Алюминий как металл

9 заданий

Плёнка решает всё

По своему электродному потенциалу алюминий должен активно реагировать с водой. Однако на воздухе металл мгновенно покрывается плотной прозрачной оксидной плёнкой \(\ce{Al2O3}\) толщиной 2–10 нм. Она прочно сцеплена с поверхностью и препятствует контакту металла с водой. Поэтому алюминиевая посуда не растворяется в кипятке.

Если защитное действие плёнки нарушить, химическая активность алюминия проявляется. Кислоты и щёлочи растворяют оксид, а ртуть мешает ему вновь образовать сплошной слой. Алюминий также вступает в реакции с хлором и иодом.

scienceРеакции алюминия при нарушении защитного действия плёнки

\(\ce{2Al + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2 ^}\) — соляная кислота растворяет оксидную плёнку, после чего реагирует с алюминием.
\(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\) — щёлочь растворяет амфотерный оксид, и алюминий реагирует с водой с выделением водорода.
\(\ce{2Al + 3HgCl2 -> 2AlCl3 + 3Hg}\); \(\ce{2Al + 6H2O -> 2Al(OH)3 + 3H2}\) — в первой реакции выделяется ртуть, которая мешает образованию сплошной плёнки; затем амальгамированный алюминий реагирует с водой и покрывается хлопьями гидроксида.
\(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\); \(\ce{2Al + 3I2 ->[капля воды] 2AlI3}\) — алюминий реагирует с хлором и иодом; для начала реакции с иодом достаточно капли воды, а её протекание сопровождается появлением фиолетовых паров иода.

Защитную плёнку можно не только растворить, но и сделать устойчивее. Такое усиление защиты металла от дальнейшей реакции называют пассивацией.

errorПассивация алюминия

Концентрированные азотная и серная кислоты на холоду усиливают защиту алюминия оксидной плёнкой (урок 83). Поэтому концентрированную \(\ce{HNO3}\) перевозят в алюминиевых цистернах. В отличие от концентрированной, разбавленная азотная кислота растворяет алюминий.

Плёнку можно также нарастить намеренно. Такое электрохимическое получение оксидного слоя называют анодированием.

auto_awesomeАнодирование алюминия

Алюминиевое изделие делают анодом в растворе серной кислоты. На его поверхности образуется пористый оксидный слой толщиной 5–25 мкм. Его окрашивают красителями и «запечатывают» кипящей водой. Так изготавливают цветные корпуса ноутбуков и телефонов.

Алюминотермия

Защитная плёнка не отменяет восстановительных свойств самого алюминия. Энтальпия образования \(\ce{Al2O3}\) составляет −1676 кДж/моль: образование оксида сопровождается большим выделением теплоты. Поэтому алюминий восстанавливает многие оксиды металлов, а выделившегося тепла бывает достаточно, чтобы полученный металл расплавился. Такое восстановление называют алюминотермией.

scienceРеакции алюминотермии

\(\ce{Fe2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Fe}\) — при реакции термитной смеси температура достигает 2500 °C, а жидкое железо позволяет сваривать рельсы.
\(\ce{Cr2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Cr}\) — реакция позволяет получать хром без применения углерода.
\(\ce{3MnO2 + 4Al -> 2Al2O3 + 3Mn}\) — алюминий восстанавливает оксид марганца до металла.
\(\ce{3V2O5 + 10Al -> 5Al2O3 + 6V}\) — алюминий восстанавливает оксид ванадия до металла.

Смесь оксида железа с алюминиевым порошком называют термитом. Её применение для сварки основано на том, что железо после реакции остаётся жидким.

history_eduГольдшмидт и термит

Ганс Гольдшмидт разработал алюминотермию в 1893–1898 годах. Термит до сих пор используют для сварки рельсов прямо на путях: смесь поджигают в тигле над стыком, и жидкое железо стекает в форму.

Почему для такого восстановления подходит алюминий? Диаграмма Эллингема (урок 51) позволяет сравнивать прочность связывания кислорода разными металлами.

boltВыбор алюминия для восстановления оксидов

На диаграмме Эллингема линия \(\ce{Al2O3}\) расположена ниже линий большинства оксидов. Следовательно, алюминий связывает кислород прочнее, чем железо, хром и марганец. Реакция протекает в твёрдой смеси без предварительного нагрева печи: чтобы начать её, достаточно поджечь смесь магниевой лентой.

Высокая температура делает горящий термит опасным при контакте с водой. Кроме того, вода не устраняет источник кислорода для реакции: кислород уже содержится в оксиде железа.

errorОпасность тушения термита водой

Раскалённый алюминий может реагировать с водой с выделением водорода. Поэтому тушить горящий термит водой бесполезно и опасно.

Получение и применение

Алюминий составляет 8 % земной коры и является её самым распространённым металлом. Тем не менее его промышленное получение стало возможным благодаря электролизу (урок 84). Этот способ разработали Холл и Эру в 1886 году. Сначала из боксита способом Байера (урок 73) получают глинозём \(\ce{Al2O3}\). Затем глинозём подвергают электролизу в расплаве криолита при 950 °C.

scienceПроизводство алюминия

\(\ce{Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2Na[Al(OH)4]}\) — при выщелачивании алюминиевая составляющая боксита переходит в раствор.
\(\ce{Na[Al(OH)4] -> Al(OH)3 v + NaOH}\) — при охлаждении раствора с затравкой осаждается гидроксид алюминия.
\(\ce{2Al(OH)3 ->[1200 °C] Al2O3 + 3H2O}\) — при прокаливании гидроксида образуется глинозём.
\(\ce{2Al2O3 ->[эл. ток][Na3AlF6] 4Al + 3O2}\); на угольном аноде \(\ce{C + O2 -> CO2}\) — первое уравнение показывает разложение глинозёма при электролизе; выделяющийся кислород реагирует с углеродом анода.

Поскольку первичное производство требует много энергии, важное значение имеет переработка лома. Полученный из него металл называют вторичным алюминием.

auto_awesomeВторичный алюминий

Переплавка алюминиевого лома требует лишь 5 % энергии первичного производства. Банка из-под напитка может вернуться в виде новой банки за 60 дней. Алюминий можно перерабатывать многократно; около трети мирового алюминия является вторичным.

Чистый алюминий мягок, поэтому для изделий, которым нужна высокая прочность, используют его сплавы. Один из них — дюралюминий.

boltДюралюминий

Дюралюминий (Al + Cu + Mg + Mn, Вильм, 1909) после закалки и «старения» становится прочным, как сталь, при втрое меньшей плотности. Поэтому его применяют в авиации.

push_pinГлавное

Алюминий является активным металлом (\(E^\circ = -1{,}66\) В), но плотная плёнка \(\ce{Al2O3}\) защищает его от воды и воздуха. Разбавленные кислоты растворяют алюминий, тогда как концентрированные азотная и серная кислоты на холоду вызывают пассивацию. Щелочи растворяют защитную плёнку, после чего алюминий реагирует с водой: \(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2}\). Амальгамированный алюминий также активно реагирует с водой. В реакциях алюминотермии алюминий восстанавливает оксиды металлов с большим выделением теплоты; этим пользуются при применении термита и получении хрома и марганца. В промышленности алюминий получают электролизом глинозёма в расплаве криолита (урок 84).

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