III группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (Алюминий)

Общая характеристика алюминия

Алюминий – лёгкий серебристо-белый металл, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Аl — довольно активный металл, однако при обычных условиях ведет себя инертно — имеет высокую температуру воспламенения, со многими веществами реагирует только при высокой температуре;

Все реакции с участием Al проходят через первоначальный замедленный период из-за наличия на его поверхности очень тонкой, прочной, газо- и водонепроницаемой пленки Al₂O₃. При нарушении цельности этой пленки AI реагирует со многими веществами как активный восстановитель.

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы, в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронная конфигурация алюминия:

Нахождение алюминия в природе

Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния).

Содержание в земной коре  — примерно 8,6 %.

В природе алюминий встречается в виде соединений:

• Бокситы — Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)
• Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄
• Алуниты — (Na,K)₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃
• Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)
• Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al₂O₃
• Полевые шпаты — (K,Na)₂O·Al₂O₃·6SiO₂, Ca[Al₂Si₂O₈]
• Каолинит — Al₂O₃·2SiO₂ · 2H₂O
• Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al₂О₃ · 6SiO₂
• Хризоберилл (александрит) — BeAl₂O₄.

Способы получения алюминия

Промышленный способ:

Электролиз Al₂O₃ в расплавленном криолите (Na₃AlF₆)

Алюминий получают электролизом Al₂O₃ в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) при температуре 960–970°С:

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

Процесс электролиза можно представить так:

Al₂O₃ → Al³⁺ + AlO₃^3-

На катоде происходит восстановление ионов алюминия, а на аноде — окисление алюминат-ионов:

К: Al³⁺ +3e → Al⁰

А: 4AlO₃^3- — 12e → 2Al₂O₃ + 3O₂

Лабораторный способ:

Вакуумтермический способ

Восстановление безводного хлорида алюминия металлическим калием (при нагревании и без доступа воздуха)

AlCl₃ + ЗК = Al + 3KCl

Химические свойства алюминия

Качественные реакции

• Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При этом выпадает полупрозрачный белый осадок гидроксида алюминия:

AlCl₃ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃↓ + 3NH₄Cl

• Качественной является реакция взаимодействия солей алюминия с недостатком щелочей. При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия:

AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl

При дальнейшем добавлении щелочи осадок гидроксида алюминия растворяется с образованием комплексного соединения тетрагидроксоалюмината:

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

Обратите внимание, если изначально поместить соль алюминия в избыток раствора щелочи, то сразу образуется растворимый тетрагидроксоалюминат:

AlCl₃ + 4NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl

Видео Взаимодействие алюминия с раствором аммиака

Взаимодействие с простыми веществами – неметаллами

С кислородом

С кислородом взаимодействуют с образованием прочной оксидной пленки — оксида.

При нагревании сгорает с выделением большого количества теплоты (экзотермическая реакция):

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ + Q

При этом может развиваться температура до 3500⁰С.

С галогенами (F, Cl, Br, I)

Реагирует сгалогенами с образованием галогенидов:

2Al + 3I₂ → 2AlI₃

С водородом

C водородом алюминий непосредственно не соединяется

С серой и фосфором

Взаимодействует с серой при нагревании до 150 -200⁰С с образованием сульфида:

2Al + 3S  → Al₂S₃

С фосфором образует фосфид:

Al + P → AlP

С азотом

С азотом взаимодействует при нагревании до 1000^оС с образованием нитрида:

2Al + N₂ → 2AlN

С углеродом

С углеродом взаимодействует при нагревании примерно до 2000^оС с образованием карбида:

4Al + 3С  → Al₄С₃

Взаимодействие со сложными веществами

С водой

Алюминий покрыт стойкой защитной оксидной пленкой Al₂O₃, которая защищает алюминий от дальнейшего окисления и действия воды.

При снятии защитной пленки алюминий бурно реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия и водорода:

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ +3H₂↑

Оксидную пленку можно удалить с помощью растворов щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование)

С кислотами

• С растворами кислот-неокислителей (HCl, H₂SO₄, H₃PO₄) взаимодействуют с образованием соли и выделением водорода:
  2Al + 6HCl →2AlCl₃ + 3H₂↑

• С кислотами-окислителями (HNO₃ и конц. H₂SO₄):

Алюминий не реагирует с концентрированными азотной и серной кислотами из-за пассивации.

Однако, при нагревании реакции протекают довольно активно:

Al + 6HNO_3(конц.) = Al(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O

8Al + 15H₂SO_4(конц.) = 4Al₂(SO₄)₃ + 3H₂S↑ + 12Н₂O

С разбавленной азотной кислотой взаимодействует при обычной Т медленно при нагревании — быстро:

10Al + 36HNO_{3 (разб)} → 3N₂ + 10Al(NO₃)₃ + 18H₂O

8Al + 30HNO_{3 (оч.разб)} = 8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O

С щелочами

Алюминий взаимодействует с щелочами. При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:

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

Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:

2Al + 6NaOH → NaAlO₂ + 3H₂↑ + Na₂O

С солями

При нагревании реагирует с растворами солей менее активных металлов:

2Al + 3CuCl₂ → 2AlCl₃ + 3Cu

Al + FeCl₃ →  AlCl₃ + Fe

С оксидами

Алюминий при нагревании восстанавливает менее активные металлы из их оксидов:

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃

Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Этот метод широко используется при получении металлов и называется алюмотермией.

Видео Горение алюминия