Алюминий в химии: подготовка к ЕГЭ (формула, химические свойства, подробное описание и происхождение)

История открытия

В 16 веке знаменитый Парацельс сделал первый шаг к извлечению алюминия из квасцов, он выделил «квасцовую землю», которая содержала оксид неизвестного тогда металла в 18 веке, за этот эксперимент взялся немецкий химик Андреас Маргграф. Он назвал оксидом алюминия «глинозем», что на латыни означает «вяжущий», в то время этот металл не был популярен, поскольку не был в чистом виде.

В течение многих лет английские, датские и немецкие ученые пытались выделить чистый алюминий. В 1855 г в Париже на всемирной выставке алюминиевого металла произвели фурор только предметы роскоши и ювелирные изделия, так как металл был довольно дорогим в конце XIX.  Более современный и экономичный способ получения алюминия в 1911 г. Первая партия дюралюминия была произведена в Дюрене, который носит имя города в 1919 г., из этого материала был создан первый самолет.

Характеристики элемента

Алюминий — элемент семейства легких металлов, по обилию в таблице Менделеева уступает только кислороду и кремнию, находится на тринадцатом месте, имеет серебристо-белый цвет, общепринятое химическое обозначение — ал (от латинского слова алюминий).

Вещество имеет следующие характеристики:

1. Относительная атомная масса — 26,981538 показывает, во сколько раз атом алюминия превышает вес одной атомной единицы массы, принятой равной 1,67*10-27 килограмм.
2. Атомный номер — 13 обозначает число протонов в ядре вещества, равное числу электронов, вращающихся вокруг атома.
3. Радиус атома 143 пикнометра определяется расстоянием между ядром и самой дальней орбитой элемента.
4. Ковалентный радиус — 121 пикнометр расстояние между ядрами, образующими ковалентную связь, деленное на 2.
5. Электронная формула атома алюминия 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 число электронов на оболочках в соответствии с энергетическим состоянием.
6. Фазовые температуры: при достижении 660°С происходит плавление, а при 2518°С — кипение.
7. Способность атомов удерживать электроны (электроотрицательность) — 1,61 на поляризацию.
8. Степень окисления — 3,0 определяется количеством электронов, смещенных к или от атома.
9. Плотность — 2,7 г/см3 отношение массы алюминия к его объему.
10. Молярный объем = 10,0 см3/моль определяется как отношение объема вещества к его количеству.

Ядро вещества содержит в сумме 13 протонов и более на один нейтрон, массовое число равно 27, электроны находятся на трех энергетических уровнях. В первом размещено 2 электрона, во втором 8 (три пары) и в третьем 3. Этой позиции соответствует регистр: +13al)2)8)3.

Кроме того, если атом возбужден, в этом состоянии могут высвобождаться три элемента, достигая таким образом степени окисления +3 или вызывая образование ковалентных связей. Из этого следует, что валентность алюминия равна трем в природе, вещество находится : глина, слюда, корунд, взаимодействует со многими элементами, но не с водородом.

При контакте с кислородом образует оксидную пленку, препятствующую реакциям с водой, азотной и серной кислотами.

Физические свойства

Металлический алюминий характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, коррозионной и морозостойкостью, пластичностью, хорошо поддается штамповке, ковке, волочению, прокатке. Алюминий хорошо сваривается различными видами сварки, важным свойством является малая плотность около 2,7 г/см³, температура плавления около 660°С.

Механические, физико-химические и технологические свойства алюминия зависят от наличия и количества примесей, ухудшающих свойства чистого металла. Основными природными примесями являются кремний, железо, цинк, титан и медь.

В зависимости от степени очистки различают алюминий высокой и технической чистоты. Практическое отличие заключается в различии коррозионной стойкости к определенным средам, чем чище металл, тем он дороже. Технический алюминий применяют для изготовления сплавов, проката, проволочно-кабельной продукции. Металл высокой чистоты используется для специальных целей.

По электропроводности алюминий уступает только золоту, серебру и меди, а сочетание низкой плотности и высокой электропроводности позволяет конкурировать с медью в области проволочно-кабельной продукции длительный отжиг улучшает электропроводность, а закалка ухудшает ее.

Теплопроводность алюминия увеличивается с повышением чистоты металла примеси марганца, магния и меди снижают это свойство по теплопроводности, алюминий проигрывает по этому свойству только меди и серебру, металл используется в теплообменниках и радиаторах охлаждения.

Алюминий обладает высокой удельной теплоемкостью и теплотой плавления эти показатели значительно выше, чем у большинства металлов чем выше чистота алюминия тем больше он способен отражать свет от поверхности металл хорошо полируется и анодируется

Алюминий имеет высокое сродство к кислороду и на воздухе покрывается тонкой, прочной пленкой оксида алюминия, эта пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления и обеспечивает хорошие антикоррозионные свойства алюминий устойчив к атмосферной коррозии, морской и пресной воде , практически не взаимодействует с органическими кислотами, концентрированной или разбавленной азотной кислотой.

Химические свойства

Алюминий является достаточно активным амфотерным металлом при нормальных условиях, прочная оксидная пленка определяет его прочность при разрушении оксидной пленки, алюминий выступает активным металлом-восстановителем в мелкодисперсном состоянии и при высокой температуре, металл взаимодействует с кислородом при нагревании , реакции с серой, фосфором, азотом, углеродом, йодом протекают при нормальных условиях, металл взаимодействует с хлором и бромом, с водородом реакции с металлами нет, алюминий образует сплавы, содержащие интерметаллические соединения — алюминиды.

При условии очистки оксидной пленки происходит энергичное взаимодействие с водой, легко протекают реакции с разбавленными кислотами. Реакции с концентрированной серной и азотной кислотой происходят при нагревании, алюминий легко реагирует со щелочами. Практическое применение в металлургии нашла способность восстанавливать металлы из оксидов и солей — алюмотермические реакции.

Электронная схема алюминия

все: 1с2 2с2 2п6 3с2 3п1
короткая запись:
ал: ne 3s2 3p1

Атом алюминия и +1si, +2p, +3s, +4cl имеют одинаковую электронную конфигурацию.

Порядок заполнения оболочек атома алюминия (al) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6д → 7р.

На подуровне «s» может находиться до 2 электронов, на «s» до 6, на «d» до 10 и на «f» до 14 электронов.

Алюминий имеет 13 электронов, заполните электронные оболочки в порядке, описанном выше:

1. 2 электрона на 1s подуровень;
2. 2 электрона на 2s-подуровень;
3. 6 электронов на подуровень 2p;
4. 2 электрона на 3s подуровень;
5. 1 электрон на подуровень 3p.

Степень окисления алюминия

Атомы алюминия в соединениях имеют степени окисления 3, 1.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, поэтому если заряд атома виртуально возрастает, то степень окисления отрицательная (электроны переносят отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.

Взаимодействие алюминия с простыми веществами

С кислородом.

При контакте абсолютно чистого алюминия с воздухом атомы алюминия, находящиеся в поверхностном слое, мгновенно взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют тончайший, в десятки атомов слой, прочную оксидную пленку состава al2o3, предохраняющую алюминий от дальнейшего окисления невозможно окислить большие образцы алюминия даже при очень высоких температурах, однако мелкий порошок алюминия довольно легко сгорает в пламени горелки:

4ал + 3о2 = 2ал2о3

С галогенами.

Алюминий очень бурно реагирует со всеми галогенами. Так, реакция между смешанными порошками алюминия и йода протекает уже при комнатной температуре после добавления в качестве катализатора капли воды уравнение взаимодействия йода с алюминием:

2ал + 3и2 = 2али3.

С бромом, который представляет собой темно-коричневую жидкость, алюминий также реагирует без нагревания, достаточно просто ввести образец алюминия в жидкий бром: сразу начинается бурная реакция с выделением большого количества тепла и света:

2ал + 3бр2 = 2албр3.

Реакция между алюминием и хлором происходит, когда нагретую алюминиевую фольгу или мелкий порошок алюминия вводят в колбу, наполненную хлором. Алюминий эффективно сжигается до хлора по уравнению:

2al + 3cl2 = 2alcl3.

С серой.

При нагревании до 150-200 °С или после воспламенения смеси порошка алюминия и серы между ними начинается интенсивная экзотермическая реакция с выделением света:

— сульфид алюминия.

С азотом.

При взаимодействии алюминия с азотом при температуре около 800°С образуется нитрид алюминия.

С углеродом.

При температуре около 2000 °С алюминий взаимодействует с углеродом с образованием карбида алюминия (метанида), содержащего углерод в степени окисления -4, как и в метане.

Способы получения

Как мы уже выяснили, все или почти все, что представляет собой природный алюминий, представляет собой его оксид al2o3. Алюминий — очень активный металл, поэтому извлечь его из оксида непросто. Вот некоторые цифры: энергия Гиббса сродства к кислороду, т.е образования оксида, составляет около -300 кДж/моль, а электродный потенциал реакции восстановления алюминия(3+) составляет -1,7 В, что ставит ее рядом с бериллием и марганец.

Поэтому одним из самых распространенных способов его получения является электролиз расплавленной массы.

Оксид алюминия (корунд) сам по себе чрезвычайно тугоплавок, поэтому в него добавляют гексафторалюминат натрия, природный минерал, называемый криолитом.

Он имеет формулу na3alf6: это комплексное соединение, которое можно получить из водного раствора оксида алюминия по следующей реакции:

(2al(oh)_3 + 3na_2co_3 + 18hf = 2na_3alf_6 + 3co_2стрелка вверх + 9h_2o).

На территории России криолит встречается в непригодной для производства алюминия форме (загрязненной), поэтому для электролиза расплава его получают по указанной выше реакции.

Вместе с ним к оксиду алюминия добавляется фторид кальция caf2, в результате чего смесь начинает плавиться при 950°С.

В расплавленную смесь погружаются графитовые электроды и создается напряжение, в результате которого происходит процесс электролиза, точно описать который в данном случае довольно сложно, поэтому ограничимся примерными реакциями.

(al_2o_3 = allo^+ + allo_2^-) (quad ominus 3alo^+ + 3overline{e} = aldownarrow + al_2o_3) (quad oplus 2alo_2^- — 2overline {е} = о + al_2o_3).

Наряду с этим графитовые электроды достаточно быстро выгорают при такой высокой температуре и количестве выделяющегося на них кислорода:

(c + o_2 = co_2стрелка вверх).

Суммируя все вышесказанное, при электролизе расплава на катоде выделяется алюминий, который из-за своей большей плотности, чем расплав, собирается на дне в виде жидкого слоя; На аноде выделяется кислород.

Сферы использования металла и его соединений

Значительное количество алюминия содержится в фарфоре, кирпиче, цементе, по масштабам использования металлические сплавы уступают место железу. Широкое применение алюминиевых материалов в различных отраслях промышленности связано с рядом физико-химических параметров:

• низкая плотность;
• металл не ржавеет, устойчив к коррозии;
• обладает высокой электропроводностью;
• легко штампуется, прокатывается и податлив;
• пластичный и прочный;
• на поверхность алюминиевых сплавов легко наносятся декоративные и защитные покрытия.

При добавлении различных связующих компонентов сплавы на основе алюминия приобретают новые свойства, образуя интерметаллические соединения или твердые растворы.

Не все материалы способны образовывать оксидные пленки даже под действием силы для сохранения антикоррозионных свойств материала, кислотно-щелочной баланс должен соответствовать диапазону от 6 до 8 единиц.

Чистый алюминий практически не подвергается воздействию агрессивных сред, даже тонкий слой поверхности с металлом без примесей может предотвратить реакцию.

Большая часть металла идет на производство легких сплавов:

• дюралюминий, содержащий 94 % алюминия, 4 % меди, 0,5 % железа, марганец, кремний и магний;
• силумин — до 90 % основания, до 14 % кремния и натрия.

В металлургии химический элемент используется в качестве связующей добавки в композициях на основе меди, никеля, железа и магния, такие соединения широко применяются в автомобилестроении, в быту и в авиационной технике.

Первый искусственный спутник планеты Земля был изготовлен из сплава с основным содержанием алюминия в виде порошка, он используется как компонент ракетного топлива. Эта идея принадлежит Ф. Цандеру, металлический сплав с цирконием используется в конструкции ядерных реакторов, производстве взрывчатых материалов.

На поверхность ювелирных изделий электрохимическим способом наносят цветные защитные пленки, внешне напоминающие золото. В качестве вставок в ювелирных изделиях используют сплав алюминия с золотом, имеющим насыщенный фиолетовый цвет.

При обращении с металлом в домашних условиях необходимо соблюдать правила пользования алюминиевой посудой, чтобы изделия не ржавели, хранить их необходимо в эмалированной или стеклянной посуде.

Нейтральные жидкости, такие как вода или молоко, можно готовить в алюминиевой посуде; кислые продукты вступают в реакцию с металлом и приобретают неприятный вкус в результате разрушения оксидной пленки.

Металл можно переплавлять в домашних условиях для изготовления различных деталей литьем в промышленном производстве, в качестве материала для форм используют металл с более высокой температурой плавления, а в ремесленных условиях для этой цели используют гипс.

Использование сложных солей алюминия на практике

Сложные многоатомные соединения часто используются в фармацевтике, так как возникает необходимость применения нестандартных подходов для поиска оптимального состава лекарственных средств, например, вещество гидроксид алюминия-карбонат-гидроксид магния представляет собой сложное многоатомное соединение, обладающее широким спектром полезных свойств характеристики.

Можно перечислить его свойства:

• это мощная атакцидная кислота, поэтому она может быстро успокоить желудок, когда вас тошнит после острой или кислой пищи,
• нейтрализует среду желудка, поглощая избыток соляной кислоты,
• восстанавливает кислотно-щелочной баланс.

Гидроокись алюминия-магния карбонат гель-гидроксид магния назначают больным с изжогой, повышенной кислотностью желудка, хроническим гастритом и язвенной болезнью, грыжей, также поможет устранить негативное влияние алкоголя на организм после злоупотребления им.

При соблюдении диеты или приеме других лекарственных препаратов окажет положительное влияние на желудок, так как избавит его от избытка кислоты, что всегда вызывает дискомфорт и приводит к болям и ухудшению самочувствия противопоказаниями к применению являются только болезнь Альцгеймера и тяжелые почечные расстройства дисфункция, которая не позволяет им функционировать в полную силу.

Побочные эффекты крайне редки и могут включать тошноту, легкую диарею или изменение вкуса также иногда пациенты чувствуют себя слабыми, утомленными или медленно реагируют на окружающий мир при приеме других препаратов наблюдается отличный уровень взаимодействия, но в любом случае все должно делать только после консультации с врачом.

Вред алюминия и его опасные свойства

• Вызывает нейродегенеративные заболевания основной мишенью компонента является нервная система его высокие концентрации обнаружены в тканях головного мозга больных болезнью Альцгеймера. Ученые пришли к выводу, что этот тип деменции появился в результате изменения условий жизни и связан с индустриализацией.
• Опасен для людей с почечной недостаточностью, если почки плохо работают, элемент не выводится из организма и накапливается в тканях. Исследования показали, что с этим часто сталкиваются люди, у которых диагностирована почечная недостаточность.
• Воздействует на кости металл всасывается в кишечнике и быстро транспортируется к костям, прерывая их минерализацию, рост и активность костных клеток его токсическое действие носит кумулятивный характер и даже при прерывистом или малодозовом приеме токсина увеличивает обзорную нагрузку на скелет.
• Снижает когнитивные функции. Исследования подтвердили, что заводские рабочие, соприкасающиеся с алюминием, испытывают снижение умственных функций, чем больше металла и чем дольше его воздействие, тем хуже внимание и память.

Влияние на организм: последствия и осложнения

Вторичные эффекты связаны с повышенным содержанием металлов, неблагоприятные последствия для здоровья определяются количеством, продолжительностью и режимом воздействия.

Симптомы избытка алюминия:

• путаница;
• мышечная слабость;
• боль в костях
• судороги;
• проблемы с речью;
• медленное развитие у детей;
• проблемы с легкими;
• проблемы с нервной системой: энцефалопатия, когнитивные и двигательные расстройства;
• мальабсорбция железа, анемия;
• заболевания головного мозга;
• иммунные и аллергические реакции.