Алюминий как металл

9 заданий

Плёнка решает всё

По потенциалу алюминий должен бурно реагировать с водой. Но на воздухе он мгновенно покрывается плотной прозрачной плёнкой \(\ce{Al2O3}\) толщиной 2–10 нм, прочно сцепленной с металлом. Поэтому алюминиевая посуда не растворяется в кипятке.

scienceКогда плёнку снимают

\(\ce{2Al + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2 ^}\) — соляная кислота растворяет и плёнку, и металл.
\(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\) — щёлочь растворяет амфотерный оксид.
\(\ce{2Al + 3HgCl2 -> 2AlCl3 + 3Hg}\), затем амальгамированный алюминий: \(\ce{2Al + 6H2O -> 2Al(OH)3 + 3H2}\) — ртуть мешает плёнке образовываться, металл «обрастает» хлопьями гидроксида.
\(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\); \(\ce{2Al + 3I2 ->[капля воды] 2AlI3}\) — эффектная реакция с фиолетовым дымом иода.

errorПассивация

Концентрированные азотная и серная кислоты на холоду делают плёнку ещё прочнее (урок 83) — в алюминиевых цистернах перевозят концентрированную \(\ce{HNO3}\). Разбавленная азотная кислота алюминий растворяет.

auto_awesomeАнодирование

Плёнку можно нарастить электрохимически: алюминиевое изделие делают анодом в растворе серной кислоты. Получается пористый оксидный слой толщиной 5–25 мкм, который окрашивают красителями и «запечатывают» кипящей водой. Так делают цветные корпуса ноутбуков и телефонов.

Алюминотермия

Алюминий — сильный восстановитель: теплота образования \(\ce{Al2O3}\) огромна (−1676 кДж/моль). Алюминий восстанавливает многие оксиды металлов с таким выделением теплоты, что металл получается расплавленным.

scienceАлюминотермия

\(\ce{Fe2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Fe}\) — термит: температура до 2500 °C, жидкое железо сваривает рельсы.
\(\ce{Cr2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Cr}\) — получение хрома без углерода.
\(\ce{3MnO2 + 4Al -> 2Al2O3 + 3Mn}\) — марганец.
\(\ce{3V2O5 + 10Al -> 5Al2O3 + 6V}\) — ванадий.

history_eduГольдшмидт и термит

Ганс Гольдшмидт в 1893–1898 годах разработал алюминотермию. Его «термит» (оксид железа + алюминиевый порошок) до сих пор используют для сварки рельсов прямо на путях: смесь поджигают в тигле над стыком, и жидкое железо стекает в форму.

boltПочему именно алюминий

По диаграмме Эллингема (урок 51) линия \(\ce{Al2O3}\) лежит ниже линий большинства оксидов: алюминий связывает кислород прочнее, чем железо, хром, марганец. Реакция идёт в твёрдой смеси без подогрева печи — достаточно поджечь её магниевой лентой.

errorТермит не гасится водой

Горящий термит разлагает воду с выделением водорода, а сам несёт кислород — тушить его водой бесполезно и опасно.

Получение и применение

Алюминий — самый распространённый металл земной коры (8 %), но его получение стало возможным лишь с электролизом (урок 84): Холл и Эру, 1886. Схема: боксит → (способ Байера, урок 73) → глинозём \(\ce{Al2O3}\) → электролиз в расплаве криолита при 950 °C.

scienceПроизводство алюминия

\(\ce{Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2Na[Al(OH)4]}\) — выщелачивание боксита.
\(\ce{Na[Al(OH)4] -> Al(OH)3 v + NaOH}\) — осаждение при охлаждении с затравкой.
\(\ce{2Al(OH)3 ->[1200 °C] Al2O3 + 3H2O}\) — прокаливание.
\(\ce{2Al2O3 ->[эл. ток][Na3AlF6] 4Al + 3O2}\); на угольном аноде \(\ce{C + O2 -> CO2}\).

auto_awesomeВторичный алюминий

Переплавка алюминиевого лома требует лишь 5 % энергии первичного производства. Банку из-под напитка можно переплавить в новую за 60 дней — и так бесконечно. Около трети мирового алюминия — вторичный.

boltСплавы

Чистый алюминий мягок. Дюралюминий (Al + Cu + Mg + Mn, Вильм, 1909) после закалки и «старения» становится прочным, как сталь, при втрое меньшей плотности — металл авиации.

push_pinГлавное

Алюминий — активный металл (\(E^\circ = -1{,}66\) В), но плотная плёнка \(\ce{Al2O3}\) защищает его от воды и воздуха. Разбавленные кислоты растворяют алюминий, концентрированные азотная и серная на холоду пассивируют. Щелочи растворяют плёнку, и алюминий реагирует с водой: \(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2}\). Амальгамированный алюминий бурно реагирует с водой. Алюминотермия — восстановление оксидов металлов алюминием с огромным выделением теплоты (термит, получение хрома, марганца). Промышленно — электролиз глинозёма в криолите (урок 84).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.