Kõik alumiiniumi kohta. Alumiiniumi füüsikalised ja keemilised omadused. Alumiiniumi omadused keemilisest vaatenurgast

Tükk puhast alumiiniumi

Väga haruldane vask-kupaliidi perekonda kuuluv mineraal, looduslike elementide klassi metallide ja intermetalliliste ühendite alamklass. Peamiselt pideva peeneteralise struktuuriga mikroskoopiliste ladestustena. See võib moodustada kuni 1 mm lamell- või ketendavaid kristalle, täheldatakse kuni 0,5 mm pikkuseid vurrud. mille keerme paksus on mitu mikronit. Kerge hõbevalge värvi paramagnetiline metall, mida on lihtne vormida, valada ja töödelda.

Vaata ka:

STRUKTUUR

Kuubikujuline näokeskne struktuur. 4 oranži aatomit

Alumiiniumi kristallvõre on näokeskne kuubik, mis on stabiilne temperatuuril 4 °K kuni sulamistemperatuurini. Alumiiniumis ei toimu allotroopseid muundumisi, s.t. selle struktuur on püsiv. Ühikrakk koosneb neljast aatomist mõõtmetega 4,049596×10 -10 m; temperatuuril 25 °C on aatomi läbimõõt (lühem vahemaa aatomite vahel võres) 2,86 × 10 -10 m ja aatomi maht on 9,999 × 10 -6 m 3 /g-aatomi kohta.
Alumiiniumi lisandid mõjutavad võre parameetrit vähe. Alumiiniumil on suur keemiline aktiivsus, selle ühendite moodustumise energia hapniku, väävli ja süsinikuga on väga kõrge. Pingevahemikus kuulub see kõige elektronegatiivsemate elementide hulka ja selle normaalne elektroodi potentsiaal on -1,67 V. Normaalsetes tingimustes kaetakse alumiinium õhuhapnikuga koostoimes õhukese (2–10–5 cm), kuid vastupidava kilega. alumiiniumoksiid A1 2 0 3, mis kaitseb edasise oksüdatsiooni eest, mis määrab selle kõrge korrosioonikindluse. Kui aga esineb alumiiniumis või keskkond Hg, Na, Mg, Ca, Si, Cu ja mõned muud elemendid, oksiidkile tugevus ja selle kaitseomadused vähenevad järsult.

OMADUSED

Looduslik alumiinium. Vaateväli 5 x 4 mm. Aserbaidžaan, Gobustani piirkond, Kaspia meri, Here-Zira või Bulla saar

Alumiinium on pehme, kerge, hõbevalge kõrge soojus- ja elektrijuhtivusega metall, mis on paramagnetiline. Sulamistemperatuur 660 °C. Alumiiniumi ja selle sulamite eeliste hulka kuulub selle madal tihedus (2,7 g/cm3), suhteliselt kõrge tugevusomadused, hea soojus- ja elektrijuhtivus, valmistatavus, kõrge korrosioonikindlus. Nende omaduste kombinatsioon võimaldab meil klassifitseerida alumiiniumi üheks kõige olulisemaks tehnilised materjalid. See tõmmatakse kergesti traadiks ja rullitakse õhukesteks lehtedeks. Alumiinium on keemiliselt aktiivne (õhus kaetakse kaitsva oksiidkilega - alumiiniumoksiidiga) ja kaitseb metalli usaldusväärselt edasise oksüdeerumise eest. Kui aga alumiiniumpulbrit või alumiiniumfooliumit tugevalt kuumutada, põleb metall pimestava leegiga, muutudes alumiiniumoksiidiks. Alumiinium lahustub isegi lahjendatud vesinikkloriid- ja väävelhapetes, eriti kuumutamisel. Kuid alumiinium ei lahustu tugevalt lahjendatud ja kontsentreeritud külmas lämmastikhappes. Kui leeliste vesilahused mõjutavad alumiiniumi, lahustub oksiidikiht ja moodustuvad aluminaadid - soolad, mis sisaldavad aniooni osana alumiiniumi.

RESERVID JA TOOTMINE

Levimuse poolest maakoores on ta metallide hulgas 1. ja elementide hulgas 3. kohal, jäädes alla ainult hapnikule ja ränile. Alumiiniumi massikontsentratsioon maakoores on erinevate teadlaste hinnangul 7,45–8,14%.
Kaasaegse tootmismeetodi, Hall-Héroult' protsessi töötasid 1886. aastal iseseisvalt välja ameeriklane Charles Hall ja prantslane Paul Héroult. See koosneb alumiiniumoksiidi Al 2 O 3 lahustamisest krüoliidi Na 3 AlF 6 sulatis, millele järgneb elektrolüüs, kasutades tarbitavaid koksi või grafiitanoodi elektroode. See tootmismeetod nõuab väga suures koguses elektrit ja seetõttu hakati seda tööstuslikult kasutama alles 20. sajandil.

PÄRITOLU

Alumiinium, mille pinnal on bayeriitkoor. Usbekistan, Navoi piirkond, Uchkuduk

Kõrge keemilise aktiivsuse tõttu ei leidu seda puhtal kujul, vaid ainult osana erinevatest ühenditest. Näiteks on teada palju alumiiniumi sisaldavaid maake, mineraale ja kivimeid. Seda kaevandatakse aga ainult boksiidist, mille sisaldus looduses pole kuigi kõrge. Kõige levinumad ained, mis sisaldavad kõnealust metalli, on: päevakivid; boksiit; graniidid; ränidioksiid; Alumosilikaadid; basaltid ja teised. Väikestes kogustes leidub alumiiniumi tingimata elusorganismide rakkudes. Mõned samblaliigid ja mereelanikud suudavad seda elementi kogu elu jooksul oma kehasse koguda.

RAKENDUS

Alumiiniumist kaunistus

Kasutatakse laialdaselt ehitusmaterjalina. Alumiiniumi peamised eelised selles kvaliteedis on kergus, stantsitavus ja korrosioonikindlus. Alumiiniumi elektrijuhtivus on vaid 1,7 korda väiksem kui vasel, samas kui alumiinium on ligikaudu 4 korda odavam kilogrammi kohta, kuid tänu oma 3,3 korda väiksemale tihedusele vajab see võrdse takistuse saavutamiseks ligikaudu 2 korda vähem kaalu. Seetõttu kasutatakse seda laialdaselt elektrotehnikas juhtmete tootmiseks, nende varjestamiseks ja isegi mikroelektroonikas juhtide sadestamisel mikroskeemide kristallide pinnale.
Kui alumiinium oli väga kallis, valmistati sellest mitmesuguseid ehteid. Nii tellis Napoleon III alumiiniumnööbid ja 1889. aastal kingiti Mendelejevile kullast ja alumiiniumist valmistatud kaussidega kaalud. Alumiiniumist ehete mood läks kohe mööda, kui ilmusid uued tehnoloogiad selle valmistamiseks, vähendades kulusid mitu korda. Tänapäeval kasutatakse alumiiniumi mõnikord ka ehete valmistamisel.

Alumiinium - Al

Alumiiniumi on maapõues palju: 8,6 massiprotsenti. See on kõigi metallide seas esikohal ja muude elementide seas (hapniku ja räni järel) kolmandal kohal. Alumiiniumi on kaks korda rohkem kui rauda ja 350 korda rohkem kui vaske, tsinki, kroomi, tina ja pliid kokku! Nagu ta kirjutas rohkem kui 100 aastat tagasi oma klassikalises õpikus Keemia alused D.I.Mendelejev, kõigist metallidest on „alumiinium looduses kõige levinum; Piisab, kui märkida, et see on savi osa, et teha selgeks alumiiniumi universaalne jaotus maakoores. Alumiiniumi ehk maarjametalli (alumiin) nimetatakse ka saviks, kuna seda leidub savis.

Kõige olulisem alumiiniummineraal on boksiit, aluselise oksiidi AlO(OH) ja hüdroksiidi Al(OH) 3 segu. Suurimad boksiidimaardlad asuvad Austraalias, Brasiilias, Guineas ja Jamaical; tööstuslikku tootmist teostatakse ka teistes riikides. Alumiiniumirikkad on ka aluniit (maarjakivi) (Na,K) 2 SO 4 ·Al 2 (SO 4) 3 ·4Al(OH) 3 ja nefeliin (Na,K) 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2. Kokku on teada üle 250 mineraali, mis sisaldavad alumiiniumi; enamik neist on alumosilikaadid, millest moodustub peamiselt maakoor. Nende ilmastiku mõjul tekib savi, mille aluseks on mineraalne kaoliniit Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O. Raualisandid värvivad savi tavaliselt pruuniks, kuid leidub ka valget savi – kaoliini, millest valmistatakse. portselanist ja savist tooted.

Aeg-ajalt leitakse erakordselt kõva (teemandi järel teisel kohal) mineraalne korund – kristalliline oksiid Al 2 O 3, mida sageli värvivad erinevat värvi lisandid. Selle sinist sorti (titaani ja raua segu) nimetatakse safiiriks, punast (kroomi segu) rubiiniks. Erinevad lisandid võivad värvida ka nn õilsa korundi roheliseks, kollaseks, oranžiks, lillaks jt värviks ja tooniks.

Kuni viimase ajani arvati, et alumiinium kui väga aktiivne metall ei saa vabas olekus looduses esineda, kuid 1978. aastal avastati Siberi platvormi kivimitest looduslik alumiinium - ainult niidilaadsete kristallide kujul. 0,5 mm pikk (keerme paksusega mitu mikromeetrit). Looduslikku alumiiniumi avastati ka Kuu pinnasest, mis toodi Maale Kriisi- ja Küllusemere piirkondadest. Arvatakse, et alumiiniummetalli võib tekkida gaasi kondenseerumisel. On teada, et alumiiniumhalogeniidide - kloriidi, bromiidi, fluoriidi - kuumutamisel võivad need suurema või vähema vaevaga aurustuda (näiteks AlCl 3 sublimeerub juba 180 ° C juures). Temperatuuri tugeva tõusu korral lagunevad alumiiniumhalogeniidid, muutudes madalama metalli valentsiga olekusse, näiteks AlCl. Kui selline ühend kondenseerub temperatuuri languse ja hapniku puudumisega, toimub tahkes faasis disproportsioonireaktsioon: osa alumiiniumi aatomeid oksüdeerub ja läheb tavapärasesse kolmevalentsesse olekusse ning osa redutseerub. Monivalentset alumiiniumi saab redutseerida ainult metalliks: 3AlCl ® 2Al + AlCl 3 . Seda oletust toetab ka natiivsete alumiiniumkristallide niiditaoline kuju. Tavaliselt tekivad selle struktuuriga kristallid kiire kasvu tõttu gaasifaasist. Tõenäoliselt tekkisid sarnasel viisil ka Kuu pinnases olevad mikroskoopilised alumiiniumitükid.

Nimetus alumiinium tuleneb ladinakeelsest sõnast alumen (perekond aluminis). Nii nimetati maarjast, topeltkaalium-alumiiniumsulfaati KAl(SO 4) 2 · 12H 2 O), mida kasutati kangaste värvimisel peitsina. Ladinakeelne nimi pärineb tõenäoliselt kreekakeelsest "halme" -st - soolvesi, soolalahus. On uudishimulik, et Inglismaal on alumiinium alumiinium ja USA-s alumiinium.

Paljud populaarsed keemiaraamatud sisaldavad legendi, et teatud leiutaja, kelle nime ajalugu pole säilitanud, tõi aastatel 14–27 pKr Roomat valitsenud keiser Tiberiusele hõbedavärvi meenutavast metallist valmistatud kausi, kuid heledam. See kingitus maksis meistrile elu: Tiberius käskis tema hukkamise ja töökoja hävitamise, kuna kartis, et uus metall võib keiserlikus riigikassas hõbeda väärtust amortiseerida.

See legend põhineb Rooma kirjaniku ja õpetlase, kirjaniku Plinius Vanema lool Looduslugu– iidsete aegade loodusteaduslike teadmiste entsüklopeedia. Pliniuse sõnul saadi uus metall "savisest mullast". Kuid savi sisaldab alumiiniumi.

Kaasaegsed autorid teevad peaaegu alati reservatsiooni, et kogu see lugu pole midagi muud kui ilus muinasjutt. Ja see pole üllatav: kivimites sisalduv alumiinium on hapnikuga äärmiselt tihedalt seotud ja selle vabastamiseks tuleb kulutada palju energiat. Hiljuti on aga ilmunud uusi andmeid metallilise alumiiniumi saamise põhimõttelise võimaluse kohta iidsetel aegadel. Nagu spektraalanalüüs näitas, 3. sajandi alguses surnud Hiina komandöri Zhou-Zhu hauakaunistused. AD, on valmistatud sulamist, mis koosneb 85% alumiiniumist. Kas iidsed inimesed võisid saada tasuta alumiiniumi? Kõik teadaolevad meetodid (elektrolüüs, redutseerimine metallilise naatriumi või kaaliumiga) elimineeritakse automaatselt. Kas iidsetel aegadel võis leida looduslikku alumiiniumi, näiteks kulla-, hõbeda- ja vasetükke? See on samuti välistatud: looduslik alumiinium on haruldane mineraal, mida leidub ebaolulistes kogustes, nii et iidsed käsitöölised ei suutnud selliseid tükikesi vajalikus koguses leida ja koguda.

Pliniuse loole on aga võimalik ka teine ​​seletus. Alumiiniumi saab maakidest kätte mitte ainult elektri ja leelismetallide abil. Saadaval ja iidsetest aegadest laialdaselt kasutatud redutseerija on kivisüsi, mille abil paljude metallide oksiidid taandatakse kuumutamisel vabadeks metallideks. 1970. aastate lõpus otsustasid Saksa keemikud katsetada, kas alumiiniumi võidi iidsetel aegadel toota kivisöega redutseerimise teel. Nad kuumutasid savi segu kivisöepulbriga ja lauasool või kaaliumkarbonaat (kaaliumkarbonaat). Sool saadi mereveest ja kaaliumkloriid taimetuhast, et kasutada ainult neid aineid ja meetodeid, mis olid kättesaadavad iidsetel aegadel. Mõne aja pärast ujus tiigli pinnale alumiiniumkuulikestega räbu! Metallisaagis oli väike, kuid on võimalik, et just sel viisil said muistsed metallurgid kätte “20. sajandi metalli”.

Alumiiniumi omadused.

Puhta alumiiniumi värv meenutab hõbedat, see on väga kerge metall: selle tihedus on ainult 2,7 g/cm 3 . Alumiiniumist kergemad on ainult leeliselised ja leelismuldmetallid(va baarium), berüllium ja magneesium. Alumiinium sulab ka kergesti - 600 ° C juures (õhukese alumiiniumtraati saab sulatada tavalisel köögipõletil), kuid keeb ainult 2452 ° C juures. Elektrijuhtivuse poolest on alumiinium 4. kohal, hõbeda järel teisel kohal (see on esikohal), vask ja kuld, millel on alumiiniumi odavust arvestades suur praktiline tähtsus. Metallide soojusjuhtivus muutub samas järjekorras. Alumiiniumi kõrget soojusjuhtivust on lihtne kontrollida, kastes alumiiniumlusika kuuma tee sisse. Ja veel üks selle metalli tähelepanuväärne omadus: selle sile, läikiv pind peegeldab suurepäraselt valgust: spektri nähtavas piirkonnas 80–93%, olenevalt lainepikkusest. Ultraviolettpiirkonnas ei ole alumiiniumil selles osas võrdset ja ainult punases piirkonnas jääb see hõbedale veidi alla (ultravioletis on hõbeda peegelduvus väga madal).

Puhas alumiinium on parajalt pehme metall – pea kolm korda pehmem kui vask, nii et ka suhteliselt jämedaid alumiiniumplaate ja -vardaid on lihtne painutada, kuid kui alumiiniumist moodustub sulameid (neid on tohutult palju), võib selle kõvadus kümnekordistada.

Alumiiniumi iseloomulik oksüdatsiooniaste on +3, kuid täitmata 3 olemasolu tõttu R- ja 3 d-orbitaalid, alumiiniumi aatomid võivad moodustada täiendavaid doonor-aktseptor sidemeid. Seetõttu on väikese raadiusega Al 3+ ioon väga vastuvõtlik komplekside tekkele, moodustades mitmesuguseid katioonseid ja anioonseid komplekse: AlCl 4 –, AlF 6 3–, 3+, Al(OH) 4 –, Al(OH) 6 3–, AlH 4 – ja paljud teised. Tuntud on ka kompleksid orgaaniliste ühenditega.

Alumiiniumi keemiline aktiivsus on väga kõrge; elektroodide potentsiaalide reas seisab see vahetult magneesiumi taga. Esmapilgul võib selline väide tunduda kummaline: alumiiniumist pann või lusikas on ju õhus üsna stabiilne ega vaju keevas vees kokku. Alumiinium, erinevalt rauast, ei roosteta. Selgub, et õhuga kokku puutudes katab metall värvitu õhukese, kuid vastupidava oksiidist “soomuse”, mis kaitseb metalli oksüdeerumise eest. Seega, kui sisestate põleti leeki paksu alumiiniumtraadi või plaadi, mille paksus on 0,5–1 mm, siis metall sulab, kuid alumiinium ei voola, kuna see jääb oma oksiidikotti. Kui jätate alumiiniumist kaitsekilest ilma või teete selle lahti (näiteks kastes selle elavhõbedasoolade lahusesse), paljastab alumiinium kohe oma tõelise olemuse: juba toatemperatuuril hakkab see veega intensiivselt reageerima, vabastades vesinikku. : 2Al + 6H2O® 2Al(OH)3 + 3H2. Õhus muutub kaitsekilest eemaldatud alumiinium otse meie silme all lahtiseks oksiidpulbriks: 2Al + 3O 2 ® 2Al 2 O 3 . Alumiinium on eriti aktiivne peeneks purustatud olekus; Leeki puhumisel põleb alumiiniumtolm koheselt. Kui segate keraamilisel plaadil alumiiniumtolmu naatriumperoksiidiga ja tilgute segule vett, süttib ka alumiinium ja põleb valge leegiga.

Alumiiniumi väga kõrge afiinsus hapniku suhtes võimaldab tal hapnikku "ära võtta" paljude teiste metallide oksiididelt, redutseerides neid (alumiiniumtermiline meetod). Tuntuim näide on termiidisegu, mille põletamisel eraldub nii palju soojust, et tekkiv raud sulab: 8Al + 3Fe 3 O 4 ® 4Al 2 O 3 + 9Fe. Selle reaktsiooni avastas 1856. aastal N. N. Beketov. Sel viisil saab metallideks redutseerida Fe 2 O 3, CoO, NiO, MoO 3, V 2 O 5, SnO 2, CuO ja mitmed teised oksiidid. Cr 2 O 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, B 2 O 3 redutseerimisel alumiiniumiga ei piisa reaktsioonisoojust reaktsiooniproduktide kuumutamiseks üle nende sulamistemperatuuri.

Alumiinium lahustub kergesti lahjendatud mineraalhapetes, moodustades soolasid. Alumiiniumi pinda oksüdeeriv kontsentreeritud lämmastikhape soodustab oksiidkile paksenemist ja tugevnemist (nn metalli passiveerumist). Sel viisil töödeldud alumiinium ei reageeri isegi vesinikkloriidhappega. Elektrokeemilise anoodoksüdatsiooni (anodeerimise) abil saab alumiiniumi pinnale tekitada paksu kile, mida saab kergesti värvida erinevates värvides.

Vähemaktiivsete metallide väljatõrjumist alumiiniumi poolt soolalahustest takistab sageli alumiiniumi pinnal olev kaitsekile. See kile hävib kiiresti vaskkloriidi toimel, nii et reaktsioon 3CuCl 2 + 2Al ® 2AlCl 3 + 3Cu toimub kergesti, millega kaasneb tugev kuumenemine. Tugevates leeliste lahustes lahustub alumiinium kergesti vesiniku vabanemisega: 2Al + 6NaOH + 6H 2 O ® 2Na 3 + 3H 2 (tekivad ka muud anioonsed hüdroksokompleksid). Alumiiniumiühendite amfoteersus avaldub ka selle värskelt sadestunud oksiidi ja hüdroksiidi kerges lahustumises leelistes. Kristalne oksiid (korund) on väga vastupidav hapetele ja leelistele. Leelistega sulatamisel tekivad veevabad aluminaadid: Al 2 O 3 + 2NaOH ® 2NaAlO 2 + H 2 O. Magneesiumaluminaat Mg(AlO 2) 2 on poolvääriskivi spinellkivi, mis on tavaliselt värvitud väga erinevat värvi lisanditega. .

Alumiiniumi reaktsioon halogeenidega toimub kiiresti. Kui õhuke alumiiniumtraat viiakse katseklaasi 1 ml broomiga, süttib alumiinium lühikese aja pärast ja põleb ereda leegiga. Alumiiniumi ja joodi pulbrite segu reaktsiooni käivitab tilk vett (vesi koos joodiga moodustab happe, mis hävitab oksiidkile), misjärel ilmub ere leek koos violetse joodiauru pilvedega. Alumiiniumhalogeniidid sisse vesilahused on hüdrolüüsi tõttu happeline reaktsioon: AlCl 3 + H 2 O Al(OH)Cl 2 + HCl.

Alumiiniumi reaktsioon lämmastikuga toimub ainult temperatuuril üle 800 ° C nitriidi AlN moodustumisega, väävliga - temperatuuril 200 ° C (tekib sulfiid Al 2 S 3), fosforiga - temperatuuril 500 ° C (tekkib fosfiid AlP). Kui sula alumiiniumile lisatakse boori, tekivad boriidid koostisega AlB 2 ja AlB 12 - hapetele vastupidavad tulekindlad ühendid. Hüdriid (AlH) x (x = 1,2) tekib ainult vaakumis madalatel temperatuuridel aatomi vesiniku reaktsioonil alumiiniumi auruga. AlH3-hüdriid, mis on toatemperatuuril niiskuse puudumisel stabiilne, saadakse veevaba eetri lahuses: AlCl3 + LiH® AlH3 + 3LiCl. LiH liiaga tekib soolataoline liitiumalumiiniumhüdriid LiAlH 4 – väga tugev redutseerija, mida kasutatakse orgaanilistes sünteesides. See laguneb koheselt veega: LiAlH 4 + 4H 2 O ® LiOH + Al(OH) 3 + 4H 2.

Alumiiniumi tootmine.

Alumiiniumi dokumenteeritud avastus leidis aset 1825. aastal. Selle metalli sai esmakordselt kätte Taani füüsik Hans Christian Oersted, kui ta eraldas selle kaaliumamalgaami toimel veevabale alumiiniumkloriidile (saadud kloori juhtimisel läbi kuuma alumiiniumoksiidi ja kivisöe segu) ). Pärast elavhõbeda destilleerimist sai Oersted alumiiniumi, kuigi see oli saastunud lisanditega. 1827. aastal sai saksa keemik Friedrich Wöhler heksafluoroaluminaadi redutseerimisel kaaliumiga pulbrilise alumiiniumi:

Na 3 AlF 6 + 3K ® Al + 3NaF + 3KF. Hiljem õnnestus tal saada alumiiniumi läikivate metallkuulikestena. 1854. aastal töötas prantsuse keemik Henri Etienne Saint-Clair Deville välja esimese tööstusliku meetodi alumiiniumi tootmiseks – tetrakloroaluminaadi sulamise vähendamisel naatriumiga: NaAlCl 4 + 3Na ® Al + 4NaCl. Alumiinium oli aga jätkuvalt äärmiselt haruldane ja kallis metall; see ei olnud palju odavam kui kuld ja 1500 korda kallim kui raud (nüüd ainult kolm korda). Prantsuse keisri Napoleon III pojale valmistati 1850. aastatel kõristi kullast, alumiiniumist ja vääriskividest. Kui 1855. aastal Pariisi maailmanäitusel eksponeeriti uut meetodit toodetud alumiiniumi suurt valuplokki, vaadati seda kui ehteid. USA pealinnas asuva Washingtoni monumendi ülemine osa (püramiidi kujul) oli valmistatud vääris alumiiniumist. Tol ajal ei olnud alumiinium hõbedast palju odavam: näiteks USA-s müüdi seda 1856. aastal hinnaga 12 dollarit nael (454 g), hõbedat aga 15 dollariga.Kuulsa 1. köites. 1890. aastal avaldatud Brockhausi entsüklopeediline sõnaraamat ütles Efron, et "alumiiniumi kasutatakse endiselt peamiselt... luksuskaupade valmistamiseks". Selleks ajaks kaevandati kogu maailmas vaid 2,5 tonni metalli aastas. Alles 19. sajandi lõpupoole, kui alumiiniumi tootmiseks töötati välja elektrolüütiline meetod, hakkas selle aastane toodang ulatuma tuhandetesse tonnidesse ja 20. sajandil. - miljon tonni. See muutis alumiiniumi poolväärismetallist laialdaselt kättesaadavaks metalliks.

Tänapäevase alumiiniumi tootmismeetodi avastas 1886. aastal noor Ameerika teadlane Charles Martin Hall. Huvi keemia vastu tekkis tal juba lapsepõlves. Olles leidnud isa vana keemiaõpiku, asus ta seda usinalt uurima ja katseid tegema, saades kord isegi emalt noomituse õhtusöögilaudlina kahjustamise eest. Ja 10 aastat hiljem tegi ta silmapaistva avastuse, mis tegi ta kuulsaks kogu maailmas.

Saanud 16-aastaselt õpilaseks, kuulis Hall oma õpetajalt F. F. Jewettilt, et kui kellelgi õnnestub areneda odav viis alumiiniumi hankimisel ei paku see inimene mitte ainult inimkonnale suurepärast teenust, vaid teenib ka tohutu varanduse. Jewett teadis, mida ta räägib: ta oli varem Saksamaal koolitanud, töötanud koos Wöhleriga ja arutanud temaga alumiiniumi tootmise probleeme. Jewett tõi Ameerikasse kaasa ka haruldase metalli näidise, mida ta oma õpilastele näitas. Järsku teatas Hall avalikult: "Ma saan selle metalli!"

Kuus aastat rasket tööd jätkus. Hall püüdis alumiiniumi hankida erinevatel meetoditel, kuid edutult. Lõpuks proovis ta seda metalli elektrolüüsi abil ekstraheerida. Tol ajal veel elektrijaamu ei olnud, voolu tuli genereerida suurte omatehtud akudega söest, tsingist, lämmastik- ja väävelhappest. Hall töötas laudas, kus ta rajas väikese labori. Teda aitas õde Julia, kes oli venna katsetest väga huvitatud. Ta säilitas kõik tema kirjad ja tööpäevikud, mis võimaldavad sõna otseses mõttes jälgida avastuse ajalugu päevast päeva. Siin on väljavõte tema memuaaridest:

"Charles on alati olnud hea tuju, ja isegi halvimatel päevadel suutis ta naerda õnnetute leiutajate saatuse üle. Ebaõnnestumisel leidis ta lohutust meie vana klaveri juurest. Kodulaboris töötas ta pikki tunde ilma vaheajata; ja kui ta sai korraks komplektist lahkuda, tormas ta meie pikast majast üle, et natukene mängida... Ma teadsin, et sellise võlu ja tundega mängides mõtles ta pidevalt oma tööle. Ja muusika aitas teda selles.

Kõige keerulisem oli valida elektrolüüti ja kaitsta alumiiniumi oksüdeerumise eest. Pärast kuuekuulist kurnavat tööd ilmus tiiglisse lõpuks mitu väikest hõbedast kuuli. Hall jooksis kohe oma endise õpetaja juurde, et talle oma edust rääkida. “Professor, ma sain aru!” hüüatas ta kätt ulatades: tema peopesas lebas tosin väikest alumiiniumkuuli. See juhtus 23. veebruaril 1886. Ja täpselt kaks kuud hiljem, sama aasta 23. aprillil, võttis prantslane Paul Héroux välja patendi sarnasele leiutisele, mille ta tegi iseseisvalt ja peaaegu samaaegselt (tormavad ka kaks muud kokkusattumust: nii Hall kui ka Héroux sündisid 1863. aastal ja surid 1914. aastal).

Nüüd hoitakse esimesi Halli toodetud alumiiniumkuule rahvusliku reliikviana Pittsburghis asuvas American Aluminium Companys ja tema kolledžis on Halli alumiiniumist valatud monument. Jewett kirjutas hiljem: „Minu kõige olulisem avastus oli inimese avastamine. See oli Charles M. Hall, kes avastas 21-aastaselt meetodi alumiiniumi redutseerimiseks maagist ja muutis sellega alumiiniumist selle imelise metalli, mida praegu kasutatakse laialdaselt kogu maailmas. Jewetti ennustus läks tõeks: Hall pälvis laialdase tunnustuse ja temast sai paljude teadusseltside auliige. Kuid tema isiklik elu oli ebaõnnestunud: pruut ei tahtnud leppida tõsiasjaga, et tema kihlatu veedab kogu oma aja laboris, ja katkestas kihluse. Hall leidis lohutust oma sünnikõrgkoolis, kus ta töötas kogu ülejäänud elu. Nagu Charlesi vend kirjutas: "Kolledž oli tema naine, lapsed ja kõik muu - kogu tema elu." Hall pärandas suurema osa oma pärandist kolledžile – 5 miljonit dollarit.Hall suri 51-aastaselt leukeemiasse.

Halli meetod võimaldas toota elektrit kasutades suures mahus suhteliselt odavat alumiiniumi. Kui aastatel 1855–1890 saadi ainult 200 tonni alumiiniumi, siis järgmisel kümnendil saadi Halli meetodil seda metalli kogu maailmas juba 28 000 tonni! 1930. aastaks ulatus ülemaailmne aastane alumiiniumitoodang 300 tuhande tonnini. Nüüd toodetakse aastas üle 15 miljoni tonni alumiiniumi. Spetsiaalsetes vannides temperatuuril 960–970 ° C töödeldakse alumiiniumoksiidi (tehniline Al 2 O 3) lahus sulas krüoliidis Na 3 AlF 6, mis on osaliselt kaevandatud mineraali kujul ja osaliselt spetsiaalselt sünteesitud. elektrolüüsile. Vedel alumiinium koguneb vanni (katoodi) põhja, süsiniku anoodidel eraldub hapnik, mis järk-järgult põleb. Madalpingel (umbes 4,5 V) tarbivad elektrolüsaatorid tohutuid voolusid - kuni 250 000 A! Üks elektrolüsaator toodab umbes tonni alumiiniumi päevas. Tootmine nõuab palju elektrit: 1 tonni metalli tootmiseks kulub 15 000 kilovatt-tundi elektrit. Sellise koguse elektrit tarbib suur 150 korteriga maja terve kuu. Alumiiniumi tootmine on keskkonnaohtlik, kuna atmosfääriõhk on saastatud lenduvate fluoriühenditega.

Alumiiniumi pealekandmine.

Isegi D.I. Mendelejev kirjutas, et "metalalumiinium, millel on suur kergus ja tugevus ning õhus vähene muutlikkus, sobib mõne toote jaoks väga hästi." Alumiinium on üks levinumaid ja odavamaid metalle. Ilma temata on raske ette kujutada kaasaegne elu. Pole ime, et alumiiniumi nimetatakse 20. sajandi metalliks. See sobib hästi töötlemiseks: sepistamine, stantsimine, valtsimine, joonistamine, pressimine. Puhas alumiinium on üsna pehme metall; Seda kasutatakse elektrijuhtmete, konstruktsiooniosade, toiduainete fooliumi valmistamiseks, köögiriistad ja "hõbedane" värv. Seda kaunist ja kerget metalli kasutatakse laialdaselt ehitus- ja lennutehnoloogias. Alumiinium peegeldab valgust väga hästi. Seetõttu kasutatakse seda peeglite valmistamiseks metalli vaakumis sadestamise meetodil.

Lennuki- ja masinaehituses tootmise ajal ehituskonstruktsioonid, kasutage palju kõvemaid alumiiniumisulameid. Üks kuulsamaid on alumiiniumi sulam vase ja magneesiumiga (duralumiinium või lihtsalt "duralumiinium"; nimi pärineb Saksamaa linnast Duren). Pärast kõvenemist omandab see sulam erilise kõvaduse ja muutub ligikaudu 7 korda tugevamaks kui puhas alumiinium. Samas on see rauast ligi kolm korda kergem. See saadakse alumiiniumi legeerimisel väikeste vase, magneesiumi, mangaani, räni ja raua lisanditega. Laialdaselt kasutatakse silumiine - alumiiniumi ja räni sulameid. Kõrge tugevusega, krüogeenne (külmakindel) ja kuumakindlad sulamid. Kaitse- ja dekoratiivkatteid on lihtne paigaldada alumiiniumisulamitest valmistatud toodetele. Alumiiniumisulamite kergus ja tugevus on eriti kasulikud lennutehnoloogias. Näiteks on helikopteri rootorid valmistatud alumiiniumi, magneesiumi ja räni sulamist. Suhteliselt odav alumiiniumpronks (kuni 11% Al) on kõrgete mehaaniliste omadustega, see on stabiilne merevees ja isegi lahjendatud vesinikkloriidhappes. Aastatel 1926–1957 vermiti NSV Liidus alumiiniumpronksist münte nimiväärtusega 1, 2, 3 ja 5 kopikat.

Praegu kulub ehituseks veerand kogu alumiiniumist, sama palju kulub transporditehnikale, ligikaudu 17% kulub pakkematerjalidele ja purkidele ning 10% elektrotehnikale.

Paljud tule- ja plahvatusohtlikud segud sisaldavad ka alumiiniumi. Alumotol, trinitrotolueeni ja alumiiniumipulbri valatud segu, on üks võimsamaid tööstuslikke lõhkeaineid. Ammonaal on plahvatusohtlik aine, mis koosneb ammooniumnitraadist, trinitrotolueenist ja alumiiniumipulbrist. Süütekompositsioonid sisaldavad alumiiniumi ja oksüdeerivat ainet - nitraati, perkloraati. Zvezdochka pürotehnilised kompositsioonid sisaldavad ka pulbrilist alumiiniumi.

Alumiiniumipulbri segu metallioksiididega (termiit) kasutatakse teatud metallide ja sulamite tootmiseks, rööbaste keevitamiseks ja süütelaskemoonas.

Alumiinium on leidnud praktilist kasutust ka raketikütusena. 1 kg alumiiniumi täielikuks põletamiseks kulub peaaegu neli korda vähem hapnikku kui 1 kg petrooleumi jaoks. Lisaks saab alumiiniumi oksüdeerida mitte ainult vaba hapnikuga, vaid ka seotud hapnikuga, mis on osa veest või süsinikdioksiidist. Kui alumiinium "põleb" vees, eraldub 1 kg toote kohta 8800 kJ; seda on 1,8 korda vähem kui metalli põlemisel puhtas hapnikus, kuid 1,3 korda rohkem kui õhus põlemisel. See tähendab, et ohtlike ja kallite ühendite asemel võib sellise kütuse oksüdeerijana kasutada lihtsat vett. Idee kasutada alumiiniumi kütusena pakkus juba 1924. aastal välja kodumaine teadlane ja leiutaja F.A. Tsander. Tema plaani järgi saab kasutada alumiiniumelemente kosmoselaev lisakütusena. See julge projekt pole veel praktiliselt ellu viidud, kuid enamik praegu teadaolevaid tahkeid raketikütuseid sisaldavad metallilist alumiiniumi peene pulbri kujul. 15% alumiiniumi lisamine kütusele võib tõsta põlemisproduktide temperatuuri tuhande kraadi võrra (2200-lt 3200 K-le); Märkimisväärselt suureneb ka põlemisproduktide voolukiirus mootori düüsist - see on peamine energianäitaja, mis määrab raketikütuse efektiivsuse. Selles osas suudavad alumiiniumiga konkureerida ainult liitium, berüllium ja magneesium, kuid kõik need on alumiiniumist palju kallimad.

Laialdaselt kasutatakse ka alumiiniumiühendeid. Alumiiniumoksiid on tulekindel ja abrasiivne (smirgel) materjal, keraamika tootmise tooraine. Seda kasutatakse ka lasermaterjalide, kellalaagrite ja ehtekivide (kunstlikud rubiinid) valmistamiseks. Kaltsineeritud alumiiniumoksiid on adsorbent gaaside ja vedelike puhastamiseks ning mitmete orgaaniliste reaktsioonide katalüsaator. Veevaba alumiiniumkloriid - katalüsaator sisse orgaaniline süntees(Friedel-Craftsi reaktsioon), kõrge puhtusastmega alumiiniumi tootmise lähtematerjal. Alumiiniumsulfaati kasutatakse vee puhastamiseks; reageerib selles sisalduva kaltsiumvesinikkarbonaadiga:

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 ® 2AlO(OH) + 3CaSO 4 + 6CO 2 + 2H 2 O, moodustab oksiidhüdroksiidhelbeid, mis settides seovad kinni ja ka sorbeerivad pinnal olevad hõljuvad lisandid ja isegi mikroorganismid vees. Lisaks kasutatakse alumiiniumsulfaati peitsina kangaste värvimisel, naha parkimisel, puidu konserveerimisel ja paberi liimimisel. Kaltsiumaluminaat on tsemendimaterjalide, sealhulgas portlandtsemendi komponent. Ütriumalumiiniumgranaat (YAG) YAlO 3 on lasermaterjal. Alumiiniumnitriid on elektriahjude tulekindel materjal. Sünteetilised tseoliidid (need kuuluvad alumosilikaatide hulka) on adsorbendid kromatograafias ja katalüsaatorid. Alumiiniumorgaanilised ühendid (näiteks trietüülalumiinium) on Ziegler-Natta katalüsaatorite komponendid, mida kasutatakse polümeeride, sealhulgas kvaliteetse sünteetilise kummi sünteesiks.

Ilja Leenson

Kirjandus:

Tihhonov V.N. Alumiiniumi analüütiline keemia. M., "Teadus", 1971
Populaarne keemiliste elementide raamatukogu. M., "Teadus", 1983
Craig N.C. Charles Martin Hall ja tema Metal. J. Chem.Educ. 1986, kd. 63, nr 7
Kumar V., Milewski L. Charles Martini saal ja Suur alumiiniumrevolutsioon. J. Chem.Educ., 1987, kd. 64, nr 8



(A l), gallium (Ga), indium (In) ja tallium (T l).

Nagu ülaltoodud andmetest näha, avastati kõik need elemendid aastal XIX sajandil.

Põhialarühma metallide avastamine III rühmad

IN	Al	Ga	sisse	Tl
1806	1825	1875	1863	1861
G. Lussac,	G.H. Ørsted	L. de Boisbaudran	F. Reich,	W. Crooks
L. Tenard	(Taani)	(Prantsusmaa)	I.Richter	(Inglismaa)
(Prantsusmaa)			(Saksamaa)

Boor on mittemetall. Alumiinium on siirdemetall, gallium, indium ja tallium aga täieõiguslikud metallid. Seega suurenevad perioodilisuse tabeli iga rühma elementide aatomite raadiuste suurenemisega lihtainete metallilised omadused.

Selles loengus vaatleme alumiiniumi omadusi lähemalt.

1. Alumiiniumi asukoht D. I. Mendelejevi tabelis. Aatomi struktuur, oksüdatsiooniastmed.

Alumiiniumelement asub sees III rühm, "A" põhialarühm, perioodilisuse süsteemi 3. periood, seerianumber nr 13, suhteline aatommass Ar(Al ) = 27. Selle naaber tabelis vasakul on magneesium, tüüpiline metall, ja paremal räni, mittemetall. Järelikult peavad alumiiniumil olema teatud vahepealsed omadused ja selle ühendid on amfoteersed.

Al +13) 2) 8) 3, p – element,

Põhiseisund 1 s 2 2 2 2 p 6 3 s 2 3 p 1
Põnev olek 1 s 2 2 2 2 p 6 3 s 1 3 p 2

Alumiiniumi oksüdatsiooniaste on ühendites +3:

Al 0 – 3 e - → Al +3

2. Füüsikalised omadused

Alumiinium vabal kujul on kõrge soojus- ja elektrijuhtivusega hõbevalge metall.Sulamistemperatuur 650 o C. Alumiinium on madala tihedusega (2,7 g/cm 3) - umbes kolm korda väiksem kui raual või vasel ja samas on see vastupidav metall.

3. Looduses viibimine

Looduses esinemise poolest on see pingereas 1. metallide ja 3. elementide seas, teisel kohal hapniku ja räni järel. Alumiiniumisisalduse protsent maakoores on erinevate teadlaste andmetel vahemikus 7,45–8,14% maakoore massist.

Looduses esineb alumiiniumi ainult ühendites (mineraalid).

Mõned neist:

· Boksiit – Al 2 O 3 H 2 O (koos SiO 2, Fe 2 O 3, CaCO 3 lisanditega)

· Nefeliinid – KNa 3 4

· Aluniidid – KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3

· Alumiiniumoksiid (kaoliinide segud liivaga SiO 2, lubjakivi CaCO 3, magnesiidiga MgCO 3)

· Korund – Al 2 O 3

· Päevakivi (ortoklaas) - K 2 O × Al 2 O 3 × 6SiO 2

· Kaoliniit – Al 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O

· Alunite - (Na,K)2SO4 ×Al2(SO4)3 ×4Al(OH)3

· Berüül – 3BeO Al 2 O 3 6SiO 2

Boksiit
Al2O3	Korund
	Rubiin
	Safiir

4. Alumiiniumi ja selle ühendite keemilised omadused

Alumiinium reageerib normaalsetes tingimustes kergesti hapnikuga ja on kaetud oksiidkilega (mis annab sellele mati välimuse).

OKSIIDKILE DEMONSTREERIMINE

Selle paksus on 0,00001 mm, kuid tänu sellele alumiinium ei korrodeeru. Alumiiniumi keemiliste omaduste uurimiseks eemaldatakse oksiidkile. (Kasutades liivapaberit või keemiliselt: esmalt kastes see leeliselahusesse, et eemaldada oksiidkile, ja seejärel elavhõbedasoolade lahusesse, et moodustada alumiiniumi sulam elavhõbedaga – amalgaamiga).

I. Koostoime lihtsate ainetega

Juba toatemperatuuril reageerib alumiinium aktiivselt kõigi halogeenidega, moodustades halogeniide. Kuumutamisel reageerib see väävli (200 °C), lämmastiku (800 °C), fosfori (500 °C) ja süsinikuga (2000 °C), katalüsaatori - vee - juuresolekul joodiga:

2A l + 3 S = A l 2 S 3 (alumiiniumsulfiid),

2A l + N 2 = 2A lN (alumiiniumnitriid),

A l + P = A l P (alumiiniumfosfiid),

4A l + 3C = A l 4 C 3 (alumiiniumkarbiid).

2 Al +3 I 2 = 2 Al I 3 (alumiiniumjodiid) KOGEMUS

Kõik need ühendid hüdrolüüsitakse täielikult, moodustades alumiiniumhüdroksiidi ja vastavalt vesiniksulfiidi, ammoniaagi, fosfiini ja metaani:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4

Laastude või pulbrina põleb see õhus eredalt, eraldades suurel hulgal soojust:

4A l + 3 O 2 = 2A l 2 O 3 + 1676 kJ.

ALUMIINIUMI PÕLEMINE ÕHUS

KOGEMUS

II. Koostoime keeruliste ainetega

Koostoime veega :

2 Al + 6 H 2 O = 2 Al (OH) 3 + 3 H 2

ilma oksiidkileta

KOGEMUS

Koostoime metallioksiididega:

Alumiinium on hea redutseerija, kuna see on üks aktiivsetest metallidest. See on tegevuste sarjas vahetult pärast leelismuldmetalle. Sellepärast taastab metallid nende oksiididest . Seda reaktsiooni, aluminotermiat, kasutatakse puhaste haruldaste metallide, nagu volfram, vanaadium jne, tootmiseks.

3 Fe 3 O 4 + 8 Al = 4 Al 2 O 3 + 9 Fe + K

Termiitkeevitamisel kasutatakse ka Fe 3 O 4 ja Al (pulber) termiidisegu.

C r 2 O 3 + 2A l = 2C r + A l 2 O 3

Koostoime hapetega :

Väävelhappe lahusega: 2 Al+ 3 H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3 H 2

See ei reageeri külma kontsentreeritud väävli ja lämmastikuga (passiveerib). Seetõttu transporditakse lämmastikhapet alumiiniummahutites. Kuumutamisel suudab alumiinium neid happeid redutseerida ilma vesinikku vabastamata:

2A l + 6H 2 S O 4 (konts.) = A l 2 (S O 4) 3 + 3 S O 2 + 6H 2 O,

A l + 6H NO 3 (konts.) = A l (NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3H 2 O.

Koostoime leelistega .

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na [ Al(OH)4 ] +3 H 2

KOGEMUS

Na[Al(OH) 4 ] – naatriumtetrahüdroksüaluminaat

Keemik Gorbovi ettepanekul kasutati seda reaktsiooni Vene-Jaapani sõja ajal õhupallide jaoks vesiniku tootmiseks.

Soolalahustega:

2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu

Kui alumiiniumi pinda hõõruda elavhõbedasoolaga, tekib järgmine reaktsioon:

2 Al + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 Hg

Vabanenud elavhõbe lahustab alumiiniumi, moodustades amalgaami .

Alumiiniumioonide tuvastamine lahustes : KOGEMUS

5. Alumiiniumi ja selle ühendite kasutamine

Alumiiniumi füüsikalised ja keemilised omadused on toonud kaasa selle laialdase kasutamise tehnoloogias. Suur alumiiniumi tarbija on lennundustööstus : 2/3 lennukist koosneb alumiiniumist ja selle sulamitest. Terasest lennuk oleks liiga raske ja võiks vedada palju vähem reisijaid. Seetõttu nimetatakse alumiiniumi tiibadega metalliks. Kaablid ja juhtmed on valmistatud alumiiniumist: sama elektrijuhtivusega on nende mass 2 korda väiksem kui vastavatel vasktoodetel.

Arvestades alumiiniumi korrosioonikindlust, on see toodab lämmastikhappe masinaosi ja mahuteid. Alumiiniumpulber on hõbedavärvi valmistamise aluseks, et kaitsta raudtooteid korrosiooni eest ja peegeldada soojuskiirt, sellist värvi kasutatakse õlimahutite ja tuletõrjujate ülikondade katmiseks.

Alumiiniumoksiidi kasutatakse alumiiniumi tootmiseks ja ka tulekindla materjalina.

Alumiiniumhüdroksiid on tuntud ravimite Maalox ja Almagel põhikomponent, mis vähendavad maomahla happesust.

Alumiiniumisoolad on tugevalt hüdrolüüsitud. Seda omadust kasutatakse vee puhastamise protsessis. Tekkinud happe neutraliseerimiseks lisatakse puhastatavale veele alumiiniumsulfaati ja vähesel määral kustutatud lubi. Selle tulemusena eraldub mahukas alumiiniumhüdroksiidi sade, mis settides kannab endaga hõljuvaid hägususe osakesi ja baktereid.

Seega on alumiiniumsulfaat koagulant.

6. Alumiiniumi tootmine

1) Ameerika Hall ja prantslane Héroult leiutasid 1886. aastal kaasaegse ja kulutõhusa meetodi alumiiniumi tootmiseks. See hõlmab alumiiniumoksiidi lahuse elektrolüüsi sulas krüoliidis. Sulatatud krüoliit Na 3 AlF 6 lahustab Al 2 O 3, nagu vesi lahustab suhkrut. Alumiiniumoksiidi "lahuse" elektrolüüs sulas krüoliidis toimub nii, nagu oleks krüoliit ainult lahusti ja alumiiniumoksiid elektrolüüt.

2Al 2 O 3 elektrivool → 4Al + 3O 2

Ingliskeelses väljaandes “Encyclopedia for Boys and Girls” algab alumiiniumi käsitlev artikkel järgmiste sõnadega: “23. veebruaril 1886 algas tsivilisatsiooni ajaloos uus metalliajastu – alumiiniumiajastu. Sel päeval astus oma esimesse õpetaja laboratooriumisse 22-aastane keemik Charles Hall, käes tosin väikest hõbevalget alumiiniumpalli ja teade, et ta on leidnud viisi, kuidas metalli odavalt valmistada. suurtes kogustes." Nii sai Hallist Ameerika alumiiniumitööstuse rajaja ja anglosaksi rahvuskangelane mehena, kes muutis teaduse suureks äriks.

2) 2Al 2O 3 +3 C=4 Al+3 CO 2

SEE ON HUVITAV:

• Alumiiniummetalli eraldas esmakordselt 1825. aastal Taani füüsik Hans Christian Oersted. Lases kloorigaasi läbi söega segatud kuuma alumiiniumoksiidi kihi, eraldas Oersted alumiiniumkloriidi vähimagi niiskusjäljeta. Metallilise alumiiniumi taastamiseks oli Oerstedil vaja alumiiniumkloriidi töödelda kaaliumamalgaamiga. 2 aastat hiljem saksa keemik Friedrich Woeller. Ta täiustas meetodit, asendades kaaliumamalgaami puhta kaaliumiga.
• 18. ja 19. sajandil oli alumiinium ehete peamine metall. 1889. aastal pälvis D.I. Mendelejev Londonis keemia arendamisel tehtud teenete eest väärtusliku kingituse – kullast ja alumiiniumist valmistatud kaalud.
• 1855. aastaks töötas prantsuse teadlane Saint-Clair Deville välja meetodi alumiiniummetalli tootmiseks tehnilises ulatuses. Kuid meetod oli väga kallis. Deville nautis Prantsusmaa keisri Napoleon III erilist patronaaži. Oma pühendumuse ja tänulikkuse märgiks valmistas Deville Napoleoni pojale, vastsündinud printsile, elegantselt graveeritud kõristi – esimese alumiiniumist valmistatud "tarbekauba". Napoleon kavatses isegi oma valvurid varustada alumiiniumist kürassiga, kuid hind osutus üle jõu käivaks. Tol ajal maksis 1 kg alumiiniumi 1000 marka, s.o. 5 korda kallim kui hõbe. Alles pärast elektrolüütilise protsessi leiutamist muutus alumiinium väärtuselt samaväärseks tavaliste metallidega.
• Kas teadsid, et alumiinium põhjustab inimkehasse sattudes närvisüsteemi häireid.Kui seda on liiga palju, on ainevahetus häiritud. Ja kaitsvad ained on C-vitamiin, kaltsiumi ja tsingi ühendid.
• Alumiiniumi põlemisel hapnikus ja fluoris eraldub palju soojust. Seetõttu kasutatakse seda raketikütuse lisandina. Rakett Saturn põletab oma lennu ajal 36 tonni alumiiniumipulbrit. Metallide kasutamise idee raketikütuse komponendina pakkus esmakordselt välja F. A. Zander.

HARJUTUSED

Simulaator nr 1 – alumiiniumi omadused positsioonide järgi D. I. Mendelejevi elementide perioodilises tabelis

Simulaator nr 2 – alumiiniumi reaktsioonide võrrandid lihtsate ja keeruliste ainetega

Simulaator nr 3 – Alumiiniumi keemilised omadused

ÜLESANDE ÜLESANDED

nr 1. Alumiiniumi saamiseks alumiiniumkloriidist võib redutseerijana kasutada kaltsiummetalli. Kirjutage selle keemilise reaktsiooni võrrand ja iseloomustage seda protsessi elektroonilise kaalu abil.
mõtle! Miks ei saa seda reaktsiooni läbi viia vesilahuses?

nr 2. Täitke keemiliste reaktsioonide võrrandid:
Al + H2SO4 (lahus ) ->
Al + CuCl2 ->
Al + HNO3 ( konts. ) - t ->
Al + NaOH + H2O ->

nr 3. Tehke ümberkujundamine:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 -> Al(OH) 3 - t -> Al 2 O 3 -> Al

nr 4. Lahendage probleem:
Alumiiniumi-vasesulam puutus kuumutamise ajal kokku kontsentreeritud naatriumhüdroksiidi lahuse liiaga. Välja lasti 2,24 liitrit gaasi (n.o.). Arvutage sulami protsentuaalne koostis, kui selle kogumass oli 10 g?

Iga keemilist elementi saab käsitleda kolme teaduse seisukohast: füüsika, keemia ja bioloogia. Ja selles artiklis proovime alumiiniumi võimalikult täpselt iseloomustada. See on keemiline element, mis asub perioodilisuse tabeli järgi kolmandas rühmas ja kolmandas perioodis. Alumiinium on keskmise keemilise reaktsioonivõimega metall. Selle ühendites võib täheldada ka amfoteerseid omadusi. Alumiiniumi aatommass on kakskümmend kuus grammi mooli kohta.

Alumiiniumi füüsikalised omadused

Kell normaalsetes tingimustes ta on tahke. Alumiiniumi valem on väga lihtne. See koosneb aatomitest (ei ole ühendatud molekulideks), mis on kristallvõre abil paigutatud tahkeks aineks. Alumiiniumi värvus on hõbevalge. Lisaks on sellel nagu kõigil teistel selle rühma ainetel metalliline läige. Tööstuses kasutatava alumiiniumi värvus võib sulamis sisalduvate lisandite tõttu erineda. See on üsna kerge metall.

Selle tihedus on 2,7 g/cm3, see tähendab, et see on rauast ligikaudu kolm korda kergem. Selles võib see olla ainult madalam kui magneesium, mis on isegi kergem kui kõnealune metall. Alumiiniumi kõvadus on üsna madal. Selles on see enamikust metallidest madalam. Alumiiniumi kõvadus on vaid kaks. Seetõttu lisatakse selle tugevdamiseks sellel metallil põhinevatele sulamitele kõvemaid.

Alumiinium sulab ainult 660 kraadi Celsiuse järgi. Ja see keeb, kui seda kuumutada temperatuurini kaks tuhat nelisada viiskümmend kaks kraadi Celsiuse järgi. See on väga plastiline ja sulav metall. Alumiiniumi füüsikalised omadused sellega ei lõpe. Samuti tahaksin märkida, et sellel metallil on vase ja hõbeda järel parim elektrijuhtivus.

Levimus looduses

Alumiinium, spetsifikatsioonid mida me just vaatasime, on keskkonnas üsna tavaline. Seda võib täheldada paljude mineraalide koostises. Alumiinium on looduses levinumalt neljas element. Seda on maapõues peaaegu üheksa protsenti. Peamised selle aatomeid sisaldavad mineraalid on boksiit, korund ja krüoliit. Esimene on kivi, mis koosneb raua, räni ja kõnealuse metalli oksiididest; struktuuris on ka veemolekule. Sellel on heterogeenne värvus: halli, punakaspruuni ja muude värvide killud, mis sõltuvad mitmesuguste lisandite olemasolust. Kolmkümmend kuni kuuskümmend protsenti sellest kivist on alumiinium, mille fotot näete ülal. Lisaks on korund looduses väga levinud mineraal.

See on alumiiniumoksiid. Selle keemiline valem on Al2O3. See võib olla punane, kollane, sinine või pruun. Selle kõvadus Mohsi skaalal on üheksa. Korundi sortide hulka kuuluvad tuntud safiirid ja rubiinid, leukosafiirid, aga ka padparadscha (kollane safiir).

Krüoliit on keerulisema keemilise valemiga mineraal. See koosneb alumiinium- ja naatriumfluoriididest - AlF3.3NaF. See näib olevat värvitu või hallikas kivi, mille kõvadus on Mohsi skaalal vaid kolm. IN kaasaegne maailm seda sünteesitakse laboritingimustes kunstlikult. Seda kasutatakse metallurgias.

Alumiiniumi leidub looduses ka savides, mille põhikomponentideks on räni ja vaadeldava metalli oksiidid, mis on seotud veemolekulidega. Lisaks võib seda keemilist elementi täheldada nefeliinide koostises, mille keemiline valem on järgmine: KNa34.

Kviitung

Alumiiniumi omadused hõlmavad selle sünteesimeetodite kaalumist. On mitmeid meetodeid. Alumiiniumi tootmine esimesel meetodil toimub kolmes etapis. Viimane neist on elektrolüüsi protseduur katoodil ja süsinikanoodil. Sellise protsessi läbiviimiseks on vaja alumiiniumoksiidi, aga ka selliseid abiaineid nagu krüoliit (valem - Na3AlF6) ja kaltsiumfluoriid (CaF2). Vees lahustunud alumiiniumoksiidi lagunemise protsessi toimumiseks tuleb see koos sulatatud krüoliidi ja kaltsiumfluoriidiga kuumutada temperatuurini vähemalt üheksasada viiskümmend kraadi Celsiuse järgi ning seejärel läbida vool kaheksakümmend tuhat amprit ja nende ainete pinge viis.kaheksa volti. Seega sadestub selle protsessi tulemusena katoodile alumiinium ja anoodile kogunevad hapniku molekulid, mis omakorda oksüdeerivad anoodi ja muudavad selle anoodiks. süsinikdioksiid. Enne seda protseduuri puhastatakse boksiit, mille kujul kaevandatakse alumiiniumoksiidi, esmalt lisanditest ja läbib ka dehüdratsiooniprotsessi.

Alumiiniumi tootmine ülalkirjeldatud meetodil on metallurgias väga levinud. Samuti on olemas meetod, mille 1827. aastal leiutas F. Wöhler. See seisneb selles, et alumiiniumi saab ekstraheerida selle kloriidi ja kaaliumi vahelise keemilise reaktsiooni abil. Sellist protsessi saab läbi viia ainult luues eritingimused väga kõrge temperatuuri ja vaakumi kujul. Seega saab ühest moolist kloriidist ja samast mahust kaaliumist saada ühe mooli alumiiniumi ja kolm mooli kõrvalsaadusena. Selle reaktsiooni saab kirjutada järgmise võrrandi kujul: АІСІ3 + 3К = АІ + 3КІ. See meetod pole metallurgias suurt populaarsust saavutanud.

Alumiiniumi omadused keemilisest vaatenurgast

Nagu eespool mainitud, on see lihtne aine, mis koosneb aatomitest, mis ei ole molekulideks ühendatud. Peaaegu kõik metallid moodustavad sarnaseid struktuure. Alumiiniumil on üsna kõrge keemiline aktiivsus ja tugevad redutseerivad omadused. Alumiiniumi keemiline iseloomustus algab selle reaktsioonide kirjeldusega teiste lihtsate ainetega ja seejärel kirjeldatakse koostoimeid keeruliste anorgaaniliste ühenditega.

Alumiinium ja lihtained

Nende hulka kuuluvad ennekõike hapnik - planeedi kõige levinum ühend. 21 protsenti Maa atmosfäärist koosneb sellest. Teatud aine reaktsiooni mis tahes muu ainega nimetatakse oksüdatsiooniks või põlemiseks. Tavaliselt esineb see kõrgel temperatuuril. Kuid alumiiniumi puhul on tavatingimustes oksüdeerumine võimalik – nii tekibki oksiidkile. Kui see metall purustatakse, siis see põleb, vabastades soojuse kujul suurel hulgal energiat. Alumiiniumi ja hapniku vahelise reaktsiooni läbiviimiseks on neid komponente vaja molaarsuhtes 4:3, mille tulemuseks on kaks osa oksiidist.

Seda keemilist vastasmõju väljendatakse järgmise võrrandi kujul: 4АІ + 3О2 = 2АІО3. Võimalikud on ka alumiiniumi reaktsioonid halogeenidega, mille hulka kuuluvad fluor, jood, broom ja kloor. Nende protsesside nimetused tulenevad vastavate halogeenide nimedest: fluorimine, jodimine, broomimine ja kloorimine. Need on tüüpilised liitumisreaktsioonid.

Vaatleme näiteks alumiiniumi ja kloori koostoimet. Selline protsess saab toimuda ainult külmas.

Seega, võttes kaks mooli alumiiniumi ja kolm mooli kloori, on tulemuseks kaks mooli kõnealuse metalli kloriidi. Selle reaktsiooni võrrand on järgmine: 2АІ + 3СІ = 2АІСІ3. Samal viisil saate alumiiniumfluoriidi, selle bromiidi ja jodiidi.

Vaatlusalune aine reageerib väävliga ainult kuumutamisel. Nende kahe ühendi vahelise reaktsiooni läbiviimiseks peate võtma need molaarsetes vahekordades kaks kuni kolm ja moodustub üks osa alumiiniumsulfiidist. Reaktsioonivõrrand näeb välja selline: 2Al + 3S = Al2S3.

Lisaks reageerib alumiinium kõrgel temperatuuril nii süsinikuga, moodustades karbiidi, kui ka lämmastikuga, moodustades nitriidi. Näitena võib tuua järgmised keemiliste reaktsioonide võrrandid: 4АІ + 3С = АІ4С3; 2Al + N2 = 2AlN.

Koostoime keeruliste ainetega

Nende hulka kuuluvad vesi, soolad, happed, alused, oksiidid. Alumiinium reageerib kõigi nende keemiliste ühenditega erinevalt. Vaatame iga juhtumit lähemalt.

Reaktsioon veega

Alumiinium reageerib kuumutamisel kõige tavalisema kompleksainega Maal. See juhtub ainult siis, kui esmalt eemaldatakse oksiidkile. Interaktsiooni tulemusena tekib amfoteerne hüdroksiid, samuti paiskub õhku vesinik. Võttes kaks osa alumiiniumi ja kuus osa vett, saame hüdroksiidi ja vesiniku molaarsetes vahekordades kaks kuni kolm. Selle reaktsiooni võrrand on kirjutatud järgmiselt: 2AI + 6H2O = 2AI(OH)3 + 3H2.

Koostoime hapete, aluste ja oksiididega

Nagu teisedki aktiivsed metallid, on alumiinium võimeline läbima asendusreaktsioone. Seejuures võib see happest välja tõrjuda vesiniku või oma soolast passiivsema metalli katiooni. Selliste interaktsioonide tulemusena moodustub alumiiniumsool, samuti eraldub (happe puhul) või sadestub vesinik. puhas metall(see, mis on vähem aktiivne kui kõnealune). Teisel juhul ilmnevad ülalmainitud taastavad omadused. Näitena võib tuua alumiiniumi vastasmõju, millega tekib alumiiniumkloriid ja vesinik eraldub õhku. Seda tüüpi reaktsiooni väljendatakse järgmise võrrandi kujul: 2АІ + 6НІ = 2АІСІ3 + 3Н2.

Alumiiniumi ja soola koostoime näide on selle reaktsioon nende kahe komponendi võtmisega, saame lõpuks puhta vase, mis sadestub. Alumiinium reageerib ainulaadsel viisil selliste hapetega nagu väävel- ja lämmastikhape. Näiteks kui nitraathappe lahjendatud lahusele lisada alumiiniumi molaarsuhtes kaheksa osa kuni kolmkümmend, moodustub kaheksa osa kõnealuse metalli nitraati, kolm osa lämmastikoksiidi ja viisteist vett. Selle reaktsiooni võrrand on kirjutatud järgmiselt: 8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O. See protsess toimub ainult kõrge temperatuuri juuresolekul.

Kui segame alumiiniumi ja nõrga sulfaathappe lahuse molaarsuhtes kaks kuni kolm, saame kõnealuse metalli sulfaadi ja vesiniku vahekorras üks kuni kolm. See tähendab, et toimub tavaline asendusreaktsioon, nagu ka teiste hapete puhul. Selguse huvides esitame võrrandi: 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2. Sama happe kontsentreeritud lahusega on aga kõik keerulisem. Siin, nagu nitraadi puhul, tekib kõrvalsaadus, kuid mitte oksiidina, vaid väävli ja vee kujul. Kui võtta kaks vajalikku komponenti molaarsuhtes kaks kuni neli, on tulemuseks üks osa kõnealuse metalli soolast ja väävlist, samuti neli osa vett. Seda keemilist koostoimet saab väljendada järgmise võrrandi abil: 2Al + 4H2SO4 = Al2(SO4)3 + S + 4H2O.

Lisaks on alumiinium võimeline reageerima leeliselahustega. Sellise keemilise interaktsiooni läbiviimiseks peate võtma kaks mooli kõnealust metalli, sama palju kaaliumi ja ka kuus mooli vett. Selle tulemusena moodustuvad sellised ained nagu naatrium- või kaaliumtetrahüdroksüaluminaat, aga ka vesinik, mis eraldub terava lõhnaga gaasi kujul molaarsuhtes kaks kuni kolm. Seda keemilist reaktsiooni saab esitada järgmise võrrandi kujul: 2АІ + 2КОН + 6Н2О = 2К[АІ(ОН)4] + 3Н2.

Ja viimane asi, mida tuleb arvestada, on alumiiniumi ja teatud oksiidide koostoime mustrid. Kõige tavalisem ja kasutatav juhtum on Beketovi reaktsioon. See, nagu paljud teised eespool käsitletud, esineb ainult kõrgetel temperatuuridel. Niisiis, selle rakendamiseks peate võtma kaks mooli alumiiniumi ja ühe mooli raudoksiidi. Nende kahe aine koosmõju tulemusena saame alumiiniumoksiidi ja vaba rauda vastavalt ühe ja kahe mooli koguses.

Kõnealuse metalli kasutamine tööstuses

Pange tähele, et alumiiniumi kasutamine on väga levinud nähtus. Esiteks vajab seda lennundustööstus. Koos sellega kasutatakse ka kõnealusel metallil põhinevaid sulameid. Võib öelda, et keskmine lennuk koosneb 50% alumiiniumisulamitest ja selle mootor - 25%. Alumiiniumi kasutatakse selle suurepärase elektrijuhtivuse tõttu ka juhtmete ja kaablite valmistamisel. Lisaks kasutatakse seda metalli ja selle sulameid autotööstuses laialdaselt. Nendest materjalidest valmistatakse autode, busside, trollibusside, osade trammide, aga ka tava- ja elektrirongivagunite kered.

Seda kasutatakse ka väiksemamahulistel eesmärkidel, näiteks toidu- ja muude toodete pakendite ning nõude valmistamisel. Hõbedavärvi valmistamiseks vajate kõnealuse metalli pulbrit. Seda värvi on vaja raua kaitsmiseks korrosiooni eest. Võib öelda, et alumiinium on ferrumi järel tööstuses enimkasutatav metall. Selle ühendeid ja teda ennast kasutatakse sageli keemiatööstuses. Seda seletatakse alumiiniumi eriliste keemiliste omadustega, sealhulgas selle redutseerivate omadustega ja selle ühendite amfoteersetega. Kõnealuse keemilise elemendi hüdroksiid on vajalik vee puhastamiseks. Lisaks kasutatakse seda meditsiinis vaktsiini tootmisprotsessis. Seda võib leida ka teatud tüüpi plastist ja muudest materjalidest.

Roll looduses

Nagu eespool juba kirjutatud, leidub alumiiniumi maakoores suurtes kogustes. See on eriti oluline elusorganismide jaoks. Alumiinium osaleb kasvuprotsesside reguleerimises, moodustab sidekudesid nagu luud, sidemed jt. Tänu sellele mikroelemendile toimuvad kehakudede regenereerimise protsessid kiiremini. Selle puudulikkust iseloomustavad järgmised sümptomid: arengu- ja kasvuhäired lastel; täiskasvanutel - krooniline väsimus, vähenenud jõudlus, liigutuste koordineerimise häired, kudede taastumise kiiruse vähenemine, lihaste nõrgenemine, eriti jäsemetes. See nähtus võib ilmneda, kui sööte liiga vähe seda mikroelementi sisaldavaid toite.

Sagedasem probleem on aga liigne alumiinium kehas. Sellisel juhul täheldatakse sageli järgmisi sümptomeid: närvilisus, depressioon, unehäired, mälu vähenemine, vastupidavus stressile, lihas-skeleti süsteemi pehmenemine, mis võib põhjustada sagedasi luumurde ja nikastusi. Alumiiniumi pikaajalisel liialdamisel kehas tekivad sageli probleemid peaaegu iga organsüsteemi töös.

Selle nähtuse põhjuseks võivad olla mitmed põhjused. Esiteks on teadlased juba ammu tõestanud, et kõnealusest metallist valmistatud nõud ei sobi neis toidu valmistamiseks, kuna kõrgel temperatuuril satub osa alumiiniumist toidu sisse ja selle tulemusena kulub seda mikroelementi palju rohkem kui keha vajab.

Teiseks põhjuseks on kõnealust metalli või selle sooli sisaldavate kosmeetikavahendite regulaarne kasutamine. Enne mis tahes toote kasutamist lugege hoolikalt selle koostist. Kosmeetika pole erand.

Kolmas põhjus on pikaajaline rohkelt alumiiniumi sisaldavate ravimite võtmine. Nagu ka seda mikroelementi sisaldavate vitamiinide ja toidulisandite ebaõige kasutamine.

Nüüd mõtleme välja, millised tooted sisaldavad alumiiniumi, et oma toitumist reguleerida ja menüüd õigesti korraldada. Esiteks on need porgandid, sulatatud juustud, nisu, maarjas, kartul. Soovitatavad puuviljad on avokaadod ja virsikud. Lisaks on alumiiniumirikas valge kapsas, riis ja paljud ravimtaimed. Samuti võivad selles sisalduda kõnealuse metalli katioonid joogivesi. Alumiiniumi (nagu ka muude mikroelementide) kõrge või madala taseme vältimiseks kehas peate hoolikalt jälgima oma toitumist ja püüdma seda võimalikult tasakaalustada.

Alumiinium on III rühma kolmanda perioodi põhialarühma element, mille aatomnumber on 13. Alumiinium on p-element. Alumiiniumi aatomi välimine energiatase sisaldab 3 elektroni, millel on elektrooniline konfiguratsioon 3s 2 3p 1. Alumiiniumi oksüdatsiooniaste on +3.

Kuulub kergmetallide rühma. Levinuim metall ja kolmas keemiline element maapõues (hapniku ja räni järel).

Lihtne alumiinium on kerge, hõbevalge värvusega paramagnetiline metall, mida on lihtne vormida, valada ja töödelda. Alumiiniumil on kõrge soojus- ja elektrijuhtivus ning korrosioonikindlus tänu tugevate oksiidkilede kiirele moodustumisele, mis kaitsevad pinda edasise vastasmõju eest.

Alumiiniumi keemilised omadused

Tavatingimustes on alumiinium kaetud õhukese ja vastupidava oksiidkilega ning seetõttu ei reageeri see klassikaliste oksüdeerivate ainetega: H 2 O (t°); O 2, HNO 3 (kuumutamata). Tänu sellele ei ole alumiinium praktiliselt korrosioonile allutatud ja on seetõttu laialt nõutud. kaasaegne tööstus. Kui oksiidkile hävib, toimib alumiinium aktiivse redutseeriva metallina.

1. Alumiinium reageerib kergesti lihtsate mittemetalliliste ainetega:

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3,

2Al + 3 Br2 = 2AlBr 3

2Al + N2 = 2AlN

2Al + 3S = Al 2S 3

4Al + 3C = Al 4 C 3

Alumiiniumsulfiid ja -karbiid hüdrolüüsitakse täielikult:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4

2. Alumiinium reageerib veega

(pärast kaitsva oksiidkile eemaldamist):

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

3. Alumiinium reageerib leelistega

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2

2(NaOHH2O) + 2Al = 2NaAlO2 + 3H2

Esiteks lahustub kaitsev oksiidkile: Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na.

Seejärel toimuvad reaktsioonid: 2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2, NaOH + Al(OH) 3 = Na,

või kokku: 2Al + 6H2O + 2NaOH = Na + 3H2,

ja selle tulemusena tekivad aluminaadid: Na - naatriumtetrahüdroksoaluminaat Kuna alumiiniumi aatomit nendes ühendites iseloomustab koordinatsiooniarv 6, mitte 4, on tetrahüdroksoühendite tegelik valem järgmine: Na

4. Alumiinium lahustub kergesti vesinikkloriid- ja lahjendatud väävelhapetes:

2Al + 6HCl = 2AICl3 + 3H2

2Al + 3H 2SO 4 (dil) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2

Kuumutamisel lahustub see happed - oksüdeerivad ained, moodustades lahustuvaid alumiiniumsoolasid:

8Al + 15H2SO4 (konts.) = 4Al2(SO4)3 + 3H2S + 12H2O

Al + 6HNO 3 (konts.) = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

5. Alumiinium redutseerib metalle nende oksiididest (alumiiniumtermia):

8Al + 3Fe 3O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe

2Al + Cr 2 O 3 = Al 2 O 3 + 2Cr