Химическая характеристика алюминия. Строение атома алюминия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алюминий расположен в третьем периоде, III группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы. Это первый p-элемент 3-го периода.

Металл. Обозначение - Al. Порядковый номер - 13. Относительная атомная масса - 26,981 а.е.м.

Электронное строение атома алюминия

>

Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра (+13), внутри которого находится 13 протонов и 14 нейтронов. Ядро окружено тремя оболочками, по которым движутся 13 электронов.

Рис. 1. Схематическое изображение строения атома алюминия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

13Al) 2) 8) 3 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На внешнем энергетическом уровне алюминия находится три электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид:

Теоретически возможно возбужденное состояние для атома алюминия за счет наличия вакантной 3d -орбитали. Однако распаривания электронов 3s -подуровня на деле не происходит.

Примеры решения задач

>

ПРИМЕР 1

Свойства 13 Al.

Атомная масса	26,98	кларк, ат.% (распространненость в природе)	5,5
Электронная конфигурация*		Агрегатное состояние (н. у.).	твердое вещество
	0,143	Цвет	серебристо-белый
	0,057		695
Энергия ионизации	5,98		2447
Относительная электроотрицательность	1,5	Плотность	2,698
Возможные степени окисления	1, +2,+3	Стандартный электродный потенциал	1,69

*Приведена конфигурация внешних электронных уровней атома элемента. Конфигурация остальных электронных уровней совпадает с таковой для благородного газа, завершающего предыдущий период и указанного в скобках.

Алюминий — основной представитель металлов главной подгруппы III группы периодической системы. Свойства его аналогов — галлия, индия и таллия — во многом напоминают свойства алюминия, поскольку все эти элементы имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего уровня ns 2 np 1 и поэтому все они проявляют степень окисления 3+.

Физические свойства. Алюминий — серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Поверхность металла покрыта тонкой, но очень прочной пленкой оксида алюминия Аl 2 Oз.

Химические свойства. Алюминий весьма активен, если нет защитной пленки Аl 2 Oз. Эта пленка препятствует взаимодействию алюминия с водой. Если удалить защитную пленку химическим способом (например, раствором щелочи), то металл начинает энергично взаимодействовать с водой с выделением водорода:

Алюминий в виде стружки или порошка ярко горит на воздухе, выделяя большое количество энергии:

Эта особенность алюминия широко используется для получения различных металлов изих оксидов путем восстановления алюминием. Метод получил название алюмотермии . Алюмотермией можно получить только те металлы, у которых теплоты образования оксидов меньше теплоты образования Аl 2 Oз, например:

При нагревании алюминий реагирует с галогенами серой, азотом и углеродом, образуя при этом соответственно галогениды:

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются образованием гидроксида алюминия и соответственно сероводорода и метана.

Алюминий легко растворяется в соляной кислоте любой концентрации:

Концентрированные серная и азотная кислоты на холоде не действуют на алюминий (пассивируют). При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

В разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с выделением водорода:

В разбавленной азотной кислоте реакция идет с выделением оксида азота (II):

Алюминий растворяется в растворах щелочей и карбонатов щелочных металлов с образованием тетрагидроксоалюминатов:

Оксид алюминия. Al 2 O 3 имеет 9 кристаллических модификаций. Самая распространенная a - модификация. Она наиболее химически инертна, на ее основе выращивают монокристаллы различных камней для использования с ювелирной промышленности и технике.

В лаборатории оксид алюминия получают, сжигая порошок алюминия в кислороде или прокаливая его гидроксид:

Оксид алюминия, будучи амфотерным, может реагировать не только с кислотами, но и с щелочами, а также при сплавлении с карбонатами щелочных металлов, давая при этом метаалюминаты:

и с кислыми солями:

Гидроксид алюминия — белое студенистое вещество, практически нерастворимое в воде, обладающее амфотерными свойствами. Гидроксид алюминия может быть получен обработкой солей алюминия щелочами или гидроксидом аммония. В первом случае необходимо избегать избытка щелочи, поскольку в противном случае гидроксид алюминия растворится с образованием комплексных тетрагидроксоалюминатов [Аl(ОН) 4 ]` :

На самом деле в последней реакции образуются тетрагидроксодиакваалюминат-ионы ` , однако для записи реакций обычно используют упрощенную форму [Аl(ОН) 4 ]` . При слабом подкислении тетрагидроксоалюминаты разрушаются:

Соли алюминия. Из гидроксида алюминия можно получить практически все соли алюминия. Почти все соли алюминия и сильных кислот хорошо растворимы в воде и при этом сильно гидролизованы.

Галогениды алюминия хорошо растворимы в воде, и по своей структуре являются димерами:

2AlCl 3 є Al 2 Cl 6

Сульфаты алюминия легко, как и все его соли, гидролизуются:

Известны также калий-алюминиевые квасцы: KAl(SO 4) 2Ч 12H 2 O.

Ацетат алюминия Al(CH 3 COO) 3 используют в медицине в качестве примочек.

Алюмосиликаты. В природе алюминий встречается в виде соединений с кислородом и кремнием - алюмосиликатов. Общая их формула: (Na, K) 2 Al 2 Si 2 O 8 -нефелин.

Также природными соединениями алюминия являются: Al 2 O 3 - корунд, глинозем; и соединения с общими формулами Al 2 O 3 Ч nH 2 O и Al(OH) 3Ч nH 2 O - бокситы.

Получение. Алюминий получают электролизом расплава Al 2 O 3 .

>> Химия: Алюминий

Строение и свойства атомов. Алюминий Аl - элемент главной подгруппы III группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Атом алюминия содержит на внешнем энергетическом уровне три электрона, которые он легко отдает при химических взаимодействиях. У родоначальника подгруппы и верхнего соседа алюминия - бора радиус атома меньше (у бора он равен 0,080 нм, у алюминия - 0,143 нм). Кроме того, у атома алюминия появляется один промежуточный восьмиэлектрон-ный слой (2е-; 8е-; Зе-), который препятствует притяжению внешних электронов к ядру. Поэтому у атомов алюминия восстановительные свойства выражены гораздо сильнее, чем у атомов бора, который проявляет неметаллические свойства.

Почти во всех своих соединениях алюминий имеет степень окисления +3.

Алюминий - простое вещество. Серебристо-белый легкий металл. Плавится при 660 °С. Очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в фольгу толщиной 0,01 мм. Обладает очень большой электрической проводимостью и теплопроводностью. Образует с другими металлами легкие и прочные сплавы.

Какую химическую реакцию положил в основу рассказа «Бенгальские огни» его автор Н. Носов?

На каких физических и химических свойствах основано применение в технике алюминия и его сплавов?

Напишите в ионном виде уравнения реакций между растворами сульфата алюминия и гидроксида калия при недостатке и избытке последнего.

Напишите уравнения реакций следующих превращений: Аl -> АlСl3 -> Аl(0Н)3 -> Аl2O3 -> NаАl02 -> Аl2(SO4)3 -> Аl(ОН)3 ->АlСl3 ->NаАlO2

Реакции, идущие с участием электролитов, запишите в ионной форме. Первую реакцию рассмотрите как окислительно-восстановительный процесс.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Представляет собой самый распространенный металл в земной коре. Он относится к группе легких металлов, имеет небольшую плотность и температуру плавления. При этом пластичность и электропроводность находятся на высоком уровне, что обеспечивает его . Итак, давайте узнаем, каковы удельная температура плавления алюминия и его сплавов (пр. в сравнении с и ), тепло- и электропроводность, плотность, другие свойства, а также в чем особенности структуры сплавов алюминия и химического их состава.

Для начала нашему рассмотрению подлежат структура и хим.состав алюминия. Предел прочности чистого алюминия крайне небольшой и составляет до 90 МПа. Если же к его составу добавить в небольшом соотношении марганец, или магний, прочность может возрасти до 700 МПа. К такому же результату приведет использование особой термической обработки.

Металл, обладающий наиболее высокой чистотой (99,99% алюминия), может применяться в специальных и лабораторных целях, в остальных же случаях с технической чистотой. Наиболее распространенными примесями в нем могут выступать кремний и железо, которые практически не растворяются в алюминии. В результате их добавки уменьшается пластичность и повышается прочность конечного металла.

Структура алюминия представлена элементарными ячейками, которые в свою очередь состоят из четырех атомов. Теоретически плотность данного металла составляет 2698 кг/м 3 .

Теперь поговорим о свойствах металла алюминия.

Данное видео расскажет о структуре алюминия:

Свойства и характеристики

>

Свойствами металла служат его высокие показатели тепло- и электропроводности, невосприимчивость к коррозии, высокая пластичность и устойчивость к низким температурам. При этом главное его свойство – это небольшая плотность (около 2,7 г/см 3 .).

Механические, технологические, а также физико-химические свойства этого металла имеют непосредственную зависимость от входящих в его состав примесей. К естественным его компонентам относится и .

Основные параметры

>

• Плотность алюминия составляет 2,7*10 3 кг/м 3 ;
• Удельный вес — 2,7 г /cм 3 ;
• Температура плавления алюминия 659°C;
• Температура кипения 2000°C;
• Коэффициент линейного расширения составляет — 22,9 *10 6 (1/град).

Теперь рассмотрению подлежат теплопроводность и электропроводность алюминия.

Данное видео сравнивает температуры плавления алюминия и других наиболее часто используемых металлов:

Электропроводность

>

Важным показателем алюминия является его электропроводность, которая уступает по величине лишь золоту, серебру и . Высокий коэффициент электропроводности в сочетании с небольшой плотностью обеспечивает материалу высокую конкурентоспособность в кабельно-проводниковой области.

Помимо основных примесей на этот показатель также влияет , марганец и хром. Если алюминий предназначен для производства проводников тока, то суммарное количество примесей не должно превышать 0,01%.

• Показатель электропроводности может варьироваться, в зависимости от состояния, в котором находится алюминий. Процесс длительного отжига увеличивает этот показатель, а нагартовка, напротив, уменьшает его.
• Удельное сопротивление при температуре 20 0 С в зависимости от марки металла находится в пределах 0,0277-0,029 мкОм*м.

Теплопроводность

>

Коэффициент теплопроводности металла составляет около 0,50 кал/см*с*С и увеличивается со степенью его чистоты.

Это значение меньше, чем у и серебра, но больше, чем у остальных металлов. Благодаря ему, алюминий активно используется в производстве теплообменников и радиаторов.

Коррозионная стойкость

>

Сам металл является химически активным веществом, благодаря чему его используют в алюмотермии. При контакте с воздухом на нем образуется тончайшая пленка из окиси алюминия, которая имеет химическую инертность и высокую прочность. Ее главное назначение – это защищать металл от последующего процесса окисления, а также от воздействия коррозии.

• Если алюминий обладает высокой чистотой, то эта пленка не имеет пор, полностью покрывает его поверхность и обеспечивает надежным сцеплением. В результате металл устойчив не только к воде и воздуху, но и к щелочам и неорганическим кислотам.
• В тех местах, где находятся примеси, защитный слой пленки может быть поврежденным. Такие места становятся уязвимыми для коррозии. Поэтому на поверхности может наблюдаться коррозия точечного типа. Если марка содержит 99,7% алюминия и менее 0,25% железа, скорость коррозии составляет 1.1, при содержании алюминия на 99,0% этот показатель увеличивается до 31.
• Содержащееся железо также уменьшает устойчивость металла к щелочам, но не меняет устойчивость к серной и азотной кислотам.

Взаимодействие с разными веществами

>

Когда алюминий обладает температурой 100 0 С, он способен взаимодействовать с хлором. Независимо от степени нагрева, алюминий растворяет водород, но при этом не ступает в реакцию с ним. Именно потому он является главным составляющим элементом газов, которые присутствуют в металле.

В целом алюминий устойчив в следующих средах:

• Пресная и морская вода;
• Соли магния, натрия и аммония;
• Серная кислота;
• Слабые растворы из хрома и фосфора;
• Раствор аммиака;
• Уксусная, яблочная и прочие кислоты.

Алюминий не устойчив:

• Раствор из серной кислоты;
• Соляная кислота;
• Едкие щелочи и их раствор;
• Щавелевая кислота.

Про токсичность и экологичность алюминия читайте ниже.

Электропроводность меди и алюминия, а также иные сравнения двух металлов представлены в таблице ниже.

Сравнение характеристик алюминия и меди

Токсичность

>

Хотя алюминий весьма распространен, но он не используется в метаболизме, ни у одного живого существа. Он обладает незначительным токсическим действием, но многие его неорганические соединения, которые растворяются в воде, способны длительное время пребывать в таком состоянии и негативно сказываться на живых организмах. Наиболее ядовитыми веществами выступают ацетаты, хлориды и нитраты.

Согласно нормативам, в воде хозяйственно-питьевого назначения может содержаться 0,2-0,5 мг на 1 л.

Еще больше полезной информации о свойствах алюминия содержит данное видео:

Природный алюминий состоит из одного нуклида 27Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).

Радиус нейтрального атома алюминия 0,143 нм, радиус иона Al3+ 0,057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5,984, 18,828, 28,44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1,5.

Простое вещество алюминий -- мягкий легкий серебристо-белый металл.

Свойства

>

Алюминий -- типичный металл, кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около 2450°C, плотность 2,6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2,5·10-5 К-1 Стандартный электродный потенциал Al 3+/ Al -- 1,663В.

Химически алюминий -- довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al 2 О 3 , которая препятствует дальнейшему доступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминий активно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl 3 + 3H 2 ,

3Н 2 SO 4 + 2Al = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 .

Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:

Al 2 О 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na.

Затем протекают реакции:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 ,

NaOH + Al(OH) 3 = Na,

или суммарно:

2Al + 6H 2 O + 2NaOH = Na + 3Н 2 ,

и в результате образуются алюминаты: Na -- алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминат натрия), К -- алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие:

Na и К.

При нагревании алюминий реагирует с галогенами:

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 ,

2Al + 3 Br 2 = 2AlBr 3 .

Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода (I) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:

2Al + 3I 2 = 2AlI 3 .

Взаимодействие алюминия с серой (S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al 2 S 3 ,

который легко разлагается водой:

Al 2 S 3 + 6Н 2 О = 2Al(ОН) 3 + 3Н 2 S.

С водородом (H) алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН 3) х -- сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al 2 О 3 .

Высокая прочность связи в Al 2 О 3 обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

3Fe 3 O 4 + 8Al = 4Al 2 O 3 + 9Fe и даже

3СаО + 2Al = Al 2 О 3 + 3Са.

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.

Амфотерному оксиду Al 2 О 3 соответствует амфотерный гидроксид -- аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl 2 O 3 ·yH 2 O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH) 3 .

В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:

Al 2 (SO 4) 3 + 6NaOH = 2Al(OH) 3 + 3Na 2 SO 4 ,

или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:

2AlCl 3 + 3Na 2 CO 3 + 3H 2 O = 2Al(OH) 3 + 6NaCl + 3CO 2 ,

а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:

AlCl 3 + 3NH 3 ·H2O = Al(OH) 3 + 3H 2 O + 3NH 4 Cl.

Название и история открытия: латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия (K) KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному -- оксид алюминия) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825 датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия (K) со ртутью (Hg)) хлорид алюминия AlCl 3 , который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути (Hg) выделил серый порошок алюминия.

Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.

Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20-ом веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.