Алюминий. 
Неорганическая химия для инженеров-экологов

Второй типический элемент III группы периодической системы. Алюминий является первым и самым легким р-металлом. У алюминия по сравнению с бором атомный радиус больше, а потенциал ионизации меньше; следовательно, возрастают его металлические свойства. В отличие от неметалла бора алюминий является аморфным элементом. Алюминий и его гидроксид растворяются в кислотах и щелочах. Для химии алюминия исключительно важное значение имеет его большое сродство к кислороду, в таблице 6 приведены значения энтальпий и энергий Гиббса образования оксидов алюминия и его аналогов.

Таблица 6 — Термодинамические параметры оксидов IIIА подгруппы.

И энтальпия, и энергия Гиббса образования алюминия резко отличаются от таковых для галлия и его аналогов, что указывает на его высокую устойчивость. И, наконец, для алюминия наблюдается горизонтальная аналогия с кремнием. Отчетливо проявляется она в алюмосиликатах, наиболее распространенных в земной коре химических соединений.

Природные ресурсы. Алюминий — один из самых распространенных на земле элементов, занимает третье место по распространенности после кислорода и кремния. Алюминий входит в состав 250 минералов, главным образом алюмосиликатов, из которых образована земная кора; продуктом их разрушения является глина А12О32SiO22Н2O (каолинит). Обычно глина содержит примесь соединений железа, придающую ей бурый цвет. Иногда встречается белая глина, без примесей железа. Техническое название А12O3 — глинозем. Для добычи алюминия используют минералы: боксит А12O3Н2O, а также нефелин Na2OAl2O32SiO2, криолит Na3[AIF6]. Встречается чистый А12O3 — корунд. В зависимости от содержания примесей корунд имеет различную окраску и названия. Драгоценные камни рубин и сапфир — это кристаллы корунда, окрашенные примесью оксида хрома (рубин) и оксидов титана и железа (сапфир).

Алюминий получают электролизом расплава смеси глинозёма с криолитом. Расплав A?2O3 в криолите Na3[A?F6] подвергают электролизу при 950оС и напряжении 6−7 B. Протекаемые процессы:

Al2O3 = 2A?3+ + 3O2- (диссоциация на ионы);

на катоде: A?3++3e = A?;

на аноде: 2O2- 4e =O2.

Особо чистый алюминий, необходимый, например, в электронной технике, получают специальными методами: вакуумной дистилляцией или зонной плавкой.

Физические и химические свойства алюминия. Алюминий — серебристо-белый металл. Очень мягок, легко вытягивается в фольгу. Кристаллизуется в ГЦК — структуре. По электрической проводимости занимает четвертое место после серебра, золота и меди. На воздухе покрывается тончайшей пленкой (10−5мм) Al2O3, отличающейся большой прочностью. Защитная пленка надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Почти все реакции с участием алюминия идут с латентным (скрытым) периодом, необходимым для разрушения оксидной пленки или диффузии реагента через нее.

С пниктогенами и халькогенами алюминий взаимодействует при высокой температуре. С галогенами, за исключением йода, алюминий непосредственно не реагирует. Концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют его, поэтому он в них не растворяется. Алюминий растворяется в соляной кислоте и в растворах щелочей:

• 2А? + 6НС? = 2А? С13 + ЗН2,
• 2A? + 2NaOH + 6H2O = 2Na[A? (OH)4] + 3H2.

Алюминий, лишенный защитной пленки, энергично взаимодействует с водой:

2А? + 6Н2O = 2А? (ОН)3 + 3H2.

Химическая связь в соединениях алюминия обладает большей долей ионности, чем в соединениях бора. Так, ВF3-газ, А? F3-твердое соединение с высокой температурой плавления, его вполне можно назвать солью; галогениды А? С13, А? Вг3, А? I3 обнаруживают свойства, промежуточные между свойствами галогенидов неметаллов и солей.

Ион A?3+, имеющий малый радиус и большой заряд, проявляет склонность к комплексообразованию, причем у алюминия она больше, чем у магния, и меньше, чем у бора. Алюминий образует прочные комплексы с H2O, OH-, F-; как все sи рэлементы не дает прочных комплексов с аммиаком и его производными. При комплексообразовании в химическую связь могут вносить вклад свободные dорбитали атома алюминия. Этим объясняется возможность образования комплексов с К.Ч.=6, например, [А?Н6]3- (sp3d2 -гибридизация).

Соединения. Алюминий не вступает в реакцию с водородом. Гидрид алюминия получают косвенным путем, действуя LiH в эфирном растворе на А1С13:

A?C?3 + 3LiH A? H3 + 3LiC?.

Гидрид алюминия АlН3 — белый порошок; это полимерное соединение (А1Н3)n. Если предыдущую реакцию провести с избытком LiH, то получаем тетрагидроалюминат лития:

A?C?3 + 4LiHLi[AlH4] + 3HC?.

Li[AlH4] сильный восстановитель, бурно реагирует с водой с выделением водорода:

Li[A?H4] + 4H2OLiOH + A? (OH)3 + 4H2.

При нагревании алюминий энергично взаимодействует с кислородом:

4А? (г) + 3O2(г) = 2А?2O3(к); G° = -3164 кДж.

Оксид алюминия Аl2О3- очень твердое, тугоплавкое, химически стойкое соединение (Tпл= 2072оC, Ткип= З500оС), разрушается лишь при длительном нагревании с кислотами или щелочами:

А?2O3 + 6НС? = 2А? С?3 + ЗН2O,.

A?2O3 + 2NaOH = 2NaA1O2 + H2O.

В щелочных растворах образуются гидроксоалюминаты:

A?2O3 + 2NaOH + 7H2O = 2Na[A? (OH)4(H2O)2].

Гидроксид алюминия А? (ОН)3 амфотерное соединение, ему соответствуют два типа солей: соли алюминия (III), например, A?2(SO4)3, А? С?3, и алюминаты — соли алюминиевых кислот. В водных растворах алюминаты существуют в виде гидроксокомплексов, например, К[А? (ОН)4], в расплавах в виде cолей несуществующей в свободном состоянии метаалюминиевой кислоты, например, КА? O2. Схему равновесия в насыщенном водном растворе А1(ОН)3 можно представить следующим образом:

A?3++3ОH?A? (OH)3 H[A? (OH)4]H++[A? (OH)4];

раствор осадок раствор Добавление кислоты (Н+) приводит к смещению равновесия в сторону образования катиона Al3+ (солей алюминия катионного типа):

А? (ОH)3 + ЗН+ = A?3+ + ЗH2O.

Добавление щелочи (ОН-) — в сторону образования анионов (солей алюминия анионного типа):

А? (ОН)3 + ОН- = [A? (OH)4]- .

Соли алюминия в водных растворах сильно гидролизованы. Реакция среды зависит от типа растворенной соли:

A?3+ + H2OA? OH2+ + Н+ рН < 7.

Соли А?3+ и слабых кислот гидролизуются полностью с образованием осадков гидроксида алюминия или гидроксосолей алюминия:

A? (СН3СОО)3+2Н2OA?OН (СН3СОО)2++А? (ОН)2СН3СОО+ СН3СООН.

Вследствие сильного гидролиза многие соли алюминия не удается выделить из водных растворов (например, сульфид, карбонат, цианид и др.):

А?2S3 + 6H2O = 2А?(OH)3v + 3H2S^.

Соли алюминия и кислородосодержащих кислот растворимы в воде. Исключение составляет фосфат алюминия А? РО4. Образование малорастворимого фосфата играет важную роль в жизнедеятельности организмов. Усвоение фосфора организмом уменьшается в присутствии катионов А?3+ вследствие образования в кишечнике малорастворимого фосфат алюминия. Это обстоятельство необходимо учитывать при назначении препаратов алюминия, например средства против повышенной кислотности желудка А?(ОН)3.

В желудке гидроксид алюминия образует гель, который нейтрализует оксоний-ионы желудочного сока:

A?(ОН)3 + 3Н3О+ = A?3+ + 6Н2О Перешедшие в раствор ионы алюминия в кишечнике переходят в малорастворимую форму — фосфат алюминия.

A?3+(р) +РО43-(р) = A? РО4(т) В живых организмах с биолигандами (оксикислотами, полифенолами, углеводами, липидами) алюминий образует хелатные комплексные соединения. Как правило, связи с органическими лигандами он образует через атомы кислорода. например, при взаимодействии A?3+ с полифенолами получаются комплексные соединения следующего состава:

В стоматологической практике находят широкое применение соединения алюминия, например, белая глина (каолин) A?2О3 + SiO2 + 2H2O. Каолин входит в состав цементов, которые используют как временный пломбировочный материал, а также для штамповки коронок.

С сульфатами металлов в степени окисления +1 сульфат алюминия образует двойные соли типа Ме2SO4А?2(SO4)312Н2O. Эти соединения получили название алюминиевых квасцов. Квасцы в твердом состоянии устойчивы, а в растворах диссоцированы на составляющие ионы. Квасцы хорошо растворимы в воде и кристаллизуются из растворов, образуя большие октаэдрические кристаллы.

Применение. Алюминий — второй (после железа) металл по объему производства и применения в технике. Используют как чистый алюминий, так и его сплавы. Сплав — дюралюминий, содержащий 4%(масс.) Сu, 1,5% Mg, 0,5% Mn — основной конструкционный материал в самолетостроении. Большое количество алюминия идет на изготовление проводов. Из алюминиевых сплавов был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Благодаря высокому сродству с кислородом алюминия, возможен процесс алюмотермии — выделение металлов из их оксидов при действии алюминия. Алюмотермию используют для лабораторного получения многих металов (Mn, Cr, V, W, и др.), в ряде случаев в промышленности (получение Sr, Ba, и др.).

Из оксида алюминия изготовляют огнеупорную и химически стойкую керамику. В больших количествах выращивают монокристаллы чистого АI2О3 и с добавками примесей (искусственные рубины и сапфиры). Из них изготавливают лазеры и подшипники для точных механизмов.

Соединения алюминия входят в состав многих продуктов силикатной промышленности (цемент, фарфор, керамика). Квасцы применяют в кожевенной и в текстильной промышленности. Сульфат алюминия применяют для очистки воды. В основе первого этапа водоочистки используется реакция:

А?2(SO4)3 + ЗСа (НСО3)2ЗСаSO4 + 2А? (ОН)3 + 6СO2 .

Образующиеся хлопья гидроксида алюминия увлекают в осадок различные примеси. Хлорид алюминия и гидроалюминат лития используют в органических синтезах.

Из кристаллогидратов солей алюминия в медицинской практике находят применение алюмокалиевые квасцы КA?(SO4)2 • 12H2O и жженые квасцы КA?(SO4)2 которые получают нагреванием алюмокалиевых квасцов при температуре не выше 433 К.

Жженые квасцы используют в виде присыпок как вяжущее и высушивающее средство. Осушающее действие связано с тем, что жженые квасцы медленно поглощают воду:

КA?(SO4)2 + xH2O = KA?(SO4)2 • xH2O.

Фармакологическое действие солей алюминия основано на том, что ионы A?3+ образуют с белками (протеинами Pr) комплексы, выпадающие в виде гелей:

A?3+ + Pr >A?Pr.

Это приводит к гибели микробных клеток и снижает воспалительную реакцию.

Квасцы применяют для полосканий, промываний и примочек при воспалительных заболеваниях слизистых оболочек и кожи. Кроме того, этот препарат применяют как кровоостанавливающее средство при порезах (свертывающее действие).