2.2.3. Алюміній та сполуки Алюмінію

До головної підгрупи ІІІ групи належать Бор (В), Алюміній (АІ), Галій (Оа), Індій (Іп) і Талій (ТІ). На зовнішньому рівні цих елементів розміщено по три електрони (два 8- і один р-), тому їх здатність віддавати електрони значно слабша, ніж у елементів перших двох груп. При цьому Бор виявляє добре виражені властивості неметалу — вступає в реакції з активними металами і утворює бориди, а його оксиди і гідроксиди виявляють усі власти­вості кислотного оксиду і кислоти. Алюміній, властивості якого будуть розглянуті детально нижче, виявляє більш чітко виражені властивості металу, хоча його оксид і гідроксид ма­ють амфотерні властивості. Інші елементи головної підгрупи — Оа, Іп, ТІ — виявляють типові властивості металів, які підсилюються із збільшенням порядкового номера.

Цікаво, що Талій може існувати у двох ступенях окиснення — Т1+¹ і Т1³+. В стані Т1+¹ він виявляє багато властивостей лужних металів, зокрема, його гідроксид Т1ОН є лугом.

Найбільше значення серед цих елементів має Алюміній.

Алюміній

Заряд ядра атома Алюмінію +13, тобто в його ядрі знаходяться 13 протонів і 14 нейтро­нів. Електрони розташовані на трьох енергетичних рівнях, тому його електронна формула 1з²2з²2р⁶3з²3р¹, відповідно з цим порядковий номер Алюмінію у періодичній системі дорівнює 13, він розташований у ІІІ групі і в ІІІ періоді.

Хімічні властивості

У всіх своїх сполуках Алюміній виявляє ступінь окиснення +3. З простих речовин алюмі­ній реагує з активними неметалами — киснем, галогенами, сіркою:

4А1 + 3О₂ = 2А1₂О₃, 2А1 + 3С1₂ = 2А1С1₃, 2А1 + 38 = А1₂8₃.

Цікаво, що реакція Алюмінію з йодом каталізується водою, — тонкий порошок алюмінію у суміші з порошком йоду може зберігатися довгий час, проте, якщо у цю суміш капнути краплю води, починається бурхлива реакція, іноді з вибухом.

Поверхня алюмінію завжди вкрита тонкою, але дуже щільною, плівкою оксиду, тому умо­вою взаємодії алюмінію зі складними речовинами є попереднє руйнування цієї плівки. Після руйнування оксидної плівки алюміній реагує навіть з водою:

2А1 + 6Н₂О = 2А1(ОН)₃ + 3Н₂Т,

а, отже, у нейтральних водних розчинах руйнування оксидної плівки не відбувається, тому, наприклад, посудом з алюмінію можна користуватися багато років. Алюміній оксид легко руйнується в лужному і складніше в кислому середовищі, при цьому утворюється комплекс­на сіль:

2А1 + 6МаОН + 6Н₂О = 2Ка₃[А1(ОН)₆] + 3Н₂.

У реакції з кислотами Алюміній заміщує атоми Гідрогену:

2А1 + 6НС1 = 2А1С1₂ + 3Н₂Т, 2А1 + 3Н₂8О₄ = А1₂(8О₄)₃ + 3Н₂Т.

Нітратна кислота руйнує поверхню алюмінію. Тому є рекомендації стосовно того, що за тривалого кип'ятіння нітратна кислота все ж розчиняє алюміній і утворює М₂О:

8А1 + 3НМО₃ = 8А1(МО₃)₃ + 3М₂О + 15Н₂О.

Алюміній, як і всі елементи головної підгрупи ІІІ групи, має велику спорідненість із киснем, тому він бурхливо реагує з оксидами інших металів і витісняє атоми металів з їх оксидів. На цій властивості Алюмінію ґрунтується одержання металів та оксидів, цей метод називають алюмінотермією. Наприклад, під час взаємодії порошку алюмінію з ферум (III) оксидом виділяється настільки багато тепла, що температура підвищується до 3500 °С і залізо одержують у рідкому стані:

2А1 + Ге₂О₃ = А1₂0₃ + 2Ге.

Під час використання магнітного залізняку Ге₃О₄ (ГеО • Ге₂О₃) реакція протікає за рівнян­ням:

8А1 + 3Ге₃О₄ = 9Ге + 4А1₂О₃.

Одержання алюмінію

Перші зразки алюмінію були одержані за реакцією алюміній хлориду з металом барієм:

2А1С1₃ + 3Ва = 2А1 + 3ВаС1₂,

тому алюміній був дуже дорогим. Металом, що широко використовується у побуті, алюміній став після розробки електролізного методу його одержання. Алюміній одержують електролізом 10—15 %-го розчину алюміній оксиду в кріоліті (Ма₃А1Г₆ або 3МаГ • А1Г₃) при 1000 °С. У цьому розчині алюміній оксид виявляє властивості солі алюмінію ортоалюмінієвої кислоти (Н₃А1О₃) і дисоціює за схемою:

А1А10₃ ^ А1³⁺ + А103^- .

Якщо пропускати через розчин алюміній оксиду в кріоліті постійний електричний струм, на катоді, роль якого виконують стінки електролізера, відбувається відновлення йонів Алюмінію:

А1³+ - 3е = А1⁰. На графітовому аноді також окиснюється алюмінат-йон:

А103^- - 3е = А1О0, який виділяє кисень і перетворюється на алюміній оксид:

4А1О0 ^ 2А1₂0₃ + 30₂ Т . Таким чином, сумарне рівняння електролізу алюміній оксиду має такий вигляд:

2А1₂0₃ ^{електроліз} > 4А1 + 30₂.

Використання алюмінію

Алюміній — м'який метал, легко піддається усім видам обробки, має високу електропро­відність. Він легко утворює сплави з іншими металами, які, окрім легкості, мають ще високу зносостійкість, витримують високі температури і вплив агресивного середовища. За об'ємами використання алюміній посідає одне з провідних місць серед металів, можна навіть сказати, що в історії людства, де були кам'яний, мідний та залізний віки, тепер настав алюмінієвий, а його, найімовірніше, змінить титановий вік.

Одержання алюміній оксиду і алюміній гідроксиду ми розглядали у розділі «Амфотерні сполуки».

Алюміній оксид і гідроксид

Основною сполукою алюмінію є його оксид А1₂0₃, який відомий у двох модифікаціях — ко­рунд та каолін (глинозем). Корунд — монокристалічна форма алюміній оксиду. Він прозорий, дуже твердий (поступається тільки алмазу) та тугоплавкий. У природі існують забарвлені фор­ми корунду: йонами Сг³+ у червоний колір (рубін) або йонами Ті⁴⁺, або Ге³+ у синій (сапфір). І рубін, і сапфір — це коштовне каміння, яке за вартістю поступається тільки алмазу.

На сьогодні монокристали рубіну і сапфіру вирощують штучно (перший у світі лазер був виготовлений на основі рубіну).

Алюміній оксид і алюміній гідроксид цікаві тим, що вони є типовими амфотерними речо­винами. Тільки-но одержаний алюміній оксид реагує з кислотами та лугами:

А1₂0₃ + 6НС1 = 2А1С1₃ + 3Н₂0, А1₂0₃ + 6МаОН = 2Ка₃АЮ₃ + 3Н₂0.

Аналогічні властивості має алюміній гідроксид:

2А1(ОН)₃ + 6НМ0₃ = 2А1(М0₃)₃ + 3Н₂0, А1(0Н)₃ ^ Н₃А10₃ + З^ОН = ^₃АЮ₃ + 3Н₂0 , Ма₃А10₃ + 3Н₂0 = Ма₃[А1(ОН)₆].