8

Алюминий и его соединения

Общая характеристика

Второй типический элемент IIIA-группы – алюминий – в отличие от бора (неметалла) является амфотерным элементом с преобладанием металлических свойств.

Алюминий – серебристо-белый металл, легкий, мягкий, пластичный, с высокой электропроводностью. Кристаллизуется в кубической плотнейшей упаковке, КЧ=12. Температура плавления - 660°С.

Среди s- и sp-металлов алюминий является лучшим комплексообразователем (благодаря большому заряду иона Аl³⁺, малому размеру и вакантным 3s-, 3p-, 3d-орбиталям). Наличие у Al свободных 3d-орбиталей обусловливает sp³d²-гибридизацию и координационное число 6 при образовании химических соединений. Менее характерна sp³-гибридизация и координационное число 4.

Ион Аl³⁺ изоэлектронен ионам Mg²⁺ и Na⁺ (2s²2p⁶). Однако, благодаря большему заряду иона и большему заряду ядра атома, размеры Аl³⁺ значительно меньше размеров ионов Mg²⁺ и Na⁺. По этой причине ион Аl³⁺ обладает сильным поляризующим действием, вследствие чего химическая связь Аl³⁺ с атомами или ионами, способными поляризоваться, носит в значительной степени ковалентный характер. Однако малополяризующиеся анионы (F^-, O^2-) при контакте с Аl³⁺ почти не деформируются, поэтому связь Al – F, Al – O носит преимущественно ионный характер.

Нахождение в природе, изотопный состав

У Al – один стабильный изотоп ²⁷₁₃Al.

Алюминий – самый распространенный металл на Земле.

Кларк Al в земной коре (7,45) выше, чем его кларк на планете в целом (1,5), это указывает на литофильность соединений алюминия.

лито ... (от греч. lithos — камень), часть сложных слов, означающая: относящийся к камню, к горным породам

Алюминий, как и бор, образует наиболее устойчивые соединения с кислородом, и в природе встречается главным образом в виде кислородных соединений, которые входят в состав минералов:

- боксит – частично обезвоженный гидроксид алюминия Al₂O₃·n H₂O (n ≈2);

- нефелин (K,Na)₂Al₂(SiO₄)₂ – смешанный алюмосиликат калия-натрия;

- каолинит (белая глина) – образуется при выветривании различных алюмосиликатов;

- глинозем - безводный Al₂O₃ - встречается редко в виде минерала корунда и его драгоценных разновидностей – рубина (с примесью Cr₂O₃) и сапфира (с примесью Fe₂O₃ и TiO₂);

- криолит Na₃AlF₆ (в природе встречается редко).

Получение алюминия в промышленности

Чаще всего Al получают из боксита Al₂O₃·2H₂O, предварительно подвергая его многостадийной очистке от примесей, и переводя в кристаллический Al(OH)₃.

Затем прокаливание при 1200°С: 2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O.

Электролиз Al₂O₃ в расплаве криолита при 900-950°С с использованием графитовых электродов:

Al₂O₃ (в расплаве) → AlO⁺ + AlO₂^-

На катоде: 3 AlO⁺ + 3е = Al + Al₂O₃

На аноде: 2 AlO₂^- - 2е = ½ О₂ + Al₂O₃

Взаимодействуя с выделяющимся кислородом (С + О₂ = СО₂), углерод анода выгорает, требуется постоянная его замена.

Процесс получения алюминия очень энергоемок – для производства 1 тонны металла расходуется 15-17 тысяч кВт·ч электроэнергии. Поэтому заводы строят рядом с электростанциями.

Роль криолита Na₃AlF₆:

- его добавление в качестве флюса резко понижает температуру плавления от 2072°С (для чистого Al₂O₃) до 950°С (для 10 %-го раствора Al₂O₃ в криолите) и дает большой энергетический выигрыш;

- расплавленный криолит обладает высокой электропроводностью, что обеспечивает эффективность электролиза.