Впервые алюминий был получен лишь в начале XIX века. Cделал это физик Ганс Эрстед. Свой эксперимент он проводил с амальгамой калия, хлоридом алюминия и .

Кстати, название этого серебристого материала произошло от латинского слова «квасцы», потому что именно из них добывается этот элемент.

Квасцы

Квасцы – это природные минералы на основе металлов, которые объединяют в своем составе соли серной кислоты.

Раньше считался драгоценным металлом и стоил на порядок дороже, чем золото. Объяснялось это тем, что металл было довольно сложно отделить от примесей. Так что позволить себе украшения из алюминия могли только богатые и влиятельные люди.

Японское украшение из алюминия

Но в 1886 году Чарльз Холл придумал метод по добыче алюминия в промышленном масштабе, что резко удешевило этот металл и позволило применять его в металлургическом производстве. Промышленный метод заключался в электролизе расплава криолита, в котором растворен оксид алюминия.

Алюминий - очень востребованный металл, ведь именно из него изготавливаются многие вещи, которыми человек пользуется в быту.

Применение алюминия

Благодаря ковкости и легкости, а также защищенности от коррозии, алюминий является ценным металлом в современной промышленности. Из алюминия изготавливают не только кухонную посуду - он широко используется в авто- и авиастроительстве.

Также алюминий является одним из самых недорогих и экономичных материалов, так как его можно использовать бесконечно, переплавляя ненужные алюминиевые предметы, например, банки.

Алюминиевые банки

Металлический алюминий безопасен, но его соединения могут оказывать токсическое действие на человека и животных (особенно хлорид, ацетат и сульфат алюминия).

Физические свойства алюминия

Алюминий - достаточно легкий металл серебристого цвета, который может образовывать сплавы с большинством металлов, особенно с медью, и кремнием. Также он весьма пластичен, его без труда можно превратить в тонкую пластинку или же фольгу. Температура плавления алюминия = 660 °C, а температура кипения - 2470 °C.

Химические свойства алюминия

При комнатной температуре металл покрывается прочной пленкой оксида алюминия Al₂O₃, которая защищает его от коррозии.

С окислителями алюминий практически не реагирует из-за защищающей его оксидной пленки. Однако ее можно легко разрушить, чтобы металл проявил активные восстановительные свойства. Разрушить оксидную пленку алюминия можно раствором или расплавом щелочей, кислотами или же с помощью хлорида ртути.

Благодаря восстановительным свойствам алюминий нашел применение в промышленности - для получения других металлов. Этот процесс называется алюмотермией. Такая особенность алюминия заключается во взаимодействии с оксидами других металлов.

Алюмотермическая реакция с участием оксида железа (III)

Например, рассмотрим реакцию с оксидом хрома:

Cr₂O₃ + Al = Al₂O₃ + Cr.

Алюминий хорошо вступает в реакцию с простыми веществами. Например, с галогенами (за исключением фтора) алюминий может образовать иодид, хлорид, или бромид алюминия:

2Al + 3Cl₂ → 2Al­Cl₃

С другими неметаллами, такими как фтор, сера, азот, углерод и т.д. алюминий может реагировать только при нагревании.

Также серебристый металл вступает в реакцию и со сложными химическими веществами. Например, с щелочами он образует алюминаты, то есть комплексные соединения, которые активно используются в бумажной и текстильной промышленности. Причем в реакцию вступает как гидроксид алюминия

Al(ОН)₃ + NaOH = Na),

так и металлический алюминий или же оксид алюминия:

2Al + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na + ЗН₂.

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na

С агрессивными кислотами (например, с серной и соляной) алюминий реагирует довольно спокойно, без воспламенения.

Если опустить кусочек металла в соляную кислоту, то пойдет медленная реакция - сначала будет растворяться оксидная пленка - но затем она ускорится. Алюминий растворяется в соляной кислоте с выделением ртути на протяжении двух минут, а затем хорошо его промыть. В результате получится амальгама, сплав ртути и алюминия:

3Hg­CI₂ + 2Al = 2Al­CI₃ + 3Hg

Причем она не удерживается на поверхности металла. Теперь, опустив очищенный металл в воду, можно наблюдать медленную реакцию, которая сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида алюминия:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂.

Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет .

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие глинозема . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин .

СССР располагает запасами алюминиевых . Кроме бокситов, месторождения которых имеются у нас на Урале, в Башкирской АССР и в Казахстане, богатейшим источником алюминия является нефелин, залегающий совместно с апатитом в Хибинах. Значительные залежи алюминиевого сырья имеются в Сибири.

Впервые алюминий был получен Велером в 1827 г. действием металлического калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.

В настоящее время алюминий в громадных количествах получают из оксида алюминия электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный получают переработкой природного боксита.

Получение алюминия - сложный процесс, сопряженный с большими трудностями. Основное исходное вещество - оксид алюминия - не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 ). Поэтому электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и оксида алюминия.

Смесь, содержащая около (масс.) , плавится при и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки и . Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при .

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливают сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на электролизера; отсюда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя СО и .

В дореволюционной России алюминий не производился. Первый в СССР алюминиевый завод (Волховский) вступил в строй в 1932 г., а уже в 1935 г. наша страна заняла по производству алюминия третье место в мире.

Одинаковое строение внешнего электронного слоя атома бора и алюминия обусловливает сходство в свойствах этих элементов. Так, для алюминия, как и для бора, характерна только степень окисленности . Однако при переходе от бора к алюминию сильно возрастает радиус атома (от 0,091 до ) и, кроме того, появляется еще один промежуточный восьмиэлектрониый слой, экранирующий ядро. Все это приводит к ослаблению связи внешних электронов с ядром и к уменьшению энергии ионизации атома (см. табл. 35). Поэтому у алюминия металлические свойства выражены гораздо сильнее, чем у бора. Тем не менее, химические связи, образуемые алюминием с другими элементами, имеют в основном ковалентный характер.

Другая особенность алюминия (как и его аналогов - галлия, индия и таллия) по сравнению с бором заключается в существовании свободных -подуровней во внешнем электронном слое его атома. Благодаря этому координационное число алюминия в его соединениях может равняться не только четырем, как у бора, но и шести.

Рис. 165. Схема пространственного строения молекулы : черные кружки - атомы алюминия, светлые - атомы хлора.

Соединенна алюминия типа , как и аналогичные соединения бора, электронодефицитпьг в отдельных молекулах подобных соединений во внешнем электронном слое атома алюминия находится только шесть электронов. Поэтому здесь атом алюминия способен быть акцептором электронных пар. В частности, для галогенидов алюминия характерно образование димеров, осуществляемое по донорно-акцепторному способу (на схеме Г - атом галогена):

Как видно, подобные димерные молекулы содержат по два «мостиковых» атома галогена. Пространственное строение показано на рис. 165. Галогениды алюминия существуют в виде димерных молекул в расплавах и в парах. Однако по традиции их состав обычно выражают в форме . Ниже мы тоже будем придерживаться этого способа написания формул галогенидов алюминия.

Гидрид алюминия тоже электронодефицитное соединение. Однако атом водорода, в отличие от атомов галогенов в молекулах , не имеет неподеленной электронной пары и не может играть роли донора электронов. Поэтому здесь отдельные молекулы связываются друг с другом через «мостиковые» атомы водорода трехцентровыми связями, аналогичными связям в молекулах бороводородов (см. стр. 612). В результате образуется твердый полимер, состав которого можно выразить формулой .

Алюминий - серебристо-белый легкий металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.

При комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой пленкой оксида, обладающей очень сильным защитным действием. Уничтожение этой пленки, например, путем амальгамирования алюминия, вызывает быстрое окисление металла, сопровождающееся заметным разогреванием.

Стандартный электродный потенциал алюминия равен -1,663 В. Несмотря на столь отрицательное его значение, алюминий, вследствие образования на его поверхности защитной оксидной пленки, не вытесняет водород из воды. Однако амальгамированный алюминий, на котором не образуется плотного слоя оксида, энергично взаимодействует с водой с выделением водорода.

Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий, особенно при нагревании. Сильно разбавленная и холодная концентрированная азотная кислота алюминий не растворяет.

При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:

тетрагидроксоалюминат натрия

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Удвоив последнее уравнение и сложив его с предыдущим, получим суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:

Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе .

Если порошок алюминия (или тонкую алюминиевую фольгу) сильно нагреть, то он воспламеняется и сгорает ослепительным белым пламенем, образуя оксид алюминия .

Основное применение алюминия - производство сплавов на его основе. Легирующие добавки (например, медь, кремний, магний, цинк, марганец) вводят в алюминий главным образом для повышения его прочности. Широкое распространение имеют дур а гомины, содержащие медь и магний, силумины, в которых основной добавкой служит кремний, магналий (сплав алюминия с магния). Основные достоинства всех сплавов алюминия - это их малая плотность , высокая прочность (в расчете на единицу массы), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработки. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий - одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.

В виде чистого металла алюминий используется для изготовления химической аппаратуры, электрических проводов, конденсаторов. Хотя электрическая проводимость алюминия меньше, чем у меди (около электрической проводимости меди), но это компенсируется легкостью алюминия, позволяющей делать провода более толстыми: при одинаковой электрической проводимости алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

Важным является применение алюминия для алитирования, которое заключается в насыщении поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании. В металлургии алюминий применяется для получения кальция, бария, лития и некоторых других металлов методом алюминотермии (см. § 192).

Оксид алюминия , называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные примесями в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни - рубин и сапфир. Теперь рубины получают искусственно, сплавляя глинозем в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т. п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь , применяют в качестве квантовых генераторов - лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей, - наждак, применяются как абразивные материалы.

Гидроксид алюминия выпадает в виде студенистого осадка при действии щелочей на растворы солей алюминия и легко образует коллоидные растворы.

Гидроксид алюминия - типичный амфотерный гидроксид. С кислотами он образует соли, содержащие катион алюминия, со щелочами - алюминаты. При взаимодействии гидроксида алюминия с водными растворами щелочей или при растворении металлического алюминия в растворах щелочей образуются, как уже говорилось выше, гидроксоалюминаты, например, . При сплавлении же оксида алюминия с соответствующими оксидами или гидроксидами получаются - производные метаалюминиевой кислоты , например:

Как соли алюминия, так и алюминаты в растворах сильно гидролизованы. Поэтому соли алюминия и слабых кислот в растворах превращаются в основные соли или подвергаются полному гидролизу. Например, при взаимодействии в растворе какой-либо соли алюминия с образуется не карбонат алюминия, а его гидроксид и выделяется диоксид углерода:

Хлорид алюминия . Безводный хлорид алюминия получается при непосредственном взаимодействии хлора с алюминием. Он широко применяется в качестве катализатора при различных органических синтезах.

В воде растворяется с выделением большого количества теплоты. При выпаривании раствора происходит гидролиз, выделяется хлороводород и получается гидроксид алюминия. Если выпаривание вести в присутствии избытка соляной кислоты, то можно получить кристаллы состава .

Как уже указывалось на стр. 614, химические связи, образуемые атомом алюминия, имеют преимущественно ковалентный характер. Это сказывается на свойствах образуемых им соединений. Так, при нормальном атмосферном давлении безводный хлорид алюминия уже при сублимируется, а при высоких давлениях плавится при , причем в расплавленном состоянии не проводит электрический ток. Поэтому расплав нельзя использовать для электролитического получения алюминия.

Сульфат алюминия получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды (см. стр. 598), а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы применяются в больших количествах для дубления , а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующийся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсорбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

При определении концентрации примесей в питьевой и природной воде уделяют внимание объему нитратов, сульфатов, нитритов, хлоридов, забывая об алюминии - наиболее распространенном в природе металле. При обычных условиях алюминий в воде растворяется с образованием различных соединений, которые активно реагирует с другими примесями. В результате чего субстанция насыщается гидрохлоридом алюминия, солями и другими соединениями. А это приводит к изменению качества воды - ухудшению химического состава, органолептических свойств, микробиологических, бактериальных показателей.
Официальная ПДК алюминия в воде для питья и природных водоемов рассчитана ВОЗ и природоохранными организациями. Но этот параметр не учитывает многочисленные пути поступления в естественные источники и организм человека металла. Поэтому точное определение алюминия в воде имеет важное значение.

Алюминий в природных водоемах

Естественное насыщение воды металлом происходит за счет попадания в нее алюмосиликатов и некоторых сортов глины. После их растворения начинается взаимодействие алюминия с водой, напрямую зависящее от ее pH. Растворение при естественных условиях происходит медленно, но всегда с выделением гидроксида, боксита, гидрохлорида и других соединений. Содержатся вещества и сам алюминий и в морской воде, и в речной. Но это при нормальных условиях.

В природные воды металл попадает со:

• стоками технических и бытовых вод;
• стоками химических производств (любое производство увеличивают концентрацию алюминия в сточной воде в 2-5 раз);
• строительными сливами и выбросами.

С каждым годом таких выбросов в окружающую среду становится все больше, а контроль за степенью их загрязнения все ниже. В грязных стоках с большим содержанием примесей и взвесей растворимость в воде алюминий проходит быстрее. В водоемы он попадает в виде взвешенных форм, ионов и коллоидов. Именно ионы и оксиды обладают повышенной токсичностью. Они оказывают губительное влияние на большинство живых организмов, обитающих в природных источниках. Согласно нормам, концентрация алюминия в природных водах не должна превышать 0.5 мг/дм3.

Алюминий в питьевой воде

Самый распространенный на планете металл обязательно будет содержаться и в питьевой воде. Согласно нормативам и требованиям ГОСТ алюминий в воде должен содержать в объеме:

• не более 0.5 мг/л в водопроводной субстанции;
• в пределах 0.2-0.3 мг/л в бутилированной воде;
• в пределах 0.1-0.2 мг/л в фильтрованной воде.

Ежедневно в организм человека должно поступать металла не более 90 мг. Но после того, как завершилась реакция алюминия с водой, в ней появляются и токсичные примеси. Поэтому водопроводную, как и колодезную, скважинную субстанцию, следует проверять на концентрацию небезопасных примесей и компонентов. Ниже приведена таблица ПДК алюминия в питьевой воде и других важных для здоровья человека вещества.

Почему стоит пить воду с минимальной концентрацией алюминия?

Выяснив откуда в воде появляется алюминий, стоит остановиться на остальных путях его попадания в организм. Это поможет контролировать суточную норму металла. Основной объем химического элемента поступает с пищей.
Содержится металл и в:

• косметических препаратах;
• посуда из одноименного металла;
• лекарственных средствах;
• дезодорантах и пр.

При нормативном содержании алюминия в воде влияние на организм не будет. При избыточной концентрации страдает нервная система, снижается память, появляются депрессия и раздражительность. Последствия наступают не сразу. Это связано с тем, что не весь объем металла усваивается организмом. Ученые также доказали, что большое содержание алюминия в воде приводит к неврологическим болезням и нарушению кальциево-фосфорного обмена, что тормозит выработку гемоглобина. Поэтому рекомендуют употреблять питьевую субстанцию с объемом металла не более 0.3 мг/л. При таком содержании растворенного алюминия в воде суточное потребление не превысит 50 мг/л. Для очистки используют бытовые фильтрующие системы.

Очистка вод методом коагуляции

Чтобы из кранов текла пригодная для питья или технических нужд жидкость, ее нужно предварительно очищать. Эту процедуру должны проходить и подземные, и поверхностные воды перед каким-либо употреблением. Выше описано, что происходит при взаимодействии алюминия с водой - образуется неприятный запах, нежелательные примеси, субстанция мутнеет, появляется осадок. Ухудшая органолептические качества жидкости, некоторые соединения металла могут выступать отличными коагулянтами - элементы, связывающие опасные и ненужные в субстанции частицы. Их эффективно используют при повышении качества жидкости в системах водоподготовки.

Чаще применяют сульфат алюминия для очистки воды для любых нужд. Наиболее активен коагулят в среде с кислотностью 4.4-6.1 pH. Но применяют и к субстанциям с pH от 7 до 8. Процедура водоподготовки следующая:

• добавление сульфат алюминия в жидкость;
• смешивание сред - полное перемешивание происходит в течение 1-3 минут;
• коагуляция, при которой среда переходит из одного резервуара в другой (процесс длиться от 30 минут до 1 часа);
• оседание связанного осадка;
• фильтрация очищенной среды.

На данный момент очистка воды алюминием - доступный и эффективный способ удаление из жидкостей взвешенных частиц. В ходе коагуляции наблюдается и вывод гидрокарбонатов и карбонатов натрия и кальция. По завершению процедуры водоподготовки потребитель получает чистую и приятно пахнущую воду.

Алюминиевые оболочки растворяют в щелочи или азотной кислоте, причем в последнем случае возможно частичное или полное растворение сердечник из металлического урана.

Растворение алюминия в растворе едкого натра проходит по реакции:

Al + NaOH + Н 2 0  NaAl О 2 + 1,5Н 2 , (3.1)

протекающий с выделением тепла 7000 ккал/кг растворенного алюминия. При увеличении концентрации NaOH от 2 до 5 М скорость растворения алюминия возрастает примерно в семь раз. Потери урана при использовании растворов NaOH с концентрацией до 30% очень малы, но в 50%-ном растворе скорость растворения урана становится заметной. Недостатком этого процесса является выделение взрывоопасного газа – водорода. Для подавления реакции выделения водорода в реакционную смесь вводят окислители: нитрит или нитрат натрия. В этом случае реакции растворения алюминия протекают по уравнениям:

Al + 0,5NaOH + 0,5NaNO 3 + 0,5H 2 O = NaAlO 2 + 0,5NH 2 (3.2)

Al + 0,625NaOH + 0,375NaNO 3 + 0,25H 2 O = NaAlO 2 + 0,375NH 3 ; (3.3)

Al + 0,85NaOH + 1,05NaNO 3 = NaAlO 2 + 0,9NaNO 2 + 0,15NH 3 + 0,2H 2 O (3.4)

Минимальное выделение водорода происходит при стехиометрических соотношениях последней реакции. Скорость растворения алюминия возрастает с увеличением температуры и концентрации гидроксида натрия. Например, для раствора, содержащего 10%-ный NaOH и 20%-ный NaNO 3 , при увеличении температуры от 60 до 100°С линейная скорость растворения алюминия возрастает примерно в 3 раза. Кристаллизация алюмината натрия зависит от концентрации этой соли в щелочи и может быть предотвращена, если молярное отношение едкого натра и алюминия в растворе равно 1,65:1.

HNO 3 пассивирует поверхность алюминия, и поэтому, растворение ведут в присутствии катализатора – нитрата ртути. Возможными реакциями являются:

Al + 6HNO 3 = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O; (3.5)

Al + 4HNO 3 = Al(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O; (3.6)

8Al + 30HNO 3 = 8Al(NO 3) 3 +3N 2 O + 15H 2 O 4 (3.7)

2Al + 6HNO 3 = 2Al(NO 3) 3 + 3H 2 (3.8)

По мере того, как образуется при гидролизе нитрата алюминия HNO3 взаимодействует с Al, получаются растворы с недостатком кислоты:

Al(NO 3) 3 +3H 2 O=Al(OH)(NO 3) 2 +HNO 3 ; (3.9)

HNO 3 +Al+H 2 O=Al(OH) 2 (NO 3) 3 + соединения азота. (3.10)

Для описания процесса растворения Al в 4 М HNO3 приложена реакция:

Al+3,75HNO3=Al(NO3)3+0,225NO+0,15N2O+0,1125N2+1,875H2O. (3.11)

Однако некоторые данные не подтверждают присутствия азота в продуктах реакции. Содержание водорода в отходящих газах после конденсатора составляет 2 – 8% при концентрации кислоты 1 – 2 М и быстро возрастает для растворов с недостатком кислоты, достигая максимума 23% при недостатке 2 М. Это свидетельствует о том, что по мере протекания процесса стехиометрия раствора такова, что реакция с образованием двуокиси азота постепенно затухает в пользу других реакций. Расход кислоты для растворения литых и штампованных стержней одинаков. В среднем он составляет 4 – 4,1М HNO3 на 1 М растворенного Аl. Наименьший расход кислоты 3,8М был получен при растворении штампованного стержня при 2М недостатке кислоты.

Истории успеха