Хөнгөн цагаан ба төмрийн физик шинж чанар. Хөнгөн цагааны химийн болон физик шинж чанар

ТОДОРХОЙЛОЛТ

Хөнгөн цагаан- арван гурав дахь элемент Тогтмол хүснэгт. Тэмдэглэл - Латин "хөнгөн цагаан" -аас Al. Гурав дахь үе, IIIA бүлэгт байрладаг. Металлуудыг хэлдэг. Цөмийн цэнэг 13.

Хөнгөн цагаан бол дэлхийн царцдас дахь хамгийн түгээмэл металл юм. Энэ нь шавар, хээрийн жонш, гялтгануур болон бусад олон ашигт малтмалаас олддог. Дэлхийн царцдас дахь хөнгөн цагааны нийт агууламж 8% (масс).

Хөнгөн цагаан нь мөнгөлөг цагаан (Зураг 1) хөнгөн металл юм. Энэ нь утсанд амархан татагдаж, нимгэн хуудас болгон өнхрүүлдэг.

Өрөөний температурт хөнгөн цагаан нь агаарт өөрчлөгддөггүй, гэхдээ түүний гадаргуу нь оксидын нимгэн хальсаар хучигдсан байдаг бөгөөд энэ нь маш хүчтэй хамгаалалтын нөлөөтэй байдаг.

Цагаан будаа. 1. Хөнгөн цагаан. Гадаад төрх.

Хөнгөн цагааны атом ба молекулын жин

Бодисын харьцангуй молекул жин (M r)Энэ нь өгөгдсөн молекулын масс нь нүүрстөрөгчийн атомын массын 1/12-ээс хэд дахин их болохыг харуулсан тоо бөгөөд элементийн харьцангуй атомын масс(A r) - химийн элементийн атомын дундаж масс нь нүүрстөрөгчийн атомын массын 1/12-ээс хэд дахин их байна.

Хөнгөн цагаан нь чөлөөт төлөвт нэг атомт Al молекул хэлбэрээр оршдог тул түүний атом ба молекул жинтаарах. Тэд 26.9815-тай тэнцүү байна.

Хөнгөн цагааны изотопууд

Байгальд хөнгөн цагаан нь нэг тогтвортой изотоп 27Al хэлбэрээр байж болно гэдгийг мэддэг. Массын тоо нь 27. Хөнгөн цагааны изотоп 27 Al-ийн цөм нь арван гурван протон, арван дөрвөн нейтрон агуулдаг.

21-42 масстай хөнгөн цагааны цацраг идэвхт изотопууд байдаг бөгөөд тэдгээрийн дотроос 26Al изотоп нь хамгийн урт насалдаг, хагас задралын хугацаа нь 720 мянган жил юм.

хөнгөн цагаан ионууд

Хөнгөн цагааны атомын гаднах энергийн түвшинд валент бүхий гурван электрон байдаг.

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

Үр дүнд нь химийн харилцан үйлчлэлхөнгөн цагаан нь валентийн электроноо өгдөг, өөрөөр хэлбэл. нь тэдний донор бөгөөд эерэг цэнэгтэй ион болж хувирдаг.

Al 0 -3e → Al 3+.

Хөнгөн цагааны молекул ба атом

Чөлөөт төлөвт хөнгөн цагаан нь нэг атомт Al молекул хэлбэрээр оршдог. Хөнгөн цагааны атом ба молекулыг тодорхойлдог зарим шинж чанарууд энд байна.

хөнгөн цагааны хайлш

Хөнгөн цагааны үндсэн хэрэглээ нь түүн дээр суурилсан хайлш үйлдвэрлэх явдал юм. Хайлшийн нэмэлтүүдийг (жишээлбэл, зэс, цахиур, магни, цайр, марганец) хөнгөн цагааны хүч чадлыг нэмэгдүүлэхийн тулд голчлон нэвтрүүлдэг.

Зэс, магни агуулсан дуралюминий, гол нэмэлт нь цахиур, магни (9.5-11.5% магнитай хөнгөн цагааны хайлш) болох силуминууд өргөн хэрэглэгддэг.

Хөнгөн цагаан нь зэс, магни, титан, никель, цайр, төмөр зэрэгт суурилсан хайлшийн хамгийн түгээмэл нэмэлтүүдийн нэг юм.

Асуудлыг шийдвэрлэх жишээ

ЖИШЭЭ 1

Дасгал хийх	Алюминотермик аргыг ашиглан төмөр замыг гагнахын тулд хөнгөн цагаан ба төмрийн исэл Fe 3 O 4 хольцыг ашигладаг. 1 кг (1000 гр) жинтэй төмөр үүсэхэд 6340 кЖ дулаан ялгардаг бол термохимийн урвалын тэгшитгэл хий.
Шийдэл	Бид алюминотермик аргаар төмрийг үйлдвэрлэх урвалын тэгшитгэлийг бичнэ. 8Al + 3Fe 2 O 3 \u003d 9Fe + 4Al 2 O 3. Төмрийн онолын массыг олъё (урвалын термохимийн тэгшитгэлээс тооцоолсон): n(Fe) = 9 моль; m(Fe) = n(Fe) ×M(Fe); m(Fe) = 9 × 56 = 504 гр. Урвалын явцад x кЖ дулаан ялгаруулна. Пропорцийг гаргацгаая: 1000 гр - 6340 кЖ; 504 гр - х кЖ. Тиймээс x нь дараахтай тэнцүү болно. x \u003d 540 × 6340 / 1000 \u003d 3195. Энэ нь алюминотермик аргаар төмрийг олж авах урвалын явцад 3195 кЖ дулаан ялгардаг гэсэн үг юм. Термохимийн урвалын тэгшитгэл нь дараах хэлбэртэй байна. 8Al + 3Fe 2 O 3 = 9Fe + 4Al 2 O 3 + 3195 кЖ.
Хариулт	Урвалын явцад 3195 кЖ дулаан ялгардаг.

ЖИШЭЭ 2

Дасгал хийх	Хөнгөн цагааныг 200 г 16% -ийн азотын хүчлийн уусмалаар боловсруулж, хий ялгарсан. Гарсан хийн масс ба эзэлхүүнийг тодорхойл.
Шийдэл	Хөнгөн цагааныг азотын хүчилд уусгах урвалын тэгшитгэлийг бид бичнэ. 2Al + 6HNO 3 \u003d 2Al (NO 3) 3 + 3H 2 -. Азотын хүчлийн ууссан бодисын массыг тооцоол. m(HNO 3) = m уусмал (HNO 3)×w(HNO 3) / 100%; м(HNO 3) \u003d 20 × 96% / 100% \u003d 19.2 гр. Азотын хүчлийн бодисын хэмжээг ол: M (HNO 3) \u003d Ar (H) + Ar (N) + 3 × Ar (O) \u003d 1 + 14 + 3 × 16 \u003d 63 г / моль. n (HNO 3) \u003d м (HNO 3) / M (HNO 3); n (HNO 3) \u003d 19.2 / 63 \u003d 0.3 моль. Урвалын тэгшитгэлийн дагуу n (HNO 3): n (H 2) = 6: 3, i.e. n (H 2) \u003d 3 × n (HNO 3) / 6 \u003d ½ × n (HNO 3) \u003d ½ × 0.3 \u003d 0.15 моль. Дараа нь ялгарсан устөрөгчийн масс ба эзэлхүүн нь дараахтай тэнцүү болно. M (H 2) \u003d 2 × Ar (H) \u003d 2 × 1 \u003d 2 г / моль. м (H 2) \u003d n (H 2) × M (H 2) \u003d 0.15 × 2 \u003d 0.3 гр. V (H 2) \u003d n (H 2) × V м; V (H 2) \u003d 0.15 × 22.4 \u003d 3.36 л.
Хариулт	Урвалын үр дүнд 0.3 г масстай, 3.36 литр эзэлхүүнтэй устөрөгч ялгардаг.

(A l ), ​​галли (Ga ), индий (In ) ба талли (T l ).

Өгөгдсөн мэдээллээс харахад эдгээр бүх элементүүд нээгдсэн байна XIX зуун.

Үндсэн дэд бүлгийн металлын нээлт III бүлгүүд

AT	Ал	Га	онд	Tl
1806	1825	1875	1863	1861
Г.Луссак,	Г.Х.Оерстед	Л.де Бойсбодран	Ф.Рейх,	В.Крукс
Л.Тенард	(Дани)	(Франц)	И.Рихтер	(Англи)
(Франц)			(Герман)

Бор бол металл бус. Хөнгөн цагаан бол шилжилтийн металл бол галли, индий, талли нь бүрэн металл юм. Ийнхүү үечилсэн системийн бүлэг бүрийн элементүүдийн атомын радиус нэмэгдэхийн хэрээр энгийн бодисын металлын шинж чанар нэмэгддэг.

Энэ лекцээр бид хөнгөн цагааны шинж чанарыг илүү нарийвчлан авч үзэх болно.

1. Д.И.Менделеевийн хүснэгтэд хөнгөн цагааны байрлал. Атомын бүтэц, исэлдэлтийн төлөвийг үзүүлэв.

Хөнгөн цагааны элемент нь дотор байрладаг III бүлэг, үндсэн "А" дэд бүлэг, үечилсэн системийн 3-р үе, серийн дугаар No13, харьцангуй атомын массАр (Ал ) = 27. Хүснэгтийн зүүн талд байгаа хөрш нь ердийн металл болох магни, баруун талд нь металл байхаа больсон цахиур юм. Тиймээс хөнгөн цагаан нь завсрын шинж чанартай байх ёстой бөгөөд түүний нэгдлүүд амфотер шинж чанартай байдаг.

Al +13) 2) 8) 3 , p нь элемент,

Үндсэн төлөв 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
сэтгэл хөдөлсөн байдал 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Хөнгөн цагаан нь нэгдлүүдийн исэлдэлтийн төлөвийг +3 харуулдаг:

Al 0 - 3 e - → Al +3

2. Физик шинж чанар

Чөлөөт хэлбэрийн хөнгөн цагаан бол өндөр дулаан, цахилгаан дамжуулалттай мөнгөлөг цагаан металл юм.Хайлах температур нь 650 ° C. Хөнгөн цагаан нь бага нягтралтай (2.7 г / см 3) - төмөр эсвэл зэсээс гурав дахин бага, тэр үед удаан эдэлгээтэй металл юм.

3. Байгальд байх

Байгаль дахь тархалтын хувьд энэ нь эзэлдэг Металлаар 1-р, элементүүдээр 3-р байрхүчилтөрөгч, цахиурын дараа хоёрдугаарт ордог. Төрөл бүрийн судлаачдын үзэж байгаагаар дэлхийн царцдас дахь хөнгөн цагааны агууламжийн хувь хэмжээ дэлхийн царцдасын массын 7.45-8.14% хооронд хэлбэлздэг.

Байгальд хөнгөн цагаан нь зөвхөн нэгдлүүдэд тохиолддог (эрдэс).

Тэдний зарим нь:

· Бокситууд - Al 2 O 3 H 2 O (SiO 2, Fe 2 O 3, CaCO 3 хольцтой)

· Нефелин - KNa 3 4

· Алунитууд - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3

· Хөнгөн цагааны исэл (элс SiO 2, шохойн чулуу CaCO 3, магнезит MgCO 3 бүхий каолины хольц)

· Корунд - Al 2 O 3

· Хээрийн жонш (ортоклаз) - K 2 O × Al 2 O 3 × 6SiO 2

· Каолинит - Al 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O

· Алунит - (Na,K) 2 SO 4 × Al 2 (SO 4) 3 × 4Al (OH) 3

· Берил - 3BeO Al 2 O 3 6SiO 2

Боксит
Al2O3	Корунд
	Руби
	Сапфир

4. Хөнгөн цагаан ба түүний нэгдлүүдийн химийн шинж чанар

Хөнгөн цагаан нь хэвийн нөхцөлд хүчилтөрөгчтэй амархан харьцаж, исэлдүүлсэн хальсаар бүрхэгдсэн байдаг (энэ нь царцсан харагдуулдаг).

ОКСИДИЙН КИНО ҮЗҮҮЛЭХ

Түүний зузаан нь 0.00001 мм боловч түүний ачаар хөнгөн цагаан нь зэврдэггүй. Хөнгөн цагааны химийн шинж чанарыг судлахын тулд оксидын хальсыг арилгадаг. (Зүлгүүр ашиглах, эсвэл химийн аргаар: эхлээд шүлтийн уусмал руу буулгаж исэл хальсыг арилгах, дараа нь мөнгөн усны давсны уусмалд хөнгөн цагаан мөнгөн усны хайлш - амальгам үүсгэдэг).

I. Энгийн бодисуудтай харилцах

Өрөөний температурт хөнгөн цагаан нь бүх галогентэй идэвхтэй урвалд орж, галогенийг үүсгэдэг. Халах үед хүхэр (200 ° C), азот (800 ° C), фосфор (500 ° C), нүүрстөрөгч (2000 ° C), иодтой катализатор - устай харилцан үйлчилдэг.

2A l + 3 S \u003d A l 2 S 3 (хөнгөн цагаан сульфид),

2А л + N 2 \u003d 2А лН (хөнгөн цагаан нитрид),

A l + P = A l P (хөнгөн цагааны фосфид),

4A l + 3C \u003d A l 4 C 3 (хөнгөн цагаан карбид).

2 Al +3 I 2 \u003d 2 A л I 3 (хөнгөн цагаан иодид) ТУРШЛАГА

Эдгээр бүх нэгдлүүд нь хөнгөн цагааны гидроксид, үүний дагуу устөрөгчийн сульфид, аммиак, фосфин, метан үүсэх замаар бүрэн гидролиз болдог.

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

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

Хутга эсвэл нунтаг хэлбэрээр энэ нь агаарт тод шатаж, их хэмжээний дулаан ялгаруулдаг.

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

АГААР ДАХЬ ХӨНГӨНГӨН ХӨНГӨНИЙ ШАТАЛТ

ТУРШЛАГА

II. Нарийн төвөгтэй бодисуудтай харилцан үйлчлэх

Устай харилцах :

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

оксидын хальсгүй

ТУРШЛАГА

Металлын оксидуудтай харилцан үйлчлэл:

Хөнгөн цагаан нь идэвхтэй металлуудын нэг тул сайн бууруулагч юм. Энэ нь шүлтлэг шороон металлын дараа үйл ажиллагааны цувралд багтдаг. Тийм ч учраас металлыг исэлээс нь сэргээдэг . Ийм урвал - aluminothermy - гянт болд, ванади гэх мэт цэвэр ховор металлыг олж авахад ашигладаг.

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

Fe 3 O 4 ба Al (нунтаг) -ын термит хольцыг термит гагнуурт бас ашигладаг.

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

Хүчилтэй харилцан үйлчлэл :

Хүхрийн хүчлийн уусмалаар: 2 Al + 3 H 2 SO 4 \u003d Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2

Хүйтэн төвлөрсөн хүхрийн болон азоттой (идэвхгүй) урвалд ордоггүй. Тиймээс азотын хүчлийг хөнгөн цагаан саванд тээвэрлэдэг. Халах үед хөнгөн цагаан нь устөрөгчийг ялгаруулахгүйгээр эдгээр хүчлүүдийг багасгаж чаддаг.

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.

Шүлттэй харилцан үйлчлэл .

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

ТУРШЛАГА

На[ГЭХДЭЭл(OH) 4] – натрийн тетрагидроксоалюминат

Химич Горбовын санал болгосноор Орос-Японы дайны үед энэ урвалыг бөмбөлөгт устөрөгч үйлдвэрлэхэд ашигласан.

Давсны уусмалаар:

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

Хэрэв хөнгөн цагааны гадаргууг мөнгөн усны давсаар үрж байвал дараах урвал явагдана.

2 Ал + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 hg

Гарсан мөнгөн ус нь хөнгөн цагааныг уусгаж, амальгам үүсгэдэг .

Уусмал дахь хөнгөн цагааны ионыг илрүүлэх : ТУРШЛАГА

5. Хөнгөн цагаан ба түүний нэгдлүүдийн хэрэглээ

Хөнгөн цагааны физик, химийн шинж чанар нь түүнийг технологид өргөнөөр ашиглахад хүргэсэн. Хөнгөн цагааны гол хэрэглэгч нь нисэхийн салбар : 2/3 нисэх онгоц нь хөнгөн цагаан болон түүний хайлшаар хийгдсэн. Гангаар хийсэн онгоц нь хэтэрхий хүнд бөгөөд хамаагүй цөөхөн зорчигч тээвэрлэх боломжтой. Тиймээс хөнгөн цагааныг далавчит металл гэж нэрлэдэг. Кабель ба утаснууд нь хөнгөн цагаанаар хийгдсэн байдаг: ижил цахилгаан дамжуулах чадвартай, тэдгээрийн масс нь харгалзах зэсийн бүтээгдэхүүнээс 2 дахин бага байна.

Хөнгөн цагааны зэврэлтэнд тэсвэртэй байдлыг харгалзан үзвэл энэ нь аппарат хэрэгслийн эд анги, азотын хүчлийн сав үйлдвэрлэх. Хөнгөн цагаан нунтаг нь төмрийн бүтээгдэхүүнийг зэврэлтээс хамгаалах, дулааны цацрагийг тусгах зорилгоор мөнгөн будаг үйлдвэрлэх үндэс суурь болдог тул ийм будаг нь газрын тосны агуулах, гал сөнөөгчдийн хувцасыг бүрхэхэд ашиглагддаг.

Хөнгөн цагааны ислийг хөнгөн цагаан үйлдвэрлэхээс гадна галд тэсвэртэй материал болгон ашигладаг.

Хөнгөн цагааны гидроксид нь ходоодны шүүсний хүчиллэгийг бууруулдаг алдартай эмийн Maalox, Almagel-ийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг юм.

Хөнгөн цагааны давс нь хүчтэй гидролизд ордог. Энэ өмчийг ус цэвэршүүлэх процесст ашигладаг. Үүссэн хүчлийг саармагжуулахын тулд цэвэршүүлэх усанд хөнгөн цагааны сульфат, бага хэмжээний унтарсан шохой нэмнэ. Үүний үр дүнд хөнгөн цагааны гидроксидын эзэлхүүнтэй тунадас ялгардаг бөгөөд энэ нь тунаж, булингар, бактерийн түдгэлзүүлсэн тоосонцорыг өөртөө авч явдаг.

Тиймээс хөнгөн цагаан сульфат нь коагулянт юм.

6. Хөнгөн цагааныг олж авах

1) Хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх орчин үеийн хэмнэлттэй аргыг 1886 онд Америкийн танхим, Францын иргэн Херу нар зохион бүтээжээ. Энэ нь хайлсан криолит дахь хөнгөн цагаан ислийн уусмалын электролизээс бүрдэнэ. Хайлсан криолит Na 3 AlF 6 нь ус элсэн чихэрийг уусгадаг шиг Al 2 O 3-ийг уусгана. Хайлсан криолит дэх хөнгөн цагаан ислийн "уусмал" электролиз нь криолит нь зөвхөн уусгагч, хөнгөн цагаан исэл нь электролит юм шиг явагддаг.

2Al 2 O 3 цахилгаан гүйдэл → 4Al + 3O 2

Хөвгүүд, охидод зориулсан англи нэвтэрхий толь бичигт хөнгөн цагааны тухай өгүүлэл дараах үгсээр эхэлдэг: “1886 оны 2-р сарын 23-нд соёл иргэншлийн түүхэнд металлын шинэ эрин үе буюу хөнгөн цагааны эрин эхэлсэн. Энэ өдөр 22 настай химич Чарльз Холл анхны багшийнхаа лабораторид гартаа мөнгөлөг цагаан хөнгөн цагааны хэдэн арван жижиг бөмбөлөг барьж, энэ металлыг үйлдвэрлэх арга олсон тухай мэдээг сонсов. хямд, их хэмжээгээр. Тиймээс Холл шинжлэх ухаанаар агуу бизнес хийсэн хүний ​​хувьд Америкийн хөнгөн цагааны үйлдвэрийг үндэслэгч, Англо-Саксоны үндэсний баатар болжээ.

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

ЭНЭ СОНИРХОЛТОЙ БАЙНА:

• Металл хөнгөн цагааныг анх 1825 онд Данийн физикч Ханс Кристиан Эрстед тусгаарлаж байжээ. Нүүрстэй холилдсон халуун хөнгөн цагааны ислийн давхаргаар хийн хлорыг дамжуулснаар чийгийн ул мөргүй хөнгөн цагаан хлоридыг тусгаарласан. Металл хөнгөн цагааныг сэргээхийн тулд Oersted хөнгөн цагаан хлоридыг калийн амальгамаар эмчлэх шаардлагатай болсон. 2 жилийн дараа Германы химич Фридрих Вёллер. Тэрээр калийн амальгамыг цэвэр калигаар солих замаар энэ аргыг сайжруулсан.
• 18-19-р зууны үед хөнгөн цагаан нь үнэт эдлэлийн гол металл байв. 1889 онд Лондонд Д.И.Менделеев химийн шинжлэх ухааныг хөгжүүлэхэд оруулсан хувь нэмрийг үнэлж, алт, хөнгөн цагаанаар хийсэн жингээр шагнуулжээ.
• 1855 он гэхэд Францын эрдэмтэн Сен-Клэр Девилл үйлдвэрлэлийн хэмжээнд хөнгөн цагаан металл үйлдвэрлэх процессыг боловсруулжээ. Гэхдээ энэ арга нь маш үнэтэй байсан. Девилл Францын эзэн хаан III Наполеоны онцгой ивээлд дуртай байв. Түүний чин бишрэл, талархлын тэмдэг болгон Девилл шинэ төрсөн ханхүү Наполеоны хүүд зориулж хөнгөн цагаанаар хийсэн анхны "хэрэглээний бүтээгдэхүүн" болох гоёмсог сийлбэртэй шажигнуур хийжээ. Наполеон харуулууддаа хөнгөн цагаан эдлэлээр тоноглохыг зорьж байсан ч үнэ нь маш өндөр байв. Тухайн үед 1 кг хөнгөн цагаан 1000 маркийн үнэтэй байсан, өөрөөр хэлбэл. Мөнгөнөөс 5 дахин үнэтэй. Электролитийн процессыг зохион бүтээх хүртэл хөнгөн цагаан нь ердийн металл шиг үнэ цэнэтэй болсон.
• Хөнгөн цагаан нь хүний ​​биед нэвтэрч мэдрэлийн системд гэмтэл учруулдаг гэдгийг та мэдэх үү, илүүдэлтэй үед бодисын солилцоо алдагддаг. Мөн хамгаалалтын бодисууд нь витамин С, кальци, цайрын нэгдлүүд юм.
• Хөнгөн цагаан нь хүчилтөрөгч, фторт шатаах үед маш их дулаан ялгардаг. Тиймээс пуужингийн түлшний нэмэлт болгон ашигладаг. Санчир гаригийн пуужин нислэгийнхээ үеэр 36 тонн хөнгөн цагаан нунтаг шатаадаг. Металлыг пуужингийн түлшний бүрэлдэхүүн хэсэг болгон ашиглах санааг анх Ф.А.Зандер дэвшүүлсэн.

СИМУЛЯТОР

Симулятор №1 - Д.И.Менделеевийн элементүүдийн үечилсэн систем дэх байрлалаар хөнгөн цагааны шинж чанар.

Симулятор No2 - Хөнгөн цагааны энгийн ба нарийн төвөгтэй бодисуудтай урвалын тэгшитгэл

Симулятор No3 - Хөнгөн цагааны химийн шинж чанар

БҮТГҮҮЛЭХ ДААЛГАВАР

№1. Хөнгөн цагааны хлоридоос хөнгөн цагааныг авахын тулд кальцийн металыг бууруулагч болгон ашиглаж болно. Энэхүү химийн урвалын тэгшитгэлийг гаргаж, электрон тэнцвэрийг ашиглан энэ процессыг тодорхойл.
Бодоод үз! Яагаад энэ урвалыг усан уусмалд хийж болохгүй гэж?

№2. Химийн урвалын тэгшитгэлийг дуусга:
Al + H 2 SO 4 (уусмал ) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (конц )-t ->
Al + NaOH + H 2 O ->

Дугаар 3. Өөрчлөлтийг хийх:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 -> Al(OH) 3 - t -> Al 2 O 3 -> Al

№4. Асуудлыг шийдэх:
Хөнгөнцагаан-зэсийн хайлшийг халаах явцад натрийн гидроксидын концентрацитай уусмалын илүүдэлтэй болсон. 2.24 литр хий (н.о.) гарсан. Нийт масс нь 10 г бол хайлшийн найрлагын хувийг тооцоолно уу?

Хөнгөн цагааны физик шинж чанар

Хөнгөн цагаан нь дулаан, цахилгаан дамжуулах өндөр чадвартай, зөөлөн, хөнгөн, мөнгөлөг цагаан металл юм. Хайлах цэг 660 ° C.

Дэлхийн царцдас дахь тархалтын хувьд хөнгөн цагаан нь бүх атомын дотор хүчилтөрөгч, цахиурын дараа 3-т, металлын хувьд 1-р байранд ордог.

Хөнгөн цагаан ба түүний хайлшийн давуу талууд нь нягт багатай (2.7 г/см3), харьцангуй өндөр бат бэх шинж чанар, дулаан, цахилгаан дамжуулалт сайн, үйлдвэрлэх чадвар, зэврэлтэнд тэсвэртэй байдаг. Эдгээр шинж чанаруудын хослол нь хөнгөн цагааныг хамгийн чухал техникийн материалын нэг гэж ангилах боломжийг олгодог.

Хөнгөн цагаан ба түүний хайлшийг үйлдвэрлэх аргын дагуу хэв гажилттай, даралтын боловсруулалтанд өртдөг, цутгамал цутгамал хэлбэрээр хуваадаг; дулааны боловсруулалтыг ашиглах талаар - дулааны хувьд хатуураагүй ба дулаанаар хатуурсан, түүнчлэн хайлшийн систем дээр.

Баримт

Хөнгөн цагааныг анх 1825 онд Ханс Эрстед гаргаж авсан. Орчин үеийн аргаБаримт бичгийг Америкийн Чарльз Холл, Францын Пол Херу нар бие даан боловсруулсан. Энэ нь хөнгөн цагааны исэл Al2O3-ийг Na3AlF6 криолитийн хайлмалд уусгаж, дараа нь бал чулуу электрод ашиглан электролиз хийхээс бүрдэнэ. Энэхүү олж авах арга нь их хэмжээний цахилгаан эрчим хүч шаарддаг тул зөвхөн 20-р зуунд эрэлт хэрэгцээтэй байсан.

Өргөдөл

Хөнгөн цагааныг өргөн хэрэглэдэг бүтцийн материал. Энэ чанарын хөнгөн цагааны гол давуу тал нь хөнгөн, дарахад уян хатан чанар, зэврэлтэнд тэсвэртэй (агаарт хөнгөн цагаан нь хүчтэй Al2O3 хальсаар бүрхэгдсэн байдаг бөгөөд энэ нь цаашдын исэлдэлтээс сэргийлдэг), өндөр дулаан дамжуулалт, түүний нэгдлүүдийн хоргүй чанар юм. Ялангуяа эдгээр шинж чанарууд нь хөнгөн цагааныг аяга таваг үйлдвэрлэхэд маш их алдартай болгосон. хөнгөн цагаан тугалган цаасхүнсний үйлдвэрт болон савлагаанд .

Бүтцийн материал болох хөнгөн цагааны гол сул тал нь түүний хүч чадал бага байдаг тул ихэвчлэн бага хэмжээний зэс, магнийн хайлшаар хайлуулдаг (хайлшийг duralumin гэж нэрлэдэг).

Хөнгөн цагааны цахилгаан дамжуулах чанар нь зэстэй харьцуулах боломжтой бол хөнгөн цагаан нь хямд байдаг. Иймээс цахилгааны инженерчлэлд утас үйлдвэрлэх, тэдгээрийг хамгаалах, тэр ч байтугай микроэлектроникийн бичил схемд дамжуулагч үйлдвэрлэхэд өргөн хэрэглэгддэг. Үнэн бол цахилгаан материал болох хөнгөн цагаан нь тааламжгүй шинж чанартай байдаг - хүчтэй оксидын хальстай тул гагнах нь хэцүү байдаг.

Шинж чанаруудын нарийн төвөгтэй байдлаас шалтгаалан энэ нь дулааны төхөөрөмжид өргөн хэрэглэгддэг.

Хөнгөн цагааны хайлшийг барилгын ажилд нэвтрүүлэх нь металлын хэрэглээг бууруулж, эрс тэс нөхцөлд (бага температур, газар хөдлөлт гэх мэт) ажиллахад бүтцийн бат бөх, найдвартай байдлыг нэмэгдүүлдэг.

Хөнгөн цагааныг өргөн хэрэглэдэг янз бүрийн төрөлтээвэрлэлт. Нисэхийн хөгжлийн өнөөгийн шатанд хөнгөн цагааны хайлш нь нисэх онгоцны барилгын гол бүтцийн материал юм. Хөнгөн цагаан ба түүн дээр суурилсан хайлшийг хөлөг онгоцны үйлдвэрлэлд улам бүр ашиглаж байна. Их бие, тавцангийн дээд бүтэц, харилцаа холбоо, хөлөг онгоцны төрөл бүрийн тоног төхөөрөмжийг хөнгөн цагааны хайлшаар хийдэг.

Хөөсрүүлсэн хөнгөн цагааныг онцгой бат бөх, хөнгөн материал болгох судалгаа хийгдэж байна.

үнэт хөнгөн цагаан

Хөнгөн цагаан бол өнөөдөр хамгийн алдартай, өргөн хэрэглэгддэг металлуудын нэг юм. 19-р зууны дунд үеэс нээгдсэн цагаасаа эхлэн энэ нь мөнгө шиг цагаан, хөнгөн жинтэй, нөлөөлөлд өртөөгүй гайхалтай чанаруудын ачаар хамгийн үнэ цэнэтэй зүйл гэж тооцогддог байв. орчин. Түүний үнэ цэнэ алтны үнээс өндөр байв. Хөнгөн цагааныг үнэт эдлэл, үнэтэй гоёл чимэглэлийн зүйлсийг бүтээхэд анх ашигласан нь гайхмаар зүйл биш юм.

1855 онд Парист болсон бүх нийтийн үзэсгэлэнд хөнгөн цагааны анхаарлыг татах гол зүйл байв. Хөнгөн цагаан эд зүйлсийг Францын титэм алмазны хажууд байрлуулсан үзэсгэлэнд байрлуулсан. Аажмаар хөнгөн цагааны тодорхой загвар бий болсон. Энэ нь зөвхөн урлагийн бүтээл хийхэд ашигладаг эрхэмсэг, бага судлагдсан металл гэж тооцогддог байв.

Ихэнхдээ хөнгөн цагааныг үнэт эдлэлчид ашигладаг байсан. Гадаргуугийн тусгай боловсруулалтын тусламжтайгаар үнэт эдлэлчид металлын хамгийн цайвар өнгөтэй болсон тул үүнийг ихэвчлэн мөнгөтэй адилтгадаг байв. Гэхдээ мөнгөтэй харьцуулахад хөнгөн цагаан нь илүү зөөлөн гялбаатай байсан нь үнэт эдлэлчдэд илүү дуртай байв.

Учир нь хөнгөн цагааны химийн болон физик шинж чанарэхэндээ тэд муу судлагдсан байсан тул үнэт эдлэлчид өөрсдөө үүнийг боловсруулах шинэ техник зохион бүтээжээ. Хөнгөн цагааныг боловсруулахад техникийн хувьд хялбар, энэ зөөлөн металл нь ямар ч хэв маягийн хэвлэх, зураг зурах, бүтээгдэхүүний хүссэн хэлбэрийг бий болгох боломжийг олгодог. Хөнгөн цагааныг алтаар бүрж, өнгөлж, царцсан сүүдэрт авчирсан.

Гэвч цаг хугацаа өнгөрөхөд хөнгөн цагааны үнэ буурч эхэлсэн. Хэрэв 1854-1856 онд нэг кг хөнгөн цагааны өртөг 3 мянган хуучин франк байсан бол 1860-аад оны дундуур энэ металлын нэг кг тутамд зуу орчим хуучин франк аль хэдийн өгсөн байв. Дараа нь хямд өртөгтэй тул хөнгөн цагаан моодонд оржээ.

Одоогийн байдлаар хамгийн анхны хөнгөн цагаан бүтээгдэхүүн маш ховор байдаг. Тэдний ихэнх нь металлын элэгдэлд өртөж чадаагүй бөгөөд мөнгө, алт болон бусад үнэт металл, хайлшаар солигдсон. Сүүлийн үед мэргэжилтнүүдийн дунд хөнгөн цагааныг сонирхох болсон. Энэ металл нь 2000 онд Питтсбург дахь Карнегийн музейгээс зохион байгуулсан тусдаа үзэсгэлэнгийн сэдэв байв. Францад байрладаг Хөнгөн цагааны түүхийн хүрээлэн, ялангуяа энэ металлаар хийсэн анхны үнэт эдлэлийг судлах чиглэлээр ажилладаг.

ЗХУ-д нийтийн хоолны хэрэгсэл, данх гэх мэтийг хөнгөн цагаанаар хийдэг байв. Зөвхөн биш. Зөвлөлтийн анхны хиймэл дагуулыг хийсэн хөнгөн цагааны хайлш. Хөнгөн цагааны өөр нэг хэрэглэгч бол цахилгааны салбар юм: өндөр хүчдэлийн цахилгаан дамжуулах шугамын утас, мотор ба трансформаторын ороомог, кабель, чийдэнгийн суурь, конденсатор болон бусад олон бүтээгдэхүүнийг үүнээс хийдэг. Нэмж дурдахад хөнгөн цагаан нунтаг нь тэсрэх бодис болон пуужингийн хатуу түлшинд ашиглагддаг бөгөөд хурдан гал авалцах чадвараа ашигладаг: хэрэв хөнгөн цагааныг нимгэн ислийн хальсаар бүрхээгүй бол агаарт дэлбэрэх аюултай.

Хамгийн сүүлийн үеийн шинэ бүтээл бол хөнгөн цагаан хөөс гэж нэрлэгддэг хөөс юм. агуу ирээдүйг зөгнөсөн "металл хөөс".

Хөнгөн цагаан бол амфотер металл юм. Хөнгөн цагааны атомын электрон тохиргоо нь 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 байна. Ийнхүү гадаад электрон давхаргад гурван валентийн электронтой байна: 2 - 3s- дээр, 1 - 3p-дэд түвшинд. Энэ бүтэцтэй холбоотойгоор энэ нь урвалаар тодорхойлогддог бөгөөд үүний үр дүнд хөнгөн цагаан атом нь гадаад түвшнээс гурван электроноо алдаж, +3 исэлдэлтийн төлөвийг олж авдаг. Хөнгөн цагаан нь маш идэвхтэй металл бөгөөд маш хүчтэй бууруулагч шинж чанартай байдаг.

Хөнгөн цагааны энгийн бодисуудтай харилцан үйлчлэл

хүчилтөрөгчтэй

Агаартай туйлын цэвэр хөнгөн цагаан хүрэлцэх үед гадаргуугийн давхаргад байрлах хөнгөн цагааны атомууд нь агаарын хүчилтөрөгчтэй шууд харилцан үйлчилж, хөнгөн цагааныг хамгаалдаг хамгийн нимгэн, хэдэн арван атомын давхарга бүхий зузаан, хүчтэй исэлдлийн хальс үүсгэдэг. цаашдын исэлдэлтээс. Мөн хөнгөн цагааны том дээжийг маш өндөр температурт исэлдүүлэх боломжгүй юм. Гэсэн хэдий ч нарийн хөнгөн цагаан нунтаг нь шатаагчны дөлөнд амархан шатдаг.

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

галогентэй

Хөнгөн цагаан нь бүх галогентэй маш хүчтэй урвалд ордог. Тиймээс хөнгөн цагаан ба иодын холимог нунтаг хоорондын урвал нь катализатор болгон дусал ус нэмсний дараа өрөөний температурт аль хэдийн явагддаг. Иод ба хөнгөн цагааны харилцан үйлчлэлийн тэгшитгэл:

2Al + 3I 2 \u003d 2AlI 3

Хөнгөн цагаан нь хар хүрэн шингэн болох бромтой хамт халаахгүйгээр урвалд ордог. Хөнгөн цагааны дээжийг шингэн бромд оруулахад л хангалттай: их хэмжээний дулаан, гэрэл ялгарснаар хүчирхийллийн урвал шууд эхэлдэг.

2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3

Халсан хөнгөн цагаан тугалган цаас эсвэл нарийн хөнгөн цагаан нунтагыг хлороор дүүргэсэн колбонд оруулахад хөнгөн цагаан ба хлорын хоорондох урвал явагдана. Хөнгөн цагаан нь хлорт дараах тэгшитгэлийн дагуу үр дүнтэй шатдаг.

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3

хүхэртэй

150-200 хэм хүртэл халаах эсвэл нунтаг хөнгөн цагаан, хүхрийн хольцыг асаасны дараа тэдгээрийн хооронд гэрэл ялгарах хүчтэй экзотермик урвал эхэлдэг.

— сульфид хөнгөн цагаан

азотын хамт

Хөнгөн цагаан нь 800 ° C-ийн температурт азоттой харилцан үйлчлэхэд хөнгөн цагаан нитрид үүсдэг.

нүүрстөрөгчтэй

Ойролцоогоор 2000 хэмийн температурт хөнгөн цагаан нь нүүрстөрөгчтэй харилцан үйлчилж, метан шиг -4 исэлдэлтийн төлөвт нүүрстөрөгч агуулсан хөнгөн цагаан карбид (метанид) үүсгэдэг.

Хөнгөн цагааны нарийн төвөгтэй бодисуудтай харилцан үйлчлэл

устай

Дээр дурдсанчлан Al 2 O 3-ийн тогтвортой, удаан эдэлгээтэй оксидын хальс нь хөнгөн цагааныг агаарт исэлдүүлэхийг зөвшөөрдөггүй. Үүнтэй ижил хамгаалалтын ислийн хальс нь хөнгөн цагааныг усанд идэвхгүй болгодог. Гадаргуугаас хамгаалалтын ислийн хальсыг шүлт, аммонийн хлорид эсвэл мөнгөн усны давсны усан уусмалаар боловсруулах (нэгтгэх) аргаар арилгахад хөнгөн цагаан нь устай хүчтэй урвалд орж, хөнгөн цагааны гидроксид, устөрөгчийн хий үүсгэдэг.

металлын ислүүдтэй

Хөнгөн цагааны хольцыг бага идэвхтэй металлын исэлд авсны дараа (үйл ажиллагааны цувралын хөнгөн цагааны баруун талд) маш хүчтэй, хүчтэй экзотермик урвал эхэлдэг. Тиймээс хөнгөн цагааны төмрийн исэл (III) -тай харилцан үйлчлэх үед 2500-3000 ° C температур үүсдэг.Энэ урвалын үр дүнд өндөр цэвэршилттэй хайлсан төмөр үүсдэг.

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

Хөнгөн цагаанаар ангижруулах замаар тэдгээрийн исэлээс металл авах энэ аргыг нэрлэдэг алюминотермиэсвэл алюминотерми.

исэлдүүлэхгүй хүчилтэй

Хөнгөн цагааны исэлдүүлэхгүй хүчилтэй харилцан үйлчлэл, i.e. Төвлөрсөн хүхрийн болон азотын хүчлээс бусад бараг бүх хүчил нь харгалзах хүчил ба устөрөгчийн хийн хөнгөн цагааны давс үүсэхэд хүргэдэг.

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

2Al 0 + 6H + = 2Al 3+ + 3H 2 0;

б) 2AI + 6HCl = 2AICl 3 + 3H 2

исэлдүүлэгч хүчлүүдтэй

- төвлөрсөн хүхрийн хүчил

Хөнгөн цагааны төвлөрсөн хүхрийн хүчилтэй хэвийн нөхцөлд, түүнчлэн бага температурт харилцан үйлчлэлцэх нь идэвхгүйжүүлэх нөлөөллийн улмаас үүсдэггүй. Халах үед урвал явагдах боломжтой бөгөөд хүхрийн хүчлийн нэг хэсэг болох хүхрийн бууралтын үр дүнд үүссэн хөнгөн цагаан сульфат, ус, устөрөгчийн сульфид үүсэхэд хүргэдэг.

Хүхрийн исэлдэлтийн төлөвөөс +6 (H 2 SO 4-д) -2 (H 2 S-д) исэлдэлтийн төлөв хүртэл ийм гүн гүнзгий бууралт нь хөнгөн цагааныг маш өндөр бууруулах чадвартай тул үүсдэг.

- төвлөрсөн азотын хүчил

Баяжуулсан азотын хүчил нь хэвийн нөхцөлд хөнгөн цагааныг идэвхгүй болгодог бөгөөд энэ нь хөнгөн цагаан саванд хадгалах боломжийг олгодог. Баяжуулсан хүхрийн хувьд хөнгөн цагаан ба төвлөрсөн азотын хүчилтэй харилцан үйлчлэлцэх нь хүчтэй халаалтаар боломжтой байдаг бол урвал голчлон явагддаг.

- шингэрүүлсэн азотын хүчил

Төвлөрсөн азотын хүчилтэй харьцуулахад хөнгөн цагааны шингэрүүлсэн бодистой харилцан үйлчлэлцэх нь азотыг илүү гүнзгий бууруулах бүтээгдэхүүнд хүргэдэг. NO-ийн оронд шингэрүүлэх зэргээс хамааран N 2 O ба NH 4 NO 3 үүсч болно.

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

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

шүлттэй

Хөнгөн цагаан нь шүлтийн усан уусмалтай хоёуланд нь урвалд ордог.

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

ба хайлуулах явцад цэвэр шүлттэй:

Аль ч тохиолдолд урвал нь хөнгөн цагаан оксидын хамгаалалтын хальсыг татан буулгахаас эхэлдэг.

Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na

Al 2 O 3 + 2NaOH \u003d 2NaAlO 2 + H 2 O

Усан уусмалын хувьд хамгаалалтын ислийн хальснаас цэвэршүүлсэн хөнгөн цагаан нь дараах тэгшитгэлийн дагуу устай урвалд орж эхэлдэг.

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

Үүссэн хөнгөн цагаан гидроксид нь амфотер шинж чанартай тул натрийн гидроксидын усан уусмалтай урвалд орж уусдаг натрийн тетрагидроксоалюминатыг үүсгэдэг.

Al(OH) 3 + NaOH = Na