Алюміній – МЕТАЛИ ГОЛОВНИХ ПІДГРУП

ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина II. НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ

Розділ 13. МЕТАЛИ ГОЛОВНИХ ПІДГРУП

§ 13.11. Алюміній

Природні сполуки алюмінію. Алюміній належить до найпоширеніших елементів. Серед металів за поширенням у природі він посідає перше місце. Загальний вміст алюмінію в земній корі становить 8,8 %. Найважливіші природні сполуки алюмінію – алюмосилікати, боксит, корунд та кріоліт.

Алюмосилікати становлять основну масу земної кори, їх можна розглядати як солі, утворені оксидами алюмінію,

силіцію, лужних та лужноземельних металів. При вивітрюванні багатьох алюмосилікатів утворюється глина (§ 11.8). Основний склад глини відповідає формулі Аl2О3 ∙ 2SiO2 ∙ 2Н2О. Алюмосилікат складу (Na, К)2 – мінерал нефелін – належить до найважливіших алюмінієвих руд. Великі поклади нефеліну розташовані на Кольському півострові і в Красноярському краї.

Боксити – гірська порода, що складається переважно з гідратованого оксиду алюмінію та оксидів феруму, які надають їм червоного кольору. Містять від

30 до 60 % Аl2О3. З бокситів добувають алюміній. Родовища бокситів розташовані на Уралі, в Ленінградській області, Башкирії, Казахстані, Сибіру та інших місцях.

Корунд – мінерал складу Аl2О3, має високу твердість, застосовується як абразивний матеріал.

Кріоліт – мінерал складу AlF3 ∙ 3NaF, або Na3AlF6. Нині його добувають штучно, застосовують у металургії алюмінію.

Добування алюмінію. У промисловості алюміній добувають електролізом розчину оксиду алюмінію в розплавле ному кріоліті Na3AlF6 з добавкою фториду кальцію CaF2. Електроліз здійснюють при 950-980°С. Сировину використовують чисту, оскільки домішки при електролізі відновлюються і забруднюють алюміній.

Чистий оксид алюмінію Аl2О3, вільний від води, оксидів феруму, а також від оксиду силіцію(ІV), добувають з бокситу і останнім часом – з нефеліну. Він добре розчиняється у розплавленому кріоліті. Добавка фториду кальцію сприяє підтриманню температури близько 1 000°С, підвищує електричну провідність електроліту, зменшує його густину, що сприяє виділенню алюмінію на дні ванни. Під час електролізу такого розплаву алюміній виділяється на катоді:

2Аl3+ + 6е – = 2Аl.

На вугільному аноді розряджаються оксид-іони О, що входять до складу Аl2О3:

 Алюміній   МЕТАЛИ ГОЛОВНИХ ПІДГРУП

Електролізер являє собою стальну ванну прямокутної форми (рис. 13.1), викладену зсередини вогнетривкою цеглою і блоками з вугільної маси. У блоки на дні ванни закладено стальні стержні, кінці яких виведено назовні. Ці блоки разом з розплавленим алюмінієм є катодом. Анод складається з 12-14 вугільних брусків і зверху опущений у ванну. Кисень, що виділяється, окиснює вугільний анод до СО і СО2. Матеріал анода при цьому витрачається, тому анод в міру окиснення поступово опускається.

Згори і біля бічних стінок ванни електроліт охолоджується навколишнім повітрям і застигає суцільною кіркою. У ній біля

 Алюміній   МЕТАЛИ ГОЛОВНИХ ПІДГРУП

Рис. 13.1. Схема електролітичного добування алюмінію:

1 – стальна ванна;2 – канал для стікання розплавленого алюмінію; З – термічна ізоляція з вогнетривкої цегли;- анод з вугільних брусків;

5 – катод з вугільних брусків і розплавленого алюмінію;

6 – оксид алюмінію в розплавленому кріоліті;- кірка

Анодів пробивають отвори для виходу газів, які утворюються під час окиснення анода. При завантаженні ванни спочатку вводять кріоліт і фторид кальцію. Після їх розплавляння (пропусканням електричного струму) додають чистий оксид алюмінію або очищений боксит.

Виробництво алюмінію потребує значних витрат електроенергії і матеріалів: для добування 1 т алюмінію витрачається близько 20 тис. кВт год електроенергії, близько 2 т оксиду алюмінію, 40-60 кг кріоліту, 20-30 кг добавок інших фторидів і 20-30 кг анодного вугілля. Тому заводи з виробництва алюмінію звичайно будують біля великих гідроелектростанцій, які виробляють дешеву електроенергію (Волховська, Братська, Красноярська та ін.).

Фізичні властивості. Алюміній – сріблясто-білий метал, легкий, але механічно міцний. Густина його дорівнює 2,7 г/см3, т. пл. 660°С. Має високу електричну провідність, але поступається у цьому перед міддю. Легко піддається обробці: прокатується у фольгу, витягується в тонкий дріт, відливається. Легко утворює сплави. При 600°С алюміній стає крихким, і його можна подрібнити на зернини або порошок. Природний алюміній складається з одного ізотопу 2713Аl(100 %).

Хімічні властивості. В атома алюмінію на зовнішньому енергетичному рівні розташовані три електрони, які він віддає при хімічній взаємодії. У всіх своїх стійких сполуках алюміній має ступінь окиснення +3. Він є сильним відновником.

Алюміній легко сполучається з киснем уже при звичайній температурі. При цьому його поверхня вкривається оксидною плівкою Аl2О3, яка захищає метал від подальшого окиснення. Товщина оксидної плівки становить 0,00001 мм. Вона міцна, тверда і гнучка, не відстає при розтягуванні, стискуванні, закручуванні та згинанні, проводить струм, плавиться при 2050°С, в той час як алюміній – при 660°С. Оксидна плівка надає поверхні матового вигляду. Завдяки їй алюміній не руйнується (не кородує) від вологи й повітря.

Якщо оксидну плівку зруйнувати (наприклад, потерти поверхню алюмінію наждачним порошком або опустити його ненадовго в гарячий розчин лугу), то алюміній взаємодіятиме з водою:

2Аl + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + ЗН2↑.

При звичайній температурі алюміній практично не взаємодіє з концентрованою і дуже розведеною нітратною кис лотою1 (внаслідок утворення захисної оксидної плівки), тому HNO3 зберігають і перевозять в алюмінієвій тарі. Проте він розчиняється в хлоридній і сульфатній кислотах:

2Аl + 6Н+ = 2Аl3+ + 3Н2↑.

На відміну від багатьох металів на алюміній дуже сильно діють розчини лугів. Наприклад:

2Аl + 2NaOH + 10Н2О = 2Na + ЗН2↑

Або в іонній формі:

2Аl + 2OН – + 10Н2О = 2 – + ЗН2↑.

Тому в алюмінієвому посуді не можна зберігати луги та лужні розчини.

За пропозицією хіміка О. І. Горбова, під час російсько – японської війни взаємодією алюмінію з лугом добували водень для аеростатів, що було пов’язано з легкістю перевезення вихідних речовин.

При нагріванні алюміній реагує з галогенами, а при високій температурі – із сіркою, азотом і вугіллям:

2Аl + ЗСl2 = 2АlСlЗ; 2А + N2 = 2AlN;

2Аl +3S = Al2S3; 4Аl + ЗС = А/span>l4С3.

1 Дуже повільно алюміній розчиняється в нітратній кислоті середніх концентрацій.




Алюміній – МЕТАЛИ ГОЛОВНИХ ПІДГРУП