Полная характеристика алюминия (химические, физические свойства, положение в таблице, сравнение по группе и по периоду и т.д.)

Алюминий — это химический элемент с символом Al и порядковым номером 13. Он относится к 3-му периоду, 13-й группе (по старой классификации — III A группа) периодической системы Д. И. Менделеева. Атомная масса алюминия примерно 26,98.

Положение в периодической системе

• Химический знак: Al

• Порядковый номер: 13

• Период: 3

• Группа: 13 (III A)

• Блок: p-элемент

• Тип элемента: металл, чаще всего относят к лёгким металлам

• Степень окисления: основная и наиболее устойчивая — +3

Электронная конфигурация атома алюминия:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹

Это означает, что на внешнем энергетическом уровне у него 3 электрона, поэтому алюминий легко отдаёт их и образует катион Al³⁺.

Строение атома и связь с свойствами

У алюминия на внешнем уровне три электрона, поэтому он проявляет свойства металла:

• легко отдаёт валентные электроны;

• образует положительно заряженные ионы;

• в соединениях чаще всего имеет степень окисления +3.

Однако алюминий — металл не очень активный в обычных условиях, потому что его поверхность быстро покрывается тонкой плотной плёнкой оксида Al₂O₃, которая защищает металл от дальнейшего окисления. Это явление называют пассивированием.

Физические свойства алюминия

Алюминий — серебристо-белый лёгкий металл.

Основные физические свойства:

• цвет: серебристо-белый

• плотность: около 2,7 г/см³

• температура плавления: примерно 660 °C

• температура кипения: около 2470 °C

• мягкий, пластичный и ковкий металл

• хорошо прокатывается в листы, вытягивается в проволоку

• обладает хорошей теплопроводностью

• обладает высокой электропроводностью

• немагнитен

По электропроводности алюминий уступает меди, но благодаря малой плотности широко используется в электротехнике, особенно там, где важен небольшой вес проводов.

Химические свойства алюминия

Алюминий — достаточно активный металл, но из-за защитной оксидной плёнки в обычных условиях выглядит малоактивным. При нарушении этой плёнки он вступает в реакции достаточно легко.

1. Реакция с кислородом

При нагревании алюминий сгорает с образованием оксида:

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

Оксид алюминия — амфотерный оксид, то есть он может реагировать и с кислотами, и со щелочами.

2. Реакция с галогенами

Алюминий реагирует с хлором, бромом, йодом:

2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃

Образуется хлорид алюминия.

3. Реакция с серой

При нагревании:

2Al + 3S → Al₂S₃

4. Реакция с азотом

При высокой температуре может образовываться нитрид:

2Al + N₂ → 2AlN

5. Реакция с кислотами

С разбавленными кислотами алюминий реагирует с выделением водорода:

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑

2Al + 3H₂SO₄(разб.) → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

Но с концентрированной азотной кислотой и иногда с концентрированной серной кислотой алюминий обычно не реагирует из-за пассивации.

6. Реакция со щелочами

Алюминий — металл амфотерный, поэтому растворяется в щелочах с выделением водорода:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

В результате образуется алюминат.

7. Восстановительные свойства

Алюминий — хороший восстановитель. Он способен восстанавливать некоторые металлы из их оксидов. Этот процесс лежит в основе алюмотермии:

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃

Эта реакция очень экзотермична и используется для получения металлов и сварки.

Соединения алюминия

Оксид алюминия Al₂O₃

• белое твёрдое вещество

• очень тугоплавкое

• амфотерный оксид

• реагирует с кислотами:

  Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

• реагирует со щелочами:

  Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]

Гидроксид алюминия Al(OH)₃

• белый, студенистый осадок

• амфотерный гидроксид

• реагирует с кислотами и щелочами

С кислотой:

Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O

Со щёлочью:

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]

Соли алюминия

Примеры:

• AlCl₃ — хлорид алюминия

• Al₂(SO₄)₃ — сульфат алюминия

• Al(NO₃)₃ — нитрат алюминия

Многие соли алюминия растворимы в воде, но растворы часто имеют кислую реакцию из-за гидролиза.

Получение алюминия

Алюминий в природе очень распространён, но в свободном виде почти не встречается, потому что он химически активен. Главная руда для получения алюминия — боксит.

Промышленное получение алюминия основано на электролизе расплава оксида алюминия, растворённого в криолите.

Главные этапы:

1. Получение чистого оксида алюминия из боксита.

2. Растворение Al₂O₃ в расплавленном криолите.

3. Электролиз.

На катоде выделяется алюминий:

Al³⁺ + 3e⁻ → Al

Нахождение в природе

Алюминий — один из самых распространённых элементов земной коры. По распространённости он занимает одно из первых мест среди металлов.

В природе встречается в виде:

• бокситов

• глин

• полевых шпатов

• слюд

• корунда

• алюмосиликатов

В свободном виде в природе практически не встречается.

Сравнение алюминия по группе

Алюминий находится в 13-й группе, где также располагаются бор, галлий, индий, таллий и сверхтяжёлые элементы.

Сравнение с бором

Бор стоит выше алюминия в той же группе, но он неметалл или полуметалл, тогда как алюминий — типичный металл.
Причина: вниз по группе металлические свойства усиливаются.

Сравнение с галлием, индием и талием

При движении вниз по группе:

• увеличивается металлический характер;

• уменьшается электроотрицательность;

• возрастает радиус атома;

• степень окисления +1 становится более устойчивой у тяжёлых элементов.

У алюминия наиболее характерна степень окисления +3, а у более тяжёлых элементов группы стабильность +3 снижается.

Сравнение алюминия по периоду

Алюминий находится в 3-м периоде, где рядом с ним расположены натрий, магний, кремний, фосфор, сера, хлор и аргон.

В периоде слева направо:

• уменьшается металлический характер;

• усиливаются неметаллические свойства;

• уменьшается радиус атома;

• увеличивается электроотрицательность.

Алюминий расположен:

• правее магния, поэтому более слабый металл;

• левее кремния, поэтому ещё сохраняет металлические свойства.

Таким образом, алюминий — переходный по характеру элемент между типичными металлами и неметаллами:

• по свойствам он уже не так активен, как натрий или магний;

• но ещё не неметалл, как кремний или фосфор.

Характерные особенности алюминия

1. Лёгкий металл с малой плотностью.

2. Пластичный и ковкий.

3. Хорошо проводит электрический ток и тепло.

4. Образует амфотерные соединения.

5. Имеет устойчивую степень окисления +3.

6. Защищается оксидной плёнкой, поэтому устойчив к коррозии в обычных условиях.

7. Является сильным восстановителем при нагревании.

Применение алюминия

Благодаря сочетанию лёгкости, прочности сплавов и коррозионной стойкости алюминий широко используется:

• в авиации и космической технике;

• в строительстве;

• в электротехнике;

• для изготовления посуды;

• для производства фольги, упаковки, проводов;

• в сплавах с другими металлами.

Итоговая характеристика

Алюминий — это лёгкий серебристо-белый металл 3-го периода и 13-й группы, p-элемент, с электронной конфигурацией [Ne]3s²3p¹. Для него характерна степень окисления +3, амфотерность его оксида и гидроксида, высокая пластичность, хорошая теплопроводность и электропроводность. По группе вниз усиливаются металлические свойства, а в пределах периода слева направо алюминий занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.