Алюминия. Амфотерность оксида и гидроксида алюминия.
В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной
подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s2
2s22p63s23p1. Металлический атомный
радиус 0,143 нм, ковалентный - 0,126 нм, условный радиус иона Al3+ -
0,057 нм. Энергия ионизации Al – Al+ 5,99 эВ.
Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень
окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют
свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в
соединениях может равняться не только 4 (AlCl4-, AlH4-,
алюмосиликаты), но и 6 (Al2O3,[Al(OH2)6
]3+).
Алюминий - типичный амфотерный элемент. Для него характерны не только анионные,
но и катионные комплексы. Так, в кислой среде существует катионный аквакомплекс
[Al(OH2)6]3+, а в щелочной - анионный
гидрокомплекс и [Al(OH)6]3-.
В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый металл с
плотностью 2,7 г/см3 (т. пл. 660оС, т. кип. ~2500о
С). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется
высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6
электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве
электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминиевый
провод весит вдвое меньше медного.
На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой
оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый
вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO3
, K2Cr2O7) или анодным окислением толщина
защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминия позволяет изготавливать из
него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной
кислоты.
Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.
Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и
фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.
Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с
хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью.
Важнейшие из них - дюралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si),
силумин (85 - 90% Al, 10 - 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы
применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в
производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте
применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.
Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам
для придания им жаростойкости.
При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на
воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом
соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом - при нагревании.
При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с
азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.
По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или
амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то
происходит энергичная реакция:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и H2
SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних
концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно
устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней
растворяется.
При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется,
причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее
водород:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя
гидроксоалюминат:
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]
Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза
кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na2CO3.
В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых
соединениях алюминий трехвалентен.
Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050о
С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al2O3 (минерал
корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается
большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al
2O3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.
Ввиду нерастворимости Al2O3 в воде отвечающий этому оксиду
гидроксид Al(OH)3 может быть получен лишь косвенным путем из солей.
Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии
щелочей ионами OH- постепенно замещаются в аквокомплексах [Al(OH
2)6]3+ молекулы воды:
[Al(OH2)6]3+ + OH- = [Al(OH)(OH2)5]2+ + H2O
[Al(OH)(OH2)5]2+ + OH- = [Al(OH)2(OH2)4]+ + H2O
[Al(OH)2(OH2)4]+ + OH- = [Al(OH)3(OH2)3]0 + H2O
Al(OH)3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого
цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и
сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и
основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке
NH4OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм
дегидратированного гидроксида - алюмогель используется в технике в качестве
адсорбента.
При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:
NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4]
Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но
ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного
избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований,
гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены
только сухим путем (сплавлением Al2O3 с оксидами
соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу
производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO2. Большинство из них
в воде нерастворимо.
С кислотами Al(OH)3 образует соли. Производные большинства сильных
кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и
поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы
растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид,
карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить
не удается.
Галогениды алюминия в обычных условиях - бесцветные кристаллические вещества. В
ряду галогенидов алюминия AlF3 сильно отличается по свойствам от
своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен.
Основной способ получения AlF3 основан на действии безводного HF на
Al2O3 или Al:
Al2O3 + 6HF = 2AlF3 + 3H2O
Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма
реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих
органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой
сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они
сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов
их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных
условиях, AlCl3, AlBr3 и AlI3 дымят во влажном
воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием
простых веществ.
Сульфат алюминия Al2(SO4)3.18H2
O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на
каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых
сортов бумаги.
Алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2.12H2O
применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в
качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие
квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид
алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя
краситель, прочно удерживает его на волокне.
Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе -
уксуснокислую соль) Al(CH3COO)3, используемый при
крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы).
Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и
уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.
Несмотря на наличие громадных количеств алюминия в почках, растениях, как
правило, содержат мало этого элемента. Еще значительно меньше его содержание
в животных организмах. У человека оно составляет лишь десятитысячные доли
процента по массе. Биологическая роль алюминия не выяснена. Токсичностью
соединения его не обладают.