aliuminis

Aliuminis

Aliuminis – svarbiausias periodinės sistemos III grupės pagrindinio pogrupio metalų atstovas. .Jis yra sidabriškai baltas, lengvas metalas. Aliuminio analogai – galis, indis ir talis – turi aliuminio savybių. Gryno gamtoje nerandama, nes jis chemiškai labai aktyvus. Tai labiausiai Žemės plutoje paplitęs metalas, sudaro 8,05% jos masės. Aliuminis dažniausiai gaunamas iš boksito – aliuminio rūdos, susidedančios iš Al hidroksidų HA O , A O(OH), Al(OH) su kitų mineralų priedais, rečiau iš korundo ir kriolito Na AlF . Daug aliuminio yra molyje, įvairiuose mineraluose.

Nors aliuminio žaliavų atsargos Žemėje labai diidelės, tačiau jį išskirti iš junginių sunku. Dėl to aliuminis gautas gana vėlai, tik 1827 metais.

XIX a. viduryje aliuminis buvo brangesnis už auksą. Pasakojama, kad Prancūzijoje imperatorienė turėjo papuošalų iš aliuminio, imperatorius Napaleonas III valgė iš aliuminio indų, o ne tokie garbingi asmenys turėjo tenkintis auksiniais.

1884 m., kai Vašingtono (Washington) monumento viršutinė dalis buvo uždengta aliumininiu stogeliu, aliuminis tebebuvo pusiau brangus metalas. Jį naudojo juvelyriniams ir dailės dirbiniams. Bet vos po dviejų metų situacija pasikeitė. 1866 m. Charles Martin Hall iš JAV ir Paaul Heroult iš Prancūzijos vienas nuo kito nepriklausomai surado ekonomišką būdą gaminti aliuminį iš Al O elektrozės būdu. Daugelis aliuminio turinčių mineralų yra vertingi. Korundas kietumu prilygsta deimantui, todėl iš jo gaminami šlifavimo, galandinimo įrankiai. Skaidrios spalvotos korundo atmainos – rubinas ir

r safyras yra brangakmeniai. Kiti brangakmeniai – smaragdas, akvamarinas, aleksandritas – yra aliuminio ir berilio mineralai.

1 lentelė

Kai kurios IIIA grupės metalų savybės

Al

Atominis numeris 13

Atomo spindulys (metališkasis), pm 143

Jono spindulys, pm 50

Elektroneigiamumas 1,6

Pirmoji jonizacijos energija, kJ/mol 577,6

Elektrodo potensialas, Eo, V 1,676

Lydymosi temperatūra , °C 660,37

Virimo temperatūra, °C 2467

Tankis, g/cm (20 °C) 2,698

Kietumas 2,75

Laidumas elektrai 59,7

Santykinė atominė masė 26,98

Aliuminis naudojamas įvairiausių mažo tankio lydinių gamybai. JAV kasmet pagaminama apie 5 milijonus tonų aliuminio. Aliuminis, kaip ir kiti IIIA grupės metalai, yra aktyvus metalas. Aliuminis – vienas lengviausių metalų, plastiškas, lydus, gerai praleidžia elektrą ir šilumą. Kambario temperatūroje jungiasi su deguonimi:

4AL + 3O ® 2AL O +Q

Aliuminis – puikus redaktorius, nes labai lengvai oksiduojasi sudarydamas joną su krūviu +3. Kitokio oksidacijos laipsnio aliuminis paprastai nebūna, išskyrus vienalenčio talio junginius, turinčius I grupės elementų junginių savybių. Reguodamas su rūgštimi jis išstumia vandenilį:

2AL(k) + 2OH (aq) + 3H (d)

Įdomu, kaad aliuminis, skirtingai nuo kitų metalų, reaguoja su bazėmis. Tai susiję su AL(OH) rūgštinėmis savybėmis, kurias nagrinėsime truputį vėliau:

2AL(k) + 2OH (aq) + 6H O ® 2 AL(OH) (aq) + 3H (d)

Kai kurių kanalizacijos valiklių veikimas pagrįstas šia reakcija. Tokį valiklį sudaro kieto natrio hidroksido ir aliuminio mišinys. Šis mišinys, pakliuvęs į vandenį, pradeda reaguoti. Išsiskirianti šiluma lydo riebalus, NAOH(aq) tirpalas tirpina juos. Besiskiriančios vandenilio dujos padeda išjudinti vamzdį užkimšusias nuosėdas.

Oksiduojant aliuminio miltelius oru ar kokiu kitu, oksidatoriumi išsiskiria labai didelis kiekis šilumos, todėl aliuminis naudojamas, ga

aminant sprogmenis bei raketinį kurą.

2AL(k) + O (d) ® AL O (k) = – 1676 kJ

Aliuminis yra toks stiprus reduktorius, kad sugeba atimti deguonį iš kitų metalų oksidų, sudarydamas aliuminio oksidą ir išstumdamas kitą metalą. Ši rekcija vadinama termitine reakcija. Dėl milžiniškio išsiskiriančios energijos kiekio terminė reakcija naudojama didelių metalinių objektų suvirinimui.

Fe O (k) + 2Al(k) ® AL O (k) + 2Fe (s)

tai pravartu žinoti... Jeigu aliuminis tirpsta ir rūgščiuose ir šarminiuose tirpaluose, kodėl jis netirpsta vandenyje? Aliuminis labai greitai reaguoja su oro deguonimi sudarydamas savo paviršiuje plonytį vandenyje netirpų AL O sluoksnelį. Šis sluoksnis optiškai skaidrus ir išsaugo metalo gebėjimą atspindėti šviesą (blizgesį). Susidaręs oksido sluoksnis apsaugo metalą nuo tolimesnės oksidacijos. Al O sluoksnis tirpsta rūgstyse ir šarmuose. AL O (k) + 6H (aq) ® 2 AL (aq) + 3H O Al O (k) + 2OH + 3H O ® 2 Al(OH) (aq) Tik ištirpinę oksido sluoksnį galime pastebėti tikrąjį aliuminio aktyvumą. Aliuminis yra pakankamai aktyvus ir gali išstumti H (d) iš gryno vandens, kaip kad pavyzdžiui natris ar kalcis. Mes negalėtume naudoti aliuminio lėktuvų gamybai ar namų statybai, jeigu jo paviršiaus nesaugotų Al O sluoksnelis.

Aukštoje temperatūroje jis reaguoja su siera, anglimi bei azotu, sudarydamas sulfidą AL S , karbidą Al C ir nitridą ALN. Šie junginiai lengvai hidrolizuojasi, ir atitinkamai išsiskiria sieros vandenilis, metanas, amoniakas be

ei aliuminio hidroksidas.

Aliuminis lengvai tirpsta įvairių koncentracijų druskos rūgštyse:

2AL + 6HCL = 2ALCL +3H

Šalta koncentruota sieros ar azoto rūgštis aliuminio neveikia. Kaitinama sieros rūgštis redukuojasi su sieros (IV) oksido, azoto rūgštis – iki žemesniųjų azoto oksido, o vandenilis neišsiskiria. Susidaro atitinkamai sulfatas AL (SO ) ir nitratas AL (NO ) .Praskiestoje ir truputį pašildytoje sieros rūgštyje aliuminis ištirpsta, ir išsiskiria vandenilis:

2AL + 3H SO = AL (SO ) + 3H ­

Iš praskiestos azoto rūgšties aliuminis išskiria azoto oksidą:

AL + 4HNO = AL (NO ) + 2H O

Aliuminis tirpsta šarmų ir šarminių metalų karbonatų tirpaluose, sudarydamas aliuminatus:

2NAOH + 2AL + 6H O = 2 Na AL(OH) +3H ­

Šiuos junginius galima nagrinėti kaip labai silpnų ort- ir metaaliuminio rūgščių
H ALO ir HALO darinius. Aliuminio hidroksidas amfoteriškas (graikiškai „amfoteros“ – ir tas, irkitas). Jis gali reaguoti su rūgštimis, ir su šarmais (išskyrus amonio hidroksido tirpalą). Amfoteriškumas – hidroksido savybė turėti silpnos bazės ir silpnos rūgšties bruožų, būdinga p ir d metalų hidroksidams, ypač aliuminio hidroksidui. Todėl aliuminio druskų tirpalai labai hidrolizuoti ir rodo rūgščią reakciją:

3H O + ALCL ® AL(OH) + 3HCL,

o aliuminatai – šarminę reakciją:

KAL(OH) ® KOH + AL(OH)

Aliuminio fluoridui reaguojant su vandenilio fluorido rūgštimi, susidaro kompleksinė aliuminio fluorvandenilio rūgštis, kurios druska NA ALF gamtoje aptinkama kaip mineralas kriolitas. Kriolitas labai svarbus aliuminio gamyboje. Jį galima gauti natrio fluoridui reaguojant su aliuminio sulfatu:

12NAF + AL (SO ) = 2NA AL

LF + 3Na SO

Metalinis aliuminis daugiausia vartojamas lydiniams gaminti. Aliuminio lydiniai nėra labai atsparūs korozijai, nes priemaišų įsiterpimo vietose atsiranda galvaninių mikroelementų. Aliuminis vartojamas kabeliams, folijai, veidrodžiams, sidabro dažams gaminti. Aukštoje temperatūroje aliuminis redukuoja metalų oksidus iki metalų. Šia aliuminio savybe pagrįstas aliumotermijos metodas, t. y. sunkiai besilydančių metalų, pavyzdžiui, chromo arba mangano oksidų, redukcija:

Cr O + 2AL = AL O + 2CR

Aliuminio fluoridas, ALF , yra joninis junginis. Jis lydosi aukštoje temperatūroje (1040 °C), o išlydytas yra geras elektros srovės laidininkas. Kiti aliuminio halidai yra molekulinės sandaros medžiagos. Jų bendra formulė AL X (kur X=CL, Br arba I). Tokias molekules galime laikyti susidedančiomis iš dviejų ALX fragmentų, todėl jos dar vadinamos dimerais. Kiekvienas aliuminio atomas sudaro jungtis su dviem chloro atomais, „priklausančiais“ tik jam, ir su dviem chloro atomais, kurie yra bendri abiem aliuminio atomams ir sudaro tarsi tiltelį tarp jų. Kiekvienas tiltelio CL atomas sudaro po vieną įprastinę kovalentinę jungtį (jungties sudarymui panaudojami 1 aliuminio elektronas ir 1 chloro elektronas) ir po vieną koordinacinę kovalentinę jungtį (abu jungties elektonai ankščiau priklausė tik cloro atomui). Aliuminis tokiame junginyje yra sp hibridizacijos.

tai pravartu žinoti .. Kodėl aliuminio gamybai reikia tiek daug energijos? Jeigu reakcijai vykti reikalinga aukšta temperatūra, tai labai daug energijos sunaudojama kaitininmui. Aliuminio gamybos elektrolizeryje, kaitiname elektros, palaikoma beveik 1000 °C temperatūra. Be to vienam moliui aliuminio, kurio masė tik 27 gr., išskirti reikia 3 molių elektonų. (AL + 3e ®AL). Palyginkite: pratekėjus 1 moliui elektronų pagaminama 9 gr. aliuminio arba 12 gr. magnio, arba 20 gr. alcio arba 35,5 gr. chloro. Kitą vertus tos pačois priežastys, dėl kurių gaminant aliuminį tenka sunaudoti labai daug energijos, lemia tai, kad aliuminis, panaudotas galvaniniuose elementuose, gali pagaminti didelį elektros energijos kiekį.

Aliuminio halidai yra labai aktyvios Lewis¢o rūgštys. Jie lengvai prijungia elektronų porą, sudarydami rūgšties ir bazės jungimosi produktą, vadinama aduktu.

Aliuminio halidai naudojami, sintetinant organines medžiagas, nes jie, sudarydami aduktus, katalitina įvairias reakcijas. Hidrido joną H , pagal jo elektroninę sandarą galima laikyti pseudohalidu, o joną ALH galime laikyti ALH ir H aduktu. Tokio tipo junginys – ličio aliuminio hidridas, LiALH – yra geras reduktorius, naudojamas organinėje chemijoje.

Kitas svarbus kompleksinis halidas – kriolitas, Na ALF , naudojamas tirpiklio vaidmenyje Hall ir Herout procese. Kriolitą galima pagaminti švininiuose induose, vykdant tokią reakciją:

6ALF +AL(OH) + 3NaOH ® NaALF + 6H O

Aliuminio gamybos būdas yra puikus pavyzdys, kaip cheminiai dėsningumai panaudojami praktikoje. Svarbiausioji aliuminio rūda – boksitas – turi savyje Fe O priemaišų, kurias būtina pašalinti. Gryninant boksitą pasinaudojama tuo, kad Al O yra amfoterinis oksidas, todėl tirpsta NaOH(aq) tirpale. Fe O šarmų tirpaluose netirpsta.

AL O (k) + 2OH (aq) + 3H O ® 2 AL(OH) (aq)

AL(OH) tirpalą, silpnai parūgštinus arba praskiedus vandeniu, susidaro AL(OH) (k) nuosėdos. Kaitinamas AL(OH) skyla ir susidaro grynas AL O :

AL(OH) (aq) + H O(aq) ® AL(OH)(k) + 2H O

2AL(OH)(k) ® AL O (k) + 3H O(d)

AL O lydosi labai aukštoje temperatūroje (2020 °C), o išlydytas yra mažai laidus elektrai. Hall ir Heroult sudaro tinkamą tirpiklį, kuris lydosi žemesnėje temperatūroje, yra gerai laidus elektrai ir neblogai tirpina AL O . Toks tirpiklis yra mineralas kriolitas, NaALF, kuriame maždaug 1000 °C temperatūroje ištirpsta iki 15% (masės) AL O . Nuo to laiko aliuminis gaminamas, elektrolizuojant maždaug 950 °C temperatūros AL O tirpalą išlydytame kriolite. Gaunamas 99,6 – 99,8% grynumo aliuminis. Aliuminio elektrolizerio schema yra tokia. Elektrolizerį sudaro plieninė vonia, išklota grafitu, kuris atlieka katodo vaidmenį. Anodai irgi pagaminti iš grafito. Susidariusio skysto aliuminio tankis yra didesnis už elektrolito tankį, todėl jis renkasi elektrolizerio dugne. Elektrolizerio paviršiuje susidaro sušalusio elekrolito pluta.
Reakcijos, vykstančios prie elektrodų, nėra tiksliai žinomos, o suminė elektrolizės lygtis yra:

Oksidacija: 3 C(k) + 2O ® CO(d) + 4e

Redukcija: 4 AL + 3e ® AL(s)

Suma: 3C(k) + 4AL + 6O ® 4AL(s) + 3CO (d)

Aliuminio gamybai reikia labai daug elektros energijos – 1 tonai aliuminio pagaminti sunaudojama apie 15 000 kWh elektros energijos (palyginkite: 1 tonai CL pagaminti elektrolizuojant NaCL(aq) reikia apie 3000 kWh elektros energijos). Dėl šios priežasties aliuminio gamyklos statomos netoli pigių energijos šaltinių, pavyzdžiui netoli hidroelektrinių. Aliuminio gamybai iš jau naudoto aliuminio laužo reikia tik apie 5% to energijos kiekio, kurio reiktų tokiam pat kiekiui aliuminio išskirti iš boksito. Todėl rinkti jau panautotą aliuminį ekonomiškai naudinga. JAV apie 45 % sunaudojamo aliuminio yra pagaminta iš aliuminio laužo.
Aliuminio oksidas yra vadinamas skirtingais vardais. Kristalinis aliuminio oksidas vadinamas korundu. Grynas korundas sudaro brangakmenį, vadinamą baltuoju safyru. Korundas su nedidelėmis CR priemaišomis vadinamas rubinu, o su Fe ir Ti priemaišomis – mėlynuoju safyru.

Fizines aliuminio oksido savybes nulemia ryšių prigimtis šioje medžiagoje. AL ir O jonai yra maži, todėl tarp jų veikia labai stiprūs joniniai ryšiai. O jonai sidaro kubinę tankiausios sanglaudos gardelę, o AL jonai užima šios gardelės oktaedrines tuštumas. Dėl šitokios kristalinės gardelės sandoros aliuminio oksidas yra labai kieta medžiaga, naudojama kaip abrazyvas.

Aliuminio sulfatas ir kalio aliuminio alūnas vartojamas dažymo ir odos pramonėje.

Leave a Comment