الخصائص الفيزيائية للألمنيوم والحديد. الخصائص الكيميائية والفيزيائية للألمنيوم

تعريف

الألومنيوم- العنصر الثالث عشر الجدول الدوري. التسمية - Al من اللاتينية "ألمنيوم". يقع في الفترة الثالثة ، مجموعة IIIA. يشير إلى المعادن. الشحنة النووية - 13.

الألومنيوم هو المعدن الأكثر شيوعًا في القشرة الأرضية. توجد في الطين والفلسبار والميكا والعديد من المعادن الأخرى. يبلغ إجمالي محتوى الألمنيوم في القشرة الأرضية 8٪ (كتلة).

الألومنيوم معدن خفيف أبيض فضي (الشكل 1). يتم سحبها بسهولة إلى سلك وتدحرجت إلى صفائح رقيقة.

في درجة حرارة الغرفة ، لا يتغير الألمنيوم في الهواء ، ولكن فقط لأن سطحه مغطى بطبقة رقيقة من الأكسيد ، والتي لها تأثير وقائي قوي للغاية.

أرز. 1. الألمنيوم. مظهر.

الوزن الذري والجزيئي للألمنيوم

الوزن الجزيئي النسبي للمادة (M r)هو رقم يوضح عدد المرات التي تكون فيها كتلة جزيء معين أكبر من 1/12 من كتلة ذرة كربون ، و الكتلة الذرية النسبية للعنصر(أ ص) - كم مرة يكون متوسط ​​كتلة ذرات عنصر كيميائي أكبر من 1/12 من كتلة ذرة كربون.

نظرًا لأن الألمنيوم موجود في الحالة الحرة في شكل جزيئات Al أحادية الذرة ، فإن قيمها الذرية و الوزن الجزيئي الغراميمباراة. إنها تساوي 26.9815.

نظائر الألمنيوم

من المعروف أنه في الطبيعة يمكن أن يوجد الألمنيوم على شكل نظير ثابت واحد 27Al. العدد الكتلي هو 27. تحتوي نواة نظير الألومنيوم 27 Al على ثلاثة عشر بروتونًا وأربعة عشر نيوترونًا.

هناك نظائر مشعة للألمنيوم بأعداد كتلتها من 21 إلى 42 ، من بينها النظير 26A هو الأطول عمرا ، مع عمر نصف يبلغ 720 ألف سنة.

أيونات الألومنيوم

على مستوى الطاقة الخارجية لذرة الألومنيوم ، هناك ثلاثة إلكترونات تكافؤ:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1.

نتيجة ل تفاعل كيميائييتبرع الألمنيوم بإلكترونات التكافؤ ، أي هو المتبرع بهم ، ويتحول إلى أيون موجب الشحنة:

Al 0 -3e → Al 3+.

جزيء وذرة الألومنيوم

في الحالة الحرة ، يوجد الألمنيوم في شكل جزيئات Al أحادية الذرة. فيما يلي بعض الخصائص التي تميز ذرة وجزيء الألومنيوم:

سبائك الألومنيوم

التطبيق الرئيسي للألمنيوم هو إنتاج السبائك القائمة عليه. يتم إدخال إضافات السبائك (على سبيل المثال ، النحاس ، والسيليكون ، والمغنيسيوم ، والزنك ، والمنغنيز) في الألومنيوم بشكل أساسي لزيادة قوتها.

تستخدم على نطاق واسع duralumins التي تحتوي على النحاس والمغنيسيوم ، silumins ، حيث المادة المضافة الرئيسية هي السيليكون ، المغنيسيوم (سبائك الألومنيوم مع 9.5-11.5 ٪ المغنيسيوم).

الألومنيوم هو أحد الإضافات الأكثر شيوعًا في السبائك القائمة على النحاس والمغنيسيوم والتيتانيوم والنيكل والزنك والحديد.

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

ممارسه الرياضه	بالنسبة لقضبان اللحام باستخدام طريقة الألمنيوم ، يتم استخدام خليط من الألومنيوم وأكسيد الحديد Fe 3 O 4. قم بعمل معادلة تفاعل كيميائي حراري إذا كان تكوين الحديد الذي يزن 1 كجم (1000 جم) يطلق 6340 كيلو جول من الحرارة.
المحلول	نكتب معادلة التفاعل لإنتاج الحديد بطريقة الألمنيوم: 8Al + 3Fe 2 O 3 \ u003d 9Fe + 4Al 2 O 3. لنجد الكتلة النظرية للحديد (محسوبة من المعادلة الحرارية الكيميائية للتفاعل): ن (Fe) = 9 مول ؛ م (Fe) = n (Fe) × M (Fe) ؛ م (Fe) = 9 × 56 = 504 جم. دع x kJ من الحرارة تنطلق أثناء التفاعل. دعونا نجعل نسبة: 1000 جم - 6340 كيلو جول ؛ 504 جم - × كيلوجول. ومن ثم فإن س ستكون مساوية لـ: س = 540 × 6340/1000 = 3195. هذا يعني أنه أثناء تفاعل الحصول على الحديد بطريقة الألمنيوم ، يتم إطلاق 3195 كيلو جول من الحرارة. معادلة التفاعل الحراري الكيميائي لها الشكل: 8Al + 3Fe 2 O 3 = 9Fe + 4Al 2 O 3 + 3195 kJ.
إجابه	أثناء التفاعل ، يتم إطلاق 3195 كيلو جول من الحرارة.

مثال 2

ممارسه الرياضه	تمت معالجة الألمنيوم بـ 200 جم من محلول 16٪ من حمض النيتريك ، وتم إطلاق الغاز. حدد كتلة وحجم الغاز المنطلق.
المحلول	نكتب معادلة التفاعل لإذابة الألومنيوم في حمض النيتريك: 2Al + 6HNO 3 \ u003d 2Al (NO 3) 3 + 3H 2 -. احسب كتلة المادة المذابة لحمض النيتريك: م (HNO 3) = محلول م (HNO 3) × ث (HNO 3) / 100٪ ؛ م (HNO 3) = 20 × 96٪ / 100٪ = 19.2 جم. أوجد كمية مادة حمض النيتريك: M (HNO 3) \ u003d Ar (H) + Ar (N) + 3 × Ar (O) \ u003d 1 + 14 + 3 × 16 \ u003d 63 جم / مول. ن (HNO 3) \ u003d م (HNO 3) / م (HNO 3) ؛ ن (HNO 3) = 19.2 / 63 = 0.3 مول. وفقًا لمعادلة التفاعل n (HNO 3): n (H 2) = 6: 3 ، أي n (H 2) \ u003d 3 × n (HNO 3) / 6 \ u003d ½ × n (HNO 3) \ u003d ½ × 0.3 \ u003d 0.15 مول. ثم كتلة وحجم الهيدروجين المنطلق ستكون مساوية لـ: M (H 2) \ u003d 2 × Ar (H) \ u003d 2 × 1 \ u003d 2 جم / مول. م (H 2) \ u003d n (H 2) × M (H 2) \ u003d 0.15 × 2 \ u003d 0.3 جم. V (H 2) \ u003d n (H 2) × V م ؛ V (H 2) = 0.15 × 22.4 = 3.36 لتر.
إجابه	نتيجة للتفاعل ، يتم إطلاق الهيدروجين بكتلة 0.3 جم وحجم 3.36 لتر.

(A l) ، الغاليوم (Ga) ، الإنديوم (In) والثاليوم (T l).

كما يتضح من البيانات المقدمة ، تم فتح كل هذه العناصر بتنسيقالقرن التاسع عشر.

اكتشاف معادن المجموعة الفرعية الرئيسية ثالثا مجموعات

في	ال	جا	في	تل
1806	1825	1875	1863	1861
ج. لوساك ،	GH أورستيد	L. de Boisbaudran	ف. رايش ،	دبليو كروكس
تينارد	(الدنمارك)	(فرنسا)	أولا ريختر	(إنكلترا)
(فرنسا)			(ألمانيا)

البورون مادة غير معدنية. الألومنيوم معدن انتقالي ، بينما الغاليوم والإنديوم والثاليوم معادن كاملة. وهكذا ، مع زيادة نصف القطر الذري لعناصر كل مجموعة من النظام الدوري ، تزداد الخواص المعدنية للمواد البسيطة.

في هذه المحاضرة سوف نلقي نظرة فاحصة على خواص الألمنيوم.

1. موقع الألومنيوم في جدول D. I. Mendeleev. تظهر حالات الأكسدة هيكل الذرة.

يقع عنصر الألومنيوم فيثالثا المجموعة ، المجموعة الفرعية الرئيسية "أ" ، الفترة الثالثة من النظام الدوري ، الرقم التسلسلي رقم 13 ، الكتلة الذرية النسبيةع (آل ) = 27. جاره على اليسار في الجدول هو المغنيسيوم ، وهو معدن نموذجي ، وعلى اليمين ، السيليكون ، الذي لم يعد معدنًا. لذلك ، يجب أن يظهر الألمنيوم خصائص ذات طبيعة وسيطة ومركباته مذبذبة.

آل +13) 2) 8) 3 ، ف عنصر ،

الحالة الأساسية 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
حالة حماس 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

يعرض الألومنيوم حالة أكسدة +3 في المركبات:

Al 0 - 3 e - → Al +3

2. الخصائص الفيزيائية

الألمنيوم الحر هو معدن أبيض فضي ذو موصلية حرارية وكهربائية عالية.درجة حرارة الانصهار هي 650 درجة مئوية للألمنيوم كثافة منخفضة (2.7 جم / سم 3) - أقل بثلاث مرات من كثافة الحديد أو النحاس ، وفي نفس الوقت يكون معدنًا متينًا.

3. أن تكون في الطبيعة

من حيث الانتشار في الطبيعة ، فإنه يحتل الأول بين المعادن والثالث بين العناصرفي المرتبة الثانية بعد الأكسجين والسيليكون. تتراوح نسبة محتوى الألمنيوم في قشرة الأرض ، وفقًا للعديد من الباحثين ، من 7.45 إلى 8.14٪ من كتلة قشرة الأرض.

في الطبيعة ، يوجد الألمنيوم فقط في المركبات (معادن).

البعض منهم:

· البوكسيت - Al 2 O 3 H 2 O (مع الشوائب SiO 2 ، Fe 2 O 3 ، CaCO 3)

· Nephelines - KNa 3 4

· الوونيتس - KAl (SO 4) 2 2Al (OH) 3

· الألومينا (خليط من الكاولين مع الرمل SiO 2 ، الحجر الجيري CaCO 3 ، المغنسيت MgCO 3)

· اكسيد الالمونيوم - Al 2 O 3

· الفلسبار (أورثوكلاز) - K 2 O × Al 2 O 3 × 6SiO 2

· كاولين - Al 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O

· الوحد - (Na ، K) 2 SO 4 × Al 2 (SO 4) 3 × 4Al (OH) 3

· البريل - 3BeO Al 2 O 3 6SiO 2

البوكسيت
Al2O3	اكسيد الالمونيوم
	روبي
	الياقوت

4. الخواص الكيميائية للألمنيوم ومركباته

يتفاعل الألمنيوم بسهولة مع الأكسجين في ظل الظروف العادية ويتم تغطيته بغشاء أكسيد (يعطي مظهرًا غير لامع).

عرض فيلم أكسيد

سمكها 0.00001 مم ، ولكن بفضلها لا يتآكل الألمنيوم. لدراسة الخصائص الكيميائية للألمنيوم ، تتم إزالة طبقة الأكسيد. (باستخدام ورق الصنفرة ، أو كيميائيًا: أولاً عن طريق خفضه إلى محلول قلوي لإزالة طبقة الأكسيد ، ثم إلى محلول من أملاح الزئبق لتشكيل سبيكة ألومنيوم - زئبق - ملغم).

أنا. التفاعل مع المواد البسيطة

يتفاعل الألمنيوم الموجود بالفعل في درجة حرارة الغرفة بنشاط مع جميع الهالوجينات ، مكونًا هاليدات. عند تسخينه ، يتفاعل مع الكبريت (200 درجة مئوية) والنيتروجين (800 درجة مئوية) والفوسفور (500 درجة مئوية) والكربون (2000 درجة مئوية) ، مع اليود في وجود محفز - الماء:

2A l + 3 S \ u003d A l 2 S 3 (كبريتيد الألومنيوم) ،

2A l + N 2 \ u003d 2A lN (نيتريد الألومنيوم) ،

أ ل + ف = أ ل P (فوسفيد الألومنيوم) ،

4A l + 3C \ u003d A l 4 ج 3 (كربيد الألومنيوم).

2 آل +3 أنا 2 \ u003d 2 أ ل I 3 (يوديد الألومنيوم) خبرة

يتم تحلل كل هذه المركبات تمامًا بتكوين هيدروكسيد الألومنيوم ، وبالتالي كبريتيد الهيدروجين والأمونيا والفوسفين والميثان:

آل 2 S 3 + 6H 2 O \ u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2 S.

آل 4 C 3 + 12H 2 O \ u003d 4Al (OH) 3 + 3CH 4

في شكل نشارة أو مسحوق ، يحترق في الهواء بشكل مشرق ، ويطلق كمية كبيرة من الحرارة:

4A l + 3 O 2 \ u003d 2A l 2 O 3 + 1676 kJ.

احتراق الألمنيوم في الهواء

خبرة

ثانيًا. التفاعل مع المواد المعقدة

التفاعل مع الماء :

2 Al + 6 H 2 O \ u003d 2 Al (OH) 3 +3 H 2

بدون فيلم أكسيد

خبرة

التفاعل مع أكاسيد المعادن:

الألومنيوم عامل اختزال جيد ، حيث أنه أحد المعادن النشطة. إنه في سلسلة النشاط مباشرة بعد معادن الأرض القلوية. لهذا يعيد المعادن من أكاسيدها . يستخدم هذا التفاعل - الألمنيوم - للحصول على معادن نادرة نقية ، مثل التنجستن ، الفاناديوم ، إلخ.

3 Fe 3 O 4 +8 Al \ u003d 4 Al 2 O 3 +9 Fe +س

يستخدم خليط الثرمايت من Fe 3 O 4 و Al (مسحوق) أيضًا في لحام الثرمايت.

C r 2 O 3 + 2A l \ u003d 2C r + A l 2 O 3

التفاعل مع الأحماض :

بمحلول حمض الكبريتيك: 2 Al + 3 H 2 SO 4 \ u003d Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2

لا يتفاعل مع الكبريت والنيتروجين المركز على البارد (خامل). لذلك ، يتم نقل حمض النيتريك في خزانات الألومنيوم. عند تسخينه ، يكون الألمنيوم قادرًا على تقليل هذه الأحماض دون إطلاق الهيدروجين:

2A l + 6H 2 S O 4 (conc) \ u003d A l 2 (S O 4) 3 + 3 S O 2 + 6H 2 O ،

A l + 6H NO 3 (conc) \ u003d A l (NO 3) 3 + 3 NO 2 + 3H 2 O.

التفاعل مع القلويات .

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O \ u003d 2 Na [ آل (أوه) 4 ] + 3H2

خبرة

نا[لكنل(يا) 4] – رباعي هيدروكسي ألومينات الصوديوم

بناءً على اقتراح الكيميائي Gorbov ، خلال الحرب الروسية اليابانية ، تم استخدام هذا التفاعل لإنتاج الهيدروجين للبالونات.

مع محاليل الملح:

2 Al + 3 CuSO 4 \ u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3 Cu

إذا تم فرك سطح الألومنيوم بملح الزئبق ، يحدث التفاعل التالي:

2 ال + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 زئبق

الزئبق المنطلق يذيب الألمنيوم مكونًا ملغمًا .

الكشف عن أيونات الألومنيوم في المحاليل : خبرة

5. تطبيق الألمنيوم ومركباته

أدت الخصائص الفيزيائية والكيميائية للألمنيوم إلى انتشار استخدامه في التكنولوجيا. المستهلك الرئيسي للألمنيوم هو صناعة الطيران 2/3 طائرات مصنوعة من الألمنيوم وسبائكه. ستكون الطائرة الفولاذية ثقيلة جدًا ويمكن أن تحمل عددًا أقل من الركاب. لذلك ، يسمى الألمنيوم بالمعدن المجنح. الكابلات والأسلاك مصنوعة من الألمنيوم: مع نفس الموصلية الكهربائية ، تكون كتلتها أقل بمرتين من المنتجات النحاسية المقابلة.

مع الأخذ في الاعتبار مقاومة التآكل للألمنيوم تصنيع أجزاء من أجهزة وحاويات حامض النتريك. مسحوق الألمنيوم هو أساس صناعة الطلاء الفضي لحماية منتجات الحديد من التآكل ، وكذلك لعكس الأشعة الحرارية ، ويستخدم هذا الطلاء لتغطية مرافق تخزين الزيت وبدلات رجال الإطفاء.

يستخدم أكسيد الألومنيوم لإنتاج الألمنيوم وأيضًا كمادة مقاومة للحرارة.

هيدروكسيد الألومنيوم هو المكون الرئيسي للعقاقير المعروفة مالوكس ، ألماجل ، والتي تقلل من حموضة العصارة المعدية.

يتم تحلل أملاح الألومنيوم بقوة. تستخدم هذه الخاصية في عملية تنقية المياه. يتم إضافة كبريتات الألومنيوم وكمية صغيرة من الجير المطفأ إلى الماء لتنقيته لتحييد الحمض الناتج. نتيجة لذلك ، يتم إطلاق راسب حجمي من هيدروكسيد الألومنيوم ، والذي ، يترسب ، يأخذ معه جزيئات معلقة من التعكر والبكتيريا.

وبالتالي ، فإن كبريتات الألومنيوم هي مادة تخثر.

6. الحصول على الألمنيوم

1) تم اختراع الطريقة الحديثة الفعالة من حيث التكلفة لإنتاج الألمنيوم من قبل القاعة الأمريكية والفرنسي هيروكس في عام 1886. يتكون من التحليل الكهربائي لمحلول أكسيد الألومنيوم في الكريوليت المصهور. الكريوليت المنصهر Na 3 AlF6 يذيب Al 2 O 3 كما يذوب الماء السكر. يستمر التحليل الكهربائي لـ "محلول" أكسيد الألومنيوم في الكريوليت المنصهر كما لو كان الكريوليت عبارة عن مذيب فقط ، وكان أكسيد الألومنيوم عبارة عن إلكتروليت.

2Al 2 O 3 التيار الكهربائي → 4Al + 3O 2

في الموسوعة الإنجليزية للبنين والبنات ، يبدأ مقال عن الألمنيوم بالكلمات التالية: "في 23 فبراير 1886 ، بدأ عصر معدني جديد في تاريخ الحضارة - عصر الألمنيوم. في هذا اليوم ، ظهر تشارلز هول ، وهو كيميائي يبلغ من العمر 22 عامًا ، في مختبر معلمه الأول ومعه عشرات الكرات الصغيرة من الألومنيوم الأبيض الفضي في يده ، ومع الأخبار التي تفيد بأنه وجد طريقة لتصنيع هذا المعدن. بثمن بخس وبكميات كبيرة. لذلك أصبح هول مؤسس صناعة الألمنيوم الأمريكية وبطلًا قوميًا أنجلو ساكسونيًا ، كرجل حقق عملاً عظيماً من العلم.

2) 2Al 2 O 3 +3 C \ u003d 4 Al + 3 CO 2

من المثير للاهتمام:

• تم عزل الألمنيوم المعدني لأول مرة في عام 1825 من قبل الفيزيائي الدنماركي هانز كريستيان أورستد. من خلال تمرير الكلور الغازي عبر طبقة من الألومينا الساخنة الممزوجة بالفحم ، عزل Oersted كلوريد الألومنيوم دون أدنى أثر للرطوبة. لاستعادة الألمنيوم المعدني ، كان Oersted بحاجة إلى معالجة كلوريد الألومنيوم بملغم البوتاسيوم. بعد عامين ، الكيميائي الألماني فريدريش فولر. قام بتحسين الطريقة عن طريق استبدال أملغم البوتاسيوم بالبوتاسيوم النقي.
• في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر ، كان الألمنيوم معدن المجوهرات الرئيسي. في عام 1889 ، في لندن ، مُنح D.I Mendeleev هدية قيمة لخدماته في تطوير الكيمياء - موازين مصنوعة من الذهب والألمنيوم.
• بحلول عام 1855 ، طور العالم الفرنسي سانت كلير ديفيل عملية لإنتاج معدن الألمنيوم على نطاق صناعي. لكن الطريقة كانت باهظة الثمن. تمتعت ديفيل برعاية خاصة من نابليون الثالث ، إمبراطور فرنسا. كدليل على إخلاصه وامتنانه ، صنع ديفيل لابن نابليون ، الأمير الوليد ، حشرجة الموت بأناقة - أول "منتج استهلاكي" مصنوع من الألومنيوم. حتى أن نابليون كان ينوي تجهيز حراسه بدروع من الألومنيوم ، لكن الثمن كان باهظًا. في ذلك الوقت ، كلف 1 كغم من الألمنيوم 1000 مارك ، أي 5 مرات أغلى من الفضة. لم يكن للألمنيوم نفس قيمة المعادن التقليدية حتى اختراع العملية الإلكتروليتية.
• هل تعلم أن دخول الألمنيوم إلى جسم الإنسان يسبب اضطرابًا في الجهاز العصبي ، فعندما يكون مفرطًا ينزعج التمثيل الغذائي. والعوامل الوقائية هي فيتامين ج والكالسيوم ومركبات الزنك.
• عندما يحترق الألمنيوم في الأكسجين والفلور ، يتم إطلاق الكثير من الحرارة. لذلك ، يتم استخدامه كمادة مضافة لوقود الصواريخ. صاروخ ساتورن يحرق 36 طنا من مسحوق الألمنيوم خلال رحلته. تم اقتراح فكرة استخدام المعادن كعنصر من مكونات وقود الصواريخ لأول مرة من قبل FA Zander.

المحاكاة

المحاكي رقم 1 - خصائص الألمنيوم حسب الموضع في النظام الدوري لعناصر D. I. Mendeleev

المحاكاة رقم 2 - معادلات لتفاعلات الألمنيوم مع المواد البسيطة والمعقدة

جهاز محاكاة رقم 3 - الخواص الكيميائية للألمنيوم

مهام التعزيز

رقم 1. للحصول على الألومنيوم من كلوريد الألومنيوم ، يمكن استخدام معدن الكالسيوم كعامل اختزال. قم بعمل معادلة لهذا التفاعل الكيميائي ، وقم بتمييز هذه العملية باستخدام الميزان الإلكتروني.
فكر في! لماذا لا يتم هذا التفاعل في محلول مائي؟

رقم 2. إنهاء معادلات التفاعلات الكيميائية:
Al + H 2 SO 4 (محلول ) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (اضرب ) -t ->
Al + NaOH + H 2 O ->

رقم 3. أداء التحولات:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 -> Al (OH) 3 - t -> Al 2 O 3 -> Al

رقم 4. حل المشكلة:
تم تعريض سبيكة الألومنيوم والنحاس إلى فائض من محلول هيدروكسيد الصوديوم أثناء تسخينها. تم إطلاق 2.24 لترًا من الغاز (غير معروف). احسب النسبة المئوية لتركيب السبيكة إذا كانت كتلتها الإجمالية 10 جم؟

الخصائص الفيزيائية للألمنيوم

الألومنيوم معدن ناعم وخفيف ولون أبيض فضي وله موصلية حرارية وكهربائية عالية. نقطة الانصهار 660 درجة مئوية.

من حيث الانتشار في قشرة الأرض ، يحتل الألمنيوم المرتبة الثالثة بعد الأكسجين والسيليكون بين جميع الذرات والمرتبة الأولى بين المعادن.

تشمل مزايا الألمنيوم وسبائكه كثافته المنخفضة (2.7 جم / سم 3) ، وخصائص القوة العالية نسبيًا ، والتوصيل الحراري والكهربائي الجيد ، وقابلية التصنيع ، ومقاومة التآكل العالية. إن الجمع بين هذه الخصائص يجعل من الممكن تصنيف الألمنيوم كواحد من أهم المواد التقنية.

يتم تقسيم الألمنيوم وسبائكه وفقًا لطريقة الإنتاج إلى قابل للتشوه ، ويخضع للمعالجة بالضغط والمسبك ، ويستخدم في شكل صب مقولب ؛ على استخدام المعالجة الحرارية - على أنظمة غير مصلدة حرارياً ومصلدة حرارياً ، وكذلك في أنظمة صناعة السبائك.

إيصال

حصل هانز أورستد على الألمنيوم لأول مرة في عام 1825. الطريقة الحديثةتم تطوير الإيصالات بشكل مستقل من قبل American Charles Hall والفرنسي Paul Héroux. وهو يتألف من إذابة أكسيد الألومنيوم Al2O3 في ذوبان الكرايوليت Na3AlF6 ، متبوعًا بالتحليل الكهربائي باستخدام أقطاب الجرافيت. تتطلب طريقة الحصول هذه كميات كبيرة من الكهرباء ، وبالتالي كان الطلب عليها فقط في القرن العشرين.

طلب

يستخدم الألمنيوم على نطاق واسع المواد الهيكلية. المزايا الرئيسية للألمنيوم في هذه الجودة هي الخفة ، ليونة الختم ، مقاومة التآكل (في الهواء ، يتم تغطية الألمنيوم على الفور بغشاء Al2O3 قوي ، مما يمنع المزيد من الأكسدة) ، الموصلية الحرارية العالية ، عدم سمية مركباته. على وجه الخصوص ، جعلت هذه الخصائص الألمنيوم شائعًا للغاية في صناعة أواني الطهي ، ورق ألومنيومفي صناعة المواد الغذائية والتعبئة والتغليف.

العيب الرئيسي للألمنيوم كمادة هيكلية هو قوته المنخفضة ، لذلك عادة ما يتم خلطه بكمية صغيرة من النحاس والمغنيسيوم (تسمى السبيكة duralumin).

الموصلية الكهربائية للألمنيوم مماثلة للنحاس ، بينما الألومنيوم أرخص. لذلك ، يتم استخدامه على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية لتصنيع الأسلاك ، وتدريعها ، وحتى في الإلكترونيات الدقيقة لتصنيع الموصلات في الرقائق. صحيح أن الألمنيوم كمادة كهربائية له خاصية غير سارة - بسبب طبقة الأكسيد القوية ، يصعب لحامه.

بسبب مجمع الخصائص ، فإنه يستخدم على نطاق واسع في المعدات الحرارية.

إن إدخال سبائك الألومنيوم في البناء يقلل من استهلاك المعادن ، ويزيد من متانة وموثوقية الهياكل عند تشغيلها في ظروف قاسية (درجة حرارة منخفضة ، زلزال ، إلخ).

يستخدم الألمنيوم على نطاق واسع في أنواع مختلفةالمواصلات. في المرحلة الحالية من تطوير الطيران ، تعتبر سبائك الألومنيوم هي المواد الهيكلية الرئيسية في صناعة الطائرات. يتم استخدام الألمنيوم والسبائك القائمة عليه بشكل متزايد في بناء السفن. الهياكل ، الهياكل الفوقية للسفينة ، الاتصالات وأنواع مختلفة من معدات السفن مصنوعة من سبائك الألومنيوم.

تجري الأبحاث لتطوير الألمنيوم الرغوي باعتباره مادة قوية وخفيفة الوزن بشكل خاص.

الألمنيوم الثمين

يعد الألمنيوم أحد أكثر المعادن شيوعًا واستخدامًا اليوم. منذ لحظة اكتشافها في منتصف القرن التاسع عشر ، كانت تعتبر واحدة من أكثرها قيمة بفضل صفاتها المذهلة: الأبيض مثل الفضة ، وخفيف الوزن ولا يتأثر بها. بيئة. كانت قيمتها أعلى من سعر الذهب. ليس من المستغرب أن يتم استخدام الألمنيوم لأول مرة في صناعة المجوهرات والعناصر الزخرفية باهظة الثمن.

في عام 1855 ، في المعرض العالمي في باريس ، كان الألمنيوم هو عامل الجذب الرئيسي. تم وضع عناصر الألمنيوم في واجهة عرض مجاورة لألماس التاج الفرنسي. تدريجيا ، ولدت أزياء معينة للألمنيوم. كان يعتبر معدنًا نبيلًا لم يتم دراسته جيدًا ، ويستخدم حصريًا لإنشاء أعمال فنية.

في أغلب الأحيان ، كان الجواهريون يستخدمون الألمنيوم. بمساعدة المعالجة السطحية الخاصة ، حقق الجواهريون أخف لون للمعدن ، وهذا هو السبب في أنه غالبًا ما كان مساويًا للفضة. ولكن بالمقارنة مع الفضة ، كان للألمنيوم بريق أكثر نعومة ، مما جعل الجواهريون أكثر ولعًا به.

لان الخصائص الكيميائية والفيزيائية للألمنيومفي البداية لم يتم دراستها بشكل جيد ، اخترع صائغوا المجوهرات أنفسهم تقنيات جديدة لمعالجتها. الألومنيوم سهل المعالجة تقنيًا ، يتيح لك هذا المعدن الناعم إنشاء مطبوعات لأي أنماط ، وتطبيق الرسومات وإنشاء الشكل المطلوب للمنتج. كان الألمنيوم مغطى بالذهب ، مصقولًا وجُلب إلى ظلال غير لامعة.

لكن مع مرور الوقت ، بدأ سعر الألمنيوم في الانخفاض. إذا كانت تكلفة كيلوغرام واحد من الألومنيوم في 1854-1856 تبلغ 3 آلاف فرنك قديم ، ففي منتصف ستينيات القرن التاسع عشر ، تم بالفعل دفع حوالي مائة فرنك قديم لكل كيلوغرام من هذا المعدن. في وقت لاحق ، بسبب التكلفة المنخفضة ، سقط الألومنيوم في الموضة.

حاليًا ، تعتبر منتجات الألمنيوم الأولى نادرة جدًا. لم ينج معظمهم من انخفاض قيمة المعدن وتم استبدالهم بالفضة والذهب والمعادن الثمينة والسبائك الأخرى. في الآونة الأخيرة ، تجدد الاهتمام بالألمنيوم بين المتخصصين. كان هذا المعدن موضوع معرض منفصل نظمه متحف كارنيجي في بيتسبرغ في عام 2000. تقع في فرنسا معهد تاريخ الألمنيوم، والتي تشارك بشكل خاص في دراسة أول مجوهرات مصنوعة من هذا المعدن.

في الاتحاد السوفيتي ، كانت أجهزة تقديم الطعام والغلايات وما إلى ذلك مصنوعة من الألومنيوم. وليس فقط. أول قمر صناعي سوفيتي مصنوع من سبائك الألومنيوم. المستهلك الآخر للألمنيوم هو الصناعة الكهربائية: أسلاك خطوط النقل عالية الجهد ، ولفائف المحركات والمحولات ، والكابلات ، وقواعد المصابيح ، والمكثفات والعديد من المنتجات الأخرى تصنع منها. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم مسحوق الألمنيوم في المتفجرات والوقود الصلب للصواريخ ، باستخدام قدرته على الاشتعال السريع: إذا لم يكن الألمنيوم مغطى بغشاء أكسيد رقيق ، فقد يشتعل في الهواء.

أحدث اختراع هو رغوة الألومنيوم ، ما يسمى ب. "الرغوة المعدنية" ، والتي يتوقع لها مستقبل عظيم.

الألومنيوم معدن مذبذب. التكوين الإلكتروني لذرة الألومنيوم هو 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1. وبالتالي ، فإنه يحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ على طبقة الإلكترون الخارجية: 2 - على 3s- و 1 - على المستوى الفرعي 3p. فيما يتعلق بهذا الهيكل ، يتميز بالتفاعلات ، ونتيجة لذلك تفقد ذرة الألومنيوم ثلاثة إلكترونات من المستوى الخارجي وتكتسب حالة الأكسدة +3. الألومنيوم معدن نشط للغاية ويظهر خصائص اختزال قوية للغاية.

تفاعل الألمنيوم مع المواد البسيطة

بالأكسجين

عند ملامسة الألومنيوم النقي تمامًا للهواء ، تتفاعل ذرات الألومنيوم الموجودة في الطبقة السطحية على الفور مع أكسجين الهواء وتشكل أنحف ، بعدة عشرات من الطبقات الذرية ، طبقة أكسيد قوية من تركيبة Al 2 O 3 ، والتي تحمي الألومنيوم من مزيد من الأكسدة. من المستحيل أيضًا أكسدة عينات كبيرة من الألومنيوم حتى في درجات الحرارة العالية جدًا. ومع ذلك ، فإن مسحوق الألمنيوم الناعم يحترق بسهولة في لهب الموقد:

4Al + 3O 2 \ u003d 2Al 2 O 3

مع الهالوجينات

يتفاعل الألمنيوم بقوة شديدة مع جميع الهالوجينات. وهكذا ، فإن التفاعل بين مساحيق الألمنيوم واليود المختلطة يستمر بالفعل في درجة حرارة الغرفة بعد إضافة قطرة ماء كمحفز. معادلة تفاعل اليود مع الالومنيوم:

2Al + 3I 2 \ u003d 2AlI 3

مع البروم ، وهو سائل بني غامق ، يتفاعل الألمنيوم أيضًا بدون تسخين. يكفي إدخال عينة من الألومنيوم في البروم السائل: يبدأ التفاعل العنيف فورًا بإطلاق كمية كبيرة من الحرارة والضوء:

2Al + 3Br 2 = 2 البر 3

يبدأ التفاعل بين الألومنيوم والكلور عندما يتم إدخال رقائق الألومنيوم المسخنة أو مسحوق الألمنيوم الناعم في دورق مملوء بالكلور. يحترق الألمنيوم بشكل فعال في الكلور حسب المعادلة:

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3

بالكبريت

عند التسخين إلى 150-200 درجة مئوية أو بعد إشعال خليط من مسحوق الألمنيوم والكبريت ، يبدأ تفاعل حاد طارد للحرارة بينهما مع إطلاق الضوء:

— كبريتيد الألومنيوم

بالنيتروجين

عندما يتفاعل الألومنيوم مع النيتروجين عند درجة حرارة حوالي 800 درجة مئوية ، يتشكل نيتريد الألومنيوم:

بالكربون

عند درجة حرارة حوالي 2000 درجة مئوية ، يتفاعل الألومنيوم مع الكربون ويشكل كربيد الألومنيوم (ميثانيد) ، الذي يحتوي على الكربون في حالة الأكسدة -4 ، كما هو الحال في الميثان.

تفاعل الألمنيوم مع المواد المعقدة

مع الماء

كما ذكرنا أعلاه ، لا يسمح فيلم أكسيد Al 2 O 3 المستقر والمتين للألمنيوم بالتأكسد في الهواء. نفس طبقة الأكسيد الواقية تجعل الألومنيوم خاملًا للماء أيضًا. عند إزالة طبقة الأكسيد الواقية من السطح بطرق مثل المعالجة بالمحاليل المائية للقلويات أو كلوريد الأمونيوم أو أملاح الزئبق (الدمج) ، يبدأ الألمنيوم في التفاعل بقوة مع الماء لتكوين هيدروكسيد الألومنيوم وغاز الهيدروجين:

مع أكاسيد المعادن

بعد اشتعال خليط من الألومنيوم مع أكاسيد معادن أقل نشاطًا (على يمين الألومنيوم في سلسلة النشاط) ، يبدأ تفاعل شديد القوة وطارد للحرارة. لذلك ، في حالة تفاعل الألومنيوم مع أكسيد الحديد (III) ، تتطور درجة حرارة 2500-3000 درجة مئوية.نتيجة لهذا التفاعل ، يتشكل الحديد المصهور عالي النقاوة:

2AI + Fe 2 O 3 \ u003d 2Fe + Al 2 O 3

تسمى هذه الطريقة للحصول على المعادن من أكاسيدها بالاختزال بالألمنيوم الألمنيومأو الألمنيوم.

مع الأحماض غير المؤكسدة

تفاعل الألومنيوم مع الأحماض غير المؤكسدة ، أي تؤدي جميع الأحماض تقريبًا ، باستثناء أحماض النيتريك والكبريتيك المركزة ، إلى تكوين ملح الألومنيوم للحمض وغاز الهيدروجين المقابل:

أ) 2Al + 3H 2 SO 4 (razb.) \ u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2

2Al 0 + 6H + = 2Al 3+ + 3H 2 0 ؛

ب) 2AI + 6HCl = 2AICl 3 + 3H 2

مع الأحماض المؤكسدة

- حامض الكبريتيك المركز

لا يحدث تفاعل الألومنيوم مع حمض الكبريتيك المركز في الظروف العادية ، وكذلك في درجات الحرارة المنخفضة ، بسبب تأثير يسمى التخميل. عند التسخين ، يكون التفاعل ممكنًا ويؤدي إلى تكوين كبريتات الألومنيوم والماء وكبريتيد الهيدروجين ، والتي تتشكل نتيجة اختزال الكبريت ، وهو جزء من حمض الكبريتيك:

يحدث هذا الاختزال العميق للكبريت من حالة الأكسدة +6 (في H 2 SO 4) إلى حالة الأكسدة -2 (في H 2 S) بسبب قدرة الاختزال العالية جدًا للألمنيوم.

- حامض النيتريك المركز

يعمل حمض النيتريك المركز أيضًا على تخميل الألومنيوم في ظل الظروف العادية ، مما يجعل من الممكن تخزينه في حاويات الألمنيوم. تمامًا كما في حالة الكبريت المركز ، يصبح تفاعل الألومنيوم مع حمض النيتريك المركز ممكنًا مع التسخين القوي ، بينما يستمر التفاعل في الغالب:

- حمض النيتريك المخفف

يؤدي تفاعل الألومنيوم مع المخفف مقارنة بحمض النيتريك المركز إلى نواتج تقليل النيتروجين بشكل أعمق. بدلاً من NO ، اعتمادًا على درجة التخفيف ، يمكن تكوين N 2 O و NH 4 NO 3:

8Al + 30HNO 3 (razb.) \ u003d 8Al (NO 3) 3 + 3N 2 O + 15H 2 O

8Al + 30HNO 3 (مخفف للغاية) = 8Al (NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O

مع القلويات

يتفاعل الألمنيوم مع المحاليل المائية للقلويات:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2

ومع القلويات النقية أثناء الانصهار:

في كلتا الحالتين ، يبدأ التفاعل بتفكك الطبقة الواقية من أكسيد الألومنيوم:

آل 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O \ u003d 2Na

آل 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O

في حالة وجود محلول مائي ، يبدأ الألمنيوم ، المنقى من طبقة الأكسيد الواقية ، في التفاعل مع الماء وفقًا للمعادلة:

2Al + 6H 2 O \ u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2

يتفاعل هيدروكسيد الألومنيوم الناتج ، كونه مذبذبًا ، مع محلول مائي من هيدروكسيد الصوديوم لتكوين رباعي هيدروكسيد الصوديوم القابل للذوبان:

Al (OH) 3 + NaOH = Na