Одним из самых распространённых химических элементов на планете Земля является алюминий (Al). Основные физические свойства этого лёгкого металла получили большой спрос в промышленности. Этот материал устойчив к негативному воздействию коррозии, обладает высокой электропроводностью, хорошо справляется с колебаниями температур. Базовые характеристики и схема строения атома алюминия влияют на способы обработки металла.
Принцип строения
Расположение алюминия в таблице Менделеева тесно связано с электронным строением атома этого металла. Химическое вещество находится в третьем периоде, III группе и имеет 13 порядковый номер. Лабораторные исследования показали, что 27 — это относительная атомная масса элемента. Электронная формула атома алюминия выглядит так: 1s22s22p63s23p1. Способ распределения электронов можно изобразить следующим образом: +13Al)2)8)3.
Молекула Al включает в свой состав положительно заряженное ядро +13. Дополнительно присутствуют 3 электронные оболочки с 13 электронами. Эти характеристики химический элемент имеет в любой ситуации. На внешнем энергетическом уровне расположено 3 электрона, которые атом может отдавать, находясь в возбуждённом состоянии. Показатель окисления будет в пределах +3. Алюминий обладает третьей валентностью. Это правило изучают на уроках химии в 8 классе.
В естественной среде Al можно встретить только в составе различных соединений. Например, слюда, глина, корунд. Этот лёгкий металл ценился гораздо дороже золота до тех пор, пока его не начали получать промышленным способом.
Физические характеристики
Aлюминий используется в различных отраслях современной промышленности, так как обладает высокой теплопроводностью, пластичностью, устойчивостью к коррозии и низким температурам. Обрабатывать материал можно благодаря ковке, прокатке, волочению и штамповке. Al можно подвергать сварке. В металле могут присутствовать примеси, концентрация которых варьируется. Это негативно влияет на технологические, механические и физико-механические свойства алюминия. Чаще всего при его производстве дополнительно используются:
- Медь.
- Титан.
- Цинк.
- Железо.
- Кремний.
В зависимости от степени обработки Al можно разделить на 2 категории: технический и максимально очищенный металл. Каждый материал обладает определённым показателем устойчивости к негативному воздействию коррозии. Стоимость алюминия зависит от его чистоты. Для серийного производства востребованного проката, кабельно-проводниковых изделий, различных сплавов используется технический металл. Чистый материал применяется только для специальных целей.
Показатель электропроводности Al уступает только серебру, золоту и меди. Но благодаря небольшой плотности алюминий используется для изготовления кабельно-проводниковых товаров наравне с медью. При условии длительного отжига показатель электропроводности металла может увеличиваться, что расширяет сферы его применения. Наивысшим показателем теплопроводности обладает чистый материал. Понизить значение помогают примеси марганца, меди, магния. Большая теплопроводность свойственна только Ag и Cu. Благодаря своим физическим характеристикам Al получил огромный спрос в сфере производства теплообменников и радиаторов охлаждения.
Среди основных свойств алюминия можно выделить:
- Плавиться материал начинает при температуре +660 °C.
- Алюминий обладает отличной пластичностью и ковкостью, за счёт чего его используют для производства тонкой фольги, проволоки.
- Плотность металла составляет 2.7 г/см3.
- Температура кипения находится в пределах +2450 °C.
- В составе металла присутствует объёмная гранецентрированная металлическая кристаллическая решётка.
Итоговые сферы применения Al зависят от его физических и химических свойств. Используется алюминий в авиа- и судостроении.
Химические свойства
Под воздействием кислорода Al быстро окисляется, из-за чего покрывается оксидной плёнкой, которая защищает его от негативного воздействия коррозии и снижает вероятность взаимодействия с концентрированными H2SO4 и HNO3. По этой причине все кислоты принято хранить и транспортировать в долговечной таре из алюминия. В стандартных условиях добиться химической реакции с Al можно только при условии удаления оксидной плёнки. В противном случае достичь желаемого результата не удастся. Практически все реакции происходят под воздействием высоких температур.
На уроках химии можно узнать число электронов, конфигурацию атома и положение Al в периодической таблице Менделеева. Многочисленные лабораторные эксперименты показали, что алюминий обладает следующими химическими свойствами:
- При взаимодействии с кислородом под воздействием высоких температур Al горит с последующим выделением тепла. Например, 4Al + 3O2 → 2Al2O3.
- Практически со всеми галогенами алюминий взаимодействует в обычных условиях, а вот с йодом только в результате нагревания и в присутствии воды, которая является катализатором. Наглядно это можно записать так: 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3; 2Al + 3Br2 → 2AlBr3; 2Al + 3I2 → 2AlI3.
- Алюминий может взаимодействовать с фосфором только при температуре +500 °C, с серой — при +200 °C, с углеродом — при +2000 °C, с азотом — при +800 °C. В конспекте все эти химические реакции можно указать следующим образом: 2Al + 3S → Al2S3; 2Al + N2 → 2AlN; Al + P → AlP; 4Al + 3C → Al4C3.
- В обычных условиях Al взаимодействует с разбавленными кислотами. Химические реакции с концентрированными растворами возможны только при условии нагревания. Наглядно изобразить это можно так: Al + 6HNO3 (концентрированная) → Al (NO3)3 + 3NO2 + 3H2O; 2Al + 3H2SO4 (разбавленная) → Al2 (SO4)3 + 3H2.
- При условии взаимодействия с оксидами алюминий вытесняет менее активные металлы: 2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3.
- Al реагирует со всеми водными растворами щелочей. Например, 2Al + 6KOH → 2KAlO2 + 2K2O + 3H2; 2Al + 2NaOH + 10H2O → 2Na[Al (H2O)2 (OH)4] + 3H2.
Специалистами было доказано, что алюминий не взаимодействует с водородом. Добиться какой-либо реакции с Н2О можно только после предварительного удаления оксидной плёнки. Валентность химического элемента — Al3+.
Сферы применения
Благодаря своим физическим и химическим характеристикам алюминий получил большой спрос в разных сферах современной промышленности. Этот материал активно используется в ракетостроении, авиастроении, пищевой отрасли. Алюминий применяется для изготовления качественной посуды. Характеристики Al позволяют существенно повысить манёвренность судов, так как при использовании этого материала специалистам удаётся существенно уменьшить вес всей конструкции.
В отдельных отраслях алюминий используется благодаря тому, что он отлично проводит ток. Al является главным конкурентом меди. Этот лёгкий аморфный металл используется для серийного производства микросхем. Но наибольший спрос алюминий получил в следующих отраслях:
- Производство лёгких, но долговечных лестниц, строительных инструментов.
- Изготовление кабелей, проводов, выпрямителей.
- Алюминий используется в сфере производства двигателей, насосов, корпусов и других элементов.
- Изготовление цистерн для транспортировки и хранения нефтепродуктов. Создание прочных рам для вагонов.
- В бытовой отрасли алюминий используется для производства фольги, мелких приборов, посуды, зеркал.
- Al получил большой спрос в сфере автомобилестроения.
- Алюминий используется как один из основных компонентов для производства ракетного топлива.
Широкое распространение Al объясняется его характеристиками и многочисленными преимуществами, но есть у этого материала главный недостаток — невысокие показатели прочности. Для повышения качества металла производители добавляют в его состав магний и медь.
Уровень токсичности
Несмотря на широкую распространённость алюминия в различных отраслях, ни один живой организм не использует этот элемент в процессах метаболизма. Этот металл отличается небольшим токсическим воздействием на человека. Практически все растворимые в воде неорганические соединения Al в жидком состоянии могут сохраняться в течение длительного промежутка времени. Алюминий способен негативно повлиять на работу организма человека, теплокровных животных.
Специалистами была выделена категория наиболее ядовитых соединений, которые представлены нитратами, хлоридами, ацетатами, сульфатами. Алюминий первым делом негативно влияет на работу центральной нервной системы. Металл накапливается в нервных тканях, из-за чего вызывает тяжёлые расстройства основных функций ЦНС. Наибольший токсичный эффект при попадании Al в организм фиксируется при нарушении выделительных функций почек. Периодически в больницу попадают пациенты с отравлением парами алюминия. Существуют различные продукты питания, которые содержат в своём составе повышенную концентрацию Al:
- Товары, содержащие в своём составе красители и другие пищевые добавки. Например, Е523, Е520, Е521, Е522. Эти пищевые добавки чаще всего используются при серийном производстве колбасных и кондитерских изделий, а также при консервации.
- Водопроводная вода, забираемая с открытых природных водоёмов.
- Различные напитки, реализуемые в банках из алюминиевого сплава.
- Вода, которая была получена в результате технической неисправности фильтрующей системы.
- Блюда, приготовленные в фольге или алюминиевой посуде.
Только при использовании качественной продукции и соблюдении элементарных правил безопасности можно снизить вероятность токсичного воздействия металла на живые организмы.
