Aluminiul ºi compuºii lui

 Importanþa. Aluminiul este unul dintre cele mai cunoscute metale. În secolul al XIX-lea el era numit „argint din argilã“, iar în prezent este considerat „metal înaripat“, deoarece se utilizeazã pe larg în aviaþie. Cu douã mii de ani în urmã, în Roma anticã, iar mai tîrziu (sec. al III-lea) ºi în China, meºteºugarii ºtiau sã obþinã aluminiul ºi aliajele lui, însã secretele producerii lor au rãmas nedescoperite pînã azi. În Europa, aluminiul a fost obþinut abia în secolul al XIX-lea. La început era considerat chiar mai scump decît aurul. Împãratul Franþei Napoleon III se mîndrea cu nasturii sãi de aluminiu cusuþi la uniformã, iar D. Mendeleev a primit, în 1889, la Londra, în semn de recunoºtinþã pentru contribuþia sa la dezvoltarea chimiei, un cîntar de aur ºi o cupã de aluminiu. În timpurile noastre, aluminiul a cãpãtat o utilizare largã. Din el se produc avioane, automobile, cabluri electrice, obiecte de uz casnic etc. Poziþia aluminiului în sistemul periodic. Elementul chimic aluminiu Al este situat în perioada a III-a, în subgrupa principalã a grupei a III-a. Atomul sãu are urmãtoarea structurã: Aluminiu 13Al +13 ) ) ) 2e– 8e– 3e– În toate reacþiile chimice, aluminiul pierde trei electroni, manifestînd proprietãþi reducãtoare: reducãtor Al 0 – 3e – ® Al +3 (oxidare) În compuºi, aluminiul are totdeauna valenþa III ºi gradul de oxidare +3. 2.8. Aluminiul ºi compuºii lui M 47 etalele în viafla noastrã Bauxitã Al2O3 .nH2O Fig. 2.23. Materia primã pentru obþinerea aluminiului. Rãspîndirea în naturã. Dupã gradul de rãspîndire în scoarþa terestrã, aluminiul este al treilea între elemente (dupã nemetalele oxigen ºi siliciu) ºi primul între metale (7,3%). În organismul uman aluminiul practic lipseşte. Din cauza activitãþii sale sporite, aluminiul existã în naturã doar sub formã de compuºi, în mod special sub formã de oxid Al2O3. Cei mai rãspîndiþi compuºi naturali ai aluminiului sînt: caolinitul sau argila – Al2O3 .2SiO2 .2H2O; bauxita – Al2O3 . nH2O; corindonul (corundul) – Al2O3; criolitul – 3NaF.AlF3. Corindonul este o substanþã transparentã ºi variat coloratã. Prezenþa impuritãþilor de crom îi conferã culoare roºie (corindon roºu sau rubin), iar cele de titan ºi fier – culoare albastrã (safir). Rubinul ºi safirul sînt pietre nestemate, care în prezent pot fi obþinute ºi pe cale artificialã. Rubinul este folosit în ceasuri ºi lasere. Obþinerea aluminiului a fost mult timp piatra de încercare a tehnologilor chimiºti. În 1825, savantul danez Hans Christian Oersted, iar în 1827, tînãrul sãu coleg, savantul german Friedrich Wöhler, au obþinut „argint din argilã“, dar în realitate acesta era aluminiul – un metal argintiu. Ei au cãpãtat metalul ºi prin încãlzirea clorurii de aluminiu cu potasiu sau sodiu, în lipsa aerului: AlCl3 + 3K = t o 3KCl + Al Insistentele încercãri din aceastã perioadã de a obþine aluminiu prin acþiunea curentului electric asupra topiturilor nu s-au încununat cu succes, deoarece oxidul de aluminiu are o temperaturã foarte înaltã de topire (2 050o C). Mai tîrziu, în 1886, au fost gãsite condiþii tehnologice raþionale: oxidul de aluminiu s-a dovedit a fi solubil în topitura de criolit la temperatura de 960o C. Schema procesului de obþinere a aluminiului este urmãtoarea: 960o C, 3NaF. AlF3 2Al2O3 ® 4Al + 3O2 curent electric Dupã descoperirea acestei metode de obþinere, aluminiul a devenit un metal ieftin ºi accesibil. În prezent, acesta ocupã al doilea loc dupã volumul de producere mondialã. Proprietãþile fizice. Aluminiul este un metal albargintiu, cu punctul de topire +660o C. Este unul dintre cele mai uºoare metale (r=2,7 g/cm 3 ); este de trei ori mai ® Inel cu rubin ºi cu safir. Hans Christian Oersted (Érsted) (1777-1851) Savant danez, a obþinut aluminiul în 1825. 48 Metalele în viafla noastrã uºor decît cuprul sau fierul (fig. 2.10). Posedã conductibilitate termicã ºi electricã înaltã, fiind depãºit doar de argint, aur ºi cupru. Aluminiul este foarte maleabil, datoritã cãrui fapt el poate fi întins în foi subþiri sau tras în fire fine ca ale pînzei de pãianjen. O sîrmuliþã de aluminiu cu lungimea de 1 000 m cîntãreºte doar 27 g ºi ocupã volumul unei cutii de chibrituri. În acelaºi timp, aluminiul pur are o duritate redusã. Cum poate fi mãritã duritatea lui? De menþionat cã aliajele depãºesc prin duritate metalele pure. La începutul secolului al XX-lea, chimistul german Alfred Wilm a obþinut un brevet pentru un nou aliaj al aluminiului cu cuprul, magneziul ºi manganul. În 1911, în oraºul Düren din Germania, a început producerea la scarã industrialã a acestui aliaj, care a fost numit duraluminiu. El s-a dovedit a fi aproape la fel de dur ca ºi oþelul, dar mult mai uºor, de aceea ºi-a gãsit o aplicare largã în aviaþie. Astfel, în 1919, a început producerea avioanelor din duraluminiu. De atunci ºi pînã în prezent, aluminiul este principalul metal în industria aeronauticã. Proprietãþile chimice. Aluminiul este un metal foarte activ. Aflîndu-se în seria de substituire a metalelor între magneziu ºi zinc, el substituie metalele din dreapta sa, inclusiv hidrogenul. 1. Aluminiul se combinã cu nemetalele (cu excepþia hidrogenului), prezentînd proprietãþi reducãtoare: 2Al 0 + 3Cl2 0 = 2Al +3 Cl3 –1 –3e – +2e – reducãtor oxidant 4Al + 3O2 = 2Al2O3 2. În aer, aluminiul se acoperã cu o peliculã de oxid de aluminiu. Aceastã peliculã este foarte rezistentã ºi protejeazã aluminiul de acþiunea apei, în condiþii obiºnuite ºi la încãlzire. Fãrã pelicula protectoare de Al2O3, aluminiul interacþioneazã uºor cu apa: 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3¯ + 3H2 ® Fig. 2.24. Amfoteritatea aluminiului. HCl NaOH Al Al H2 H2 3. Aluminiul este un metal cu proprietãþi duale (amfotere). El interacþioneazã cu acizii (exceptînd HNO3 concentrat) ºi cu *alcaliile, formînd sãruri (fig. 2.24). De exemplu: 2Al + 3H2SO4(dil.) = Al2(SO4)3 + 3H2 *2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2 aluminat de sodiu 4. La încãlzire, aluminiul substituie unele metale din oxizii lor: 8Al + 3Fe3O4 = t o 4Al2O3 + 9Fe + Q Aceastã reacþie stã la baza procesului industrial de obþinere a unor metale, numit aluminotermie (vezi ºi pag. 28). ® ® M 49 etalele în viafla noastrã Utilizarea aluminiului. Principalul domeniu de utilizare a aluminiului este industria aeronauticã, dupã care urmeazã construcþia de nave maritime ºi de automobile, confecþionarea cablurilor electrice (fig. 2.25). Cu ajutorul aluminiului, prin aluminotermie, se obþin alte metale. Fiind un metal stabil, aluminiul este folosit la producerea utilajului pentru industria alimentarã, a ambalajelor pentru produsele alimentare ºi medicamentoase etc. Compuºii aluminiului. Principalii compuºi ai aluminiului sînt oxidul, hidroxidul ºi sulfatul de aluminiu: Al2O3 Al(OH)3 Al2(SO4)3 oxid de hidroxid sulfat de aluminiu de aluminiu aluminiu Unele cãi de obþinere a acestor compuºi sînt redate mai sus. Astfel, oxidul de aluminiu se formeazã la oxidarea aluminiului, la încãlzirea lui cu oxizii unor metale mai pasive sau la descompunerea hidroxidului sãu: 2Al(OH)3 = t o Al2O3 + 3H2O Hidroxidul de aluminiu se formeazã la tratarea aluminiului cu apã (în condiþii ce exclud oxigenul, de ce?) sau se obþine din sãrurile respective, conform ecuaþiei: AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3¯ + 3NaCl Sulfatul de aluminiu se poate obþine la tratarea aluminiului, oxidului sau hidroxidului de aluminiu cu acid sulfuric: Al2O3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2O 2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O Proprietãþile chimice ale compuºilor aluminiului pot fi deduse din seriile genetice corespunzãtoare oxizilor de metale, hidroxizilor ºi sãrurilor (paginile 7, 8). Hidroxidul de aluminiu, spre deosebire de hidroxizii metalelor alcaline ºi alcalino-pãmîntoase, manifestã un caracter amfoter (dual); el interacþioneazã cu acizii (caracter de bazã) ºi cu alcaliile (caracter de acid): Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O clorurã de aluminiu Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O aluminat de sodiu Stabileºte dacã este realizabilã catena de transformãri directe 1-3: Al ® Al2O3 ® Al(OH)3 ® Al2(SO4)3 Dacã e necesar, suplimenteazã cu 1-2 ecuaflii, pentru a obfline sulfatul de aluminiu. 1 2 3 50 Metalele în viafla noastrã Utilaj ºi reactivi: colecþia „Aluminiul ºi aliajele lui“. Examinaþi mostrele de minerale ºi sãruri de aluminiu din colecþia „Aluminiul ºi aliajele lui“ lui, þinînd cont de: aspectul, duritatea, plasticitatea lor. Notaþi în caiete cele observate ºi formulaþi concluzii. Familiarizarea cu mostre de minerale ºi sãruri de aluminiu (Reamintiþi-vã normele de lucru în laborator, Anexele 1 ºi 2) nr. 3 1. Sulfatul de aluminiu amestecat cu var se foloseºte la epurarea apelor naturale. Scrieþi ecuaþiile reacþiilor ce au loc la dizolvarea amestecului în apã. Explicaþi în ce mod participã compuºii aluminiului la epurarea apei. 2*. Un lot de obiecte din aluminiu ºi-a pierdut calitatea, deoarece întîmplãtor a fost stropit cu var stins. Din ce cauzã aluminiul s-a corodat? Argumentaþi rãspunsul, scriind ecuaþia reacþiei. 3. Explicaþi din ce cauzã, la obþinerea hidroxidului de aluminiu, trebuie sã se picure soluþie de NaOH în soluþia de AlCl3? De ce nu se procedeazã invers? L U C R U Î N E C H I P à Fig. 2.25. Proprietãþile ºi utilizarea aluminiului. densitate micã rezistenþã (în aliaje) rezistenþã la coroziune conductibilitate electricã înaltã conductibilitate termicã înaltã compuºi neotrãvitori Alcãtuieºte un eseu despre utilizarea aluminiului. M 51 etalele în viafla noastrã 1. Completeazã ecuaþiile reacþiilor: a) Al + ? ® Al 2S3 e) Al + Hg(NO3)2 ® ? + ? b) Al + ? ® AlCl 3 f) Al + ? ® Al(OH)3¯ + ? c) *Al + N2 ® ? g) Al + HCl ® AlCl 3 + ? d) *Al + ? ® Al 4C3 *h) Al + NaOH + H2O ® NaAlO2 + ? 2. Scrie ecuaþiile reacþiilor pentru urmãtoarele transformãri: Al 2O3 ® Al ® AlCl 3 ® Al(OH)3 ® AlCl 3 Al 2O3 NaAlO2 3. Numeºte cele mai rãspîndite trei elemente în scoarþa terestrã: a) K, Na, Ca; b) O, Si, Al; c) Al, Fe, Ca. 4. Numeºte mineralele ce conþin oxid de aluminiu ºi aratã domeniile de utilizare a lor. 5. Calculeazã masa de aluminiu ºi cea de Fe3O4, necesare pentru obþinerea fierului cu masa 5,6 g.