Химические свойства алюминия окисление взаимодействие алюминия с

Алюминий – химически активный металл, но прочная оксидная пленка определяет его стойкость при обычных условиях. Практически во всех химических реакциях алюминий проявляет восстановительные свойства.

    Взаимодействие с неметаллами

С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:

реакция сопровождается большим выделением тепла.

Выше 200°С реагирует с серой с образованием сульфида алюминия:

При 500°С – с фосфором, образуя фосфид алюминия:

При 800°С реагирует с азотом, а при 2000°С – с углеродом, образуя нитрид и карбид:

С хлором и бромом взаимодействует при обычных условиях, а с йодом при нагревании, в присутствии воды в качестве катализатора:

С водородом непосредственно не взаимодействует.

С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения – алюминиды, например, CuAl2, CrAl7, FeAl3 и др.

Взаимодействие с водойХимические свойства алюминия окисление взаимодействие алюминия с

Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:

в результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

Взаимодействие с кислотами

Легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O (в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония).

С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:

Взаимодействие со щелочами

Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:

в растворе с образованием тетрагидроксодиакваалюмината натрия:

при сплавлении с образованием алюминатов:

Восстановление металлов из оксидов и солей

Алюминий – активный металл, способен вытеснять металлы из их оксидов. Это свойство алюминия нашло практическое применение в металлургии:

Коррозия алюминия – разрушение металла под влиянием окружающей среды.

Для реакции Al 3+ +3e → Al стандартный электродный потенциал алюминия составляет -1,66 В.

Температура плавления алюминия — 660 °C.

Плотность алюминия — 2,6989 г/см 3 (при нормальных условиях).

Алюминий, хоть и является активным металлом, отличается достаточно хорошими коррозионными свойствами. Это можно объяснить способностью пассивироваться во многих агрессивных средах.

Коррозионная стойкость алюминия зависит от многих факторов: чистоты металла, коррозионной среды, концентрации агрессивных примесей в среде, температуры и т.д. Сильное влияние оказывает рН растворов. Оксид алюминия на поверхности металла образуется только в интервале рН от 3 до 9!

Очень сильно влияет на коррозионную стойкость Al его чистота. Для изготовления химических агрегатов, оборудования используют только металл высокой чистоты (без примесей), например алюминий марки АВ1 и АВ2.

Коррозия алюминия не наблюдается только в тех средах, где на поверхности металла образуется защитная оксидная пленка.

При нагревании алюминий может реагировать с некоторыми неметаллами:

2Al + N2 → 2AlN – взаимодействие алюминия и азота с образованием нитрида алюминия;

4Al + 3С → Al4С3 – реакция взаимодействия алюминия с углеродом с образованием карбида алюминия;

2Al + 3S → Al2S3 – взаимодействие алюминия и серы с образованием сульфида алюминия.

Коррозия алюминия на воздухе (атмосферная коррозия алюминия)

Алюминий при взаимодействии с воздухом переходит в пассивное состояние. При соприкосновении чистого металла с воздухом на поверхности алюминия мгновенно появляется тонкая защитная пленка оксида алюминия. Далее рост пленки замедляется. Формула оксида алюминия – Al2O3 либо Al2O3•H2O.

Реакция взаимодействия алюминия с кислородом:

Толщина этой оксидной пленки составляет от 5 до 100 нм (в зависимости от условий эксплуатации). Оксид алюминия обладает хорошим сцеплением с поверхностью, удовлетворяет условию сплошности оксидных пленок. При хранении на складе, толщина оксида алюминия на поверхности металла составляет около 0,01 – 0,02 мкм. При взаимодействии с сухим кислородом – 0,02 – 0,04 мкм. При термической обработке алюминия толщина оксидной пленки может достигать 0,1 мкм.

Алюминий достаточно стоек как на чистом сельском воздухе, так и находясь в промышленной атмосфере (содержащей пары серы, сероводород, газообразный аммиак, сухой хлороводород и т.п.). Т.к. на коррозию алюминия в газовых средах не оказывают никакого влияния сернистые соединения – его применяют для изготовления установок переработки сернистой нефти, аппаратов вулканизации каучука.

Коррозия алюминия в воде

Коррозия алюминия почти не наблюдается при взаимодействии с чистой пресной, дистиллированной водой. Повышение температуры до 180 °С особого воздействия не оказывает. Горячий водяной пар на коррозию алюминия влияния также не оказывает. Если в воду, даже при комнатной температуре, добавить немного щелочи – скорость коррозии алюминия в такой среде немного увеличится.

Читайте также:  Как обнаружить жучки для прослушки

Взаимодействие чистого алюминия (не покрытого оксидной пленкой) с водой можно описать при помощи уравнения реакции:

При взаимодействии с морской водой чистый алюминий начинает корродировать, т.к. чувствителен к растворенным солям. Для эксплуатации алюминия в морской воде в его состав вводят небольшое количество магния и кремния. Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов, при воздействии морской воды, значительно снижается, если в состав метала будет входить медь.

Коррозия алюминия в кислотах

С повышением чистоты алюминия его стойкость в кислотах увеличивается.

Коррозия алюминия в серной кислоте

Для алюминия и его сплавов очень опасна серная кислота (обладает окислительными свойствами) средних концентраций. Реакция с разбавленной серной кислотой описывается уравнением:

Концентрированная холодная серная кислота не оказывает никакого влияния. А при нагревании алюминий корродирует:

При этом образуется растворимая соль – сульфат алюминия.

Al стоек в олеуме (дымящая серная кислота) при температурах до 200 °С. Благодаря этому его используют для производства хлорсульфоновой кислоты (HSO3Cl) и олеума.

Коррозия алюминия в соляной кислоте

В соляной кислоте алюминий или его сплавы быстро растворяются (особенно при повышении температуры). Уравнение коррозии:

Аналогично действуют растворы бромистоводородной (HBr), плавиковой (HF) кислот.

Коррозия алюминия в азотной кислоте

Концентрированный раствор азотной кислоты отличается высокими окислительными свойствами. Алюминий в азотной кислоте при нормальной температуре исключительно стоек (стойкость выше, чем у нержавеющей стали 12Х18Н9). Его даже используют для производства концентрированной азотной кислоты методом прямого синтеза

При нагревании коррозия алюминия в азотной кислоте проходит по реакции:

Коррозия алюминия в уксусной кислоте

Алюминий обладает достаточно высокой стойкостью к воздействию уксусной кислоты любых концентраций, но только если температура не превышает 65 °С. Его используют для производства формальдегида и уксусной к-ты. При более высоких температурах алюминий растворяется (исключение составляют концентрации кислоты 98 – 99,8%).

В бромовой, слабых растворах хромовой (до10%), фосфорной (до 1%) кислотах при комнатной температуре алюминий устойчив.

Слабое влияние на алюминий и его сплавы оказывают лимонная, масляная, яблочная, винная, пропионовая кислоты, вино, фруктовые соки.

Щавелевая, муравьиная, хлорорганические кислоты разрушают металл.

На коррозионную стойкость алюминия очень сильно влияет парообразная и капельножидкая ртуть. После недолгого контакта металл и его сплавы интенсивно корродируют, образуя амальгамы.

Коррозия алюминия в щелочах

Щелочи легко растворяют защитную оксидную пленку на поверхности алюминия, он начинает реагировать с водой, в результате чего металл растворяется с выделением водорода (коррозия алюминия с водородной деполяризацией).

Также оксидную пленку разрушают соли ртути, меди и ионы хлора.

Из элементов главной подгруппы III группы мы рассмотрим лишь алюминий как элемент, имеющий наиболее важное практическое значение. Алюминий — элемент третьего периода. Заряд ядра атома +13. Электроны располагаются на трех энергетических уровнях: 2, 8, 3. Электронная конфигурация атома алюминия (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 1 ):

Химические свойства алюминия окисление взаимодействие алюминия с

Алюминий принадлежит к семейству р-элементов.
Валентные электроны алюминия располагаются на s-оболочке и р-оболочке внешнего электронного слоя. Этих электронов три, поэтому алюминий может образовывать три валентных связи, что для него наиболее типично. Единственная степень окисления алюминия, которую он может проявлять, не считая нейтрального состояния, равна +3. Таким образом, в окислительно-восстановительных процессах алюминий ведет себя как восстановитель.

■ 73. Почему алюминий относится к р -элементам? (См. Ответ)
74. Какие степени окисления возможны для алюминия?
75. Начертите схему строения Аl +3 .
76. Каково поведение алюминия в окислительно-восстановительных реакциях?(См. Ответ)

Алюминий Al — серебристо-белый металл. Его атомный вес 26,98. Плотность алюминия 2,7, температура плавления 660°, температура кипения 2060°. Алюминий принадлежит к группе легких металлов. Алюминий обладает высокой электропроводностью, равной 0,6 электропроводности меди, поэтому при большем сечении алюминиевых проводов электропроводность их равна медным, а вес гораздо меньше.
Впервые алюминий был получен в 1827 г. Велером и стоил весьма дорого, так как методы его получения еще не были разработаны и уровень развития электротехники был еще слишком низок для массового получения этого металла. В настоящее время это один из самых дешевых и широко распространенных металлов.

По химическим свойствам алюминий принадлежит к числу весьма активных металлов, обладающих амфотерньми свойствами. В ряду активности он занимает место за щелочноземельными металлами. Но в чистом виде как на воздухе, так и в воде он может храниться очень долго, так как его поверхность со временем покрывается тонким и очень прочным слоем окиси, которая предохраняет его от окисления.
Для того чтобы наблюдать окисление алюминия на воздухе, необходимо сначала освободиться от защитной пленки. Для этого алюминий сначала протирают наждачной шкуркой, а затем кипятят в щелочи. Окись алюминия, как и сам металл, проявляет амфотерные свойства, а потому растворяется в щелочи. После этого алюминий опускают в раствор какой-либо соли ртути, например нитрата ртути Hg(NO3)2. Алюминий как более активный металл вытесняет ртуть из ее соли:
2Аl + 3Hg(NO3)2 = 2Al(NO3)3 + 3Hg
Ртуть отлагается на поверхности алюминия, образуя сплав алюминия с ртутью — алюминиевую «амальгаму» (сплавы ртути с металлами называются амальгамами). Такой сплав не способен образовывать защитную пленку окиси, а алюминий в амальгаме постепенно окисляется до окиси алюминия по уравнению:
4Аl + 3O2 = 2Аl2O3
Но поскольку амальгама покрывает алюминий неравномерно, окисление идет местами и окись алюминия заметна на поверхности металла в виде пушистой щетки (рис. 80).

Читайте также:  Для чего используется ацетилен

Химические свойства алюминия окисление взаимодействие алюминия с

Интересно взаимодействие алюминия с галогенами — с бромом и йодом. Для реакции используются порошкообразный алюминий и жидкий бром, а для реакции с йодом— смесь порошка йода с алюминием (см. § 38). Во всех случаях алюминий ведет себя как восстановитель.

Рис. 80. Образование окиси алюминия на амальгированной поверхности металл.
При высокой температуре алюминий вытесняет некоторые металлы из их окислов. Это свойство нашло применение. Если смешать окись железа с алюминиевым порошком и поджечь с помощью магниевой вспышки, то произойдет реакция:
Fe2О3 + 2Аl = Аl2O3 + 2Fe.
которая сопровождается выделением большого количества тепла. За счет этого тепла образующееся свободное железо плавится и может быть выпущено из тигля, в котором происходит реакция, через находящееся внизу отверстие. Такая выплавка металлов называется алюминотермией; в технике она применяется очень широко. Некоторые металлы можно получить только алюминотермическим путем. Этот процесс был впервые осуществлен Н. Н. Бекетовым.

Алюминий является амфотерным металлом. В различных условиях он ведет себя по-разному. В растворе щелочи алюминий вытесняет из воды водород, образуя соль алюминиевой кислоты — алюминат натрия (или калия), в котором он играет роль кислотообразующего элемента:
2Аl + 2NaOH + 2Н2O = 2NaAlO2 + 3H2↑

Из кислоты алюминий вытесняет водород:

2Аl + 6НСl = 2АlСl3 + 3H2↑
В этом случае он проявляет металлические свойства.
Концентрированные азотная и серная кислоты на алюминий не действуют, так как на его поверхности образуется защитная пленка, предохраняющая металл от дальнейшего окисления. В разбавленном виде азотная кислота на алюминий также не действует, а серная действует в слабой степени.

■ 77. Перечислите химические свойства алюминия и обоснуйте свой ответ уравнениями реакций. (См. Ответ)
78. Почему ртуть называют «алюминиевым ядом»?
79. Почему бытовые изделия из алюминия служат длительное время и не подвергаются окислению?
80. Что такое алюминотермия?
81. Сухая смесь состоит из порошков алюминий, железа и угля. При обработке 6 г этой смеси соляной кислотой выделилось 4,48 л водорода, а при обработке того же количества смеси раствором едкого кали — 3,36 л водорода. Определите состав смеси в граммах.
82. Имеется 200 г пиролюзита, содержащего 87% двуокиси марганца. Сколько алюминия потребуется для восстановления из него марганца алюминотермическим путем.
83. Как следует обработать алюминий, чтобы он окислялся на воздухе?
84. В трех пробирках находятся разбавленные кислоты — соляная, серная и азотная. Как, имея кусочки алюминия, определить, в какой пробирке какая кислота?
85. Сколько алюмината натрия получится при взаимодействии со щелочью 27 г алюминия? (См. Ответ)

Соединения алюминия. Алюминий в природе

Окись и гидроокись алюминия являются ярко выраженными амфотерными соединениями. Они легко вступают во взаимодействие как со щелочами, так и с кислотами. Молекулу гидроокиси алюминия можно представить в двух формах — в форме основания Аl(ОН)3 и в форме кислоты Н3АlO3. В тех случаях, когда гидроокись алюминия попадает в кислоту, она ведет себя как основание:
Аl(ОН)3 + 3HCl = АlСl3 + 3Н2O
При взаимодействии с сильными щелочами гидроокись алюминия реагирует как кислота:
Н3АlO3 + 3NaOH = Na3AlO3 + 3Н2O

• Оба уравнения напишите в ионной форме

Получается соль трехосновной ортоалюминиевой кислоты, называемая ортоалюминатом натрия. Но такой состав у солей бывает редко. Чаще всего ортоалюминиевая кислота в щелочной среде распадается по уравнению:
Н3АlO3 = Н2O + НАlO2
образуя одноосновную метаалюминиевую кислоту НАlO3. Соли этой кислоты называются метаалюминатами, или просто алюминатами. Реакция между метаалюминиевой кислотой и щелочью выражается следующим уравнением:
НАlO2 + NaOH = NaAlO2 + Н2О
Совершенно так же ведет себя окись алюминия. В кислотах как основной окисел она образует соли алюминия:
Аl2O3 + 6НСl = 2АlСl3 + 3Н2O
в щелочах же — как кислотный окисел и образует алюминаты щелочных металлов:
Аl2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + Н2O
Алюминат натрия, попадая в кислую среду, претерпевает немедленное превращение:
2NaAlO2 + H2SO4 = Na2SO4 + 2НАlO2

Читайте также:  Токарный станок 16б16кп технические характеристики

НАlO2 + Н2О = Аl(ОН)3

2Аl(ОН)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6Н2O
Таким образом, в конечном итоге получаются следующие продукты:
2NaAlO2 + 4H2SO4 = Na2SO4 + Al2(SO4)3 + 4H2O

• Напишите приведенные уравнения реакций в ионной форме.

■ 86. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения:
Аl → АlСl3 → Аl(ОН)3 → NaAlO2 → Al2(SO4)3 (См. Ответ)
(все уравнения записывайте в полной и сокращенной ионной форме).
87 Имеются алюминий, соляная кислота, едкий натр. Как можно получить гидроокись алюминия?
88. Какова нормальность раствора едкого натра, если на растворение 39 г гидроокиси алюминия израсходовано 200 мл этого раствора?
89. Докажите при помощи уравнений реакций, что окись и гидроокись алюминия — амфотерные соединения.
90. Получится ли алюминат натрия, и если да, то в каком количестве, если на 15 г сульфата алюминия подействовать 50 г едкого натра? (См. Ответ)

Среди соединений алюминия выделяются лишь некоторые его соли. Особенно важен хлорид алюминия АlCl3, незаменимый в промышленности органического синтеза, где он играет роль катализатора во многих процессах. Сульфат алюминия Al(SO4)3 · 18Н2О применяется как коагулянт при очистке водопроводной воды, а также в производстве бумаги. Двойная соль алюминия и калия — алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2 · 12Н2O обладает высокими вяжущими свойствами и применяется при дублении кожи, а также в медицинской практике как кровоостанавливающее средство.
В природе алюминий встречается очень широко и по распространенности элементов стоит на третьем месте. Вследствие высокой химической активности алюминий в природе встречается только в виде соединений. Он входит в состав алюмосиликатов — глины, слюды, полевого шпата, каолина и др. Главной алюминиевой рудой является боксит АlO3 · nН2O, из которого получают алюминий при участии другого соединения алюминия — криолита AlF3 · 3NaF.
Твердая кристаллическая окись алюминия, окрашенная примесью окиси железа в желто-бурый цвет, называется корундом. Корунд обладает высокой твердостью, поэтому применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т. д. Прозрачные кристаллы корунда, окрашенные незначительными примесями, представляют собой драгоценные камни: рубин — красного, сапфир — синего цвета.

Производство и применение алюминия

Металлический алюминий получают электролизом раствора окиси алюминия, называемой глиноземом, в расплавленном криолите. Окись алюминия добывают из боксита путем длительной очистки, а криолит получают либо из природного минерала, либо искусственным путем, причем последний способ в настоящее время даже дешевле. Процесс ведут в электрических печах при температуре около 1000°, силе тока около 50 000 а и напряжении 4—5 в (рис. 81).

Применяется алюминий главным образом в виде сплавов с другими металлами, так как он слишком мягок. Наиболее распространенными сплавами являются силумин — сплав алюминия с кремнием, дюралюминий, в состав которого, помимо алюминия, входят небольшие количества магния, железа, меди, марганца, магналий — сплав алюминия с магнием. Все эти сплавы легкие и прочные. Силумин применяется главным образом для литья, дюралюминий и магналий — в самолетостроении, машиностроении, судостроении, для изготовления посуды.
Алюминием покрывают поверхность стальных и железных изделий, что предохраняет их от коррозии. Для этого стальное изделие выдерживают некоторое время в расплавленном алюминии или нагревают в порошке алюминия, который образует на поверхности сплав с металлом.

Химические свойства алюминия окисление взаимодействие алюминия с

Такие изделия не окисляются даже при высокой температуре. Этот способ предохранения металлов от окисления называется алитированием.

Рис. 81. Схема промышленной установки для получения алюминия
электролизом.
1 — крепление для анода; 2— штырь для подключения к сети угольного анода; 3 —корка застывшего электролита; 4 — наружный кожух; 5 — кирпичные стенки; 6 —графитовая обкладка; 7, 8 —катод; 9 — расплавленный алюминий; 10 — расплавленный электролит.

Алюминий широко применяется для изготовления проводов в электротехнике и алюминиевых выпрямителей, алюминиевая пыль — как краска для имитации под серебро, алюминиевый порошок —при алюминотермической сварке металлов.

■ 91. Глинозем содержит 91,8% окиси алюминия. Сколько можно получить алюминия из 2 т глинозема, если выход алюминия составляет 80% теоретического?
92. Используя материал § 104 и 106, составьте и заполните таблицу. (См. Ответ)

Применение алюминия

93. Используя материал § 105, составьте и заполните таблицу.