Ալյումին

Քիմիական տարր է

 ·         Միակ կայուն իզոտոպը

·         Արտաքին էներգիական մակարդակի էլեկտրոնային կառուցվածքը ատոմի հիմնական վիճակում 3s²3p¹

·         Ատոմի շառավիղը՝ 0,143 նմ։

·         Իոնացման էներգիան՝ 5,98 էՎ։

·         Էլեկտրաբացասականություն՝ 1,5:

·         Մոլային զանգվածը՝ M (AI)= 27 գ/մոլ։

·         Միացություններում օքսիդացման աստիճանը՝ գրեթե միշտ +3:

Ատոմի կառուցվածքը

Ալյումինը ներառվում է քիմիական տարրերի պարբերական համակարգի III խմբի գլխավոր ենթախմբում (IIIA խումբ)։ Ատոմի արտաքին էներգիական մակարդակում առկա է երեք էլեկտրոն, որոնցից երկուսը զույգված են։ Միացություններ առաջացնելիս, այդ ատոմը հիմնական վիճակից (AI) հեշտությամբ անցնում է գրգռված վիճակի (AI*), որին համապատասխանում է չզույգված երեք էլեկտրոն․

 Ալյումինը բնության մեջ

Բնության մեջ ալյումինն ամենատարածված տարրերից է, ըստ երկրակեղևում պարունակության` 3-րդը, թթվածնից ու սիլիցիումի հետո (8,8%` ըստ զանգվածի)։ Ազատ վիճակում չի հանդիպում։ Հիմնական հանքանյութերն են բոքսիտը (AI₂O₃ x nH₂O) և կավը (AI₂O₃ x 2SiO₂ x 2H₂O):

Ալյումինի օքսիդը հանդիպում է նաև՝ իր կարծրությամբ միայն ալմաստին զիջող կորունդ հանքանյութի ձևով։ Կարմիր գույնի կորունդն անվանվում է սուտակ, իսկ կապույտ գույնի կորունդը՝ շափյուղա, սրանք թանկարժեք քարեր են։

Ֆիզիկական հատկությունները

Ալյումինն արծաթափայլ, սպիտակ, թեթև մետաղ է (P=2,7 գր/ սմ³), հալվում է 660^oC, եռում՝ 2450^oC ջերմաստիճանում։ Շատ պլաստիկ է, մետաղական ալյումինից հեշտությամբ լար է ձգվում և 0,10 մմ հաստությամբ փայլաթիթեղ գլանվում։ Օժտված է շատ մեծ էլեկտրաջերմահաղորդականությամբ։ Հալված վիճակում լուծում է այլ մետաղներ ու ոչ մետաղներ՝ թեթև և կայուն համաձուլվածքներ առաջացնելով։

Քիմիական հատկությունները

Ալյումինը շատ ակտիվ մետաղ է՝ ակտիվության շարքում անմիջապես ալկալիական ու հողալկալիական մետաղներից հետո է տեղադրված։ Սակայն սենյակային ջերմաստիճանում ալյումինն օդում չի օքսիդանում, քանի որ այդ մետաղի մակերեսը պատված է կայուն օքսիդային շերտով, որը պաշտպանում է մետաղն օքսիդացումից ու ջրից։ Բայց ալյումինի փոշին կամ բարակ թիթեղը մինչև 700^oC տաքացնելիս այրվում են՝ կուրացնող բոցով։

4AI+3O₂=2AI₂O₃

Այս ռեակցիան օգտագործում են ձեզ, անշուշտ, ծանոթ բենգալյան կրակներում ու հրավառություններում։

Ալյումինը հեշտությամբ փոխազդում է ոչ մետաղների հետ, հատկապես՝ փոշի վիճակում։ Ռեակցիան սկսվելու համար տաքացում է պահանջվում, բայց հետո ընթանում է մեծ արագությամբ՝ մեծ քանակությամբ ջերմություն

անջատելով, օրինակ

2AI+3Br₂=2AIBr₃ (բրոմիդ)

2AI+3S=AI₂S₃ (սուլֆիդ)

4AI+3C=AI₄C₃ (կարբիդ)

2AI+N₂=2AIN (նիտրիդ)

Ալյումինը ջրի հետ սենյակային ջերմաստիճանում չի փոխազդում՝ օքսիդայի թաղանթի պատճառով։ Սակայն այդ թաղանթը վերացնելիս (օրինակ՝ նախապես ալկալու լուծույթն ընկղմելիս) ալյումինը փոխազդում է ջրի հետ՝ հիդրօքսիդ առաջացնելով

Ալյումինը լավ լուծվում է նոսր թթուներում,օրինակ

Խիտ ազոտական ու ծծմբական թթուները սենյակային ջերմաստիճանում ալյումինի հետ չեն փոխազդում՝ պասսիվացնում են մետաղը՝ դրա մակերեսին կայուն օքսիդային թաղանթ առաջացնելով, որը կանխում է հետագա փոխազդեցությունը։ Այդ պատճառով վերը նշված խիտ թթուները կարելի է տեղափոխել ալյումինե ցիստեռներով։ Սակայն տաքացնելիս ալյումինն այդ թթուների հետ փոխազդում է, բայց ջրածին դուրս չի մղվում՝ օքսիդավերականգնման ռեակցիաներ են ընթանում․

Ալյումինն ալկալիների հետ հայելիս առաջանում են ալյումինատներ, օրինակ՝․

Ջրային լուծույթում առաջանում են այլ բաղադրությամբ ալյումինատներ՝ Na[AI(OH)₄], Na[AI(OH)₄ x 2H₂O]: Հիշեցնենք, որ ալյումինատ են անվանվում անկայուն ալյումինային թթուների՝ մետաալյումինաթթվի (HAIO₂) և օրթոալյումինաթթվի (H₃AIO₃) աղերը։

Ստացումը

Նկար 4։ Ալյումինի ստացման էլեկտրոլիտային
ավազանը։

Ալյումին մետաղի ստացման համար օգտագործվող հանքը բոքսիտն է, որը, որպես խառնուրդ՝ սիլիցիումի (IV) օքսիդ և երկաթի (III) օքսիդ է պարունակում։ Հանքը խառնուրդներից մաքրում են, շիկացնում ու մաքուր օքսիդն էլեկտրատարրալուծամն ենթարկում։ Ալյումինի օքսիդը հալվում է 2050^oC ջերմաստիճանում, և այդ պատճառով էլեկտրատարրալուծման են ենթարկում ալյումինի օքսիդի լուծույթը հալված կրիոլիտում (Na₃AIF₆), քանի որ այդ եղանակը կիրառելիս հնարավոր է լինում ջերմաստիճանն իջեցնել մինչև 850^oC: Որպես արդյունք՝ ստացվում են ալյումին և թթվածին նկար 4:

Այս եղանակն առաջարկել է ամերիկացի Չարլզ Հոլը 1886 թվականին։ Ենթադրըվում է, թե ալյումինի օքսիդը հալված կրիոլիտում դիսոցվում է հետևյալ կերպ՝․

Դրան համապատասխանում են այսպիսի էլեկտրոդային պրոցեսներ

K (-) I   AI³⁺ + 3e^-=AI⁰

A (+) I  4(AIO₃)³⁺  -12e^- = 2AI₂O₃ + 3O₂

Գումարային ռեակցիայի հավասարումն է

Անոդի վրա անջատված թթվածինը փոխազդում է ածխե անոդի հետ, և վերջինս զանգվածը հետզհետե պակասում է, ուստի պրոցեսի ընթացքում ածխե  ձողեր են պարբերաբար ավելացվում

С+O₂=CO₂

CO₂+C=CO

Միացություննները

Ա. Ալյումինի օքսիդի՝ AI₂O₃

Դժվարահալ (հալման ջերմաստիճանը՝ 2050^oC), սպիտակ նյութ է։ Կարելի է ստանալ.

Ա) ալյումինի փոշի այրելով

4AI+3O₂=2AI₂O₃

Բ) ալյումինի հիդրօքսիդը քայքայելով

2AI(OH)₃=AI₂O₃ + 3H₂O

գ) արդյունաբերության մեջ՝ բոքսիտից։

Երկդիմի օքսիդ է՝ փոխազդում է և՛ թթուների, և՛ հիմքերի հետ, օրինակ

AI₂O₃+6HCI=2AICI₃ + 3H₂O

Ալկալիների հետ ալյումինի օքսիդը հայելիս առաջանում են մետաալյումինատներ, օրինակ՝

AI₂O₃ + 2NaOH=2NaAIO₂ + H₂O

Բ․ Ալյումինի հիդրօքսիդ՝ AI(OH)₃

Ալյումինի հիդրօքսիդն առաջանում է սպիտակ փաթիլանման նստվածքի ձևով՝ ալյումինի աղի վրա սահմանափակ քանակությամբ ալկալու լուծույթ ավելացնելիս, օրինակ՝

Որպես երկդիմի հիդրօքսիդ՝ հեշտությամբ լուծվում է թթուներում ու ալկալիներում, օրինակ՝․

AI(OH)₃  + 3HCI= AICI₃ + 3H₂O

Անջուր ալկալիների հետ ալյումինի հիդրօքսիդի փոխազդեցության հետևանքով առաջանում է համապատասխան ալյումինատ, օրինակ՝

AI(OH)₃ + NaOH=NaAIO₂ + 2H₂O

Գ․ Ալյումինի աղեր

Ֆոսֆատից բացի՝ ալյումինի աղերը ջրում լավ լուծելի են։

Ալյումինի քլորիդն ստացվում է ուղղակի սինթեզով

2AI+3CI₂=2AICI₃

Ալյումինի սուլֆատը բյուրեղանում է՝ AI₂(SO₄)₃ x 18H₂O բյուրեղահիդրատի ձևով։ Որոշ աղեր՝ AI₂S₃, AI₂(SO₃)₃, ջրում քայքայվում են։

Կիրառումն ու կենսաբանական դերը

Ալյումինի պահանջարկն անընդհատ աճում է, իր օգտագործման ծավալով այդ մետաղը երկրորդն է՝ երկաթից հետո։ Նման պահանջարկի պատճառն այն է, որ բարձր էլեկտրաջերմակայունությամբ օժտված ալյումինը գրեթե երեք անգամ թեթև է պողպատից ու կայուն՝ կոռոզիայի նկատմամբ։

Հայտկապես լայն կիրառություն ունեն ալյումինի համաձուլվածքները, որոնցից, թերևս, ամենակարևոր դուրալյումինն է (AI` 94%, Cu` 4%, Mg` 1%, Mn` 0,5%, Fe` 0,5%):

Ալյումինը լայն կիրառությւոն ունի մետաղագործությունում օքսիդներից մետաղներ (Cr, MN, V, Ti և այլն) ստանալիս։ Դա մետաղների ստացման ալյումինաթերմիայի եղանակն է։ Գործնական կիրառություն ունի թերմիտը՝ երկաթի հարուկի (Fe₃O₄) և ալյումինի փոշու խառնուրդը

8AI+ 3Fe₃O₄= 9Fe + 4AI₂O₃

Նկար 5: Երկաթի վերականգնումն
ալյումինաթերմիայի եղանակով։

Այս ռեակցիան ընթանում է մեծ քանակությամբ ջերմության անջատմամբ նկար 5: Անջատված ջերմությունը միանգամայն բավարար է ստացված երկաթի հալման համար, ուստի այս ռեակցիան օգտագործում են պողպատե իրերը եռակցելիս։

Կորունդի անթափանց բյուրեղները, որոնք խառնուրդներ են պարունակում, անվանում են հղկաքարեր ու օգտագործվում՝ որպես հղկամիջոց։ 

Ալյումինի քլորիդը մեծաթիվ օրգանական նյութերի սինթեզի կատալիզատոր է։ Ալյումինը դասվում է միկրոտարրերի շարքը։ Չափահաս մարդւո մկաններում ու ոսկորներում մոտավորապես 60 մգ AI է առկա, իսկ սննդի հետ մարդն օրական 2-3 մգ AI է՝ օգտագործում։ Իրենց օրգանիզմում մեծ քանակությամբ ալյումին են կուտակում որոշ կակղամորթեր։ Սակայն այդ տարրի կենսաբանական դերը մինչև վերջ բացահայտված չէ։

Առաջադրանք

1.      Որքա՞ն պրոտոն ու նեյտրոն են պարունակվում ալյումինի կայուն իզոտոպի ատոմի միջուկում։

·         Միակ կայուն իզոտոպը

·         Արտաքին էներգիական մակարդակի էլեկտրոնային կառուցվածքը ատոմի հիմնական վիճակում 3s²3p¹

·         Ատոմի շառավիղը՝ 0,143 նմ։

·         Իոնացման էներգիան՝ 5,98 էՎ։

·         Էլեկտրաբացասականություն՝ 1,5:

·         Մոլային զանգվածը՝ M (AI)= 27 գ/մոլ։

·         Միացություններում օքսիդացման աստիճանը՝ գրեթե միշտ +3:

2.      Գրե՛ք ալյումինի՝ անօրգանական նյութերի տարբեր դասերում ներառվող 4 միացության քիմիական բանաձևերը։

?

3.      Գրե՛ք ալյումինի օքսիդի երկդիմությունը հաստատող քիմիական ռեակցիաների հավասարումներ։

?

4.      Փորձանոթներից մեկում բարիումի քլորիդի, իսկ մյուսում՝ ալյումինի քլորիդի լուծույթներ են լցված։ Ո՞ր մեկ ազդանյութով կարելի է հաստատել, թե ո՞ր փոձանոթում ո՛ր քլորիդն է։ Քանի՞ այդպիսի ազդանյութ կարող եք առաջարկել։

?

5.      Մաթեմատիկայում հայտնի դրույթ է, գումարելիների տեղափոխություւնից գումարը չի փոխվում։ Արդյոք կպահպանվի՞ այդ կանոնը, եթե նատրիումի հիդրօքսիդի և ալյումինի քլորիդի նյութերի լուծույթների՝ միմյանց խառնելու հաջորդականությունը փոխվի (պատասխանը հիմնավորե՛ք համատասխան ռեակցիաների հավասարումներով)

KoH+ AICI₃ ….

AICI₃ + KOH ….

6.      Ինչպե՞ս են փոխվում տարրերի հատկությունները՝  

7.       Արդյոնք կարո՞ղ են օքսիդացնող լինել (պատասխանը հիմնավորե՛ք համապատասխան ռեակցիաների հավասարումներով)

ա) ալյումինի ատոմները

8.      Հակիրճ նկարագրե՛ք Չարզլ Հոլի առաջարկած՝ ալյումին մետաղի ստացման եղանակը բոքսիտից։

Այս եղանակն առաջարկել է ամերիկացի Չարլզ Հոլը 1886 թվականին։ Ենթադրըվում է, թե ալյումինի օքսիդը հալված կրիոլիտում դիսոցվում է հետևյալ կերպ։

9.      Հետևյալ պնդումներից ո՞րն է ճիշտ (պատասխանը հիմնավորե՛ք)

Դ) Սովորական պայմաններում ալյումինը խիտ ծծմբական թթվում չի լուծվում։

10.  Գրե՛ք հետևյալ փոխարկումներին համապատասխանող ռեակցիաների հավասարումները։