Характеристика, нахождение и получение алюминия

Самый распространённый металл земной коры и почему его получают только электролизом.

1. Общая характеристика

Алюминий (Al) находится в III группе (главной подгруппе) 3-го периода Периодической системы. Порядковый номер 13.

Строение атома

Электронная конфигурация в основном состоянии:

1s²2s²2p⁶3s²3p¹

В возбужденном состоянии один s-электрон переходит на p-подуровень, и конфигурация внешнего уровня становится 3s¹3p², что объясняет валентность III и степень окисления +3.

Оксидная пленка

Поверхность алюминия всегда покрыта тонкой, но очень прочной оксидной пленкой Al₂O₃. Она защищает металл от дальнейшего окисления и взаимодействия с водой и кислотами-окислителями (на холоде). Именно благодаря ей алюминиевая посуда не растворяется в воде, хотя алюминий — очень активный металл.

Физические свойства

Алюминий — легкий серебристо-белый металл.

Плотность: низкая (2,7 г/см³), что делает его незаменимым в авиастроении («крылатый металл»).
Температура плавления: 660°C.
Проводимость: обладает высокой тепло- и электропроводностью (уступает серебру и меди, но значительно легче и дешевле их).
Пластичность: легко поддается ковке, прокатке в фольгу и вытягиванию в проволоку.

Вопрос 1: Электронное строение

Проверка

Какую конфигурацию внешнего энергетического уровня имеет атом алюминия в основном состоянии? Сколько у него неспаренных электронов?

Ответ: Конфигурация $3s^2 3p^1$. Один неспаренный электрон.

2. Нахождение в природе

Алюминий — самый распространенный металл в земной коре (и третий элемент после кислорода и кремния). Из-за высокой активности в свободном виде не встречается.

Название минерала	Формула / Комментарий
Боксит	Формула: Al₂O₃ · nH₂O Комментарий: Основная руда для получения алюминия (содержит примеси SiO₂, Fe₂O₃).
Корунд	Формула: Al₂O₃ Комментарий: Очень твердый минерал.
Рубин	Формула: Al₂O₃ (с примесью Cr) Комментарий: Драгоценный камень красного цвета.
Сапфир	Формула: Al₂O₃ (с примесью Ti и Fe) Комментарий: Драгоценный камень синего цвета.
Криолит	Формула: Na₃[AlF₆] Комментарий: Используется как растворитель при электролизе глинозема.
Каолинит (Глина)	Формула: Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O Комментарий: Основа керамики.
Нефелин	Формула: KNa₃[AlSiO₄]₄ Комментарий: Важное сырье.

Вопрос 1: Природные минералы

Проверка

Установите соответствие между названием минерала и его составом:
1) Боксит
2) Корунд
3) Криолит

А) $Al_2O_3$
Б) $Al_2O_3 \cdot nH_2O$
В) $Na_3[AlF_6]$

Ответ: 1 - Б, 2 - А, 3 - В.

3. Способы получения

Традиционное восстановление углем неэффективно из-за образования карбидов. Поэтому используется электрохимический метод.

1. Электролиз расплава оксида алюминия (Промышленный способ Холла-Эру):

Оксид алюминия (глинозем) плавится при очень высокой температуре (2050°C). Для снижения энергозатрат его растворяют в расплавленном криолите (Na₃AlF₆), что снижает температуру процесса до ~960°C и повышает электропроводность.

2Al₂O₃ электролизв криолите→ 4Al + 3O₂↑

Процесс происходит с использованием графитовых электродов, которые постепенно сгорают в выделяющемся кислороде (C + O₂ → CO₂).

2. Химическое восстановление (Лабораторный способ):

Впервые алюминий был получен восстановлением его безводного хлорида металлическим калием (Велер, 1827):

AlCl₃ + 3K t°→ Al + 3KCl

Исторический факт

В XIX веке алюминий стоил дороже золота! На банкетах Наполеона III самые почетные гости ели алюминиевыми ложками, а "простые смертные" — золотыми. Менделееву в подарок преподнесли весы с чашами из алюминия, как из самого дорогого металла того времени.

Вопрос 1: Получение алюминия (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения промышленного получения алюминия и алюминотермии:
1) $Al_2O_3 \xrightarrow{эл. ток, криолит} \dots + \dots\uparrow$
2) $Fe_3O_4 + Al \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
3) $Cr_2O_3 + Al \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
4) $V_2O_5 + Al \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$

Ответ:

$2Al_2O_3 \xrightarrow{эл. ток, криолит} 4Al + 3O_2\uparrow$
$3Fe_3O_4 + 8Al \xrightarrow{t^\circ} 4Al_2O_3 + 9Fe$
$Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t^\circ} Al_2O_3 + 2Cr$
$3V_2O_5 + 10Al \xrightarrow{t^\circ} 5Al_2O_3 + 6V$