Задания -Кейсы
учебно-методический материал по химии на тему

«Алюминий» 9 класс

Кейс

В 1825 – 1827 гг. был получен металл, который ценился дороже золота. Погремушка сыны Наполеона III была сделана из этого металла, а самый богатый королевский двор Европы имел столовые приборы, изготовленные из него.

В 1886 году американец Ч. Холл в сарае, в котором была устроена лаборатория, на оборудовании, состоявшем из сковороды, подержанной бензиновой печи и самодельных тиглей, получил "серебро из глины". Этот метод получения металла используется в промышленности и сейчас.

По распространённости в природе он занимает четвёртое место среди всех элементов и первое среди металлов (8,8% от массы земной коры). Он стал вторым по значению металлом XX века после железа. По объёму производства он занимает второе место в мире после выплавки чугуна и стали. Входит в состав различных пиротехнических смесей.

Задания:

1. О каком металле идёт речь?
2. Каково положение этого металла в Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева.
3. Каково строение атома этого металла?
4. Какими физическими свойствами он обладает?
5. В какие химические реакции вступает это вещество и какие вещества при этом образуются? Напишите уравнения возможных реакций и назовите продукты реакций.
6. Почему при обычных условиях изделия из этого металла устойчивы к воздействию факторов окружающей среды?
7. По какой до конца XIX века этот металл был на вес золота?
8. На каких свойствах этого металла основано его применение в народном хозяйстве?
9. Почему посуду из этого металла называли «посудой бедняков»?

Информационный материал

Алюми́ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния). Название элемента образовано отлат. aluminis — квасцы.

 Лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого  цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок,        защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Получение

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению с другими металлами восстановление алюминия из руды более сложно в связи с его высокой реакционной способностью и с высокой температурой плавления большинства его руд (таких, как бокситы). Прямое восстановление углеродом применяться не может, потому что восстановительная способность алюминия выше, чем у углерода. Возможно непрямое восстановление с получением промежуточного продукта Al4C3, который подвергается разложению при 1900—2000 °С с образованием алюминия. Этот способ находится в разработке, но представляется более выгодным, чем процесс Холла—Эру, так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO2.

Современный метод получения, процесс Холла—Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году, он основывается на  восстановлении  металлическим  калием (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

Физические свойства

• Металл серебристо-белого цвета, лёгкий
• плотность — 2,7 г/см³
• температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C
• температура кипения — 2500 °C

• Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Нахождение в природе

Природные соединения алюминия

В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений: Бокситы — Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3); Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2,  известняком  CaCO3,  магнезитом  MgCO3); Корунд  (сапфир, рубин, наждак) — Al2O3. Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях (жерла вулканов) найдены ничтожные количества самородного металлического алюминия.

Химические свойства

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими  окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате  амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

• с кислородом, образуя оксид алюминия:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

• с галогенами (кроме фтора), образуя хлорид, бромид или иодид алюминия: 2Al + 3Hal2 = 2AlHal3 (Hal = Cl, Br, I)
• с другими неметаллами реагирует при нагревании:

• со фтором, образуя фторид алюминия: 2Al + 3F2 = 2AlF3
• с серой, образуя сульфид алюминия: 2Al + 3S = Al2S3
• с азотом, образуя нитрид алюминия: 2Al + N2 = 2AlN
• с углеродом, образуя карбид алюминия: 4Al + 3С = Al4С3

Со сложными веществами:

• с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

• со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

6NaOH + 2Al = 2Na3AlO3 + 3H2

• Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

2Al + 3H2SO4(разб.) = Al2(SO4)3 + 3H2

• При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

8Al + 15H2SO4(конц.) = 4Al2(SO4)3 + 3H2S + 12H2O

Al + 6HNO3(конц.) = Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

• восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe

2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

Производство

Легенда из «Historia naturalis» гласит, что однажды к римскому императору Тиберию (42 год до н. э. — 37 год н. э.) пришёл ювелир с металлической, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной якобы из глинозёма — Al2O3. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опасаясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал на всякий случай отрубить ювелиру голову.

Лишь почти через 2000 лет после Тиберия, в 1825 году, датский физик  Ганс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида алюминия.

До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился. Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль (его исследования финансировал Наполеон III, рассчитывая, что алюминий пригодится его армии) изобрёл первый способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl3. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6—8 кг. За 36 лет применения, с 1855 по 1890 год, способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 году он же получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия.

В 1885 году был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме, работающий по технологии, предложенной Николаем Бекетовым. Технология Бекетова мало чем отличалась от способа Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом (Na3AlF6) и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890 год.

Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции (1886 год) и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с улучшением электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские учёные К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский,  А. А. Яковкин  и др.

Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44,3 млн. т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов.

Применение

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьем в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время медленно вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углеволокном). Широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах.