Алюминий. Общие сведения

Алюминий — химический элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Вследствие высокой химической активности алюминий в природе находится только в связанном виде. По содержанию в земной коре он (в форме его соединений) занимает первое место среди металлов — 8,13 % и третье место после кислорода и кремния. По данным акад. А.Е. Ферсмана, насчитывается более 250 минералов алюминия, которые преимущественно сосредоточены вблизи поверхности земли, и более 40 % из них относится к алюмосиликатам.

Практически единственным методом получения металлического алюминия является электролиз криолитоглиноземного расплава. Основное сырье для этого процесса — глинозем (А1₂О₃) получают различными гидрохимическими методами путем переработки минералов, содержащих соединения алюминия.

Химические свойства. В Периодической системе Д.И. Менделеева порядковый номер алюминия 13, его атомная масса составляет 26,9815 (по углероду ¹²С) и 26,98974 (по кислороду ¹⁶O).

Основным изотопом является ²⁷А1, который устойчив и состоит из 14 нейтронов и 13 протонов. Кроме одного изотопа ²⁶А1, период полураспада которого равен 10⁶ лет, установлено существование еще шести изотопов с массовыми числами 23, 24, 25, 26, 28 и 29 и с малыми периодами полураспада (от 0,13 до 396 с), а также пренебрежимо малой распространенностью в природе (от 2x10^-5 до 1,5x10^-4 %).

Алюминий трехвалентен, и 13 его электронов распределены на электронных оболочках ls², 2s², 2р⁶, 3s², 3р¹. На внешнем электронном слое М находятся три валентных электрона: два на Зs-орбите с потенциалами ионизации 1800 и 2300 кДж/моль и один на 3p-орбите с потенциалом 574,5 кДж/моль, и поэтому в химических соединениях алюминий обычно трехвалентен (А1³⁺). Так как электрон на p-орбите с ядром атома связан слабее, чем два спаренных электрона на s-орбите, то при определенных условиях, теряя р-электрон, атом алюминия становится одновалентным ионом (А1⁺), образуя соединения низшей валентности (субсоединения), и еще реже — А1²⁺.

Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4 К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596x10^-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86-10^-10 м, а атомный объем 9,999x10^-6 м³/г-атом. Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки.

Алюминий обладает большой химической активностью; энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10^-5 см), но прочной пленкой оксида алюминия А1₂0₃, которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

Расплавленный алюминий активно реагирует с оксидом и диоксидом углерода и парами воды. Наибольший интерес представляет растворимость водорода в алюминии, так как присутствие водорода в металле негативно влияет на механические свойства алюминия и его сплавов. Водород в алюминии в количествах, превосходящих растворимость в твердом состоянии, рассматривается как вредная примесь.

Алюминий обладает амфотерными свойствами, т.е. реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, а при взаимодействии с щелочами — алюминаты. Эта особенность существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного состава. Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах, а также в щелочах, но концентрированная азотная и органическая кислоты на алюминий не действуют.

Далее