С чем реагирует алюминий без нагревания
С чем реагирует алюминий без нагревания
Алюминий – химически активный металл, но прочная оксидная пленка определяет его стойкость при обычных условиях. Практически во всех химических реакциях алюминий проявляет восстановительные свойства.
С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:
реакция сопровождается большим выделением тепла.
Выше 200°С реагирует с серой с образованием сульфида алюминия:
При 500°С – с фосфором, образуя фосфид алюминия:
При 800°С реагирует с азотом, а при 2000°С – с углеродом, образуя нитрид и карбид:
С хлором и бромом взаимодействует при обычных условиях, а с йодом при нагревании, в присутствии воды в качестве катализатора:
С водородом непосредственно не взаимодействует.
С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения – алюминиды, например, CuAl2, CrAl7, FeAl3 и др.
Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:
в результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.
Легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:
8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O (в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония).
С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:
Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:
в растворе с образованием тетрагидроксодиакваалюмината натрия:
при сплавлении с образованием алюминатов:
Алюминий – активный металл, способен вытеснять металлы из их оксидов. Это свойство алюминия нашло практическое применение в металлургии:
Химические свойства алюминия
Всего получено оценок: 348.
Всего получено оценок: 348.
Одним из распространённых элементов планеты является алюминий. Физические и химические свойства алюминия применяются в промышленности. Все, что необходимо знать, про этот металл вы найдете в нашей статье.
Строение атома
Алюминий – это 13 элемент периодической таблицы. Он находится в третьем периоде, III группе, главной подгруппе.
На внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с веществами алюминий переходит в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и другие активные металлы, алюминий является мощным восстановителем.
Алюминий – амфотерный металл, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. В зависимости от условий соединения проявляют кислотные или основные свойства.
Физическое описание
Из металла делают жестяные ёмкости, фольгу, проволоку, сплавы. Алюминий используют при изготовлении микросхем, зеркал, композитных материалов.
Рис. 2. Жестяные ёмкости.
Алюминий – парамагнетик. Металл притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля.
Химические свойства
На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь оксидной плёнкой. Она защищает металл от коррозии, а также препятствует взаимодействию с концентрированными кислотами (азотной, серной).
При обычных условиях реакции с алюминием возможны только после удаления оксидной плёнки. Большинство реакций протекают при высоких температурах.
Основные химические свойства элемента описаны в таблице.
Реакция
Описание
Уравнение
Горит при высоких температурах с выделением тепла
Взаимодействует с серой при температуре выше 200°С, с фосфором – при 500°С, с азотом – при 800°С, с углеродом – при 2000°С
Реагирует при обычных условиях, с йодом – при нагревании в присутствии катализатора (воды)
Реагирует с разбавленными кислотами при обычных условиях, с концентрированными – при нагревании
Реагирует с водными растворами щелочей и при сплавлении
Вытесняет менее активные металлы
Алюминий не реагирует непосредственно с водородом. Реакция с водой возможна после снятия оксидной плёнки.
Что мы узнали?
Алюминий – амфотерный активный металл с постоянной валентностью. Обладает небольшой плотностью, высокой электропроводностью, пластичностью. Притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля. Алюминий реагирует с кислородом, образуя защитную плёнку, которая препятствует реакциям с водой, концентрированными азотной и серной кислотами. При нагревании взаимодействует с неметаллами и концентрированными кислотами, при обычных условиях – с галогенами и разбавленными кислотами. В оксидах вытесняет менее активные металлы. Не реагирует с водородом.
Химические свойства алюминия
Алюминий относится к активным металлов. Однако на воздухе он довольно устойчив, поскольку при обычной температуре быстро окисляется, его поверхность покрывается очень плотной пленкой оксида, которая защищает металл от дальнейшего разрушения.
Взаимодействие с кислородом. Если с алюминиевой проволоки снять защитную оксидную пленку, то алюминий начинает энергично взаимодействовать с кислородом. Порошок алюминия сгорает, образуя оксид:
4Al + 3O2 = 2Al2O3 + Q.
Взаимодействие с водой. При обычных условиях на алюминиевые изделия вода не действует даже при температуре ее кипения, так как алюминий оксид не взаимодействует с водой. Если удалить защитную оксидную пленку с поверхности алюминия, он начинает энергично взаимодействовать с водяным паром воздуха, превращаясь в рыхлую массу алюминий гидроксида с выделением водорода и тепла:
2Al + 6H2O = 2Al (OH) 3 + 3H2.
Взаимодействие с неметаллами. Алюминий реагирует с серой, галогенами, углеродом, азотом и всеми неметаллами. Для начала реакции необходимо нагревание. Далее реакция происходит с выделением большого количества тепла. С водородом алюминий не взаимодействует.
Взаимодействие с кислотами. Алюминий активно взаимодействует со многими кислотами, особенно соляной с выделением водорода:
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2.
Концентрированная азотная кислота при обычных условиях не вступает в реакцию с алюминием. Объясняется это тем, что азотная кислота как сильный окислитель делает оксидную пленку еще крепче. Поэтому эту кислоту можно хранить и перевозить в алюминиевой посуде. При обычной температуре алюминий пассивируется концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами. В горячей серной кислоте алюминий растворяется:
2Al + 4H2SO4 (k) = Al2 (SO4) 3 + S + 4H2O.
Взаимодействие с оксидами. Алюминий взаимодействует с оксидами большинства металлов. Реакция проходит с выделением большого количества теплоты:
Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 + Q;
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe + Q.
Процесс восстановления металлов из их окислов называется алюминотермии. Этот метод используется в металлургии для добычи тугоплавких металлов (титана, вольфрама, молибдена, ванадия, циркония).
Взаимодействие с солями. Металлический алюминий легко вступает в реакции с растворами солей: 2Al + 3CuCl2 = 3Cu + 2AlCl3.
Взаимодействие со щелочами. В отличие от многих металлов на алюминий очень сильно действуют растворы щелочей, поэтому в алюминиевой посуде нельзя хранить щелочи и щелочные растворы. 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2
Урок №52. Алюминий. Нахождение в природе. Свойства алюминия
Алюминий
Главную подгруппу III группы периодической системы составляют бор (В), алюминий (Аl), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Тl).
Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIX столетии.
Хронология открытия металлов главной подгруппы III группы
В – 1806 г. Г. Люссак, Л. Тенар (Франция)
Al – 1825 г. Г. Х. Эрстед (Дания)
Ga – 1875 г. Л. де Буабодран (Франция)
In – 1863 г. Ф. Рейх, И. Рихтер (Германия)
Tl – 1861 г. У. Крукс (Англия)
Бор представляет собой неметалл. Алюминий — переходный металл, а галлий, индий и таллий — полноценные металлы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свойства простых веществ усиливаются.
Строение атома алюминия
Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar(Al) = 27. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.
p – элемент, проявляет в соединениях степень окисления +3:
Физические свойства
Алюминий в свободном виде — серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью.
Температура плавления 650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3 ) — примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл.
Нахождение в природе
В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах):
Нефелины — KNa 3 [AlSiO 4 ] 4
Алуниты — KAl(SO 4 ) 2 • 2Al(OH) 3
Полевой шпат (ортоклаз) — K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2
Каолинит — Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O
Берилл — 3ВеО • Al 2 О 3 • 6SiO 2
Получение алюминия
2Al 2 O 3 эл.ток → 4Al + 3O 2
2). 2Al 2 O 3 + 3C = 4Al + 3CO 2
Химические свойства алюминия и его соединений
Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).
Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изучения химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).
Взаимодействие с простыми веществами
2Аl + 3S = Аl 2 S 3 (сульфид алюминия),
2Аl + N 2 = 2АlN (нитрид алюминия),
Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),
4Аl + 3С = Аl 4 С 3 (карбид алюминия).
2Аl + 3I 2 = 2AlI 3 (йодид алюминия)
Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:
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
В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выделяя большое количество теплоты:
4Аl + 3O 2 = 2Аl 2 О 3 + 1676 кДж.
Взаимодействие со сложными веществами
1. Взаимодействие с водой:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2
2. Взаимодействие с оксидами металлов:
3Fe 3 O 4 + 8Al = 4Al 2 O 3 + 9Fe +Q
Термитная смесь Fe 3 O 4 и Al (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.
Сr 2 О 3 + 2Аl = 2Сr + Аl 2 О 3
3. Взаимодействие с кислотами
С раствором серной кислоты: 2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2
С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:
2Аl + 6Н 2 SО 4(конц) = t = Аl 2 (SО 4 ) 3 + 3SО 2 + 6Н 2 О,
Аl + 6НNO 3(конц) = t = Аl(NO 3 ) 3 + 3NO 2 + 3Н 2 О.
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H 2
Na[Аl(ОН) 4 ] – тетрагидроксоалюминат натрия
По предложению химика А. И. Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.
5. С растворами солей:
2Al + 3CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3Cu
Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:
2Al + 3HgCl 2 = 2AlCl 3 + 3Hg
Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуя амальгаму.
Применение алюминия и его соединений
Крупным потребителем алюминия является авиационная промышленность : самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода : при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.
Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражения тепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.
Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.
Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.
Соли алюминия сильно гидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии. Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.
ЭТО ИНТЕРЕСНО:
Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И. Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
К 1855 году французский ученый Сен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством Наполеона III, императора Франции. В знак своей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы. При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета «Сатурн» сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.
История открытия
Свое название серебристо-белый металл получил от латинского языка, в переводе оно означает квасцы. В 1825 году датский физик Ганс Эрстед нагрел амальгаму калия, восстановил хлорид вещества и выделил новый металл. Затем этот эксперимент повторил и улучшил Фридрих Велер. Он применил чистый металлический калий и первый описал химические особенности алюминия.
Полупромышленный способ выделения открыл Сент-Клер Девиль в 1854 году, но он использовал безопасный натрий. Полученный алюминиевый слиток ученый представил на Парижской выставке. А затем он провел еще один эксперимент — электролиз расплава двойной соли хлорида вещества.
До развития технологий алюминий, созданный электролитическим способом из глинозема, был слишком дорогим. Его слиток стоил больше, чем аналогичный кусок золота. Именно поэтому в 1889 году британские ученые подарили Менделееву аналитические весы. Чаши в них были изготовлены из разных металлов — золота и алюминия. В то время в России последнее вещество называли серебром из глины.
Только в 1886 году отдельно друг от друга химики Эру и Холл разработали промышленный метод добычи металла. Но еще с глубокой древности использовались квасцы — двойная соль калия и алюминия.
Распространенность в природе
По степени распространенности в земле алюминий занимает лидирующую позицию среди всех металлов и третью между элементами периодической таблицы. По исследованиям разных ученых его концентрация в почве колеблется от 7,4 до 8,1%. Молярная масса атома — 26,9815386 г/моль. У вещества высокая химическая активность, поэтому чаще всего оно встречается в виде соединений.
К природным минералам алюминия относятся:
Но в специфических условиях — жерлах вулканов, например, есть незначительное количество самородного металла белого цвета. Содержат его и природные воды, но вещество приобретает вид малотоксичных соединений. Тип аниона или катиона зависит только от кислотности окружающей среды.
В составе алюминия есть радиоактивные изотопы, которые распадаются за 720 000 лет. Образуются они при расщеплении высокоэнергичными космическими лучами ядер аргона.
Способы получения
У алюминия очень прочная химическая связь с кислородом. Из-за высокой реакционной способности восстановиться металлу из алюмосиликатов и природных оксидов сложнее, чем другим подобным веществам. На это также влияет температура плавления его руд — корунды и бокситы.
Невозможно восстановить элемент путем обжига оксида с углеродом, что помогает при работе с железом. У алюминия слишком близкое взаимодействие с кислородом, у углерода этот показатель гораздо ниже. Получение металла возможно методом неполного восстановления, в ходе которого выделяется промежуточный продукт — карбид алюминия. Затем он разлагается при температуре 1900−2000 градусов, образуя природное вещество.
Этот способ считается более выгодным, чем привычный электролитический, найденный Эру и Холлом. Он требует гораздо меньше энергетических затрат и приводит к минимальному образованию углерода.
Для производства 1 т чернового алюминия необходимо 35 кг его фторида, 65 кг криолита, 600 кг графитовых анодных электродов, 1920 кг глинозема и 61 ГДж электрической энергии. Получить металл в лабораторных условиях можно с помощью метода, найденного Фридрихом Велером. Необходимо восстановить вещество калием его безводного хлорида. Реакция протекает без участия кислорода при нагревании.
Химические свойства
Алюминий — серебристо-белый легкий металл, технический состав плавится при температуре 658 градусов, чистый — при 660, а закипает он при 2518, 8. К физическим свойствам относится и пластичность. Она у вещества очень высокая: 35% и 50% у промышленного и природного сплава соответственно. Его можно раскатать до состояния фольги или тонкого листа.
Модуль Юнга у алюминия составляет 70 ГПа, коэффициент Пуассона — 0,34. Он отлично отражает свет, проводит тепло и электричество. Вещество может взаимодействовать практически со всеми металлами, образует сплавы с кремнием, магнием, медью.
В нормальных условиях алюминий покрыт прочной тонкой оксидной пленкой, поэтому на него не действуют обычные окислители. Но он реагирует на разбавленные серные растворы.
Металлу не опасна коррозия, благодаря чему он нашел широкое применение в промышленности.
Но если пленка разрушилась — ее могут повредить соли аммония, горячие щелочи или амальгамирование, то вещество превращается в восстановитель. Галий, олово и индий не дают ей образоваться, при этом поверхность металла нужно покрыть легкоплавкими эвтектиками.
Перечень того, с чем реагирует алюминий:
При реакции с кислородом образуется оксид алюминия, его формула — 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Фторид вещества: 2Al + 3F2 = 2AlF3. Сульфид образуется при взаимодействии с серой:2Al + 3S = Al2S3, 2Al + N2 = 2AlN — это нитрид металла, 4Al + 3C = Al4C3 — карбид после реакции с углеродом.
Характерная степень окисления алюминия — плюс три, но его атомы могут образовывать дополнительные связи. При взаимодействии со щелочами образуется тетрагидроксоалюминат (или другие алюминаты): 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na (Al (OH)4) + 3H2. Металл можно растворить в разбавленной серной кислоте: 2Al + 3H2SO4 = Al2 (SO 4)3 + 3H2.
Интересна реакция алюминия с водой. Для нее необходимо удалить защитную пленку с помощью раствора горячей щелочи или амальгамы: 2Al + 6H2O = 2Al (OH3) + 3H2. При взаимодействии с окислителями происходит разложение вещества: 2Al + 6H2SO4 = Al2 (SO4)3 + 3SO2 + 6H2O — растворимые соли, уравнение реакций. Химические свойства алюминия включают восстановление металлов из оксидов, реакцию с парами воды.
Производство алюминия
До начала позапрошлого века не было достоверной информации о производстве металла. Первые несколько миллиграммов получил Ганс Эрстед в 1825. Через два года Фридрих Велер выделил крупинки, но они моментально покрывались пленкой на воздухе.
До конца XIX столетия вещество не производили в промышленных масштабах. И только в 1854 при финансировании Наполеона III, который надеялся об усилении армии с помощью металла, Сент-Клер Девиль вытеснил алюминий натрием из двойного хлорида натрия. Через год он получил первый слиток массой 6 кг, а до 1890 ученый смог создать более 200 т вещества.
В 1885 году построили первый завод в Гмелингеме, Германия. Технологию для производства разработал Николай Бекетов. Его метод мало отличался от способа Сент-Клер Девиля, но основывался на взаимодействии магния и криолита. За пять лет работы завод создал более 58 т металла, что составило четверть мирового производства.
Эру и Холл практически одновременно изобрели еще один метод — электролиз глинозема. Его растворяли в расплавленном криолите. Он и стал основой современного создания алюминия. В России первый завод появился в 1932 году, тогда промышленность СССР порадовала 47,7 млн т металла. Стимулировала производство Вторая мировая война.
А к 2016 в мире сделали около 59 млн т, лидерами стали:
Монополистом в РФ является «Российский алюминий», компания создает более 13% мирового рынка металла. Цены варьируются от 1253 до 3291 долларов за одну тонну.
Сферы применения
Благодаря основным свойствам алюминия — стойкости к коррозии, легкости, плавкости, теплопроводности и нетоксичности соединений — его применяют как конструкционное вещество.
А также металл используется во многих сферах человеческой деятельности:
В черной металлургии алюминий необходим для создания стали. Он избавляет ее от пористости, делает более плотной. Сплавы металла широко применяют в разной промышленности. Наиболее востребованы соединения с магнием, марганцем, медью, кремнием. Когда алюминий был дорогим, из него делали ювелирные украшения. Обычно это были пуговицы, чаши для весов. Но когда изменились способы его изготовления, использование в этой сфере сразу прекратилось. Хотя сейчас из него делают бижутерию, а в Японии заменяют серебро.
Наполеон Третий приказывал изготавливать себе столовые приборы из белого металла. Их использовал только он и почетные гости, хотя другие предпочитали золото и серебро. Сейчас подобные изделия можно увидеть в столовых, а также в армии — из алюминия делают котелки, ложки и фляжки.
Фосфат, фторид и оксид вещества необходимы в стекловарении, а также металл зарегистрирован как пищевая добавка. Алюмогель — осадок быстрого охлаждения гидроксида алюминия.
Роль в биологии
Хотя алюминий распространен в природе, ни один живой организм не использует его в метаболизме. Из-за этого металл называют мертвым, только химия способна превратить его в полезные вещества. У него слабое токсичное действие, но некоторые неорганические соединения сохраняются в растворах, поэтому могут оказывать негативный эффект на организм человека и теплокровных животных.
Самыми опасными считаются сульфаты, хлориды, ацетаты и нитраты. Сначала они действуют на центральную нервную систему, приводят к серьезным расстройствам здоровья. По 15 мг металла может каждый день выходить с мочой, но для людей с нарушенной работой почек даже малейшая доза может оказаться смертельно опасной. Вещество способно накапливаться в тканях головного мозга, костей, печени.
Согласно некоторым медицинским характеристикам, алюминий вызывает болезнь Альцгеймера, рак молочных желез. Но не все исследования подтверждены официально.
Ведь в организм человека молекулы металла попадают с питьевой водой практически каждый день.