Алюминий и его характеристики
Общая характеристика алюминия
Алюминий – самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8% (масс.).
Алюминий – серебристо-белый (рис. 1) легкий металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.
При комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой пленкой оксида, обладающего очень сильным защитным действием.
Рис. 1. Алюминий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса алюминия
Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии алюминий существует в виде одноатомных молекул Al, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 26,9815.
Изотопы алюминия
Известно, что в природе алюминий может находиться в виде одного стабильного изотопа 27Al. Массовое число равно 27. Ядро атома изотопа алюминия 27Al содержит тринадцать протонов и четырнадцать нейтронов.
Существуют радиоактивные изотопы алюминия с массовыми числами от 21-го до 42-х, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 26Al, период полураспада которого составляет 720 тысяч лет.
Ионы алюминия
На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеется три электрона, которые являются валентными:
1s22s22p63s23р 1.
В результате химического взаимодействия алюминий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Al0-3e → Al3+.
Молекула и атом алюминия
В свободном состоянии алюминий существует в виде одноатомных молекул Al. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу алюминия:
|
Энергия ионизации атома, эВ |
5,99 |
|
Относительная электроотрицательность |
1,61 |
|
Радиус атома, нм |
0,143 |
|
Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25oС, кДж/моль |
329,1 |
Сплавы алюминия
Основное применение алюминия – производство сплавов на его основе. Легирующие добавки (например, медь, кремний, магний, цинк, марганец) вводят в алюминий главным образом для повышения его прочности.
Широкое применение имеют дуралюмины, содержащие медь и магний, силумины, в которых основной добавкой служит кремний, магналий (сплав алюминия с 9,5-11,5% магния).
Алюминий – одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка и железа.
Примеры решения задач
| Задание | Для сварки рельсов по методу алюмотермии используют смесь алюминия и оксида железа Fe3O4. Составьте термохимическое уравнение реакции, если при образовании железа массой 1 кг (1000 г) выделяется 6340 кДж тепла. |
| Решение | Запишем уравнение реакции получения железа алюмотермическим методом:
8Al + 3Fe2O3 = 9Fe+ 4Al2O3. Найдем теоретическую массу железа (рассчитанная по термохимическому уравнению реакции): n(Fe) = 9 моль; m(Fe) = n(Fe) ×M(Fe); m(Fe) = 9 × 56 = 504 г. Пусть в ходе реакции выделится х кДж теплоты. Составим пропорцию: 1000 г – 6340 кДж; 504 г – х кДж. Отсюда х будет равен: х = 540 ×6340 / 1000 = 3195. Значит в ходе реакции получения железа алюмотермическим методом выделяется 3195 кДж теплоты. Термохимическое уравнение реакции имеет вид: 8Al + 3Fe2O3 = 9Fe+ 4Al2O3 + 3195 кДж. |
| Ответ | В ходе реакции выделяется 3195 кДж теплоты. |
| Задание | Алюминий обработали 200 г 16%-го раствора азотной кислоты, при этом выделился газ. Определите массу и объем выделившегося газа. |
| Решение | Запишем уравнение реакции растворения алюминия в азотной кислоте:
2Al + 6HNO3 = 2Al(NO3)3 + 3H2. Рассчитаем массу растворенного вещества азотной кислоты: m(HNO3) = msolution(HNO3)×w(HNO3) / 100%; m(HNO3) = 20 ×96% / 100% =19,2 г. Найдем количество вещества азотной кислоты: M(HNO3) = Ar(H) + Ar(N) + 3×Ar(O) = 1 + 14 + 3×16 = 63 г/моль. n(HNO3) = m (HNO3) / M(HNO3); n(HNO3) = 19,2 / 63 = 0,3моль. Согласно уравнению реакцииn(HNO3) :n(H2) = 6:3, т.е. n(H2) = 3×n(HNO3) / 6 = ½ ×n(HNO3) = ½ × 0,3 = 0,15 моль. Тогда масса и объем выделившегося водорода будут равны: M(H2) = 2×Ar(H) = 2×1 = 2 г/моль. m(H2) = n(H2) ×M(H2) = 0,15×2 = 0,3г. V(H2) = n(H2) ×Vm; V(H2) = 0,15× 22,4 = 3,36л. |
| Ответ | В результате реакции выделяется водород массой 0,3 г и объемом 3,36 л. |
