ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АЛЮМІНІЮ
Алюміній-сріблясто-білий метал, що має високу електропровідність і теплопровідність. (Теплопровідність алюмінію в 1,8 разів більша, ніж у міді, і в 9 разів більша, ніж у нержавіючої сталі.) Він має невисоку щільність - приблизно втричі менше, ніж у заліза, міді та цинку. І все-таки це дуже міцний метал.
Три електрони із зовнішньої оболонки атома алюмінію ділокалізовані по кристалічній решітці металевого алюмінію. Ці грати мають грансцентровану кубічну структуру, подібну до ґрат олова і золота (див. розд. 3.2). Тому алюміній має гарну ковкість.
Хімічні властивості
Алюміній утворює сполуки іонного та ковалентного типу. Він характеризується високою енергією іонізації (табл. 15.1). Щільність заряду (ставлення заряду до радіусу) для іона дуже велика в порівнянні з катіонами інших металів того ж періоду (див. табл. 15.2).
Мал. 15.2. Гідратований іон алюмінію.
Таблиця 15.2. Відношення заряду до радіусу катіонів
Оскільки іон має високу щільність заряду, він має велику поляризуючу здатність. Цим пояснюється те, що ізольований іон виявляється лише в дуже небагатьох сполуках, наприклад безводному фториді алюмінію і оксиді алюмінію, причому навіть ці сполуки виявляють помітний ковалентний характер. У водному розчині іон поляризує молекули води, які внаслідок цього гідратують катіон (див. рис. 15.2). Ця гідратація характеризується великою екзотермічністю:
Стандартний окисно-відновний потенціал алюмінію дорівнює - 1,66 В:
Тому електрохімічному ряду елементів алюміній розташований досить високо (див. разд. 10.5). Це змушує припустити, що алюміній має легко реагуватиз киснем та розведеними мінеральними кислотами. Однак коли алюміній реагує з киснем, на його поверхні утворюється тонкий непористий шар оксиду. Цей шар захищає алюміній від подальшої взаємодії з довкіллям. Оксидний шар можна видалити з алюмінію, натираючи її ртуттю. Після цього алюміній здатний з'єднуватися безпосередньо з киснем та іншими неметалами, наприклад сіркою та азотом. Взаємодія з киснем призводить до реакції
Анодування. Алюміній та легкі алюмінієві сплави можна захистити ще більше, зробивши товще природний оксидний шар за допомогою процесу, який називається анодуванням. У цьому процесі алюмінієвий предмет поміщають як анод в електролізер, де як електроліт використовується хромова кислота або сірчана кислота.
Алюміній реагує з гарячими розведеними соляною та сірчаною кислотами, утворюючи водень:
Спочатку ця реакція протікає повільно через наявність оксидного шару. Однак у міру того, як він видаляється, реакція стає дедалі інтенсивнішою.
Концентрована та розведена азотна кислота, а також концентрована сірчана кислота роблять алюміній пасивним. Це означає, що він не реагує із зазначеними кислотами. Така пасивність пояснюється утворенням тонкого шару оксиду поверхні алюмінію.
Розчини гідроксиду натрію та інших лугів взаємодіють з алюмінієм, утворюючи тетрагідроксоалюмінат(III)-іони та водень:
Якщо оксидний шар видалений з поверхні, алюміній може виступати в ролі відновника в окислювально-відновних реакціях (див. Розд. 10.2). Він витісняє метали, розташовані нижче за нього в електрохімічному ряду, з їх розчинів. Наприклад
НаочнимПрикладом відновлювальної здатності алюмінію є алюмотермітна реакція. Так називається реакція між порошкоподібним алюмінієм та
оксидом У лабораторних умовах її зазвичай ініціюють, використовуючи як запал запалок магнію. Ця реакція протікає дуже бурхливо, і в ній виділяється така кількість енергії, якої достатньо, щоб розплавити залізо, що утворюється:
Алюмотермітну реакцію використовують для проведення алюмотермітного зварювання; наприклад, у такий спосіб з'єднують рейки.
Оксид алюмінію Оксид алюмінію, або, як його часто називають, глинозем, є сполукою, яка має як іонні, так і ковалентні властивості. Він має температуру плавлення і в розплавленому стані є електролітом. Тому його часто вважають іонним з'єднанням. Однак у твердому стані оксид алюмінію має каркасну кристалічну структуру.
Корунд. Безводні форми оксиду алюмінію утворюють у природних умовах мінерали групи корундів. Корунд це дуже тверда кристалічна форма оксиду алюмінію. Він використовується як абразивний матеріал, так як по твердості поступається тільки алмазу. Великі та прозорі, нерідко забарвлені, кристали корундів цінуються як коштовне каміння. Чистий корунд безбарвний, проте наявність у ньому невеликої кількості домішок оксидів-металів надає дорогоцінним корундам характерного забарвлення. Наприклад, забарвлення рубіна обумовлена наявністю в корунді іонів, а забарвлення сапфірів - наявністю іонів кобальту. Фіолетове забарвлення аметиста обумовлене наявністю в ньому домішки марганцю. Сплавляючи глинозем з оксидами різних металів, можна отримувати штучні дорогоцінні камені (див. також табл. 14.6 і 14.7).
Оксид алюмінію нерозчинний у воді і має амфотернівластивостями, вступаючи в реакцію як з розведеними кислотами, і з розведеними лугами. Реакція з кислотами описується загальним рівнянням:
Реакція з лугами призводить до утворення іону:
Галогеніди алюмінію. Будова та хімічний зв'язок у галогенідах алюмінію описані в розд. 16.2.
Хлорид алюмінію можна одержувати, пропускаючи сухий хлор або сухий хлороводень над нагрітим алюмінієм. Наприклад
За винятком фториду алюмінію, решта галогенідів алюмінію гідролізуються водою:
З цієї причини галогеніди алюмінію в контакті з вологим повітрям «димлять».
Іони алюмінію. Ми вже зазначали вище, що іон гідратується у воді. При розчиненні солей алюмінію у воді встановлюється така рівновага:
У цій реакції вода виступає в ролі основи, оскільки вона акцептує протон, а гідратований іон алюмінію виступає в ролі кислоти, оскільки він донує протон. З цієї причини солі алюмінію мають кислотні властивості. Якщо в
Таблиця 15.3. Найбільш поширені галун
розчин будь-якої солі алюмінію додати луг, наприклад, або відбувається осадження гідратованого оксиду алюмінію:
Однак додавання надлишкової кількості лугу призводить до розчинення цього осаду внаслідок утворення розчинного аніону:
У цій реакції гідратований гідроксид алюмінію виступає у ролі кислоти. Однак він реагує також із кислотами:
Таким чином, гідроксид алюмінію має амфотерні властивості.
Сульфат алюмінію та галун. Галька - це подвійні солі, що мають загальну формулу . У цій формулі однозарядний іон, наприклад тризарядний іон. наприклад, або . У табл.15.3 вказані назви та формули деяких найбільш поширених галунів.
При розчиненні галун вони утворюють прості іони. Наприклад, калієві галун утворюють в розчині іони Кристали галунів мають октаедричну структуру.
Протрави. Калієві галун і сульфат алюмінію використовуються як протрава в процесі фарбування тканин. З цією метою тканину замочують у розчині калієвих галунів або сульфату алюмінію, а потім додають у розчин якусь луг. Розчин солі діє як слабка кислота і у ньому утворюється гідроксид алюмінію (див. вище). Гідроксид алюмінію осідає на нитках тканини і «роз'їдає» тканину. Крім того, він поглинає барвник і цим пов'язує його з тканиною. Свою назву протрави отримали від терміну «травити» (роз'їдати).