Нахождение в природе
Алюминий — химический элемент III группы Периодической
системы элементов Д.И. Менделеева. Вследствие высокой химической активности
алюминий в природе находится только в связанном виде. По содержанию в
земной коре он (в форме его соединений) занимает первое место среди металлов
— 8,13% и третье место после кислорода и кремния. По данным акад. А.Е.
Ферсмана, насчитывается более 250 минералов алюминия, которые преимущественно
сосредоточены вблизи поверхности земли, и более 40 % из них относится
к алюмосиликатам.
Практически единственным методом получения металлического
алюминия является электролиз криолитоглиноземного расплава. Основное сырье
для этого процесса — глинозем (Al2О3) получают различными
гидрохимическими методами путем переработки минералов, содержащих соединения
алюминия.
Строение атома и кристаллическая решетка
В Периодической системе Д.И. Менделеева порядковый номер алюминия 13, его атомная масса составляет 26,9815 (по углероду 12С) и 26,98974 (по кислороду 16O).
Основным изотопом является 27Al, который устойчив и состоит из 14 нейтронов и 13 протонов. Кроме одного изотопа 26Al, период полураспада которого равен 106 лет, установлено существование еще шести изотопов с массовыми числами 23, 24, 25, 26, 28 и 29 и с малыми периодами полураспада (от 0,13 до 396с), а также пренебрежимо малой распространенностью в природе (от 2×10-5 до 1,5×10-4 %).
Алюминий трехвалентен, и 13 его электронов распределены на электронных оболочках ls2, 2s2, 2р6, 3s2, 3р1. На внешнем электронном слое М находятся три валентных электрона: два на 3s-орбите с потенциалами ионизации 1800 и 2300 кДж/моль и один на 3p-орбите с потенциалом 574,5 кДж/моль, и поэтому в химических соединениях алюминий обычно трехвалентен (Al3+). Так как электрон на p-орбите с ядром атома связан слабее, чем два спаренных электрона на s-орбите, то при определенных условиях, теряя р-электрон, атом алюминия становится одновалентным ионом (Al+), образуя соединения низшей валентности (субсоединения), и еще реже — Al2+.
Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10-10 м, а атомный объем 9,999×10-6 м3/г-атом . Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки.
Химическая активность
Алюминий обладает большой химической активностью, энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10-5 см), но прочной пленкой оксида алюминия Al203, которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.
Расплавленный алюминий активно реагирует с оксидом и диоксидом углерода и парами воды. Наибольший интерес представляет растворимость водорода в алюминии, так как присутствие водорода в металле негативно влияет на механические свойства алюминия и его сплавов. Водород в алюминии в количествах, превосходящих растворимость в твердом состоянии, рассматривается как вредная примесь.
Алюминий обладает амфотерными свойствами, т.е. реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, а при взаимодействии с щелочами — алюминаты. Эта особенность существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного состава. Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах, а также в щелочах, но концентрированная азотная и органическая кислоты на алюминий не действуют.