2. Алюміній. Алюміній в природі. Хімічні та фізичні властивості алюмінію. Взаємодія алюмінію з простими та складними речовинами.

Алюмі́ній (також глинець) — хімічний елемент 3 групи періодичної системи, його атомний номер 13, відносна атомна маса 26,9815. В природі існує єдиний стабільний ізотоп ²⁷Al. Третій за вмістом елемент (і найпоширеніший метал) земної кори (після кисню і кремнію), що становить приблизно 8 % від її маси.

Поширення в природі

Алюміній за розповсюдженням у земній корі займає третє місце. Його вміст в літосфері згідно з А. П. Виноградовим 8,05 %. Глобальні запаси алюмінію на Землі (в межах ноосфери) становлять 1,2·10⁹ т (2000 р.), термін їх вичерпання за прогнозами Римського клубу — 55 років.

В природі зустрічається винятково у вигляді сполук, входить до складу 270 мінералів. Найбільш розповсюдженими з них є подвійні силікати (польові шпати, слюди та ін.) і продукти їх вивітрювання — глини. З подвійних силікатів найважливіші: калієвий польовий шпат або ортоклаз K[AlSi₃O₈], натрієвий польовий шпат або альбіт Na[AlSi₃O₈], кальцієвий польовий шпат або анортит Ca[Al₂Si₂O₈], плагіоклаз (ізоморфні суміші кальцієвого і натрієвого польового шпату: олігоклаз, андезин, лабрадорит); слюди: біотит, мусковіт, цінвальдит і лепідоліт. Близькі до польових шпатів нефелін Na[AlSiO₄] і лейцит K[AlSi₂O₆]. Відомі подвійні силікати кальцію і алюмінію — цоїзит, епідот і везувіан, подвійний силікат магнію і алюмінію — кордієрит. Силікат алюмінію Al₂SiO₅ зустрічається у вигляді мінералів: кіаніту, силіманіту і андалузиту. З алюмосилікатів, що містять флуор можна відмітити топаз Al₂(OH, F)₂[SiO₄].

Оксид алюмінію зустрічається у вигляді корунду і наждаку. Найважливіше джерело добування алюмінію — боксит — складається з мінералів беміту і діаспору AlOOH і гідраргіліту (гібситу) Al(OH)₃ (найбільші родовища в Австралії, Бразилії, Гвінеї, Ямайці). Важливим мінералом алюмінію є також кріоліт Na₃AlF₆.

Фізичні властивості

Алюміній — сріблясто-білий легкий метал, добрий провідник тепла і електрики, пластичний, легко піддається механічній обробці.

Кристалічна структура і атомний радіус

Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну ґратку (просторова група Fm3m). Найближча відстань між двома атомами становить 2,863Å. Прийнятий період кристалічної ґратки алюмінію a = 4,0414 Å при кімнатній температурі^[7]. Кристалічна ґратка стабільна при температурах від 4К і до температури плавлення 933К. Параметр ґратки дуже слабо змінюється від наявності домішок.

Атомний радіус алюмінію визначений як половина між найближчими атомами-сусідами в кристалічній структурі і рівний 1,43Å. В кристалічній структурі алюмінію металічний зв'язок.

Густина

Теоретична густина алюмінію обрахована за параметрами його кристалічної ґратки становить 2,69872 г/см³. Експериментальні дані густини для полікристалічного алюмінію 99,996 % чистоти становлять 2,6989 (при 20 °C) г/см³, а для монокристалів — на 0,34 % вище.

Так, густина розплавленого алюмінію чистотою 99,996 % на 6,6 % менше, ніж у твердого металу, і при температурі 973 К становить 2357 кг/м³ і майже лінійно знижується до 2304 кг/м³ при температурі 1173 К.

Термічне розширення

Коефіцієнт термічного розширення α відпаленого алюмінію чистотою 99,99 % при температурі 293 К становить 23·10⁻⁶ і практично лінійно зростає до 37,3·10⁻⁶ К⁻¹ при температурі 900 К.

Теплопровідність

Теплопровідність повністю відпаленого алюмінію в твердому стані знижується з ростом температури від 2,37 (298 К) до 2,08 Вт·см⁻¹·К⁻¹ (933,5 К) і при температурах вище 100 К вона малочутлива до чистоти металу.

При нагріванні алюмінію і переході його з твердого стану в рідкий у нього різко зменшується теплопровідність: з 2,08 до 0,907 Вт·см⁻¹·К⁻¹, а далі з ростом температури вона збільшується і при температурі 1000 °C становить вже 1,01 Вт·см⁻¹·К⁻¹.

Електропровідність

Питомий опір алюмінію високої чистоти (99,99 %) при температурі 20 °C становить 2,6548·10⁻⁸. Провідність алюмінію сильно залежить від його чистоти, причому вплив різних домішок залежить не тільки від концентрації цієї домішки, а й від того чи вона знаходиться в твердому розчині чи поза ним. Найбільш сильно підвищують опір алюмінію домішки хрому, літію, мангану, магнію, титану і ванадію. Питомий опір ρ (мкОм·м) відпаленого алюмінієвого дротика в залежності від вмісту домішок (%) можна приблизно визначити за наступною формулою:

ρ = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04(Ti + V + Cr +Mn)

При температурі 1,175 ± 0,001 К алюміній переходить в надпровідний стан.

Питомий опір алюмінію при переході з твердого стану в рідкий стрибком зростає з 11 до 24 МкОм·см.

Плавлення і кристалізація

Температура плавлення алюмінію дуже чутлива до чистоти металу і для високочистого алюмінію (99,996 %) становить 933,4 К (660,3 °C), а температура початку кристалізації алюмінію за Шкалою температур Кельвіна (1968 р.) вважається рівною 660,37 °C і використовується протягом десятків років для калібрування термопар. Підвищення зовнішнього тиску збільшує температуру плавлення алюмінію, і вона досягає 700 °C при тиску близько 100 МПа.

Температура кипіння алюмінію становить приблизно 2452 °C, прихована теплота плавлення чистого алюмінію — 397 Дж·г⁻¹, а прихована теплота випаровування 9462Дж·г⁻¹.

Питома теплоємність С_р алюмінію при 0 °C становить 0,90 Дж·г⁻¹·К⁻¹, зі збільшенням температури вона зростає і визначається рівнянням:

С_р = С₀ + bT,

де С₀ — теплоємність при температурі 0 °C; b = 2,96·10⁻³; T — температура, К.

Поверхневий натяг

Поверхневий натяг σ має максимальне значення при температурі плавлення і з ростом температури він знижується:

σ = 868 — 0,152(t — t_п),

де σ — поверхневий натяг, Н/м; t — температура, °C; t_п — температура плавлення алюмінію, °C.

В'язкість

В'язкість алюмінію при температурі плавлення становить 0,012 Па·с і збільшується при наявності навіть невеликого вмісту твердих включень, наприклад, оксиду алюмінію і нерозчинних домішок. З ростом температури в'язкість знижується. Легуючі добавки Ti, Fe, Cu збільшують, а Si і Mg знижують в'язкість сплаву.

Термодинамічні властивості

Основні термодинамічні властивості алюмінію в рідкому і твердому станах наведені в таблиці (температура в Кельвінах, теплоємність, ентропія і ентальпія в Дж·моль⁻¹·К⁻¹).

Хімічні властивості

Відомо взаємодія алюмінію з розведеними сірчаною і соляною кислотою. При нагріванні цей метал в них легко розчиняється. Холодна концентрована або сильно розбавлена азотна кислота розчиняє цей елемент. Водні розчини лугів активно впливають на речовину, в процесі реакції утворюючи алюмінати – солі, у складі яких є іони алюмінію. Наприклад:

Al₂O₃ +3H2O+2NaOH=2Na[Al(OH)₄]

Вийшло в результаті реакції з’єднання носить назву тетрагидроксоалюминат натрію.

Тонка плівка на поверхні алюмінієвих виробів захищає цей метал не тільки від повітря, але і від води. Якщо цю тонку прибрати перешкоду, елемент стане бурхливо взаємодіяти з водою, виділяючи з неї водень.

2AL+6H₂O= 2 AL (OH)₃+3Н₂?

Утворилася речовина називається гідроксидом алюмінію.

AL (OH)₃ реагує з лугами, утворюючи кристали гідроксоалюмінат: Al(OH)₂+NaOH=2Na[Al(OH)₄]

Якщо це хімічне рівняння скласти з попереднім, отримаємо формулу розчинення елемента в лужному розчині.

Al(OH)₃+2NaOH+6H₂O=2Na [Al(OH)₄]+3H₂