Реакции, взаимодействие алюминия. уравнения реакции алюминия с веществами

Нахождение в природе

Алюминий впервые получен химическим путем немецким химиком Ф. Велером в 1827 г., а в 1856 г. французский химик Сен-Клер Девиль выделил его электрохимическим методом.
Алюминий является самым распространенным в природе металлом. Содержание его в земной коре составляет 7,45% (по массе). Важнейшие природные соединения алюминия — алюмосиликаты, боксит, корунд и криолит.
Алюмосиликаты составляют основную массу земной коры. Продукт их выветривания — глина и полевые шпаты (ортоклаз, альбит, анортит). Основной состав глин (каолин) соответствует формуле Аl₂O₃•2SiO₂•2Н₂O.
Боксит — горная порода, из которой получают алюминий. Состоит главным образом из гидратов оксида алюминия Аl₂O₃•nН₂O.

Химические свойства алюминия

С точки зрения химии, рассматриваемый металл — сильный восстановитель, который способен проявлять высокую химическую активность, будучи чистым веществом. Главное — это устранить оксидную пленку. В этом случае активность резко возрастает.

Химические свойства алюминия как простого вещества определяются его способностью вступать в реакции с:

• кислотами;
• щелочами;
• галогенами;
• серой.

С водой он не взаимодействует при обычных условиях. При этом из галогенов без нагревания реагирует только с йодом. Для остальных реакций нужна температура.

Можно привести примеры, иллюстрирующие химические свойства алюминия. Уравнения реакций взаимодействия с:

• кислотами — AL + HCL = AlCL₃ + H₂;
• щелочами — 2Al + 6H₂O + 2NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3Н₂;
• галогенами — AL + Hal = ALHal₃;
• серой — 2AL + 3S = AL₂S₃.

В целом, самое главное свойство рассматриваемого вещества — это высокая способность к восстановлению других элементов из их соединений.

Получение и применение алюминия

Алюминий достаточно трудно выделить из природных соединений химическим способом, что объясняется высокой прочностью связей в оксиде алюминия, поэтому, для промышленного получения алюминия применяют электролиз раствора глинозема Al₂O₃ в расплавленном криолите Na₃AlF₆. В результате процесса алюминий выделяется на катоде, на аноде — кислород:

Исходным сырьем служат бокситы. Электролиз протекает при температуре 1000°C: температура плавления оксида алюминия составляет 2500°C — проводить электролиз при такой температуре не представляется возможным, поэтому оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите, и уже затем полученный электролит используют при электролизе для получения алюминия.

Применение алюминия:

• алюминиевые сплавы широко применяются в качестве конструкционных материалов в автомобиле-, самолето-, судостроении: дюралюминий, силумин, алюминиевая бронза;
• в химической промышленности в качестве восстановителя;
• в пищевой промышленности для изготовления фольги, посуды, упаковочного материала;
• для изготовления проводов и проч.

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки: Политика конфиденциальности Об авторе

Применение и использование сульфата алюминия:

Сульфат алюминия используется во множестве отраслей промышленности и для бытовых нужд:

– как коагулянт для очистки воды хозяйственно-питьевого и промышленного назначения;

– в фотографии входит в составы стабилизирующих растворов и дубящих фиксажей;

– как пищевая добавка Е520;

– в качестве морилки при крашении и печати текстильных изделий;

– в бумажной, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности.

Примечание:  Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

карта сайта

сульфат алюминия реагирует кислота 1 2 3 4 5 водауравнение реакций соединения масса взаимодействие сульфата алюминия реакции

Коэффициент востребованности
3 172

Химические свойства

На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь оксидной плёнкой. Она защищает металл от коррозии, а также препятствует взаимодействию с концентрированными кислотами (азотной, серной).

При обычных условиях реакции с алюминием возможны только после удаления оксидной плёнки. Большинство реакций протекают при высоких температурах.

Основные химические свойства элемента описаны в таблице.

Реакция	Описание	Уравнение
С кислородом	Горит при высоких температурах с выделением тепла	4Al + 3O2 → 2Al2O3
С неметаллом	Взаимодействует с серой при температуре выше 200°С, с фосфором – при 500°С, с азотом – при 800°С, с углеродом – при 2000°С	– 2Al + 3S → Al2S3; – Al + P → AlP; – 2Al + N2 → 2AlN; – 4Al + 3C → Al4C3
С галогенами	Реагирует при обычных условиях, с йодом – при нагревании в присутствии катализатора (воды)	– 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3; – 2Al + 3I2 → 2AlI3; – 2Al + 3Br2 → 2AlBr3
С кислотами	Реагирует с разбавленными кислотами при обычных условиях, с концентрированными – при нагревании	– 2Al + 3H2SO4(разбав.) → Al2(SO4)3 + 3H2; – Al + 6HNO3(конц.) → Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Со щелочами	Реагирует с водными растворами щелочей и при сплавлении	– 2Al + 2NaOH + 10H2O → 2Na[Al(H2O)2(OH)4] + 3H2; – 2Al + 6KOH → 2KAlO2 + 2K2O + 3H2
С оксидами	Вытесняет менее активные металлы	2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3

Алюминий не реагирует непосредственно с водородом. Реакция с водой возможна после снятия оксидной плёнки.

Рис. 3. Реакция алюминия с водой.

Что мы узнали?

Алюминий – амфотерный активный металл с постоянной валентностью. Обладает небольшой плотностью, высокой электропроводностью, пластичностью. Притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля. Алюминий реагирует с кислородом, образуя защитную плёнку, которая препятствует реакциям с водой, концентрированными азотной и серной кислотами. При нагревании взаимодействует с неметаллами и концентрированными кислотами, при обычных условиях – с галогенами и разбавленными кислотами. В оксидах вытесняет менее активные металлы. Не реагирует с водородом.

1. Вопрос 1 из 5

Начать тест(новая вкладка)

Какие факторы могут замедлить процесс?

Существует ряд факторов, которые замедляют процессы коррозии алюминия, а некоторые из них останавливают подобное явление. Выделяют следующие:

Чтобы свойства алюминия, препятствующие коррозии, сохранялись, необходимо поддерживать кислотно-щелочной баланс. Диапазон должен составлять от шести до восьми единиц.
Считается, что чистый металл, без примесей, лучше противостоит агрессивной среде. Учеными были проведены эксперименты. По результатам можно сказать, сплавы чистого алюминия (90%) подвержены коррозии больше, чем сплав, содержащий 99% этого вещества. У первого варианта коррозия наступает в 80 раз быстрее, чем у второго сплава.
Чтобы в агрессивной среде металл дольше не терял свои свойства, его обрабатывают специальной краской. Можно использовать полимерный состав. После обработки появляется дополнительный защитный слой.
Если добавить в сплав при производстве 3% марганца, то появится возможность избежать коррозии алюминия.

Реакции, взаимодействие алюминия с солями. Уравнения реакции:

1. Реакция взаимодействия алюминия и карбоната лития:

3Li₂CO₃ + 2Al → 6Li + Al₂O₃ + 3CO₂ (t = 550-600 °C).

Реакция взаимодействия карбоната лития и алюминия происходит с образованием лития, оксида алюминия и оксида углерода.

2. Реакция взаимодействия алюминия и бромида циркония (IV):

3ZrBr₄ + Al → 3ZrBr₃ + AlBr₃.

Реакция взаимодействия бромида циркония (IV) и алюминия происходит с образованием бромида циркония (III) и бромида алюминия.

3. Реакция взаимодействия алюминия и хлорида циркония (IV):

3ZrCl₄ + Al → 3ZrCl₃ + AlCl₃ (t = 230-270 °C).

Реакция взаимодействия хлорида циркония (IV) и алюминия происходит с образованием хлорида циркония (III) и хлорида алюминия.

4. Реакция взаимодействия алюминия и хлорида кальция:

3CaCl₂ + 2Al → 3Ca + 2AlCl₃ (t = 600-700 °C).

Реакция взаимодействия хлорида кальция и алюминия происходит с образованием кальция и хлорида алюминия.

5. Реакция взаимодействия алюминия и йодида циркония (IV):

3ZrI₄ + Al → 3ZrI₃ + AlI₃ (t = 310 °C).

Реакция взаимодействия йодида циркония (IV) и алюминия происходит с образованием йодида циркония (III) и йодида алюминия.

6. Реакция взаимодействия алюминия, ортофосфата натрия и воды:

2Al + 2Na₃PO₄ + 8H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 2Na₂HPO₄ + 3H₂ (t°).

Реакция взаимодействия алюминия, ортофосфата натрия и воды происходит с образованием тетрагидроксоалюмината натрия, гидроортофосфата натрия и водорода. В ходе реакции используется концентрированный раствор ортофосфата натрия. Реакция протекает при кипении.

7. Реакция взаимодействия алюминия и хлорида железа:

Al + FeCl₃ → Fe + AlCl₃ (t = 200 °C).

Реакция взаимодействия хлорида железа и алюминия происходит с образованием хлорида алюминия и железа.

8. Реакция взаимодействия алюминия и хлорида меди:

3CuCl₂ + 2Al → 2AlCl₃ + 3Cu.

Реакция взаимодействия хлорида меди и алюминия происходит с образованием хлорида алюминия и меди.

9. Реакция взаимодействия алюминия и хлорида алюминия:

2Al + AlCl₃ ⇄ 3AlCl (t > 800 °C).

Реакция взаимодействия хлорида алюминия и алюминия происходит с образованием монохлорида алюминия.

История открытия алюминия

Издавна человеку было известно соединение рассматриваемого металла — алюмокалиевые квасцы. Оно использовалось как средство, способное набухать и связывать между собой компоненты смеси, это было необходимо и при выделке кожаных изделий. О существовании в чистом виде оксида алюминия стало известно в XVIII веке, во второй его половине. Однако при этом чистое вещество получено не было.

Сумел же выделить металл из его хлорида впервые ученый Х. К. Эрстед. Именно он обработал амальгамой калия соль и выделил из смеси серый порошок, который и был алюминием в чистом виде.

Тогда же стало понятно, что химические свойства алюминия проявляются в его высокой активности, сильной восстановительной способности. Поэтому долгое время с ним никто больше не работал.

Однако в 1854 году француз Девиль смог получить слитки металла методом электролиза расплава. Этот способ актуален и по сей день. Особенно массовое производство ценного материала началось в XX веке, когда были решены проблемы получения большого количества электроэнергии на предприятиях.

На сегодняшний день данный металл — один из самых популярных и применяемых в строительстве и бытовой промышленности.

Реакции, взаимодействие алюминия с оксидами. Уравнения реакции:

1. Реакция взаимодействия алюминия и воды:

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂.

Реакция взаимодействия алюминия и воды происходит с образованием гидроксида алюминия и водорода. Реакция протекает при условии отсутствия оксидной пленки на алюминии.

2. Реакция взаимодействия алюминия и оксида алюминия:

4Al + Al₂O₃ ⇄ 3Al₂O (t = 1450 °C).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида алюминия происходит с образованием оксида алюминия (I).

3. Реакция взаимодействия алюминия и оксида железа (III):

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃ (t°).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида железа (III) происходит с образованием железа и оксида алюминия.

4. Реакция взаимодействия алюминия и оксида хрома:

Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃ (t = 800 °C).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида хрома происходит с образованием хрома и оксида алюминия.

5. Реакция взаимодействия алюминия и оксида марганца:

Mn₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Mn (t = 800 °C),

3MnO + 2Al → 3Mn + Al₂O₃ (t = 800 °C).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида марганца происходит с образованием марганца и оксида алюминия.

6. Реакция взаимодействия алюминия и оксида лития:

3Li₂O + 2Al → 6Li + Al₂O₃ (t > 1000 °C).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида лития происходит с образованием лития и оксида алюминия.

7. Реакция взаимодействия алюминия и оксида меди:

3CuO + 2Al → 3Cu + Al₂O₃ (t = 1000-1100 °C).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида меди происходит с образованием меди и оксида алюминия.

8. Реакция взаимодействия алюминия и оксида бария:

3BaO + 2Al → 3Ba + Al₂O₃ (t = 1200 °C).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида бария происходит с образованием бария и оксида алюминия. Реакция протекает в вакууме.

9. Реакция взаимодействия алюминия и оксида кальция:

2Al + 6CaO → 3CaO•Al₂O₃ + 3Ca или 2Al + 6CaO → Ca₃Al₂O₆ + 3Ca (t°),

4CaO + 2Al → 3Ca + Ca(AlO₂)₂ (t = 1200 °C).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида кальция происходит с образованием в первом случае – оксида алюминия-кальция (алюмината трикальция) и кальция, во втором – кальция и алюмината кальция.

10. Реакция взаимодействия алюминия и оксида бора:

B₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2B (t = 800-900 °C).

Реакция взаимодействия алюминия и оксида бора происходит с образованием оксида алюминия и бора.

Причины появления коррозии

Когда встает вопрос о том, ржавеет ли алюминий, необходимо задуматься о причинах, приводящих к коррозии. Различные внешние факторы могут ускорять этот процесс. Причины появления ржавчины на алюминии могут быть следующими:

Взаимодействие с какой-либо кислотой или щелочью.
Механическое давление. Например, трение или сильный удар, после чего появляется царапина на верхнем слое металла.
Существуют промышленные районы. В них продукты распада топлива влияют на оксидную пленку и разрушают ее. Металл начинает портиться. Аналогичная ситуация происходит в мегаполисах, где продукты распада топлива будут взаимодействовать с серой, а также с оксидами углерода. Подобный процесс разрушает пленку на алюминии. После такого рода внешнего воздействия алюминий подвергается коррозии.
Следует помнить, что хлор, фтор, а также бром и натрий могут растворить защитный слой металла.
Если на металл попадают строительные смеси, то он начинает быстро портиться. В данном случае на алюминий неблагоприятно воздействует цемент.
Ржавеет ли алюминий от воды? Если она попадает на лист, то металл может быть подвержен коррозионным процессам. Важно при этом уточнить, какая жидкость оказывает воздействие. Многие используют специальный сплав, который не подвержен коррозии от воды. Его называют дюралюминием. Уникальный сплав используют вместе с медью, а также с марганцем.

Топиарная фигураБабочка

Алюминий в природных водоемах

Естественное насыщение воды металлом происходит за счет попадания в нее алюмосиликатов и некоторых сортов глины. После их растворения начинается взаимодействие алюминия с водой, напрямую зависящее от ее pH. Растворение при естественных условиях происходит медленно, но всегда с выделением гидроксида, боксита, гидрохлорида и других соединений. Содержатся вещества и сам алюминий и в морской воде, и в речной. Но это при нормальных условиях.

В природные воды металл попадает со:

• стоками технических и бытовых вод;
• стоками химических производств (любое производство увеличивают концентрацию алюминия в сточной воде в 2-5 раз);
• строительными сливами и выбросами.

С каждым годом таких выбросов в окружающую среду становится все больше, а контроль за степенью их загрязнения все ниже. В грязных стоках с большим содержанием примесей и взвесей растворимость в воде алюминий проходит быстрее. В водоемы он попадает в виде взвешенных форм, ионов и коллоидов. Именно ионы и оксиды обладают повышенной токсичностью. Они оказывают губительное влияние на большинство живых организмов, обитающих в природных источниках. Согласно нормам, концентрация алюминия в природных водах не должна превышать 0.5 мг/дм3.

Краткая характеристика сульфата алюминия:

Сульфат алюминия – неорганическое вещество белого цвета.

Химическая формула сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃.

Сульфат алюминия – неорганическое химическое соединение, соль серной кислоты и алюминия.

Хорошо растворяется в воде, этиленгликоле. Плохо растворим в этаноле.

С водой сульфат алюминия образует кристаллогидраты с различным содержанием воды Al₂(SO₄)₃·nH₂O, где n может быть вплоть до 18. Наиболее распространенными являются гексадекагидрат Al₂(SO₄)₃·16H₂O и октадекагидрат Al₂(SO₄)₃·18H₂O.

Устойчив при обычной температуре.

Гигроскопичен.

Сульфат алюминия пожаро- и взрывобезопасен. По степени воздействия на организм продукт относится к веществам 3-го класса опасности в соответствии с ГОСТ 12.1.005.

В земной коре сульфат алюминия находится как в свободном чистом состоянии, в форме кристаллогидратов, а также в составе двойных солей.

Сульфат алюминия в чистом состоянии распространён в природе в виде минерала миллозевичита. В форме кристаллогидратов сульфат алюминия встречается в природе в виде минерала алуногена Al₂(SO₄)₃·17H₂O.

Двойные соли сульфат алюминия образует с сульфатами ряда металлов, к которым, к примеру, относится и природный минерал алунит K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·Al(OH)₃.

В пищевой промышленности сульфат алюминия используется в виде добавки  Е520.

Алюминий и вода

Алюминий реагирует с водой по следующим реакциям :

В результате этих реакций образуются, соответственно, следующие соединения алюминия:

• модификация гидроксида алюминия байерит и водород (1)
• модификация гидроксида алюминия богемит и водород (2)
• оксид алюминия и водород (3)

Эти реакции, кстати, представляют большой интерес, при разработке компактных установок для получения водорода для транспортных средств, которые работают на водороде .

Все эти реакции являются термодинамически возможными при температуре от комнатной до температуры плавления алюминия 660 ºС. Все они являются также экзотермическими, то есть происходят с выделением тепла :

• При температуре от комнатной до 280 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al(OH)₃.
• При температуре от 280 до 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является AlO(OH).
• При температуре выше 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al₂O₃.

Таким образом, оксид алюминия Al₂O₃ становится термодинамически более устойчивым, чем Al(OH)₃ при повышенной температуре. Продуктом реакции алюминия с водой при комнатной температуре будет гидроксид алюминия Al(OH)₃.

Реакция (1) показывает, что алюминий должен самопроизвольно реагировать с водой при комнатной температуре. Однако на практике кусок алюминия, опущенный в воду, не реагирует с водой в условиях комнатной температуры и даже в кипящей воде. Дело в том, что алюминий имеет на поверхности тонкий когерентный слой оксида алюминия Al₂O₃. Эта оксидная пленка прочно удерживается на поверхности алюминия и предотвращает его реакцию с водой. Поэтому, чтобы начать и поддерживать реакцию алюминия с водой при комнатной температуре необходимо постоянно удалять или разрушать этот оксидный слой .

Получение

Физические и химические свойства алюминия позволяют получать его только одним способом: электролизом расплава соответствующего оксида. Однако процесс этот технологически сложен. Температура плавления AL₂O₃ превышает 2000 С. Из-за этого подвергать электролизу непосредственно его не получается. Поэтому поступают следующим образом.

1. Добывают бокситы.
2. Очищают их от примесей, оставляя лишь оксид алюминия.
3. Затем плавят криолит.
4. Добавляют туда оксид.
5. Данную смесь элекролизуют и получают чистый алюминий и углекислый газ.

Выход продукта составляет 99,7 %. Однако возможно получение и еще более чистого металла, который используется в технических целях.

Реакции, взаимодействие алюминия с основаниями. Уравнения реакции:

1. Реакция взаимодействия алюминия, гидроксида натрия и воды:

2Al + 6H₂O + 6NaOH → 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂.

Реакция взаимодействия алюминия, гидроксида натрия и воды происходит с образованием гексагидроксоалюмината натрия и водорода. Реакция протекает в горячей воде и концентрированном растворе гидроксида натрия.

2. Реакция взаимодействия алюминия, гидроксида калия и воды:

2Al + 2KOH + 6H₂O → 2K[Al(OH)₄] + 3H₂.

Реакция взаимодействия алюминия, гидроксида калия и воды происходит с образованием тетрагидроксоалюмината калия и водорода. Реакция протекает в горячем концентрированном растворе гидроксида калия.

Алюминий (Al)

Алюминий (квасцы) впервые был полуен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дорооже золота.

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре (массовая доля составляет 7-8%), и третьим по распространенности среди всех элементов после кислорода и кремния. В свободном виде в проироде алюминий не встречается.

Важнейшие природные соединения алюминия:

Рис. Строение атома алюминия.

Алюминий химически активный металл — на его внешнем электронном уровне находятся три электрона, которые участвуют в образовании ковалентных связей при взаимодействии алюминия с другими химическими элементами (см. Ковалентная связь). Алюминий — сильный восстановитель, во всех соединениях проявляет степень окисления +3.

При комнатной температуре алюминий вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной оксидной пленки, которая надежно препятствует процессу дальнейшего окисления (корродирования) металла, в результате чего химическая активность алюминия снижается.

Благодаря оксидной пленке алюминий не вступает в реакцию с азотной кислотой при комнатной температуре, поэтому, алюминиевая посуда является надежной тарой для хранения и трансопртирования азотной кислоты.

Физические свойства алюминия:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• прочный;
• легкий;
• пластичный (протягивается в тонкую проволоку и фольгу);
• обладает высокой электро- и теплопроводностью;
• температура плавления 660°C
• природный алюминий состоит из одного изотопа 27 ₁₃Al

Химические свойства алюминия:

• при снятии оксидной пленки алюминий реагирует с водой:2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂;
• при комнатной температуре вступает в реакции с бромом и хлором с образованием солей:2Al + 3Br₂ = 2AlCl₃;
• при высокой температуре алюминий реагирует с кислородом и серой (реакция сопровождается выделением большого кол-ва тепла): 4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ + Q;2Al + 3S = Al₂S₃ + Q;
• при t=800°C реагирует с азотом:2Al + N₂ = 2AlN;
• при t=2000°C реагирует с углеродом:2Al + 3C = Al₄C₃;
• восстанавливает многие металлы из их оксидов — алюмотермией (при t до 3000°C) получают промышленным способом вольфрам, ванадий, титан, кальций, хром, железо, марганец:8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe;
• с соляной и разбавленной серной кислотой реагирует с выделением водорода: 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂;2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂;
• с концентрированной серной кислотой реагирует при высокой температуре:2Al + 6H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O;
• со щелочами реагирует с выделением водорода и образованием комплексных солей — реакция идет в несколько этапов: при погружении алюминия в раствор щелочи происходит растворение прочной защитной оксидной пленки, которая находится на поверхности металла; после растворения пленки, алюминий, как активиный металл, реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия, который взаимодействует со щелочью, как амфотерный гидроксид:
  • Al₂O₃+2NaOH = 2NaAlO₂+H₂O — растворение оксидной пленки;
  • 2Al+6H₂O = 2Al(OH)₃+3H₂↑ — взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
  • NaOH+Al(OH)₃ = NaAlO₂+2H₂O — взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
  • 2Al+2NaOH+2H₂O = 2NaAlO₂+3H₂↑ — суммарное уравнение реакции алюминия со щелочью.

Алюминий

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре. Свойства алюминия позволяют активно применять в составе металлоконструкций: он легкий, мягкий, поддается штамповке, обладает высокой антикоррозийной устойчивостью.

Для алюминия характерна высокая химическая активность, отличается также высокой электро- и теплопроводностью.

Основное и возбужденное состояние

При переходе атома алюминия в возбужденное состояние 2 электрона s-подуровня распариваются, и один электрон переходит на p-подуровень.

Природные соединения

Получение

Алюминий получают путем электролиза расплава Al₂O₃ в криолите (Na₃AlF₆). Галлий, индий и таллий получают схожим образом — методом электролиза их оксидов и солей.

Химические свойства

Реакции с неметаллами

При комнатной температуре реагирует с галогенами (кроме фтора) и кислородом, покрываясь при этом оксидной пленкой.

Al + Br₂ → AlBr₃ (бромид алюминия)

При нагревании алюминий вступает в реакции с фтором, серой, азотом и углеродом.

Al + F₂ → (t) AlF₃ (фторид алюминия)

Al + S → (t) Al₂S₃ (сульфид алюминия)

Al + N₂ → (t) AlN (нитрид алюминия)

Al + C → (t) Al₄C₃ (карбид алюминия)

Алюминий проявляет амфотерные свойства (греч. ἀμφότεροι — двойственный), вступает в реакции как с кислотами, так и с основаниями.

При прокаливании комплексные соли не образуются, так вода испаряется:

Реакция с водой

При комнатной температуре не идет из-за образования оксидной пленки — Al₂O₃ — на воздухе. Если разрушить оксидную пленку нагреванием раствора щелочи или амальгамированием (покрытием металла слоем ртути) — реакция идет.

Алюминотермия (лат. Aluminium + греч. therme — тепло) — способ получения металлов и неметаллов, заключающийся в восстановлении их оксидов алюминием. Температуры при этом процессе могут достигать 2400°C.

С помощью алюминотермии получают Fe, Cr, Mn, Ca, Ti, V, W.

Оксид алюминия

Оксид алюминия получают в ходе взаимодействия с кислородом — на воздухе алюминий покрывается оксидной пленкой. При нагревании гидроксид алюминия, как нерастворимое основание, легко разлагается на оксид и воду.

Проявляет амфотерные свойства: реагирует и с кислотами, и с основаниями.

Al₂O₃ + NaOH + H₂O → Na[Al(OH)₄] (тетрагидроксоалюминат натрия)

Гидроксид алюминия

Гидроксид алюминия получают в ходе реакций обмена между растворимыми солями алюминия и щелочами. В результате гидролиза солей алюминия часто выпадает белый осадок — гидроксид алюминия.

Проявляет амфотерные свойства. Реагирует и с кислотами, и с основаниями. Вследствие нерастворимости гидроксид алюминия не реагирует с солями.

Al(OH)₃ + LiOH → Li[Al(OH)₄] (при избытке щелочи будет верным написание — Li₃[Al(OH)₆] — гексагидроксоалюминат лития)

Беллевич Юрий Сергеевич

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Водород в алюминии

Единственный газ в алюминии

Водород является единственным газом, который может растворяться в алюминиевом расплаве, так как он не образует соединений с алюминием в отличие от других газов (рисунок 2):

• при 660 ºС в жидком алюминии содержание растворенного водорода составляет 0,69 ppm;
• в твердом алюминии – содержание растворенного водорода составляет только 0,039 ppm.

Рисунок 4 – Растворимость водорода в алюминии

Рисунок 5 -Измерение содержания водорода

Реакция алюминия с водой

Водород попадает в расплавленный алюминий в результате реакции между расплавом и водой, которая в виде влаги находится в футеровке, на инструментах, в легирующих добавках, флюсах и шихте, а также в атмосфере печи.

Реакция между водой и алюминием имеет вид:

3H₂O + 2Al   →  Al₂O₃ + 6H

В результате этой реакции происходит окисление расплава и выделение водорода H₂, который может рассеиваться в окружающей среде или входить в металл. Реакция окисления является экзотермической, то есть происходит с выделением тепла. Эта реакция является настолько химически благоприятной, что практически все следы воды, которые контактирует с алюминием, превращаются в водород и оксид .

Окисление поверхности расплава происходит с образованием на нем оксидной пленки (рисунок 3). Водород является «побочным» продуктом реакции окисления алюминия. Он или уходит в окружающую атмосферу в виде молекулярного водорода H₂, или поглощается расплавом в виде атомарного водорода H .

Рисунок 6 – Реакция алюминия с водяным паром

В газовых плавильных печах с пламенем, направленным на поверхность расплава, создаются благоприятные условия для повышения содержания водорода в жидком алюминии, поскольку при сжигании газа образуется водяной пар:

CH₄ + 2O₂  → CO₂ + 2H₂O

Поэтому алюминиевый расплав при температуре 700 ºС на выходе из газовой плавильной печи обычно имеет содержание водорода 0,3-0,4 мл/100 г .

Влияние легирующих элементов

Легирующие элементы оказывают влияние на растворимость водорода в алюминии, так как они изменяют средний размер атомов расплава и влияют на размер межатомных  «полостей», где располагаются атомы водорода. Легирующие элементы могут увеличивать или снижать растворимость водорода в расплаве алюминия в зависимости от конкретного элемента и его количества :

• кремний, железо и медь снижают;
• магний и литий увеличивают;
• цинк и титан оказывают незначительное влияние.

Ловушки для водорода в алюминии

В расплавленном алюминии водород находится в двух формах :

• атомарный водород, растворенный в алюминии;
• молекулярный водород в виде пузырей.

В твердом алюминии водород находится :

• атомарный водород в твердом растворе;
• молекулярный водород в виде пористости (вместо пузырей);
• молекулярный водород в дефектах кристаллической решетки, таких как вакансии, дислокации и границы зерен.

Места, где водород скапливается, когда выходит из твердого раствора, называют ловушками. Это – вакансии, дислокации, поры, полости, границы зерен. При нагреве в ходе термической обработки молекулярный водород в таких ловушках расширяется и может деформировать окружающий металл с образованием поверхностных дефектов, таких как «пузыри» (рисунок 4) .

Рисунок 7 – Диффузия и скопление водорода в водородных ловушках :
а) границы зерен и внутренние полости (например, поры);
б) полости вблизи поверхности, вызывающие образование «пузырей»

Алюминий и вода

Алюминий реагирует с водой по следующим реакциям :

В результате этих реакций образуются, соответственно, следующие соединения алюминия:

• модификация гидроксида алюминия байерит и водород (1)
• модификация гидроксида алюминия богемит и водород (2)
• оксид алюминия и водород (3)

Эти реакции, кстати, представляют большой интерес, при разработке компактных установок для получения водорода для транспортных средств, которые работают на водороде .

Все эти реакции являются термодинамически возможными при температуре от комнатной до температуры плавления алюминия 660 ºС. Все они являются также экзотермическими, то есть происходят с выделением тепла :

• При температуре от комнатной до 280 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al(OH)₃.
• При температуре от 280 до 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является AlO(OH).
• При температуре выше 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al₂O₃.

Таким образом, оксид алюминия Al₂O₃ становится термодинамически более устойчивым, чем Al(OH)₃ при повышенной температуре. Продуктом реакции алюминия с водой при комнатной температуре будет гидроксид алюминия Al(OH)₃.

Реакция (1) показывает, что алюминий должен самопроизвольно реагировать с водой при комнатной температуре. Однако на практике кусок алюминия, опущенный в воду, не реагирует с водой в условиях комнатной температуры и даже в кипящей воде. Дело в том, что алюминий имеет на поверхности тонкий когерентный слой оксида алюминия Al₂O₃. Эта оксидная пленка прочно удерживается на поверхности алюминия и предотвращает его реакцию с водой. Поэтому, чтобы начать и поддерживать реакцию алюминия с водой при комнатной температуре необходимо постоянно удалять или разрушать этот оксидный слой .