Физические и химические свойства алюминия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алюминий – химический элемент 3 периода IIIA группы. Порядковый номер – 13. Металл. Алюминий относится к элементам p -семейства. Символ – Al.

Атомная масса – 27 а.е.м. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 3s²3p¹. В своих соединениях алюминий проявляет степень окисления равную «+3».

Химические свойства алюминия

Алюминий в реакциях проявляет восстановительные свойства. Поскольку при пребывании на воздухе на его поверхности образуется оксидная пленка, устойчив к взаимодействию с другими веществами. Например, алюминий пассивируется в воде, концентрированной азотной кислоте и растворе дихромата калия. Однако, после удаления с его поверхности оксидной пленки способен взаимодействовать с простыми веществами. Большинство реакций протекает при нагревании:

2Al_powder +3/2O₂ = Al₂O₃;

2Al + 3F₂ = 2AlF₃ (t $^{\circ}$ );

2Al_powder + 3Hal₂ = 2AlHal₃ (t $^{\circ}$ = 25 $^{\circ}$ C);

2Al + N₂ = 2AlN (t $^{\circ}$ );

2Al +3S = Al₂S₃ (t $^{\circ}$ );

4Al + 3C_graphite = Al₄C₃ (t $^{\circ}$ );

4Al + P₄ = 4AlP (t $^{\circ}$ , в атмосфере Н₂).

Также, алюминий после удаления с его поверхности оксидной пленки способен взаимодействовать с водой с образованием гидроксида:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ +3H₂↑.

Алюминий проявляет амфотерные свойства, поэтому он способен растворяться в разбавленных растворах кислот и щелочах:

2Al + 3H₂SO₄(dilute) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑;

2Al + 6HCl_dilute = 2AlCl₃ + 3 H₂↑;

8Al + 30HNO₃(dilute) = 8Al(NO₃)₃ + 3N₂O↑ + 15H₂O;

2Al +2NaOH +3H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑;

2Al + 2(NaOH×H₂O) = 2NaAlO₂ + 3 H₂↑.

Алюмиотермия – способ получения металлов из их оксидов, основанный на восстановлении этих металлов алюминием:

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe;

2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ +2Cr.

Физические свойства алюминия

Алюминий представляет собой серебристо-белого цвета. Основные физические свойства алюминия – легкость, высокая тепло- и электропроводность. В свободном состоянии при пребывании на воздухе алюминий покрывается прочной пленкой оксида Al₂O₃, которая делает его устойчивым к действию концентрированных кислот. Температура плавления – 660,37 $^{\circ}$ С, кипения – 2500 $^{\circ}$ С.

Получение и применение алюминия

Алюминий получают электролизом расплава оксида этого элемента:

2Al₂O₃ = 4Al + 3O₂↑

Однако из-за небольшого выхода продукта, чаще используют способ получения алюминия электролизом смеси Na₃[AlF₆] и Al₂O₃. Реакция протекает при нагревании до 960 $^{\circ}$ С и в присутствии катализаторов – фторидов (AlF₃, CaF₂ и др.), при этом на выделение алюминия происходит на катоде, а на аноде выделяется кислород.

Алюминий нашел широкое применение в промышленности, так, сплавы на основе алюминия – основные конструкционные материалы в самолето- и судостроении.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

при взаимодействии алюминия с серной кислотой образовался сульфат алюминия массой 3,42 г. Определите массу и количество вещества алюминия, вступившего в реакцию.

Решение

Запишем уравнение реакции:

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑.

Молярные массы алюминия и сульфата алюминия, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 27 и 342 г/моль, соответственно. Тогда, количество вещества образовавшегося сульфата алюминия будет равно:

n(Al₂(SO₄)₃) = m(Al₂(SO₄)₃) / M(Al₂(SO₄)₃);

n(Al₂(SO₄)₃) = 3,42 / 342 = 0,01 моль.

Согласно уравнению реакции n(Al₂(SO₄)₃): n(Al) = 1:2, следовательно n(Al) = 2×n(Al₂(SO₄)₃ ) = 0,02 моль. Тогда, масса алюминия будет равна:

m(Al) = n(Al)×M(Al);

m(Al) = 0,02×27 = 0,54 г.

Ответ

Количество вещества алюминия – 0,02 моль; масса алюминия – 0,54 г.

ПРИМЕР 2

Задание

Какую массу алюминия необходимо взять для получения 15,2 г хрома из оксида хрома (III) алюмотермическим способом?

Решение

Запишем уравнение реакции получения хрома алюмотермическим способом из его оксида:

2Al + Cr₂O₃ = 2Cr + Al₂O₃.

Молярные массы алюминия и хрома, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 27 и 52 г/моль, соответственно. Тогда, количество вещества образовавшегося хрома будет равно:

n(Cr) = m(Cr) / M(Cr);

n(Cr) = 15,2 / 52 = 0,29 моль.

Согласно уравнению реакции n(Cr): n(Al) = 2:2, следовательно n(Al) = n(Cr) = 0,29 моль. Тогда, масса алюминия будет равна: