§ 35. Алюміній

• Розкажіть про місце Алюмінію у періодичній системі хімічних елементів і зобразіть будову його атома. Напишіть електронну формулу атома Алюмінію.

Електронна конфігурація зовнішнього електронного шару атома Алюмінію Зs²Зр¹ показує, що на зовнішньому шарі є вільні р-орбіталі. Це означає, що атом Алюмінію може переходити у збуджений стан (позначається зірочкою біля символа елемента):

А1^* 1s²2s²2p⁶3s¹3p²

У збудженому стані атом Алюмінію може утворювати 3 ковалентні зв'язки або віддавати три валентні електрони, виявляючи ступінь окиснення +3. Це означає, що в окисно-відновних реакціях алюміній поводить себе як відновник.

Поширення у природі. Алюміній зустрічається у природі досить часто і за поширенням посідає третє місце серед усіх елементів. Через високу хімічну активність він трап- у природі тільки у вигляді сполук. Алюміній вхо- до складу алюмосилікатів – речовин, головним компонентом яких є оксиди силіцію й алюмінію. Це різні глини - слюда, польовий шпат, каолін тощо. Основною алюмінієвою рудою є боксит Al₂O₃ • nН₂О. У природі трапляютьcя також мінерали криоліт Na₃[AlF₆] і корунд Аl₂Оз (глинозем також має формулу Al₂O₃ • nН₂О).

Добування. Спочатку з бокситу добувають глинозем, а потім електролізом розплавленої суміші алюміній оксиду Al₂O₃ з криолітом Na₃AlF₆ добувають металічний алюміній. Чистий глинозем плавиться за температури 2050°С. А суміш із 10% глинозему і 90% криоліту -за 960°С. Сумарне рівняння процесу:

2Al₂O₃ → 4Al +3O₂↑

Фізичні властивості. Алюміній – це сріблясто-білий метал, досить легкоплавкий (t_пл = 660 °С) і дуже легкий (ρ = == 2,7 г/см³). Для нього характерна висока пластичність, добрі електрична провідність і теплопровідність.

Хімічні властивості. Алюміній належить до числа хімічно активних металів. У витискувальному ряду він розміщений за магнієм. У чистому вигляді як на повітрі, так і у воді він може зберігатися досить довго, бо його поверхня вкривається тонкою, щільною і дуже міцною оксидною плівкою Al₂O₃, яка захищає алюміній від подальшого окиснення і зумовлює його високу корозійну стійкість: 4Аl + 3O₂ = 2Al₂O₃

Виконаємо дослід, який підтверджує механічну міцність оксидної плівки. Закріпимо у штативі алюмінієвий дріт і нижній кінець його нагріємо. Через деякий час алюміній розплавляється, але не тече, бо опиняється у своєрідному чохлі з алюміній оксиду.

1. Взаємодія з неметалами. За звичайних умов алюміній реагує з хлором і бромом:

2A1 + ЗСІ₂ = 2A1C1₃

2A1 + 3Br₂ = 2А1Вг₃

Під час нагрівання алюміній взаємодіє з багатьма неметалами:

2А1 + N₂ = 2A1N алюміній нітрид

2А1 + 3S = A1₂S₃ алюміній сульфід

4А1 + ЗС = А1₄С₃ алюміній карбід

2А1 + ЗІ₂ = 2А1І₃ алюміній йодид

2. Взаємодія з водою. Алюміній стійкий до дії води завдяки оксидній плівці, що є на його поверхні. Якщо вкрити алюміній сіллю Меркурію, то алюміній як більш активний метал витискує ртуть з розчину її солі. Ртуть утворює з алюмінієм амальгаму, на останній не утримується оксидна плівка, і алюміній активно вступає в реакцію з водою. Отже, якщо оксидну плівку знищити, алюміній витискуватиме водень з води:

2А1 + 6Н₂О → 2А1(ОН)₃ + 2Н₂↑

3. Взаємодія з кислотами. За звичайних умов алюміній взаємодіє з хлоридною і розбавленою сульфатною кислотами, відновлюючи водень, що входить до їх складу, й утворюючи солі:

2А1 + 6HCl = 2А1С1₃ + ЗН₂ ↑

2А1 + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃+ 3H₂↑

Концентровані сульфатна й нітратна кислоти пасивують алюміній: під дією цих кислот збільшується товщина захисної плівки на металі, і він не взаємодіє з ними.

4. Взаємодія з розчинами солей. Алюміній витискує менш активні метали з розчинів їх солей (див. витискувальний ряд металів)

2Al + 3CuCl₂ = 2AlCl₃ + 3Cu

5. Взаємодія з лугами. Алюміній реагує з розчинами лугів з виділенням водню й утворенням комплексної солі, наприклад натрій тетрагідроксоалюмінату

2Al + 2NaOH + 6 H₂O = 2 Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Реакція з лугами відбувається завдяки легкості розчинення в них оксидної плівки.

6. Відновлення оксидів металів. Алюміній –добрий відновник багатьох оксидів металів, наприклад:

2А1 + Сг₂О₃ = Al₂O₃ + 2Cr

8А1 + Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

Спосіб відновлення оксидів металів алюмінієм називається алюмінотермією (різновид металотермії).

Цей спосіб був запропонований М. М. Бекетовим у середині XIX ст.

Застосування. Металічний алюміній широко використовується у промисловості. За обсягом виробництва серед металів він посідає друге місце після заліза. Основна маса алюмінію йде на виготовлення алюмінієвих сплавів. Найпоширеніший із них дюраль, або дюралюміній. Це сплав алюмінію з міддю і невеликими кількостями магнію, мангану та інших компонентів. Використовується як конструкційний матеріал в авіа- і машинобудуванні.

Алюміній використовується під час виплавляння сталі як розкисник (вилучає надлишковий кисень) і в процесі добування багатьох металів алюмінотермічним способом (Са, Ва, Мn, Сг).

У вигляді тонкої фольги алюміній застосовують у виробництві конденсаторів у радіотехніці та для упакування шоколаду, чаю, інших продуктів. З алюмінію виробляють дріт, «срібну» фарбу, а із сплавів алюмінію – різні предмети побуту.

Завдання для самоконтролю

213. Які хімічні властивості має алюміній? Відповідь об ґрунтуйте рівняннями реакцій.

214. Чому побутові вироби з алюмінію слугують довго і не зазнають окиснення?

215. Напишіть рівняння реакцій для здійснення таких перетворень:

Al₂O₃ → А1 →А1С1₃ → А1(ОН)₃ → A1₂(SO₄)₃.

216. Маса алюмінію, необхідного для відновлення мангану з 200 г піролюзиту з масовою часткою Al₂O₃ манган (ІV) оксиду 87%, дорівнює

(1) 36 г; (3) 144 г;

(3) 72 г; (4) 288 г.

217. Маса солі, що утворюється внаслідок взаємодії з розчином лугу 27 г алюмінію, становить

(1) 118 г; (3) 59 г;

(3) 236 г; (4) 590 г.

218*. Об'єм водню (н. у.), що утворюється в результаті розчинення у надлишку розчину лугу 200 г суміші алюмінію та його оксиду (масова частка оксиду в суміші 46%), дорівнює

1. 22,4 л; (3) 89,6 л;

2. 44,8 л; (4) 134,4 л.