Алюміній

Алюміній – хімічний елемент III групи періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва. Внаслідок високої хімічної активності алюміній в природі знаходиться тільки в зв’язаному вигляді. За змістом в земній корі він (в формі його з’єднань) посідає перше місце серед металів – 8,13% і третє місце після кисню і кремнію. За даними акад. А.Е. Ферсмана, налічується понад 250 мінералів алюмінію, які переважно зосереджені поблизу поверхні землі, і більше 40% з них відноситься до алюмосилікатів.

Практично єдиним методом отримання металевого алюмінію є електроліз кріолітогліноземного розплаву. Основною сировиною для цього процесу – глинозем (А12О3) отримують різними гідрохімічними методами шляхом переробки мінералів, що містять сполуки алюмінію.

Хімічні властивості. У періодичної системи Д.І. Менделєєва порядковий номер алюмінію 13, його атомна маса становить 26,9815 (по вуглецю 12С) і 26,98974 (по кисню 16O).

Основним ізотопом є 27А1, який стійкий і складається з 14 нейтронів і 13 протонів. Крім одного ізотопу 26А1, період напіврозпаду якого дорівнює 106 років, встановлено існування ще шести ізотопів з масовими числами 23, 24, 25, 26, 28 і 29 та з малими періодами напіврозпаду (від 0,13 до 396 с), а також нехтує малою поширеністю в природі (від 2×10-5 до 1,5×10-4%).

Алюміній трехвалентен, і 13 його електронів розподілені на електронних оболонках ls2, 2s2, 2р6, 3s2, 3р1. На зовнішньому електронному шарі М знаходяться три валентних електрони: два на Зs-орбіті з потенціалами іонізації 1800 і 2300 кДж / моль і один на 3p-орбіті з потенціалом 574,5 кДж / моль, і тому в хімічних сполуках алюміній зазвичай трехвалентен (А13 +) . Так як електрон на p-орбіті з ядром атома пов’язаний слабкіше, ніж два спарених електрона на s-орбіті, то за певних умов, втрачаючи р-електрон, атом алюмінію стає одновалентним іоном (А1 +), утворюючи з’єднання нижчої валентності (субприєднання), і ще рідше – А12 +.

Кристалічна решітка алюмінію – гранецентрированний куб, яка стійка при температурі від 4 К до точки плавлення. В алюмінії немає аллотропических перетворень, тобто його будова постійна. Елементарна комірка складається з чотирьох атомів розміром 4,049596×10-10 м; при 25 ° С атомному діаметрі (найкоротша відстань між атомами в решітці) становить 2,86-10-10 м, а атомний об’єм 9,999×10-6 м3 / г-атом. Домішки в алюмінію незначно впливають на величину параметра решітки.

Алюміній має велику хімічну активність; енергія освіти його з’єднань з киснем, сіркою і вуглецем вельми велика. В ряді напруг він знаходиться серед найбільш електронегативний елементів, і його нормальний електродний потенціал дорівнює -1,67 В. В звичайних умовах, взаємодіючи з киснем повітря, алюміній покритий тонкою (2-10-5 см), але міцною плівкою оксиду алюмінію А1203, яка захищає від подальшого окислення, що обумовлює його високу корозійну стійкість. Однак при наявності в алюмінії або навколишньому середовищу Hg, Na, Mg, Ca, Si, Сі і деяких інших елементів міцність оксидної плівки і її захисні властивості різко знижуються.

Розплавленій алюміній активно реагує з оксидом и діоксидом вуглецем и парами води. Найбільший інтерес представляет розчінність водню в алюмінію, так як прісутність водних в металі негативно впливає на механічні властивості алюмінію и его сплавів. Боден в алюмінії в кількостях, что перевіщують розчінність в твердому стані, розглядається як шкідлива домішкаю

Алюміній має амфотерні властивості, тобто реагуючи з кислотами, утворює відповідні солі, а при взаємодії з лугами – алюмінати. Ця особливість суттєво розширює можливості вилучення алюмінію з руд різного складу. Алюміній розчиняється в сірчаної та соляної кислоти, а також в лугах, але концентрована азотом і органічною кислотою на алюміній не діють.

Алюміній широко представлений в земній корі різними сполуками, які діляться за кількістю видів приблизно на дві рівні групи:

первинні мінерали, які утворюються при кристалізації магми і її похідних. Головна роль у цій групі належить алюмосиликату, типовими представниками яких є ортоклаз, альбіт, лейцит і нефелин. Менш поширені силікати алюмінію – дистен, силіманіт, андалузит. Щодо рідкісних є шпінелі і вільний оксид алюмінію – корунд;

вторинні сполуки алюмінію, які утворюються під впливом вивітрювання в земній корі, характеризуються більш високим вмістом оксиду алюмінію серед них широко поширені гідросилікати алюмінію – каолініт і його різновиди, а також гідроксиди та оксігідроксіди алюмінію – гиббсит, беміт і діаспор, які є найважливішою складовою частиною основних промислових алюмінієвих руд – бокситів. До цієї ж групи належить і алуніт.

До основних алюмінієвим руд відносяться боксити, нефеліни, алуніти і деякі інші сполуки, але найважливішою рудою є боксити, на яких практично повністю працюють всі закордонні глиноземні заводи. Боксит – складна гірська порода, що складається з оксидів і гідроксидів Al, Fe, Si і Ti і в якості домішок присутні карбонати кальцію і магнію, гідросилікати (хлорити), сульфіди і сульфати (в першу чергу, заліза) і органічні сполуки. Основними гліноземосодержащімі мінералами бокситів є гиббсит, беміт і діаспор. У природі мономінеральні боксити надзвичайно рідкісні, набагато частіше зустрічаються руди змішаного типу – гиббсит-бемітовие або беміт-діаспоровие.

Якість бокситів в основному визначається змістом в них А12О3 і SiO2, і для оцінки їх якості на практиці використовують кремнієвий модуль mSi – масове відношення змісту А12О3 до SiO2. Чим більше модуль, тим вище якість бокситу.

Області застосування алюмінієвих сплавів

Сплави АТ і АТ-1. Елементи конструкцій і деталей, що не несуть навантаження і потребують застосування матеріалу з високими пластичними властивостями, гарною зварюваністю, високим опором корозії і високою тепло- і електропровідністю.

З цих сплавів виготовляються трубопроводи різного призначення, вітражі, перегородки в кімнатах, електропроводи, двері, віконні рами, корпуси годинників, ювелірні вироби, палубні надбудови морських і річкових суден, шпалери, обгортки, баки і т. д.

Алюмінієві сплави застосовуються також у вигляді заклепок для средненагружаемих конструкцій з алюмінієвих сплавів з підвищеною корозійною стійкістю і для конструкцій з магнієвих сплавів.

Сплав АМц. Зварні деталі, трубопроводи, ємності для рідин та інші малонавантажені деталі і вироби; вироби, виготовлені глибокою витяжкою, гнучкою і т. д., а також дріт для заклепок.
Заклепки для средненагружаемих конструкцій з алюмінієвих сплавом з підвищеною корозійною стійкістю і для конструкцій з магнієвих
сплавів.

Сплав АМг2. Зварні та клепані деталі, трубопроводи різного значення, ємності для рідин та інші середньо- і малонагружаемие деталі і вироби. Також виготовляються вітражі, перегородки в кімнатах, електропроводи, двері, віконні рами, корпуси годинників, палубні надбудови морських і річкових суден, шпалери, обгортки, баки і т. д.
Дріт застосовується в якості присадочного матеріалу і для виготовлення заклепок.

Сплав АМгЗ. Зварні малонагружуванні деталі і конструкції, з високо корозійною стійкістю, трубопроводи, ємності для рідин та інші середньо-навантажених деталей і виробів.

Сплави АМг5, АМг5В і АМг6. Зварні та клепані средненагружаемие деталі і конструкції, що вимагають високої корозійної стійкості; трубопроводи, ємності для рідин та інші деталі і вироби.

Сплави Д16 і Д16П. У конструкціях середньої і підвищеної міцності, Вимагають підвищеної довговічності при змінних навантаженнях; в будівельних конструкціях, які не вимагають високої корозійної стійкості, для виготовлення ферм, а також для різних високонагружуваних деталів і елементів-конструкцій, за винятком штамповок і поковок. У сильно навантажених т-талях сплав Д16 замінюється сплавом В95. Заклепки ставляться до конструкції та свежезакаленному стані (не пізніше 20-30 хв після гарту). Ставиться в конструкціях, що працюють при температурі до 250 ° С.

Сплави АД31 і АД3З. Застосовуються для клеєних і клепаних конструкцій складної форми, а також для конструкцій, де потрібна підвищена межа плинності, і для пресованих виробів складної форми (порожнисті профілі).

Сплави АК4 і АК4-1. Лопатки компресорів, крильчатки, диски і кільця турбореактивних і турбогвинтових двигунів, поршні двигунів і інші ковані деталі, що працюють при підвищених температурах.

Сплави АК6 і АК6-1. Штамповані і ковані деталі складної форми і середньої міцності (крильчатки великі і малі, підмоторної рами, фітинги, качалки, кріпильні деталі).

Сплав АК8. Високонавантажувані штамповані і ковані деталі, підмоторної рами, стикові вузли, пояси лонжеронів. Труднощі, пов’язані з гарячою обробкою тиском, обмежують застосування цього сплаву.

Сплави В95 і В95-1. Навантажуються конструкції, що працюють тривалий час при температурах не вище 100-120 ° С. Обшивка, стрингери, шпангоути, лонжерони літаків, силовий каркас клепаних будівельних споруд. З сплаву В95-1 виготовляються штамповані лопаті.

ГДЗ (відповіді) Хімія 11 клас Григорович О.В. §5 Природа хімічного зв’язку. Йонний зв’язок НОВА ПРОГРАМА 2019 РОКУ

Вправа 60 У чому виявляється електронна природа хімічного зв’язку? Під час утворення хімічних зв’язків відбувається перерозподіл електронної густини (імовірного місцезнаходження електронів) мiж зв’язаними атомами, встановлюється певна відстань між ними

Вправа 61 Схарактеризуйте зміну сумарної енергії двох атомів Гідрогену залежно від відстані між ними. На великих відстанях взаємодія між атомами відсутня і під час їх зближення до певного моменту їхня сумарна енергія не змінюватиметься. У міру зближення між атомами взаємодія посилюється, внаслідок чого їхня сумарна енергія зменшується. Найвигіднішій відстані, якій відповідає найменша енергія, називають довжиною зв’язку. У разі значного зближення сумарна енергія збільшується внаслідок переважання відштовхування між ядрами атомів

Поясніть причину цих змін. Згідно з принципом «мінімальної енергії», хімічний зв’язок між атомами утворюється, якщо сумарна енергія системи в разі їхнього зближення зменшується. Зменшення енергії молекули порівняно з енергією окремих атомів — причина утворення хімічного зв’язку.

Вправа 62 Дайте визначення:

Хімічний зв’язок — це взаємодія атомів, що зумовлює стійкість багатоатомних частинок (молекул, йонів, кристалів)

Хімічний зв’язок, що реалізується за рахунок притягання протилежно заряджених йонів, називають йонним

Завдяки яким взаємодіям вони утворюються? Між протилежно зарядженими йонами діють електростатичні сили притягання, сила яких залежить від зарядів йонів та їхніх радіусів

Вправа 63 Схарактеризуйте умови виникнення хімічного зв’язку.

Умови виникнення хімічного зв’язку визначив американський хімік Дж.Льюїс, який запропонував електронну теорію хімічного зв’язку. Оскільки атоми всіх інертних елементів (крім Гелію) містять на зовнішньому рівні по вісім електронів і їхні електронні оболонки відзначаються особливою стійкістю , то прагнення до конфігурації інертного елемента атомів усіх інших елементів називають правилом октету Льюїса (від латин. окто — вісім).

Вправа 64 Для яких сполук характерний йонний зв’язок? Для солей, основних оксидів та лугів

Вправа 65 Чому одні атоми взаємодіють один з одним, а інші — ні? Атоми, електронна конфігурація яких відмінна від конфігурації найближчого інертного елемента, здатні утворювати хімічний зв’язок, в противному випадку є хімічно інертними.

Вправа 66 За якими ознаками можна визначити атоми, що здатні утворити хімічний зв’язок? Утворювати хімічний зв’язок здатні атоми, електронна конфігурація яких відмінна від конфігурації найближчого інертного елемента

Поясніть, чому «не вигідно» утворення молекули He₂ . Зовнішня двох-електронна оболонка для атома Гелію відповідає мінімальній енергії, вже є стійкою, тому йому просто не потрібні «зайві» електрони.

Інертні хімічні елементи мають завершений зовнішній енергетичний рівень, тому в природі вони є одноатомними газами

Вправа 67 Скільки електронів не вистачає до октету атомам Карбону, Брому, Сульфуру, Хлору, Фосфору, Нітрогену? Чотири, один, два, один, три

Вправа 68 До електронної конфігурації атомів яких інертних елементів прагнуть атоми Натрію, Сульфуру, Калію, Алюмінію, Брому? Атоми цих елементів прагнуть віддавати чи приєднувати електрони в разі утворення хімічних зв’язків?

Відповідь: до Неону — віддавати електрони, до Аргону — приймати, до Аргону — віддавати, до Неону — віддавати, до Аргону — приймати

Вправа 69 Визначте, скільки електронів можуть віддати атоми Кальцію, Берилію, Літію, Алюмінію, Нітрогену, Брому.

Відповідь: два, два, один, три, п’ять, сім

Вправа 70 Зобразіть схему утворення йонів із нейтральних атомів на прикладі:

Вправа 71 Зобразіть схему утворення йонів під час взаємодії металів із кислотами для утворення солей:

Вправа 72 Визначте хімічну формулу частинки (атома чи йона) за відомим протонним числом та будовою зовнішнього енергетичного рівня:

е) р=26, 3s 2 3p 6 3d 6 . Fe 2+

Вправа 73 Утворення стабільної частинки — це енергетично вигідний процес, який відбувається з виділенням теплоти. Визначте, який процес відбувається з виділенням теплоти, а який — із поглинанням:

а) Н 0 → Н + ; Виділенням ( помилкова умова: Не 0 → Не + – йони не утворюються )

Стабільними частинками є йони металічних і неметалічних елементів

ГДЗ (відповіді) Хімія 7 клас Григорович О.В., 2015 §10 ВІДНОСНА АТОМНА МАСА. ВІДНОСНА МОЛЕКУЛЯРНА МАСА

Контрольні запитання
1. Дайте визначення поняттям «відносна атомна маса», «відносна молекулярна маса». Відносна атомна маса A_r– це відношення маси атома даного елемента до 1/12 маси атома Карбону. Відносна молекулярна маса M_r показує у скільки разів маса молекул більша за 1/12 маси атома Карбону.

Що в даному випадку означає слово «відносна»? Слово «відносна» в даному випадку означає, що маса атома чи молекули визначена порівнянням з атомною одиницею маси, бо відносний, той що визначається у зіставленні із чим-небудь .

2. Виберіть правильну відповідь. Атомну одиницю маси використовують:
а) для обчислення відносної атомної маси елементів;

б) як одиницю вимірювання атомної та молекулярної маси;

в) для обчислення мас усіх маленьких частинок;

г) для обчислення мас великих тіл.

3. Виберіть правильну відповідь. Атомна одиниця маси дорівнює:
а) 1/12 маси атома Оксигену;

в) масі електрона, помноженій на 12;

4. Чому масу атомів рідко виражають у грамах? Бо маса атома настільки мала, що виражати її у грамах або кілограмах дуже незручно.

5. Що спільного і чим відрізняються такі поняття:
а) «маса атома» і «відносна атомна маса»;

Спільним є те, що атом, як кожна матеріальна частинка, має масу.

Відрізняються ці поняття наступним. Маса атома ― фізична величина, що вимірюється у грамах, тому має одиниці вимірювання, а відносна атомна маса ― це маса атома, визначена порівнянням з атомною одиницею маси (а.о.м.), тому є величиною безрозмірною (бо отримується діленням величин однакової розмірності) .

б) «відносна молекулярна маса» і «маса молекули»;

Спільним є те, що молекула, як кожна матеріальна частинка, має масу.

Відрізняються ці поняття наступним. Маса молекули ― фізична величина, що вимірюється у грамах, тому має одиниці вимірювання, а відносна молекулярна маса ― це маса молекули, визначена порівнянням з атомною одиницею маси (а.о.м.), тому є величиною безрозмірною (бо отримується діленням величин однакової розмірності) .

в) «відносна молекулярна маса» і «відносна атомна маса»?

Спільним є те, що слово «відносна» в даному випадку означає, що маса атома і маса молекули визначена порівнянням з атомною одиницею маси (а.о.м.) і обидві величини є безрозмірними.

Відрізняються тим, що мова йде про масу молекули і масу атома.

Завдання для засвоєння матеріалу
Вправа 1. Укажіть у Періодичній системі та випишіть символи і відносні атомні маси (з округленням до цілих чисел) хімічних елементів:
Алюмінію A_r(Al)=27
Флуору A_r(F)=19
Цинку A_r(Zn)=65
Аргентуму A_r(Ag)=108
Стануму A_r(Sn)=119

Вправа 2. Обчисліть, атом якого елемента важчий і у скільки разів:
а) Нітроген і Гелій;

Важчий Нітроген у 3,5 разів, бо A_r(N):A_r(He)=14:4=3,5
б) Оксиген і Сульфур;

Важчий Сульфур у 2 рази, бо A_r(S):A_r(О)=32:16=2
в) Ферум і Силіцій;

Важчий Ферум у 2 рази, бо A_r(Fe):A_r(Si)=56:28=2
г) Сульфур і Купрум.

Важчий Купрум у 2 рази, бо A_r(Cu):A_r(S)=64:32=2

Вправа 3. Обчисліть, скільки атомних одиниць маси міститься в 1 г речовини.

Оскільки 1 а.о.м.= 1,66•10 -24 г, тому в

1 г = 1 а.о.м./ 1,66•10 -24 = 0,6024•10 24 а.о.м.= 6,024•10 23 а.о.м.

У 1,66•10 -24 г міститься 1 а.о.м.
У 1 г ― х а.о.м.

Складаємо пропорцію і розв’язуємо її.

1,66•10 -24 г / 1 г = 1 а.о.м. / х а.о.м.

х а.о.м. • 1,66•10 -24 г = 1 а.о.м. • 1 г

х = 1 а.о.м. • 1 г : 1,66•10 -24 г

х = 0,6024•10 24 а.о.м. =6,024•10 23 а.о.м.

Вправа 4. Скільки атомів Оксигену мають таку саму масу, як один атом Купруму?

Позначимо кількість атомів Оксигену через х,

складемо рівняння і розв’яжемо його.

Відповідь: чотири атоми Оксигену

Вправа 5. Обчисліть відносні молекулярні (формульні) маси таких речовин: хлор Cl₂, сульфатна кислота H₂SO₄, сахароза C₁₂H₂₂O₁₁, мідь Cu, гіпс CaSO₄, крейда CaCO₃, малахіт (CuOH)₂CO₃.
M_r(Cl₂)=2 • A_r(Cl)=2 • 35,5=71

Вправа 6. Обчисліть, що важче: п’ять молекул води H₂O чи три молекули вуглекислого газу CO₂.

а п’ять молекул 5 • M_r(Н₂О)= 5 • 18=90

Одна молекула вуглекислого газу M_r(СО₂)= A_r( С )+ 2 • A_r(О) = 12+ 2 • 16=44,

а три молекули 3 • M_r(СО₂)= 3 • 44=132

Відповідь: важчі три молекули СО₂

Вправа 7. У «перекису водню (гідроген пероксиді)» на один атом Оксигену припадає один атом Гідрогену. Визначте хімічну формулу перекису водню, якщо його молекулярна маса дорівнює 34.
Дано: M_r(Н_xО_x)=34

Прирівняємо ліві і праві частини рівностей, отримаємо алгебраїчне рівняння:

Вправа 8. Речовина пірит складається з атомів Феруму та Сульфуру і має відносну формульну масу 120. Визначте хімічну формулу цієї речовини.

Дано: сполука складається з атомів Fe i S, M _r (сполуки )=120

M_r(сполуки)=120, тому 120-88=32, а це маса атома Сульфура.

Отже, сполука містить один атом Феруму і два атоми Сульфуру, тому має формулу FeS₂

Вправа 9. Визначте відносні атомні маси поданих елементів, використовуючи маси їхніх атомів. Відповідь порівняйте зі значеннями, указаними в Періодичній системі.
а) Платини, якщо маса її атомів 3,24 • 10 –25 кг;

A_r(Pt)=m_a(Pt):1 а.о.м. = 3,24•10 -25 кг : 1,66 •10 -27 кг= 1,952 •10 2 ≈ 195,2

У Періодичній системі значення A_r(Pt)=195,09

б) Урану, якщо маса його атомів 3,95 • 10 –22 г.

A_r(U)=m_a(U):1 а.о.м. = 3,95•10 -22 г:1,66 •10 -24 г= 2,379 •10 2 ≈ 238

У Періодичній системі значення A_r (U)=238,029

Вправа 10. Формула жасмоналю, що має запах квітів жасмину, C₆H₅CHC(C₅H₁₁)CHO. Обчисліть його відносну молекулярну масу.

Вправа 11. Обчисліть масу молекули сахарози C₁₂H₂₂O₁₁ у грамах. Визначте, скільки молекул сахарози міститься у зразку цукру масою 1 г.

Знаючи відносну молекулярну масу, можна обчислити абсолютну масу молекули речовини у грамах.

Кількість молекул сахарози:

1 г : 5,68 •10 -22 г = 0, 176 •10 22 = 1,76 •10 21

Відповідь: 5,68 •10 -22 г , 1,76 •10 21

Вправа 12*. Як у XVII–XIX століттях визначали відносну атомну масу (атомну вагу)? Порівнювали з масою найлегшого атома — атома Гідрогену.

Маси яких елементів були взяті за основу для визначення відносних атомних мас? Гідрогену, Карбону

Чому в сучасній хімії для визначення відносних атомних мас використовується карбонова одиниця? Бо 1/12 маси атома Карбону чисельно дорівнює масі атома Гідрогену 1,66•10 –24 г.