Алюминий и его соединения

Алюминий — лёгкий металл серебристо-белого цвета с высокой пластичностью и ковкостью. Плотность алюминия составляет около 2,70 г/см³, что почти в три раза меньше плотности железа. Температура плавления — 660,3 °C, температура кипения — 2470 °C. Металл характеризуется хорошей теплопроводностью и электропроводностью, хотя она ниже, чем у меди. Алюминий устойчив к атмосферной коррозии благодаря образованию на поверхности тонкой защитной оксидной плёнки Al₂O₃, которая препятствует дальнейшему окислению.

Химические свойства алюминия

Алюминий является амфотерным металлом. Он реагирует с кислотами, щелочами и оксидами металлов, проявляя как металлические, так и неметаллические свойства.

Взаимодействие с кислородом и оксидами:

4Al + 3O2 → 2Al2O3

Оксид алюминия образует прочную защитную плёнку на поверхности металла.

Взаимодействие с кислотами:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑

Взаимодействие с щелочами:

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

Амфотерность алюминия проявляется в способности оксида и гидроксида растворяться в кислотах и щелочах:

Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]

Получение алюминия

Основной промышленный метод получения алюминия — электролиз расплава криолита (Na₃AlF₆) с оксидом алюминия (Al₂O₃), добываемым из бокситов.

Электролитический процесс:

  • Анод: угольный, происходит окисление углерода:

C + O2 → CO2

  • Катод: выделение чистого алюминия:

Al3+ + 3e− → Al

Металл осаждается на дне электролитической ванны и затем извлекается.

Соединения алюминия

Алюминий образует разнообразные соединения, включая оксиды, гидроксиды, галогениды, алюминаты и комплексные соединения.

Оксиды и гидроксиды:

  • Al₂O₃ — амфотерный оксид, применяется в огнеупорах, абразивах и как катализатор.
  • Al(OH)₃ — амфотерный гидроксид, используется для получения алюминиевых солей и как антацид.

Галогениды:

  • AlCl₃ — важное вещество в органическом синтезе (катализатор Фриделя–Крафтса).
  • AlF₃, AlBr₃ — обладают аналогичными Lewis-кислотными свойствами.

Алюминаты и комплексные соединения:

  • Na[Al(OH)₄] — алюминат натрия, образуется при растворении Al(OH)₃ в щелочи.
  • Комплексные соединения алюминия включают разнообразные катионы и анионы, где алюминий проявляет координационную способность, образуя тетраэдрические и октаэдрические комплексы.

Применение алюминия и его соединений

  • Металлургия и конструкционные материалы: алюминий применяется в авиации, автомобилестроении, судостроении благодаря лёгкости и коррозионной стойкости.
  • Химическая промышленность: Al₂O₃ используется как катализатор, абразив; AlCl₃ — как катализатор органических реакций.
  • Стекольная и керамическая промышленность: алюминаты и оксиды алюминия входят в состав огнеупоров и керамики.
  • Медицина и фармацевтика: гидроксид алюминия используется как антацид, фосфатные соли — как адсорбенты и коагулянты в очистке воды.

Биологическая роль и токсичность

Алюминий не является жизненно необходимым элементом для человека, но встречается в окружающей среде и продуктах питания. Избыточное потребление алюминия может оказывать нейротоксическое действие, связываясь с белками и ферментами. Основной путь выведения — почки. Соединения алюминия применяются в медицине в контролируемых количествах, например, гидроксид алюминия в качестве антацида.

Структура кристаллов и сплавы

Чистый алюминий кристаллизуется в кубической гранецентрированной решётке. Легирующие элементы, такие как медь, магний, кремний, создают алюминиевые сплавы, обладающие повышенной прочностью и термостойкостью. Эти сплавы широко применяются в авиации и строительстве.

Коррозионная стойкость

Защитная плёнка оксида алюминия обеспечивает пассивацию металла. При повреждении поверхности оксид быстро восстанавливается за счёт реакции с кислородом воздуха или воды. Амфотерные свойства оксида и гидроксида алюминия позволяют регулировать коррозионные процессы с помощью кислот или щелочей.

Реакционная способность и катализ

AlCl₃ и другие соединения алюминия проявляют активность как Lewis-кислоты, катализируя множество органических реакций: алкилирование, ацилирование, полимеризацию. Алюминий также применяется в восстановительных процессах, например, в термитной реакции:

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

Реакция сопровождается высокой температурой и используется для сварки и получения чистого железа в лабораторных и промышленных условиях.

Оглавление