Характеристика алюмінію. Алюміній: загальна характеристика

Кожен хімічний елемент можна розглянути з точки зору трьох наук: фізики, хімії та біології. І в цій статті ми постараємося якомога точніше дати характеристику алюмінію. Це хімічний елемент, що знаходиться в третій групі і третьому періоді, згідно з таблицею Менделєєва. Алюміній - метал, який має середню хімічною активністю. Також в його з`єднаннях можна спостерігати амфотерні властивості. Атомна маса алюмінію складає двадцять шість грам на моль.

Фізична характеристика алюмінію

При нормальних умовах він представляє собою тверду речовину. Формула алюмінію дуже проста. Він складається з атомів (не об`єднаються в молекули), які збудовані за допомогою кристалічної решітки на суцільне речовину. Колір алюмінію - сріблясто-білий. Крім того, він володіє металевим блиском, як і всі інші речовини цієї групи. Колір алюмінію, використовуваного в промисловості, може бути різним у зв`язку з присутністю в сплаві домішок. Це досить легкий метал. Його щільність дорівнює 2,7 г / см3, тобто він приблизно в три рази легше, ніж залізо. У цьому він може поступитися хіба що магнію, який ще легше розглянутого металу. Твердість алюмінію досить низька. У ній він поступається більшості металів. Твердість алюмінію складає всього два за шкалою Мооса. Тому для її посилення в сплави на основі даного металу додають більш тверді.

Плавлення алюмінію відбувається при температурі всього в 660 градусів за шкалою Цельсія. А закипає він при нагріванні до температури дві тисячі чотиреста п`ятьдесят два градуси за Цельсієм. Це дуже пластичний і легкоплавкий метал. На цьому фізична характеристика алюмінію не закінчується. Ще хотілося б відзначити, що даний метал має найкращою після міді та срібла електропровідністю.

Поширеність в природі

Алюміній, технічні характеристики якого ми щойно розглянули, досить часто зустрічається в навколишньому середовищі. Його можна спостерігати в складі багатьох мінералів. Елемент алюміній - четвертий серед усіх за поширеністю в природі. Його масова частка в земній корі становить майже дев`ять відсотків. Основні мінерали, у складі яких присутні його атоми, це боксит, корунд, кріоліт. Перший - це гірська порода, що складається з оксидів заліза, кремнію та розглянутого металу, також в структурі присутні молекули води. Він має неоднорідну забарвлення: фрагменти сірого, червонувато-коричневого та інших квітів, які залежать від наявності різних домішок. Від тридцяти до шістдесяти відсотків даної породи - алюміній, фото якого можна побачити вище. Крім того, дуже поширеним в природі мінералом є корунд.

Це оксид алюмінію. Його хімічна формула - Al2O3. Він може володіти червоним, жовтим, блакитним або коричневим кольором. Його твердість за шкалою Мооса становить дев`ять одиниць. До різновидів корунду відносяться всім відомі сапфіри і рубіни, лейкосапфір, а також падпараджа (жовтий сапфір).

Кріоліт - це мінерал, що має більш складну хімічну формулу. Він складається з фторидів алюмінію і натрію - AlF3•3NaF. Виглядає як безбарвний або сіруватий камінь, що володіє низькою твердістю - всього три за шкалою Мооса. У сучасному світі його синтезують штучно в лабораторних умовах. Він застосовується в металургії.

Також алюміній можна зустріти в природі у складі глин, основним компонентів яких є оксиди кремнію і розглянутого металу, пов`язані з молекулами води. Крім того, даний хімічний елемент можна спостерігати у складі нефелинов, хімічна формула яких виглядає наступним чином: KNa3 [AlSiO4] 4.

Отримання

Характеристика алюмінію передбачає розгляд способів його синтезу. Існує кілька методів. Виробництво алюмінію першим способом відбувається в три етапи. Останнім з них є процедура електролізу на катоді і вугільному аноді. Для проведення подібного процесу необхідний оксид алюмінію, а також такі допоміжні речовини, як кріоліт (формула - Na3AlF6) і фторид кальцію (CaF2). Для того щоб відбувся процес розкладання розчиненого у воді оксиду алюмінію, потрібно його разом з розплавленим кріоліту і кальцію фторидом нагріти до температури мінімум в дев`ятсот п`ятдесят градусів за шкалою Цельсія, а потім пропустити крізь ці речовини струм силою у вісімдесят тисяч ампер і напругою в п`ять- вісім вольт. Таким чином, внаслідок даного процесу на катоді осяде алюміній, а на аноді будуть збиратися молекули кисню, які, в свою чергу, окислюють анод і перетворюють його на вуглекислий газ. Перед проведенням даної процедури боксит, у вигляді якого видобувається алюмінію оксид, попередньо очищається від домішок, а також проходить процес його зневоднення.

Виробництво алюмінію способом, описаним вище, є дуже поширеним в металургії. Також існує метод, винайдений в 1827 році Ф. Велером. Він полягає в тому, що алюміній можна добути за допомогою хімічної реакції між його хлоридом і калієм. Здійснити подібний процес можна, тільки створивши спеціальні умови у вигляді дуже високої температури і вакууму. Так, з одного моль хлориду і такого ж обсягу калію можна отримати один моль алюмінію і три моль хлориду калію як побічний продукт. Дану реакцію можна записати у вигляді такого рівняння: АІСІ3 + 3К = АІ + 3КСІ. Зазначений метод не набув великої популярності в металургії.

Характеристика алюмінію з точки зору хімії

Як вже було сказано вище, це просте речовина, яка складається з атомів, не об`єднаних в молекули. Подібні структури формують майже всі метали. Алюміній має досить високу хімічну активність і сильними відновними властивостями. Хімічна характеристика алюмінію розпочнеться з опису його реакцій з іншими простими речовинами, а далі будуть описані взаємодії зі складними неорганічними сполуками.

Алюміній і прості речовини

До таких відноситься, в першу чергу, кисень - найпоширеніше з`єднання на планеті. З нього на двадцять один відсоток складається атмосфера Землі. Реакції даної речовини з будь-якими іншими називаються окисленням, або горінням. Воно зазвичай відбувається при високих температурах. Але у випадку з алюмінієм можливо окислення в нормальних умовах - так утворюється плівка оксиду. Якщо ж даний метал подрібнити, він буде горіти, виділяючи при цьому велику кількість енергії у вигляді тепла. Для проведення реакції між алюмінієм і киснем потрібні ці компоненти в молярної співвідношенні 4: 3, в результаті чого отримаємо дві частини оксиду.

Дане хімічну взаємодію виражається у вигляді наступного рівняння: 4АІ + 3О2 = 2АІО3. Також можливі реакції алюмінію з галогенами, до яких відносяться фтор, йод, бром і хлор. Назви цих процесів походять від назв відповідних галогенів: фторування, йодування, бромування і хлорування. Це типові реакції приєднання.

Для прикладу наведемо взаємодія алюмінію з хлором. Такого роду процес може відбутися тільки на холоді.

Так, взявши два моль алюмінію і три моль хлору, отримаємо в результаті два моль хлориду розглянутого металу. Рівняння цієї реакції виглядає наступним чином: 2АІ + 3СІ = 2АІСІ3. Таким же способом можна отримати фторид алюмінію, його бромід і йодид.

З сірої розглядається речовина реагує тільки при нагріванні. Для проведення взаємодії між цими двома з`єднаннями потрібно взяти їх в молярних пропорціях два до трьох, і утворюється одна частина сульфіду алюмінію. Рівняння реакції має такий вигляд: 2Al + 3S = Al2S3.

Крім того, при високих температурах алюміній взаємодіє і з карбоном, утворюючи карбід, і з азотом, утворюючи нітрид. Можна привести в приклад наступні рівняння хімічних реакцій: 4АІ + 3С = АІ4С3- 2Al + N2 = 2AlN.

Взаємодія зі складними речовинами

До них відносяться вода, солі, кислоти, основи, оксиди. З усіма цими хімічними сполуками алюміній реагує по-різному. Давайте розберемо докладніше кожен випадок.

Реакція з водою

З найпоширенішим на Землі складним речовиною алюміній взаємодіє при нагріванні. Відбувається це тільки в разі попереднього зняття плівки з оксиду. У результаті взаємодії утворюється амфотерний гідроксид, а також у повітря виділяється водень. Взявши дві частини алюмінію і шість частин води, отримаємо гідроксид і водень в молярних пропорціях два до трьох. Записується рівняння цієї реакції так: 2АІ + 6Н2О = 2АІ (ОН) 3 + 3Н2.

Взаємодія з кислотами, основами та оксидами

Як і інші активні метали, алюміній здатний вступати в реакцію заміщення. При цьому він може витіснити водень з кислоти або катіон більш пасивного металу з його солі. В результаті таких взаємодій утворюється сіль алюмінію, а також виділяється водень (у випадку з кислотою) або випадає в осад чистий метал (той, який менш активний, ніж розглянутий). У другому випадку і проявляються відновні властивості, які згадувалися вище. У приклад можна привести взаємодія алюмінію з соляною кислотою, при якому утворюється хлорид алюмінію і виділяється в повітря водень. Подібного роду реакція виражається у вигляді наступного рівняння: 2АІ + 6НСІ = 2АІСІ3 + 3Н2.

Прикладом взаємодії алюмінію з сіллю може служити його реакція з сульфатом міді. Взявши ці два компоненти, в результаті ми отримаємо сульфат алюмінію і чисту мідь, яка випаде у вигляді осаду. З такими кислотами, як сірчана і азотна, алюміній реагує своєрідно. Наприклад, при додаванні алюмінію в розбавлений розчин нітратної кислоти в молярної співвідношенні вісім частин до тридцяти утворюється вісім частин нітрату розглянутого металу, три частини оксиду азоту і п`ятнадцять - води. Рівняння даної реакції записують таким чином: 8Al + 30HNO3 = 8Al (NO3) 3 + 3N2O + 15H2O. Зазначений процес відбувається тільки за наявності високої температури.

Якщо ж змішати алюміній і слабкий розчин сульфатної кислоти в молярних пропорціях два до трьох, то отримаємо сульфат розглянутого металу і водень у співвідношенні один до трьох. Тобто відбудеться звичайна реакція заміщення, як і у випадку з іншими кислотами. Для наочності наведемо рівняння: 2Al + 3H2SO4 = Al2 (SO4) 3 + 3H2. Однак з концентрованим розчином цієї ж кислоти все складніше. Тут так само, як і у випадку з нітратної, утворюється побічний продукт, але вже не у вигляді оксиду, а у вигляді сірки, і вода. Якщо ми візьмемо два необхідних нам компонента в молярної співвідношенні два до чотирьох, то в результаті отримаємо по одній частині солі розглянутого металу і сірки, а також чотири - води. Дане хімічну взаємодію можна виразити за допомогою наступного рівняння: 2Al + 4H2SO4 = Al2 (SO4) 3 + S + 4H2O. Крім того, алюміній здатний реагувати з розчинами лугів. Для проведення подібного хімічної взаємодії потрібно взяти два моль розглянутого металу, стільки ж гідроксиду натрію або калію, а також шість моль води. В результаті утворюються такі речовини, як тетрагідроксоалюмінат натрію або калію, а також водень, який виділяється у вигляді газу з різким запахом в молярних пропорціях два до трьох. Дану хімічну реакцію можна представити у вигляді наступного рівняння: 2АІ + 2КОН + 6Н2О = 2К [АІ (ОН) 4] + 3Н2.

І останнє, що потрібно розглянути, це закономірності взаємодії алюмінію з деякими оксидами. Найпоширеніший і використовуваний випадок - реакція Бекетова. Вона, так само, як і багато інших з розглянутих вище, відбувається тільки при високих температурах. Отже, для її здійснення необхідно взяти два моль алюмінію і один моль оксиду феруму. У результаті взаємодії цих двох речовин отримаємо оксид алюмінію і вільне залізо в кількості один і два моль відповідно.

Використання розглянутого металу в промисловості

Відзначимо, що застосування алюмінію - дуже часте явище. Перш за все, його потребує авіаційна галузь. Поряд із сплавами магнію, тут використовуються і сплави на основі розглянутого металу. Можна сказати, що середньостатистичний літак на 50% складається із сплавів алюмінію, а його двигун - на 25%. Також застосування алюмінію здійснюється в процесі виготовлення проводів та кабелів завдяки його відмінній електропровідності. Крім того, даний метал і його сплави широко застосовуються в автомобілебудуванні. З цих матеріалів складаються корпуси автомобілів, автобусів, тролейбусів, деяких трамваїв, а також вагонів звичайних і електропоїздів. Також його використовують і в менш масштабних цілях, наприклад, для виробництва упаковок для харчових та інших продуктів, посуду. Для того щоб виготовити сріблясту фарбу, необхідний порошок розглянутого металу. Така фарба потрібна для того, щоб захистити залізо від корозії. Можна сказати, що алюміній - другий за частотою використання в промисловості метал після феруму. Його з`єднання і він сам часто застосовуються в хімічній промисловості. Це пояснюється особливими хімічними властивостями алюмінію, в тому числі його відновні властивості і амфотерного його сполук. Гідроксид розглянутого хімічного елемента необхідний для очищення води. Крім того, він використовується в медицині в процесі виробництва вакцин. Також його можна знайти в складі деяких видів пластику та інших матеріалів.

Роль у природі

Як вже було написано вище, алюміній у великій кількості міститься в земній корі. Він особливо важливий для живих організмів. Алюміній бере участь у регуляції процесів росту, формує сполучні тканини, такі, як кісткова, зв`язкова та інші. Завдяки даному мікроелементу швидше здійснюються процеси регенерації тканин організму. Його брак характеризується наступними симптомами: порушення розвитку і росту у дітей, у дорослих - хронічна втома, знижена працездатність, порушення координації рухів, зниження темпів регенерації тканин, слабшанню м`язів, особливо в кінцівках. Таке явище може виникнути, якщо ви вживаєте занадто мало продуктів з вмістом даного мікроелемента.

Однак більш частою проблемою є надлишок алюмінію в організмі. При цьому нерідко спостерігаються такі симптоми: нервозність, депресія, порушення сну, зниження пам`яті, стресостійкості, розм`якшення опорно-рухового апарату, що може призвести до частих переломів і розтягувань. При тривалому надлишку алюмінію в організмі часто виникають проблеми в роботі практично кожної системи органів.

До такого явища може призвести цілий ряд причин. В першу чергу це алюмінієвий посуд. Вченими вже давно доведено, що посуд, виготовлений з розглянутого металу, непридатна для приготування в ній їжі, так як при високій температурі частина алюмінію потрапляє в їжу, і внаслідок цього ви вживаєте набагато більше цього мікроелемента, ніж потрібно організму.

Друга причина - регулярне застосування косметичних засобів з вмістом розглянутого металу або його солей. Перед застосуванням будь-якого продукту потрібно уважно читати його складу. Не виключенням є і косметичні засоби.

Третя причина - прийом препаратів, в яких міститься багато алюмінію, протягом тривалого часу. А також неправильне вживання вітамінів і харчових добавок, до складу яких входить даний мікроелемент.

Тепер давайте розберемося, в яких продуктах міститься алюміній, щоб регулювати свій раціон і організовувати меню правильно. В першу чергу це морква, плавлені сири, пшениця, галун, картоплю. З фруктів рекомендуються авокадо і персики. Крім того, багаті алюмінієм білокачанна капуста, рис, багато лікувальні трави. Також катіони розглянутого металу можуть міститися в питній воді. Щоб уникнути підвищеного або пониженого вмісту алюмінію в організмі (втім, так само, як і будь-якого іншого мікроелемента), потрібно ретельно стежити за своїм харчуванням і намагатися зробити його якомога більш збалансованим.