Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 13. МЕТАЛЛЫ ГЛАВНЫХ ПОДГРУПП

§ 13.11. Алюминий

Природные соединения алюминия. Алюминий относится к распространенным элементам. Среди металлов за распространением в природе он занимает первое место. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8,8 %. Важнейшие природные соединения алюминия - алюмосиликаты, боксит, корунд и криолит.

Алюмосиликаты составляют основную массу земной коры, их можно рассматривать как соли, образованные оксидами алюминия, кремния, щелочных и щелочноземельных металлов. При выветривании многих алюмосиликатов образуется глина (§ 11.8). Основной состав глины соответствует формуле Аl₂О₃ ∙ 2SiO₂ ∙ 2Н₂О. Алюмосиликат состава (Na,К)₂ [Al₂Si₂O₈] - минерал нефелін - принадлежит к важнейших алюминиевых руд. Большие залежи нефелина расположены на Кольском полуострове и в Красноярском крае.

Бокситы - горная порода, состоит преимущественно из гидратированного оксида алюминия и оксидов железа, которые предоставляют им красного цвета. Содержат от 30 до 60 % Аl₂О₃. Из бокситов добывают алюминий. Месторождения бокситов расположены на Урале, в Ленинградской области, Башкирии, Казахстане, Сибири и других местах.

Корунд - минерал состава Аl₂О₃, имеет высокую твердость, применяется как абразивный материал.

Криолит - минерал состава AlF₃ ∙ 3NaF, или Na₃AlF₆. Сейчас его добывают искусственно, применяют в металлургии алюминия.

Добыча алюминия. В промышленности алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в розплавле ному криолите Na₃AlF₆ с добавкой фторида кальция CaF₂. Электролиз осуществляют при 950-980°С. Сырье используют чистую, поскольку примеси при электролизе восстанавливаются и загрязняют алюминий.

Чистый оксид алюминия Аl₂О₃, свободный от воды, оксидов железа, а также от оксида кремния(ИV), добывают из боксита и последнее время - из нефелина. Он хорошо растворяется в расплавленном криолите. Добавка фторида кальция способствует поддержанию температуры около 1 000°С, повышает электрическую проводимость электролита, уменьшает его плотность, что способствует выделению алюминия на дне ванны. Во время электролиза такого расплава алюминий выделяется на катоде:

2Аl³⁺ + 6е^- = 2Аl.

На угольном аноде разряжаются оксид-ионы В , входящих в состав Аl₂О₃:

Электролизер представляет собой стальную ванну прямоугольной формы (рис. 13.1), выложенную изнутри огнеупорным кирпичом и блоками из угольной массы. В блоки на дне ванны заложены стальные стержни, концы которых выведены наружу. Эти блоки вместе с расплавленным алюминием является катодом. Анод состоит из 12-14 угольных брусков и сверху опущен в ванну. Кислород, выделяется, окисляет угольный анод до СО и СО₂. Материал анода при этом расходуется, поэтому анод по мере окисления постепенно опускается.

Сверху и возле боковых стенок ванны электролит охлаждается окружающим воздухом и застывает сплошной коркой. В ней у

Рис. 13.1. Схема электролитического извлечения алюминия:

1 - стальная ванна;2 - канал для стекание расплавленного алюминия; - термическая изоляция из огнеупорного кирпича;- анод из угольных брусков;

5 - катод из угольных брусков и расплавленного алюминия;

6 - оксид алюминия в расплавленном криолите;- корка

анодов пробивают отверстия для выхода газов, которые образуются во время окисления анода. При загрузке ванны сначала вводят криолит и фторид кальция. После их розплавляння (пропусканием электрического тока) добавляют чистый оксид алюминия или очищенный боксит.

Производство алюминия требует значительных затрат электроэнергии и материалов: для получения 1 т алюминия тратится около 20 тыс. кВт ч электроэнергии, около 2 т оксида алюминия, 40-60 кг криолита, 20-30 кг добавок других фторидов и 20-30 кг анодного угля. Поэтому заводы по производству алюминия обычно строят возле крупных гидроэлектростанций, которые вырабатывают дешевую электроэнергию (Волховська, Братская, Красноярская и др.).

Физические свойства. Алюминий - серебристо-белый металл, легкий, но механически прочный. Плотность его равна 2,7 г/см³, т. пл. 660°С. Имеет высокую электрическую проводимость, но уступает в этом перед медью. Легко поддается обработке: прокатывается в фольгу, вытягивается в тонкую проволоку, отливается. Легко образует сплавы. При 600°С алюминий становится хрупким, и его можно измельчить на зерна или порошок. Природный алюминий состоит из одного изотопа ²⁷₁₃Аl(100 %).

Химические свойства. В атома алюминия на внешнем энергетическом уровне расположены три электроны, которые он отдает при химическом взаимодействии. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий имеет степень окисления +3. Он является сильным восстановителем.

Алюминий легко соединяется с кислородом уже при обычной температуре. При этом его поверхность покрывается оксидной пленкой Аl₂О₃, которая защищает металл от дальнейшего окисления. Толщина оксидной пленки составляет 0,00001 мм. Она прочная, твердая и гибкая, не отстает при растяжении, сжатии, закручивании и сгибании, проводит ток, плавится при 2050°С, в то время как алюминий - при 660°С. Оксидная пленка придает поверхности матовый оттенок. Благодаря ей алюминий не разрушается (корродирует) от влаги и воздуха.

Если оксидную пленку разрушить (например, поверхность алюминия потереть наждачной порошком или опустить его ненадолго в горячий раствор щелочи), то алюминий будет взаимодействовать с водой:

2Аl + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃ + ЗН₂↑.

При обычной температуре алюминий практически не взаимодействует с концентрированной и очень разведенной нітратною кис лотою¹ (вследствие образования защитной оксидной пленки), поэтому HNO³ хранят и перевозят в алюминиевой таре. Однако он растворяется в хлоридной и сульфатной кислотах:

2Аl + 6Н⁺ = 2Аl³⁺ + 3Н₂↑.

В отличие от многих металлов на алюминий очень сильно действуют растворы щелочей. Например:

2Аl + 2NaOH + 10Н₂О = 2Na[Al(OH)₄(H₂O)₂] + Н₂↑

или в ионной форме:

2Аl + 2OН^- + 10Н₂О = 2[Аl(ОН)₄(Н₂O)₂]- + Н₂↑.

Поэтому в алюминиевой посуде нельзя хранить щелочи и щелочные растворы.

По предложению химика А. И. Горбова, во время русско - японской войны взаимодействием алюминия с щелочью добывали водород для аэростатов, что было связано с легкостью перевозки исходных веществ.

При нагревании алюминий реагирует с галогенами, а при высокой температуре - с серой, азотом и углем:

2Аl + ВСl₂ = 2АlСl_С; 2А + N₂ = 2AlN;

2Аl +3S = Al₂S₃; 4Аl + ВС = А/span>l₄С₃.

¹ Очень медленно алюминий растворяется в нитратной кислоте средних концентраций.