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.