Всеки химичен елемент може да се разглежда от гледна точка на три науки: физика, химия и биология. И в тази статия ще се опитаме да характеризираме алуминия възможно най-точно. Това е химичен елемент, който е в трета група и трети период, според периодичната таблица. Алуминият е метал със средна химическа активност. Също така в неговите съединения могат да се наблюдават амфотерни свойства. Атомната маса на алуминия е двадесет и шест грама на мол.
Физически характеристики на алуминия
При нормални условия той е твърд. Формулата за алуминий е много проста. Състои се от атоми (не се обединяват в молекули), които са изградени с помощта на кристална решетка в непрекъснато вещество. Цвят на алуминия - сребристо-бял. Освен това има метален блясък, както всички други вещества от тази група. Цветът на алуминия, използван в индустрията, може да варира поради наличието на примеси в сплавта. Това е сравнително лек метал.
Плътността му е 2,7 g/cm3, което означава, че е около три пъти по-лек от желязото. В това той може да отстъпи само на магнезия, който все още епо-лек от въпросния метал. Твърдостта на алуминия е доста ниска. В него той е по-нисък от повечето метали. Твърдостта на алуминия е само две по скалата на Моос. Следователно, за да го укрепят, към сплавите на основата на този метал се добавят по-твърди.
Алуминият се топи само при 660 градуса по Целзий. И кипи, когато се нагрява до температура от две хиляди четиристотин петдесет и два градуса по Целзий. Това е много пластичен и топим метал. Физическите характеристики на алуминия не свършват дотук. Бих искал също да отбележа, че този метал има най-добра електрическа проводимост след медта и среброто.
Разпространение в природата
Алуминият, чиито спецификации току-що разгледахме, е доста често срещан в околната среда. Може да се наблюдава в състава на много минерали. Елементът алуминий е четвъртият най-разпространен елемент в природата. Масовата му част в земната кора е почти девет процента. Основните минерали, в които присъстват неговите атоми, са боксит, корунд, криолит. Първият е скала, която се състои от оксиди на желязо, силиций и въпросния метал, а в структурата присъстват и водни молекули. Има хетерогенен цвят: фрагменти от сиви, червеникаво-кафяви и други цветове, които зависят от наличието на различни примеси. От тридесет до шестдесет процента от тази порода е алуминий, снимката на който може да се види по-горе. В допълнение, корундът е много разпространен минерал в природата.
Това е алуминиев оксид. Химичната му формула е Al2O3. Тя може да бъде червена, жълта, синя или кафява. Твърдостта му по скалата на Моос е девет единици. Разновидностите на корунда включват добре познати сапфири и рубини, левкосафири, както и padparadscha (жълт сапфир).
Криолитът е минерал с по-сложна химическа формула. Състои се от алуминиеви и натриеви флуориди – AlF3•3NaF. Изглежда като безцветен или сивкав камък с ниска твърдост - само три по скалата на Моос. В съвременния свят той се синтезира изкуствено в лаборатория. Прилага се в металургията.
Също така, алуминият може да се намери в природата в състава на глини, чиито основни компоненти са оксидите на силиция и въпросния метал, свързан с водните молекули. В допълнение, този химичен елемент може да се наблюдава в състава на нефелините, чиято химична формула е както следва: KNa3[AlSiO4]4.
Получаване
Характеризирането на алуминия предвижда разглеждане на методите за неговия синтез. Има няколко метода. Производството на алуминий по първия метод става на три етапа. Последната от тях е процедурата по електролиза на катода и въглеродния анод. За извършване на такъв процес е необходим алуминиев оксид, както и помощни вещества като криолит (формула - Na3AlF6) и калциев флуорид (CaF2). За да се осъществи процесът на разлагане на алуминиевия оксид, разтворен във вода, той трябва да се нагрее заедно с разтопен криолит и калциев флуорид до температура най-малко деветстотин и петдесет градуса по Целзий. Целзий и след това преминава през тези вещества ток от осемдесет хиляди ампера и напрежение от пет до осем волта. По този начин, в резултат на този процес, алуминият ще се утаи върху катода, а молекулите на кислорода ще се събират върху анода, които от своя страна окисляват анода и го превръщат във въглероден диоксид. Преди да се извърши тази процедура, бокситът, под формата на който се добива алуминиев оксид, се почиства предварително от примеси и също се подлага на процес на дехидратация.
Производството на алуминий по описания по-горе начин е много разпространено в металургията. Съществува и метод, изобретен през 1827 г. от F. Wehler. Той се крие във факта, че алуминият може да се добива чрез химическа реакция между неговия хлорид и калий. Възможно е да се извърши такъв процес само чрез създаване на специални условия под формата на много висока температура и вакуум. И така, от един мол хлорид и същия обем калий, един мол алуминий и три мола калиев хлорид могат да бъдат получени като страничен продукт. Тази реакция може да се запише като следното уравнение: АІСІ3 + 3К=АІ + 3КІ. Този метод не е спечелил голяма популярност в металургията.
Характеристика на алуминия от гледна точка на химията
Както споменахме по-горе, това е просто вещество, което се състои от атоми, които не са комбинирани в молекули. Подобни структури образуват почти всички метали. Алуминият има доста висока химическа активност и силни редуциращи свойства. Химическата характеристика на алуминия ще започне с описание на неговите реакции с другипрости вещества и по-нататъшни взаимодействия със сложни неорганични съединения ще бъдат описани.
Алуминий и прости материали
Те включват преди всичко кислорода - най-разпространеното съединение на планетата. Двадесет и един процента от земната атмосфера се състои от него. Реакциите на дадено вещество с всяко друго се наричат окисление или горене. Обикновено се появява при високи температури. Но в случай на алуминий е възможно окисляване при нормални условия - така се образува оксиден филм. Ако този метал бъде смачкан, той ще изгори, като същевременно отделя голямо количество енергия под формата на топлина. За да се осъществи реакцията между алуминий и кислород, тези компоненти са необходими в моларно съотношение 4: 3, което води до две части от оксида.
Това химично взаимодействие се изразява като следното уравнение: 4АІ + 3О2=2АІО3. Възможни са и реакции на алуминия с халогени, които включват флуор, йод, бром и хлор. Имената на тези процеси идват от имената на съответните халогени: флуориране, йодиране, бромиране и хлориране. Това са типични реакции на добавяне.
За пример да вземем взаимодействието на алуминия с хлора. Този вид процес може да се случи само на студено.
Така, като вземем два мола алуминий и три мола хлор, получаваме в резултат два мола хлорид на въпросния метал. Уравнението за тази реакция е както следва: 2АІ + 3СІ=2АІСІ3. По същия начин може да се получи алуминиев флуорид, неговия бромид и йодид.
Със сяравъпросното вещество реагира само при нагряване. За да осъществите взаимодействието между тези две съединения, трябва да ги вземете в моларни пропорции от две до три и се образува една част от алуминиев сулфид. Уравнението на реакцията изглежда така: 2Al + 3S=Al2S3.
В допълнение, при високи температури алуминият взаимодейства с въглерод, образувайки карбид, и с азот, образувайки нитрид. Като пример могат да се цитират следните уравнения на химичните реакции: 4AI + 3C=AI4C3; 2Al + N2=2AlN.
Взаимодействие със сложни вещества
Те включват вода, соли, киселини, основи, оксиди. С всички тези химични съединения алуминият реагира по различни начини. Нека разгледаме по-отблизо всеки случай.
Реакция с вода
С най-разпространеното сложно вещество на Земята, алуминият взаимодейства при нагряване. Това се случва само в случай на предварително отстраняване на оксидния филм. В резултат на взаимодействието се образува амфотерен хидроксид, а във въздуха се отделя и водород. Вземайки две части алуминий и шест части вода, получаваме хидроксид и водород в моларни пропорции от две до три. Уравнението за тази реакция се записва, както следва: 2АІ + 6Н2О=2АІ(ОН)3 + 3Н2.
Реакция с киселини, основи и оксиди
Подобно на други активни метали, алуминият е в състояние да влезе в реакция на заместване. По този начин той може да измести водорода от киселина или катион на по-пасивен метал от неговата сол. В резултат на такива взаимодействия се образува алуминиева сол и също се отделя водород (в случай на киселина) или се утаява чист метал (тозикойто е по-малко активен от разглеждания). Във втория случай се проявяват възстановителните свойства, които бяха споменати по-горе. Пример е взаимодействието на алуминия със солна киселина, при което се образува алуминиев хлорид и се отделя водород във въздуха. Този вид реакция се изразява като следното уравнение: 2AI + 6HCI=2AICI3 + 3H2.
Пример за взаимодействието на алуминия със солта е неговата реакция с меден сулфат. Вземайки тези два компонента, в крайна сметка получаваме алуминиев сулфат и чиста мед, които ще се утаят. С киселини като сярна и азотна алуминият реагира по особен начин. Например, когато алуминият се добави към разреден разтвор на нитратна киселина в моларно съотношение от осем части към тридесет, осем части от нитрата на въпросния метал, се образуват три части азотен оксид и петнадесет части вода. Уравнението за тази реакция се записва, както следва: 8Al + 30HNO3=8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O. Този процес се случва само когато има висока температура.
Ако смесите алуминий и слаб разтвор на сулфатна киселина в моларни пропорции две към три, получаваме сулфата на въпросния метал и водорода в съотношение едно към три. Тоест ще настъпи обикновена реакция на заместване, какъвто е случаят с други киселини. За по-голяма яснота представяме уравнението: 2Al + 3H2SO4=Al2(SO4)3 + 3H2. Но с концентриран разтвор на същата киселина всичко е по-сложно. Тук, както и в случая с нитратите, се образува страничен продукт, но не под формата на оксид, а под формата на сяра и вода. Ако вземем двата компонента, от които се нуждаеммоларно съотношение две към четири, след което в резултат получаваме една част от солта на въпросния метал и сяра, както и четири от водата. Това химично взаимодействие може да се изрази с помощта на следното уравнение: 2Al + 4H2SO4=Al2(SO4)3 + S + 4H2O.
Освен това алуминият може да реагира с алкални разтвори. За да извършите такова химическо взаимодействие, трябва да вземете два мола от въпросния метал, същото количество натриев или калиев хидроксид, както и шест мола вода. В резултат на това се образуват вещества като натриев или калиев тетрахидроксоалуминат, както и водород, който се отделя като газ с остра миризма в моларни пропорции от две до три. Тази химична реакция може да бъде представена като следното уравнение: 2AI + 2KOH + 6H2O=2K[AI(OH)4] + 3H2.
И последното нещо, което трябва да вземете предвид, са моделите на взаимодействие на алуминия с някои оксиди. Най-често срещаният и използван случай е реакцията на Бекетов. Той, както много други, обсъдени по-горе, се случва само при високи температури. Така че, за неговото изпълнение е необходимо да се вземат два мола алуминий и един мол железен оксид. В резултат на взаимодействието на тези две вещества получаваме алуминиев оксид и свободно желязо в количество съответно един и два мола.
Използване на въпросния метал в индустрията
Забележете, че използването на алуминий е много често срещано явление. На първо място, авиационната индустрия се нуждае от това. Наред с магнезиеви сплави, сплави на основата на разглежданитеметални. Можем да кажем, че средният самолет е 50% от алуминиеви сплави, а двигателят му е 25%. Алуминият се използва и в производствения процес на проводници и кабели поради отличната си електрическа проводимост. Освен това този метал и неговите сплави се използват широко в автомобилната индустрия. Каросерията на автомобили, автобуси, тролейбуси, някои трамваи, както и конвенционални и електрически вагони са изработени от тези материали.
Използва се и за по-малки цели, например за производство на опаковки за хранителни и други продукти, ястия. За да се направи сребърна боя е необходим прах от въпросния метал. Такава боя е необходима, за да се предпази желязото от корозия. Можем да кажем, че алуминият е вторият най-често използван метал в индустрията след желязото. Неговите съединения и самият той често се използват в химическата промишленост. Това се дължи на специалните химични свойства на алуминия, включително редуциращите му свойства и амфотерната природа на неговите съединения. Хидроксидът на разглеждания химичен елемент е необходим за пречистване на водата. Освен това се използва в медицината при производството на ваксини. Може да се намери и в някои пластмаси и други материали.
Роля в природата
Както бе споменато по-горе, алуминият се намира в големи количества в земната кора. Това е особено важно за живите организми. Алуминият участва в регулирането на процесите на растеж, образува съединителни тъкани, като напркости, връзки и други. Благодарение на този микроелемент процесите на регенерация на телесните тъкани се извършват по-бързо. Недостигът му се характеризира със следните симптоми: нарушения в развитието и растежа при деца, при възрастни - хронична умора, намалена работоспособност, нарушена координация на движенията, забавяне на регенерацията на тъканите, мускулна слабост, особено в крайниците. Това явление може да възникне, ако ядете твърде малко храни, съдържащи този микроелемент.
Въпреки това, по-често срещан проблем е излишъкът от алуминий в тялото. В този случай често се наблюдават следните симптоми: нервност, депресия, нарушения на съня, загуба на паметта, устойчивост на стрес, омекотяване на опорно-двигателния апарат, което може да доведе до чести фрактури и навяхвания. При продължителен излишък на алуминий в тялото често възникват проблеми във функционирането на почти всяка органна система.
Има редица причини за това явление. На първо място, това са алуминиеви съдове за готвене. Учените отдавна са доказали, че съдовете, направени от въпросния метал, не са подходящи за приготвяне на храна в него, тъй като при високи температури част от алуминия попада в храната и в резултат на това се консумира много повече от този микроелемент, отколкото е необходимо на организма.
Втората причина е редовното използване на козметика, съдържаща въпросния метал или неговите соли. Преди да използвате всеки продукт, трябва внимателно да прочетете неговия състав. Козметиката не е изключение.
Третата причина е приемането на лекарства, коитосъдържа много алуминий, за дълго време. Както и неправилната употреба на витамини и хранителни добавки, които включват този микроелемент.
Сега нека да разберем кои храни съдържат алуминий, за да регулирате диетата си и да организирате правилно менюто. На първо място, това са моркови, топени сирена, пшеница, стипца, картофи. От плодовете се препоръчват авокадо и праскови. Освен това бялото зеле, оризът и много лечебни билки са богати на алуминий. Също така катионите на въпросния метал могат да се съдържат в питейната вода. За да избегнете високи или ниски нива на алуминий в тялото (както и всеки друг микроелемент), трябва внимателно да следите диетата си и да се опитате да я направите възможно най-балансирана.
