦЕ ЦІКАВО:
- Металевий алюміній першим виділив у 1825 датський фізик Ханс Крістіан Ерстед. Пропустивши газоподібний хлор через шар розпеченого оксиду алюмінію, змішаного з вугіллям, Ерстед виділив хлорид алюмінію без будь-яких слідів вологи. Щоб відновити металевий алюміній, Ерстед знадобилося обробити хлорид алюмінію амальгамою калію. Через 2 роки німецький хімік Фрідріх Веллер. Удосконалив метод, замінивши амальгаму калію чистим калієм.
У 18-19 століттях алюміній був основним ювелірним металом. У 1889 року Д.И.Менделеев у Лондоні за досягнення у розвитку хімії нагородили цінним подарунком – вагами, зробленими із золота і алюмінію.
До 1855 французький вчений Сен-Клер Девіль розробив спосіб отримання металевого алюмінію в технічних масштабах. Але спосіб був дуже дорогий. Девіль користувався особливим заступництвом Наполеона III, імператора Франції. На знак своєї відданості та подяки Девіль виготовив для сина Наполеона, новонародженого принца, витончено гравіровану брязкальце – перший «виріб ширвжитку» з алюмінію. Наполеон мав намір навіть спорядити своїх гвардійців алюмінієвими кірасами, але ціна виявилася непомірно високою. Тоді 1 кг алюмінію коштував 1000 марок, тобто. в 5 разів дорожче за срібло. Тільки після винаходу електролітичного процесу алюміній за своєю вартістю зрівнявся із звичайними металами.
А чи знаєте ви, що алюміній, надходячи до організму людини, викликає розлад нервової системи. За його надлишку порушується обмін речовин. А захисними засобами є вітамін С, сполуки кальцію, цинку.
При згорянні алюмінію в кисні та фтору виділяється багато тепла. Тому його використовують як присадку до ракетного палива. Ракета Сатурн спалює за час польоту 36 тонн алюмінієвого порошку. Ідея використання металів як компонент ракетного палива вперше висловив Ф. А. Цандер.
Подумайте! Чому цю реакцію не можна проводити у водному розчині? №2. Закінчіть рівняння хімічних реакцій:
Al + H 2 SO 4 (розчин) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (кінець) - t ->
Al + NaOH + H 2 O -> № 3. Розв'яжіть задачу:
На сплав алюмінію та міді подіяли надлишком концентрованого розчину гідроксиду натрію при нагріванні. Виділилося 2,24 л газу (н.у.). Обчисліть відсотковий склад металу, якщо його загальна маса була 10 г?4. Домашнє завдання П.42, упр. 1-11. Завдання 1-3 на сторінці 131
- Позначення – Al (Aluminium);
- Період – III;
- Група – 13 (IIIa);
- Атомна маса – 26,981538;
- Атомний номер – 13;
- Радіус атома = 143 пм;
- Ковалентний радіус = 121 пм;
- Розподіл електронів - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1;
- t плавлення = 660 ° C;
- t кипіння = 2518 ° C;
- Електронегативність (по Полінгу/по Алпреду та Рохову) = 1,61/1,47;
- Ступінь окиснення: +3, 0;
- Щільність (н. у.) = 2,7 г/см 3;
- Молярний об'єм = 10 см 3 /моль.
Алюміній (квасці) вперше був повен у 1825 році датчанином Г. К. Ерстедом. Спочатку, до відкриття промислового способу отримання, алюміній був дорожче золота.
Алюміній є найпоширенішим металом у земній корі (масова частка становить 7-8%), і третім за поширеністю серед усіх елементів після кисню та кремнію. У вільному вигляді в середині алюміній не зустрічається.
Найважливіші природні сполуки алюмінію:
- алюмосилікати - Na 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2; K 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2
- боксити - Al 2 O 3 · n H 2 O
- корунд - Al 2 O 3
- кріоліт - 3NaF·AlF 3
Мал. Будова атома алюмінію.
Алюміній хімічно активний метал – на його зовнішньому електронному рівні знаходяться три електрони, які беруть участь в утворенні ковалентних зв'язків при взаємодії алюмінію з іншими хімічними елементами (див. Ковалентний зв'язок). Алюміній – сильний відновник, у всіх сполуках виявляє ступінь окислення +3.
При кімнатній температурі алюміній вступає в реакцію з киснем, що міститься в атмосферному повітрі, з утворенням міцної оксидної плівки, яка надійно перешкоджає подальшому процесу окислення (кородування) металу, внаслідок чого хімічна активність алюмінію знижується.
Завдяки оксидній плівці алюміній не вступає в реакцію з азотною кислотою при кімнатній температурі, тому алюмінієвий посуд є надійною тарою для зберігання та трансопртування азотної кислоти.
Фізичні властивості алюмінію:
- метал сріблясто-білого кольору;
- твердий;
- міцний;
- легкий;
- пластичний (протягується в тонкий дріт та фольгу);
- володіє високою електро-і теплопровідністю;
- температура плавлення 660°C
- природний алюміній складається з одного ізотопу 27 13 Al
Хімічні властивості алюмінію:
- при знятті оксидної плівки алюміній реагує з водою:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2; - при кімнатній температурі вступає в реакції з бромом та хлором з утворенням солей:
2Al + 3Br 2 = 2AlCl 3 ; - при високій температурі алюміній реагує з киснем і сіркою (реакція супроводжується виділенням великої кількості тепла):
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 + Q;
2Al + 3S = Al 2 S 3 + Q; - при t=800°C реагує з азотом:
2Al + N 2 = 2AlN; - при t=2000°C реагує з вуглецем:
2Al + 3C = Al 4 C 3; - відновлює багато металів з їх оксидів - алюмотермією(при t до 3000°C) одержують промисловим способом вольфрам, ванадій, титан, кальцій, хром, залізо, марганець:
8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe; - з соляною та розведеною сірчаною кислотою реагує з виділенням водню:
2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2;
2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2; - з концентрованою сірчаною кислотою реагує за високої температури:
2Al + 6H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O; - з лугами реагує з виділенням водню та утворенням комплексних солей - реакція йде в кілька етапів: при зануренні алюмінію в розчин лугу відбувається розчинення міцної оксидної захисної плівки, яка знаходиться на поверхні металу; після розчинення плівки алюміній, як активний метал, реагує з водою з утворенням гідроксиду алюмінію, який взаємодіє з лугом, як амфотерний гідроксид:
- Al 2 O 3 +2NaOH = 2NaAlO 2 +H 2 O - розчинення оксидної плівки;
- 2Al+6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 - взаємодія алюмінію з водою з утворенням гідроксиду алюмінію;
- NaOH+Al(OH) 3 = NaAlO 2 +2H 2 O - взаємодія гідроксиду алюмінію з лугом
- 2Al+2NaOH+2H 2 O = 2NaAlO 2 +3H 2 - сумарне рівняння реакції алюмінію з лугом.
З'єднання алюмінію
Al 2 O 3 (глинозем)
Оксид алюмінію Al 2 O 3 є білою, дуже тугоплавкою і твердою речовиною (у природі твердіше тільки алмаз, карборунд і боразон).
Властивості глинозему:
- не розчиняється у воді та вступає з нею в реакцію;
- є амфотерною речовиною, реагуючи з кислотами та лугами:
Al 2 O 3 + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O;
Al 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O = 2Na 3; - як амфотерний оксид реагує при сплавленні з оксидами металів та солями, утворюючи алюмінати:
Al 2 O 3 + K 2 O = 2KAlO 2 .
У промисловості глинозем одержують із бокситів. У лабораторних умовах глинозем можна отримати спалюючи алюміній у кисні:
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 .
Застосування глинозему:
- для отримання алюмінію та електротехнічної кераміки;
- як абразивний і вогнетривкий матеріал;
- як каталізатор в реакціях органічного синтезу.
Al(OH) 3
Гідроксид алюмінію Al(OH) 3 є білою твердою кристалічною речовиною, яка виходить в результаті обмінної реакції з розчину гідроксиду алюмінію - випадає у вигляді білого драглистого осаду, що кристалізується з часом. Ця амфотерна сполука майже не розчинна у воді:
Al(OH) 3 + 3NaOH = Na 3;
Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O.
- взаємодія Al(OH) 3 з кислотами:
Al(OH) 3 +3H + Cl = Al 3+ Cl 3 +3H 2 O - взаємодія Al(OH) 3 з лугами:
Al(OH) 3 +NaOH - = NaAlO 2 - +2H 2 O
Гідроксид алюмінію одержують шляхом дії лугів на розчини солей алюмінію:
AlCl 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 + 3NaCl.
Отримання та застосування алюмінію
Алюміній досить важко виділити з природних сполук хімічним способом, що пояснюється високою міцністю зв'язків в оксиді алюмінію, тому для промислового отримання алюмінію застосовують електроліз розчину глинозему Al 2 O 3 розплавленому кріоліті Na 3 AlF 6 . В результаті процесу алюміній виділяється на катоді, аноді - кисень:
2Al 2 O 3 → 4Al + 3O 2
Вихідною сировиною є боксити. Електроліз протікає при температурі 1000°C: температура плавлення оксиду алюмінію становить 2500°C - проводити електроліз при такій температурі неможливо, тому оксид алюмінію розчиняють у розплавленому кріоліті, і вже потім отриманий електроліт використовують при електролізі для отримання алюмінію.
Застосування алюмінію:
- алюмінієві сплави широко застосовуються як конструкційні матеріали в автомобіле-, літако-, суднобудуванні: дюралюміній, силумін, алюмінієва бронза;
- у хімічній промисловості як відновник;
- у харчовій промисловості для виготовлення фольги, посуду, пакувального матеріалу;
- для виготовлення дротів та ін.
ВИЗНАЧЕННЯ
Алюміній- Хімічний елемент 3 періоду IIIA групи. Порядковий номер – 13. Метал. Алюміній відноситься до елементів p-родини. Символ – Al.
Атомна маса - 27 а. Електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня – 3s 2 3p 1 . У своїх з'єднаннях алюміній виявляє ступінь окислення, що дорівнює «+3».
Хімічні властивості алюмінію
Алюміній у реакціях виявляє відновлювальні властивості. Оскільки при перебування на повітрі на поверхні утворюється оксидна плівка, стійкий до взаємодії з іншими речовинами. Наприклад, алюміній пасивується у воді, концентрованій азотній кислоті та розчині дихромату калію. Однак після видалення з його поверхні оксидної плівки здатний взаємодіяти з простими речовинами. Більшість реакцій протікає при нагріванні:
2Al powder +3/2O 2 = Al 2 O 3 ;
2Al + 3F 2 = 2AlF 3 (t);
2Al powder + 3Hal 2 = 2AlHal 3 (t = 25C);
2Al + N 2 = 2AlN(t);
2Al +3S = Al 2 S 3 (t);
4Al + 3C graphite = Al 4 C 3 (t);
4Al + P 4 = 4AlP (t, у атмосфері Н 2).
Також, алюміній після видалення з його поверхні оксидної плівки здатний взаємодіяти з водою з утворенням гідроксиду:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 .
Алюміній виявляє амфотерні властивості, тому він здатний розчинятися в розведених розчинах кислот та лугах:
2Al + 3H 2 SO 4 (dilute) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2;
2Al + 6HCl dilute = 2AlCl 3 + 3 H 2;
8Al + 30HNO 3 (dilute) = 8Al(NO 3) 3 + 3N 2 O + 15H 2 O;
2Al +2NaOH +3H 2 O = 2Na + 3H 2 ;
2Al + 2(NaOH×H 2 O) = 2NaAlO 2 + 3 H 2 .
Алюміотермія – спосіб отримання металів з їх оксидів, заснований на відновленні цих металів алюмінієм:
8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe;
2Al + Cr 2 O 3 = Al 2 O 3 +2Cr.
Фізичні властивості алюмінію
Алюміній є сріблясто-білим кольором. Основні фізичні властивості алюмінію – легкість, висока тепло- та електропровідність. У вільному стані при перебуванні на повітрі алюміній покривається міцною плівкою оксиду Al 2 O 3 яка робить його стійким до дії концентрованих кислот. Температура плавлення – 660,37С, кипіння – 2500С.
Отримання та застосування алюмінію
Алюміній одержують електролізом розплаву оксиду цього елемента:
2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2
Однак через невеликий вихід продукту, частіше використовують спосіб отримання алюмінію електролізом суміші Na 3 і Al 2 O 3 . Реакція протікає при нагріванні до 960С та у присутності каталізаторів – фторидів (AlF 3 , CaF 2 та інших.), у своїй виділення алюмінію відбувається на катоді, але в аноді виділяється кисень.
Алюміній знайшов широке застосування в промисловості, так, сплави на основі алюмінію – основні конструкційні матеріали у літако- та суднобудуванні.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | при взаємодії алюмінію із сірчаною кислотою утворився сульфат алюмінію масою 3,42 г. Визначте масу та кількість речовини алюмінію, що вступила в реакцію. |
| Рішення | Запишемо рівняння реакції: 2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 . Молярні маси алюмінію та сульфату алюмінію, розраховані з використанням таблиці хімічних елементів Д.І. Менделєєва – 27 та 342 г/моль, відповідно. Тоді, кількість речовини сульфату алюмінію, що утворився, буде дорівнює: n(Al 2 (SO 4) 3) = m(Al 2 (SO 4) 3) / M(Al 2 (SO 4) 3); n(Al 2 (SO 4) 3) = 3,42/342 = 0,01 моль. Відповідно до рівняння реакції n(Al 2 (SO 4) 3): n(Al) = 1:2, отже n(Al) = 2×n(Al 2 (SO 4) 3) = 0,02 моль. Тоді, маса алюмінію дорівнюватиме: m(Al) = n(Al)×M(Al); m(Al) = 0,02×27 = 0,54 р. |
| Відповідь | Кількість речовини алюмінію – 0,02 моль; маса алюмінію – 0,54 г. |