Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Природные соединения алюминия



По запасам на Земле Al (его кларк 6,6%) среди М занимает 1-ое место, а среди всех Э – 3-е после O и Si. Так что основу земной коры составляют кислородные соединения кремния и алюминия.

Природные соединения алюминия содержат Al лишь в ст.ок. +3 [6] и, в основном, это кислородосодержащие вещества, в частности, глинозем Al2O3. Его гидратная форма (бурого цвета из-за примеси оксида железа) называется бокситом, а безводная – корундом.

Корунд очень прочен (почти как алмаз) и имеет высокую т.пл. (2050°С). Поэтому применяется в качестве абразивного материала и для изготовления подшипников. В ювелирном деле широко используются (как драгоценные камни) природные образцы корунда с примесями некоторых металлов, придающих им красивую окраску (чистые кристаллы корунда бесцветны). Это синие сапфиры (примесь Ti и Fe), красные рубины (Cr), зеленые изумруды (Be) и др.

Введением соответствующих соединений в расплав оксида алюминия научились получать искусственные драгоценные камни[7], которые внешне часто красивее естественных и не уступают им по прочности и другим свойствам, но стоят значительно дешевле. Поэтому их применяют и в технике, например, искусственные рубины используются в лазерах или в качестве опорных камней в часах.

Другой формой нахождения алюминия в природе (наряду с Al2O3) являются разнообразные алюмосиликаты[8], в частности, глины. Глина, благодаря слоистой структуре, представляет собой мягкую массу, пластичную во влажном состоянии. Но при прокаливании она приобретает координационную структуру, и, как следствие, затвердевает необратимо. Поэтому применяется в производстве строительных материалов (кирпичи, черепица и др.) и в гончарном деле. Белую глину (каолин) используют для изготовления фарфоровой посуды. Кстати, пластилин – это смесь глины, воска, вазелина и сала.

Ученые считают, что будущее за керамическими материалами, т.е. полученными на основе оксидов металлов (в том числе Al2O3).

В природных соединениях алюминий связан очень прочно, вследствие чего в гидросфере Земли его концентрации, как и кремния, ничтожны– менее 10-6%. Поэтому и в организмах они находятся в качестве микроэлементов, причем чем более развит организм, тем больше в нем алюминия, но даже в человеке его всего лишь 10-4%. Для растений повышенное содержание катионов Al3+ в природной воде вредно, т.к. они связывают фосфат-анионы в прочное соединение AlPO4. (Фосфат алюминия практически нерастворим не только в воде, но и в в органических кислотах почвы, и т.о. фосфор становиться недоступным для растений.)

Кроме того, Al3+ снижает активность азобактерий. От его избытка гибнут водные организмы и птицы из-за т.н. алюминиевой болезни. Причем кислотные дожди значительно повышают содержание Al3+ (как и ионов других металлов) в природных водах. Правда, для человека алюминий в ряду токсичных М занимает последнее место (установлено, что небольшое его содержание в организме даже полезно, т.к. он участвует в регенерации костей и активирует некоторые ферменты). Не слишком токсично и олово, а свинец очень вреден (отравление им приводит к нервным болезням и слабоумию). Однако ничтожные его количества необходимы для поддержания иммунитета, при бесплодии, болезни крови и др.

Физические свойства

Внешне свинец – серый, олово – белое, а алюминий – серебристый. Причем Al настолько блестит, что когда его впервые выделили из глины (в сравнительно чистом виде), то приняли за серебро. Поэтому алюминий идет для изготовления зеркал, новогодней мишуры, а также «серебряной» краски (ибо он, в отличие от большинства других металлов, сохраняет блеск и в порошкообразном состоянии). И поскольку алюминий достаточно полно (на 90%) отражает не только световые, но и тепловые лучи, то из него делают жалюзи, черепицу для крыш зданий, спецодежду для работников горячих цехов; а также фольгу для упаковки шоколада.

Алюминий очень хорошо проводит электроток (l=34). Даже если провода из Al делать толще (чтобы уравнять по l с медными), то алюминиевые все равно оказываются в 2 раза легче медных и все чаще используются вместо них. Олово тоже хорошо проводит ток (l= 8), причем легко плавиться (т.пл. 232°С), поэтому применяется для спаивания проводов (а также запаивания кастрюль).

Значения т.пл. алюминия (660°С) и свинца (327°С) больше, чем олова. Причем т.пл. у Al выше из-за меньшего атомного радиуса (и, как следствие, более прочных ХС в кристаллической решетке алюминия); а у Pb – вследствие f-сжатия и более плотной упаковки атомов в этом М. Так, в металлической решетке олова каждый атом окружен шестью соседними, а в свинце – двенадцатью. Благодаря такой плотной упаковке, а также большой атомной массе (207), свинец очень тяжел (его плотность 11,34 г/см3) и хорошо поглощает жесткие лучи (поэтому идет на изготовление щитов от радиации).

Алюминий, напротив – один из самых легких металлов (плотность 2,7 г/см3, что почти в 3 раза меньше, чем у железа). Как следствие, Al – основной компонент сплавов, используемых в самолето- и ракетостроении.

Все три рассматриваемые p-М мягки (особенно свинец) и пластичны, причем алюминий и олово могут раскатываться в очень тонкую фольгу, а из листового Al прессованием легко приготовить посуду (кастрюли, бидоны и др.).

Химические свойства

По сравнению с s-металлами рассматриваемые р-М являются и кинетически, и термодинамически менее активными из-за более прочной связи валентных электронов с ядром, а также (как следствие) большей прочности решетки их простых веществ (судя по значениям т.пл. данных р-металлов в сравнении с s-М).

Однако восстановительные свойства для них очень характерны: (Е0(Pb2+/Pb)= –0,13 В; Е0(Sn2+/Sn)= –0,14 В), особенно для алюминия (Е0(Al3+/Al)= –1,68 В). Он является непосредственным соседом (в периодической таблице) очень активного магния и во многом на него похож, в частности, тоже горит в СО2:

 

 

Причина – образование очень прочных связей в Al2O3. Вследствие чего алюминий, как и Mg, вытесняет не только углерод, но и металлы из их оксидов[9]. Например:

 

.

 

По той же причине и горит Al на воздухе с огромным экзоэффектом (–1676 кДж/моль), причем ослепительным пламенем, почти как Mg. Поэтому алюминиевую фольгу (как и магниевую) используют для фотовспышек.

Хотя и очень медленно, но окисление алюминия на воздухе продолжается и после образования такой пленки. То есть со временем она утолщается – вот почему новая посуда из Al, такая блестящая вначале, потом тускнеет.

Тем не менее в промышленности все чаще изделия из железа, чтобы спасти их от коррозии[10] (ржавления), алитируют, т.е. покрывают слоем алюминия (толщиной всего 0,2 мм). Покрытие осуществляют, нанося порошок Al на поверхность железного изделия, которое затем нагревают до 1000°С.

Не подвергается коррозии также олово и свинец, и тоже из-за поверхностной пленки продуктов взаимодействия с компонентами воздуха. Поэтому лудят, т.е. покрывают оловом жесть, используемую в консервной промышленности.

Подчеркнем, что оксидная пленка не мешает алюминию при об.у. реагировать со всеми Г2 (давая AlГ3). Правда, к смеси порошков Al и йода, чтобы реакция началась, добавляют каплю воды. Со всеми другими неметаллами алюминий вступает в реакцию при повышенной температуре. Олово и свинец более пассивны: при об.у. идет лишь взаимодействие Pb с F2, а остальные реакции требуют нагревания. При этом олово окисляется до +4, а свинец до +2.

С водой данные металлы при об.у. не реагируют, но и не должны, т.к. значения их Е0 менее отрицательны, чем потенциал воды (Е02О/Н2)= –0,41 В). А алюминий должен, но тоже не взаимодействует из-за оксидной пленки.

Однако Al, а также Sn и Pb вступают в реакцию с водой в щелочной среде, поскольку их оксиды и гидроксиды (которые обычно пассивируют данные металлы), являясь амфотерными, растворяются в щелочах, давая гидроксоанионы. (А устойчивость последних столь велика, что значения Е0 даже олова и свинца оказываются отрицательнее, чем Е0 воды в щелочной среде (–0,82 В).) Суммарные процессы отражаются реакциями:

 

 

Отметим, что при сплавлении металлов с сухой щелочью получаются не гидроксо-, а оксосоли, причем окисление идет кислородом воздуха. Например:

Подчеркнем, что при действии конц. HNO3 и H2SO4 пассивирующая пленка на поверхности алюминия не только не растворяется, а наоборот утолщается (с 0,01 до 30 микрон), и глубже процесс не идет, поэтому данные кислоты можно хранить в алюминиевой таре.

Напротив, с разб. HNO3, HCl и H2SO4 алюминий реагирует. А свинец в двух последних кислотах пассивируется пленками малорастворимых солей PbCl2 и PbSO4. Зато свинец взаимодействует даже с уксусной кислотой, а также с HNO3 и с концентрированными HCl и H2SO4, поскольку при этом получаются растворимые продукты: Pb(CH3COO)2, Pb(NO3)2, H2[PbCl4] и Pb(HSO4)2 соответственно. Олово вступает в реакцию со всеми кислотами, кроме слабых (например, таких, как уксусная).

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.