Физические и химические свойства алюминия. Получение алюминия

Алюминий — элемент III периода главной подгруппы III группы. Принадлежит к семейству р-элементов. Валентные электроны алюминия располагаются на s- и р-подуровнях внешнего электронного слоя. Этих электронов три, поэтому алюминий может образовывать три валентные связи, что для него наиболее типично. Поэтому для алюминия обычна степень окисления +3. В некоторых соединениях он имеет степени окисления +2 и +1.

Природные соединения алюминия

Земная кора содержит 8,8% алюминия по массе. По распространенности в природе он занимает четвертое место среди всех элементов (после кислорода, водорода и кремния) и первое среди металлов. Важнейшие природные соединения алюминия — алюмосиликаты, бокситы, корунд и криолит.

Бокситы — горная порода, состоящая главным образом из гидратированного оксида алюминия и оксидов железа, которые придают им красный цвет. Содержат от 30 до 60% Аl2O3. Из бокситов получают алюминий.
Корунд — минерал состава Аl2О3, обладает большой твердостью, его применяют как абразивный материал.
Криолит — минерал состава AlF3•3NaF или Na3AlF6. В настоящее время приготавливается искусственным путем, применяют в металлургии алюминия.

В промышленности алюминий получают электролизом раствора чистого Аl2О3 в расплавленном криолите Na3AlF6 с добавкой AlF3 и CaF2 при температуре 960°С. Криолит используется как растворитель оксида алюминия, кроме того, с добавкой CaF2 он позволяет поддерживать в электролитической ванне температуру плавления не выше 1000°С.
Первым этапом в переработке руд является их очистка от примесей, вторым этапом — тщательное обезвоживание оксида алюминия. Электролиз проводят в стальных электролитических ваннах, у которых имеется внешняя теплоизоляция и внутренняя футеровка из огнеупорного кирпича.
Внутри электролитическая ванна выложена графитовыми блоками, так как расплавленные фториды при высокой температуре растворяют обычную огнеупорную футеровку. Графитовые блоки в основании ванны вместе с расплавленным алюминием служат катодом, а аноды представляют собой угольные стержни, которые смонтированы так, чтобы они могли опускаться по мере их сгорания.
В первую очередь в электролизер загружают криолит и фторид кальция. После их расплавления (теплом, которое выделяется при пропускании электрического тока) добавляют чистый
Al2O3.
Процессы, протекающие при электролизе расплава Аl2О3 в криолите, можно представить следующим образом:

Выделяющийся на аноде кислород окисляет угольные стержни: О2+2С=2СО
2СО+О2=2СO2

Именно поэтому конструкция электролитической ванны такова, что аноды можно опускать по мере их сгорания.
Во время электролиза образующийся металл периодически Удаляется со дна электролизера, он содержит обычно 98,5-99,8% алюминия, механические примеси (адсорбированные газы, электролит, оксид алюминия, уголь) и сплавы с элементами, которые встречаются в алюминиевых рудах (Si, Fe). Механические примеси и адсорбированные газы обычно удаляются переплавкой алюминия-сырца, а железо, кремний удаляют последующим электролитическим рафинированием. После электролитического рафинирования получают алюминий чистоты 99,9%.

Физические свойства

Чистый алюминий представляет собой легкий серебристо-белый металл (плотность 2,7 г/см3 — почти в три раза легче железа), очень пластичный, ковкий и тягучий, температура плавления 660°С, температура кипения — 2452°С. После серебра и меди металлический алюминий — лучший проводник электричества и тепла.
Алюминий легко поддается обработке: прокатывается в фольгу, вытягивается в тонкую проволоку, отливается, легко образует сплавы. При 600°С алюминий становится хрупким и его можно истолочь в зерна или в порошок. Природный алюминий состоит из одного изотопа 2713Al (100%).

Химические свойства

По химическим свойствам алюминий принадлежит к числу весьма активных металлов, обладающих амфотерными свойствами. В ряду напряжений он стоит за щелочноземельными металлами. В чистом виде как на воздухе, так и в воде он может храниться очень долго, т.к. его поверхность со временем покрывается тонким и очень плотным оксидным слоем, который предохраняет его от окисления.
Если оксидную пленку разрушить (например, потереть поверхность алюминия наждачным порошком или опустить его ненадолго в горячий раствор щелочи), то алюминий будет взаимо-действовать с водой:
2Al+6Н2О=2Аl(ОН)3+3H2
Будучи амфотерным элементом, алюминий в различных условиях 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 комплексообразователя:
2Аl+2NaOH+6Н2O=2Na[Al(OH)4]+3H2 Из кислоты алюминий вытесняет водород: 2Аl+6НСl=2АlСl3+3H2
В этом случае он проявляет металлические свойства. Концентрированные азотная и серная кислоты на холоду пассивируют металл (образуется защитная оксидная пленка), поэтому для хранения и перевозки азотной кислоты используют алюминиевую тару. В сильно разбавленном виде азотная кислота на алюминий также не действует, а серная легко растворяет алюминий, особенно при нагревании.
Алюминий легко реагирует с галогенами:
2Аl+3Сl2=2АlСl3
При высоких температурах (700-2000°С) взаимодействует с серой, азотом, углеродом, образуя сульфид Al2S3, нитрид AlN и карбид алюминия Аl4С3 соответственно: 2Al+3S=Al2S3
2Аl+N2=2AlN 4Аl+3С=Аl4С3
Алюминий, введенный в пламя в виде стружки или порошка, ярко горит, выделяя большое количество энергии: 4Аl+3О2= 2Аl2О3
Эта особенность алюминия широко используется для получения различных металлов и неметаллов из оксидов путем восстановления их алюминием. Впервые метод восстановления металлов из их оксидов алюминием был применен русским ученым Н. Н. Бекетовым и получил название алюминотермии.
Алюминотермией называют реакции, протекающие между
оксидами металлов и алюминием с образованием соответствующего свободного металла и оксида алюминия. Алюмотермией можно получить только те металлы, теплота образования оксидов
которых меньше теплоты образования оксида алюминия. Этим способом получают в промышленности такие металлы, как Cr, Mn, Ti,
W, а также Si:
Cr2O3+2Аl=2Cr+Аl2О3
Тонко измельченная смесь алюминия и железной окалины носит название термита (25% Fe3O4 и 75% Аl) и применяется для сварки различных металлических деталей, например рельсов. При поджигании термита происходит следующая реакция:
3Fe3O4+8Al=4Аl2О3+9Fe
При этом выделяется большое количество тепла и развивается высокая температура (до 3500°С). Поскольку температура плавления железа намного меньше этой температуры, то оно расплавляется и, выливаясь на рельсы, сваривает их.

Применение алюминия и его сплавов

Алюминий широко применяется в технике. Крупным потребителем его является авиационная промышленность: самолет состоит на 2/3 из алюминия и его сплавов, а авиационный мотор — на 1/4 из сплавов алюминия. Поэтому его называют крылатым металлом. Из алюминия изготавливают кабели и провода. Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготавливают детали аппаратов и тару для азотной кислоты. Корпуса автобусов, троллейбусов, цельнометаллических вагонов делают из алюминия и его сплавов. Из алюминия изготавливают упаковку для пищевых продуктов и посуду. Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии. В производстве металлов алюминий занимает второе место после железа.