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 (Е0(Н2О/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).