Әр химиялық элементті үш ғылым тұрғысынан қарастыруға болады: физика, химия және биология. Бұл мақалада біз алюминийді мүмкіндігінше дәл сипаттауға тырысамыз. Бұл периодтық кестеге сәйкес үшінші топтағы және үшінші периодтағы химиялық элемент. Алюминий – орташа химиялық белсенділігі бар металл. Сондай-ақ оның қосылыстарында амфотерлік қасиеттерді байқауға болады. Алюминийдің атомдық массасы бір мольге жиырма алты грамм.
Алюминийдің физикалық сипаттамалары
Қалыпты жағдайда ол қатты. Алюминий формуласы өте қарапайым. Ол атомдардан тұрады (молекулаларға біріктірілмейді), олар кристалдық тордың көмегімен үздіксіз затқа айналады. Алюминий түсі - күміс-ақ. Сонымен қатар, ол осы топтың барлық басқа заттары сияқты металл жылтыры бар. Өнеркәсіпте қолданылатын алюминийдің түсі қорытпадағы қоспалардың болуына байланысты әртүрлі болуы мүмкін. Бұл өте жеңіл металл.
Оның тығыздығы 2,7 г/см3, яғни темірден шамамен үш есе жеңіл. Бұл жағдайда ол тек магнийге ғана бере алады, ол әлі де барқарастырылып отырған металдан жеңілірек. Алюминийдің қаттылығы өте төмен. Онда ол көптеген металдардан төмен. Алюминийдің қаттылығы Mohs шкаласы бойынша екі ғана. Сондықтан оны нығайту үшін осы металдың негізіндегі қорытпаларға қаттырақтары қосылады.
Алюминий небәрі 660 градус Цельсийде балқиды. Ал екі мың төрт жүз елу екі градус Цельсийге дейін қыздырғанда қайнайды. Бұл өте иілгіш және балқитын металл. Алюминийдің физикалық сипаттамалары мұнымен бітпейді. Бұл металдың мыс пен күмістен кейінгі ең жақсы электрөткізгіштікке ие екенін де атап өткім келеді.
Табиғатта таралу
Техникалық сипаттамалары біз жаңа ғана қарастырған алюминий қоршаған ортада жиі кездеседі. Оны көптеген минералдардың құрамында байқауға болады. Алюминий элементі табиғатта кең таралған төртінші элемент. Оның жер қыртысындағы массалық үлесі шамамен тоғыз пайызды құрайды. Оның атомдары болатын негізгі минералдарға боксит, корунд, криолит жатады. Біріншісі - темірдің, кремнийдің және қаралатын металдың оксидтерінен тұратын тау жынысы және құрылымда су молекулалары да бар. Оның гетерогенді түсі бар: әртүрлі қоспалардың болуына байланысты сұр, қызыл-қоңыр және басқа түстердің фрагменттері. Бұл тұқымның отыздан алпыс пайызына дейін алюминий, оның фотосуретін жоғарыдан көруге болады. Сонымен қатар, корунд табиғатта өте кең таралған минерал болып табылады.
Бұл алюминий оксиді. Оның химиялық формуласы Al2O3. Ол қызыл, сары, көк немесе қоңыр болуы мүмкін. Оның Mohs шкаласы бойынша қаттылығы тоғыз бірлік. Корундтың сорттарына белгілі сапфирлер мен рубиндер, лейкосафирлер, сондай-ақ падпарадша (сары сапфир) жатады.
Криолит – күрделірек химиялық формуласы бар минерал. Ол алюминий мен натрий фторидтерінен тұрады - AlF3•3NaF. Ол төмен қаттылығы бар түссіз немесе сұрғылт тасқа ұқсайды - Mohs шкаласы бойынша тек үшеу. Қазіргі әлемде ол зертханада жасанды түрде синтезделеді. Ол металлургияда қолданылады.
Сонымен қатар алюминийді табиғатта балшықтардың құрамында табуға болады, оның негізгі құрамдастары кремний оксидтері және су молекулаларымен байланысты қарастырылатын металл. Сонымен қатар, бұл химиялық элементті нефелиндердің құрамында байқауға болады, оның химиялық формуласы келесідей: KNa3[AlSiO4]4.
Алу
Алюминийдің сипаттамасы оны синтездеу әдістерін қарастыруды қарастырады. Бірнеше әдіс бар. Бірінші әдіс бойынша алюминийді алу үш кезеңде жүреді. Олардың соңғысы катод пен көміртегі анодындағы электролиз процедурасы. Мұндай процесті жүргізу үшін алюминий оксиді, сонымен қатар криолит (формула - Na3AlF6) және кальций фториді (CaF2) сияқты көмекші заттар қажет. Суда еріген алюминий оксидінің ыдырау процесі жүруі үшін оны балқытылған криолитпен және кальций фторидімен бірге кем дегенде тоғыз жүз елу градус Цельсий температураға дейін қыздыру керек. Цельсий шкаласы, содан кейін осы заттар арқылы сексен мың ампер ток және бес-сегіз вольт кернеуі өтеді. Осылайша, бұл процестің нәтижесінде алюминий катодқа орналасады, ал анодта оттегі молекулалары жиналады, бұл өз кезегінде анодты тотықтырады және оны көмірқышқыл газына айналдырады. Бұл процедураны орындамас бұрын, алюминий оксиді өндірілетін боксит алдын ала қоспалардан тазартылады, сонымен қатар сусыздандыру процесінен өтеді.
Алюминийді жоғарыда сипатталған әдіспен өндіру металлургияда өте кең таралған. 1827 жылы Ф. Велер ойлап тапқан әдіс те бар. Бұл алюминийді оның хлориді мен калий арасындағы химиялық реакция арқылы өндіруге болатындығына байланысты. Мұндай процесті өте жоғары температура мен вакуум түрінде ерекше жағдайлар жасау арқылы ғана жүзеге асыруға болады. Сонымен, бір моль хлорид пен бірдей көлемдегі калийден жанама өнім ретінде бір моль алюминий мен үш моль калий хлоридін алуға болады. Бұл реакцияны келесі теңдеу түрінде жазуға болады: АІСІ3 + 3К=АІ + 3КІ. Бұл әдіс металлургияда көп танымал болған жоқ.
Алюминийдің химия тұрғысынан сипаттамасы
Жоғарыда айтылғандай, бұл молекулаға қосылмаған атомдардан тұратын қарапайым зат. Ұқсас құрылымдар барлық дерлік металдарды құрайды. Алюминий жеткілікті жоғары химиялық белсенділікке және күшті қалпына келтіретін қасиеттерге ие. Алюминийдің химиялық сипаттамасы оның басқалармен реакциясын сипаттаудан басталадықарапайым заттар және күрделі бейорганикалық қосылыстармен әрі қарай әрекеттесулері сипатталады.
Алюминий және қарапайым материалдар
Оларға, ең алдымен, оттегі жатады - планетадағы ең көп таралған қосылыс. Жер атмосферасының жиырма бір пайызы одан тұрады. Берілген заттың кез келген басқа заттармен әрекеттесуі тотығу немесе жану деп аталады. Бұл әдетте жоғары температурада пайда болады. Бірақ алюминий жағдайында қалыпты жағдайда тотығу мүмкін болады - осылайша оксидті қабықша пайда болады. Егер бұл металды ұсақтаса, ол күйіп кетеді, сонымен бірге жылу түрінде көп мөлшерде энергия бөлінеді. Алюминий мен оттегі арасындағы реакцияны жүзеге асыру үшін бұл компоненттер 4: 3 молярлық қатынаста қажет, нәтижесінде оксидтің екі бөлігі пайда болады.
Бұл химиялық әрекеттесу келесі теңдеу түрінде өрнектеледі: 4АІ + 3О2=2АІО3. Алюминийдің галогендермен реакциялары да мүмкін, оларға фтор, йод, бром және хлор кіреді. Бұл процестердің атаулары сәйкес галогендердің атауларынан шыққан: фторлау, йодтау, бромдау және хлорлау. Бұл әдеттегі қосу реакциялары.
Мысалы, алюминийдің хлормен әрекеттесуін алайық. Мұндай процесс тек суықта болуы мүмкін.
Осылайша, екі моль алюминий мен үш моль хлорды алсақ, нәтижесінде қарастырылып отырған металдың екі моль хлоридін аламыз. Бұл реакцияның теңдеуі келесідей: 2АІ + 3СІ=2АІСІ3. Дәл осылай алюминий фториді, оның бромиді және йодидін алуға болады.
Күкіртпенқарастырылып отырған зат тек қыздырғанда ғана әрекеттеседі. Осы екі қосылыстардың өзара әрекеттесуін жүзеге асыру үшін оларды екі-үш молярлық пропорцияда алу керек, ал алюминий сульфидінің бір бөлігі түзіледі. Реакция теңдеуі келесідей: 2Al + 3S=Al2S3.
Сонымен қатар, жоғары температурада алюминий көміртекпен әрекеттесіп, карбид, ал азотпен нитрид түзеді. Мысал ретінде келесі химиялық реакция теңдеулерін келтіруге болады: 4AI + 3C=AI4C3; 2Al + N2=2AlN.
Күрделі заттармен әрекеттесу
Оларға су, тұздар, қышқылдар, негіздер, оксидтер жатады. Барлық осы химиялық қосылыстармен алюминий әртүрлі жолдармен әрекеттеседі. Әр жағдайды толығырақ қарастырайық.
Сумен реакция
Жердегі ең көп таралған күрделі затпен алюминий қыздырылған кезде әрекеттеседі. Бұл оксидті пленканы алдын ала жою жағдайында ғана болады. Өзара әрекеттесу нәтижесінде амфотерлі гидроксид түзіліп, сутегі де ауаға таралады. Алюминийдің екі бөлігін және судың алты бөлігін алып, біз екі-үш молярлық пропорцияда гидроксид пен сутегін аламыз. Бұл реакцияның теңдеуі былай жазылады: 2АІ + 6Н2О=2АІ(ОН)3 + 3Н2.
Қышқылдармен, негіздермен және оксидтермен реакция
Басқа белсенді металдар сияқты, алюминий орын басу реакциясына түсуге қабілетті. Бұл ретте ол қышқылдан сутекті немесе оның тұзынан анағұрлым пассивті металдың катионын ығыстыра алады. Осындай әрекеттесу нәтижесінде алюминий тұзы түзіліп, сутегі де бөлінеді (қышқыл жағдайында) немесе таза металл тұнбаға түседі (бірол қарастырылып отырғанға қарағанда белсенділігі төмен). Екінші жағдайда жоғарыда айтылған қалпына келтіру қасиеттері көрінеді. Мысал ретінде алюминийдің тұз қышқылымен әрекеттесуін келтіруге болады, онда алюминий хлориді түзіліп, ауаға сутегі бөлінеді. Реакцияның бұл түрі келесі теңдеумен өрнектеледі: 2AI + 6HCI=2AICI3 + 3H2.
Алюминийдің тұзбен әрекеттесуіне оның мыс сульфатымен реакциясы мысал бола алады. Осы екі компонентті алсақ, біз алюминий сульфаты мен таза мыс аламыз, олар тұнбаға түседі. Алюминий күкірт және азот сияқты қышқылдармен ерекше әрекеттеседі. Мысалы, сегіз бөліктен отызға дейін молярлық қатынаста нитрат қышқылының сұйылтылған ерітіндісіне алюминий қосқанда, қаралып отырған металдың сегіз бөлігі нитрат, азот оксидінің үш бөлігі және судың он бес бөлігі түзіледі. Бұл реакцияның теңдеуі былай жазылады: 8Al + 30HNO3=8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O. Бұл процесс жоғары температура болған кезде ғана орын алады.
Егер алюминий мен сульфат қышқылының әлсіз ерітіндісін екі-үш молярлық пропорцияда араластырсақ, қарастырылып отырған металдың сульфаты мен бір-үш қатынасында сутегін аламыз. Яғни, басқа қышқылдардағыдай кәдімгі орын басу реакциясы болады. Түсінікті болу үшін мына теңдеуді ұсынамыз: 2Al + 3H2SO4=Al2(SO4)3 + 3H2. Дегенмен, сол қышқылдың концентрлі ерітіндісімен бәрі күрделірек. Мұнда, нитрат жағдайындағы сияқты, қосымша өнім түзіледі, бірақ оксид түрінде емес, күкірт және су түрінде. Бізге қажет екі компонентті алсақекіден төртке дейін молярлық қатынас, содан кейін нәтижесінде біз қарастырылып отырған металдың тұзының бір бөлігін және күкіртті, сондай-ақ төрт суды аламыз. Бұл химиялық әсерлесуді келесі теңдеу арқылы көрсетуге болады: 2Al + 4H2SO4=Al2(SO4)3 + S + 4H2O.
Сонымен қатар, алюминий сілті ерітінділерімен әрекеттесуге қабілетті. Мұндай химиялық әрекеттесуді жүзеге асыру үшін қарастырылып отырған металдың екі мольін, натрий немесе калий гидроксидінің бірдей мөлшерін, сондай-ақ алты моль суды алу керек. Нәтижесінде натрий немесе калий тетрагидроксоалюминаты сияқты заттар, сондай-ақ екі-үш молярлық пропорцияда өткір иісі бар газ түрінде шығарылатын сутегі пайда болады. Бұл химиялық реакцияны келесі теңдеу түрінде көрсетуге болады: 2AI + 2KOH + 6H2O=2K[AI(OH)4] + 3H2.
Ал соңғы ескеретін нәрсе - алюминийдің кейбір оксидтермен әрекеттесу заңдылықтары. Ең көп таралған және қолданылатын жағдай - Бекетов реакциясы. Ол, жоғарыда талқыланған көптеген басқалар сияқты, тек жоғары температурада пайда болады. Сонымен, оны жүзеге асыру үшін екі моль алюминий мен бір моль темір оксидін алу керек. Осы екі заттың әрекеттесуі нәтижесінде сәйкесінше бір және екі моль мөлшерінде алюминий оксиді мен бос темір аламыз.
Көрсетілген металды өнеркәсіпте пайдалану
Алюминийді пайдалану өте жиі кездесетін жағдай екенін ескеріңіз. Бұл бірінші кезекте авиация саласына қажет. Магний қорытпаларымен қатар, қорытпалар қарастырыладыметалл. Орташа ұшақтың 50% алюминий қорытпалары, ал оның қозғалтқышы 25% деп айта аламыз. Алюминий сонымен қатар тамаша электр өткізгіштігінің арқасында сымдар мен кабельдерді өндіру процесінде қолданылады. Сонымен қатар, бұл металл және оның қорытпалары автомобиль өнеркәсібінде кеңінен қолданылады. Автокөліктердің, автобустардың, троллейбустардың, кейбір трамвайлардың, сондай-ақ қарапайым және электр пойыз вагондарының шанақтары осы материалдардан жасалған.
Ол сондай-ақ кішігірім мақсаттарда, мысалы, азық-түлік және басқа өнімдерге, ыдыс-аяқтарға арналған қаптамаларды өндіру үшін қолданылады. Күміс бояу жасау үшін қаралып отырған металдың ұнтағы қажет. Мұндай бояу темірді коррозиядан қорғау үшін қажет. Алюминий өнеркәсіпте темірден кейінгі екінші ең көп қолданылатын металл деп айта аламыз. Оның қосылыстары және өзі химия өнеркәсібінде жиі қолданылады. Бұл алюминийдің ерекше химиялық қасиеттеріне, соның ішінде оның қалпына келтіретін қасиеттеріне және қосылыстарының амфотерлік табиғатына байланысты. Қарастырылған химиялық элементтің гидроксиді суды тазарту үшін қажет. Сонымен қатар, ол вакциналарды өндіру кезінде медицинада қолданылады. Оны кейбір пластмассалардан және басқа материалдардан табуға болады.
Табиғаттағы рөл
Жоғарыда айтылғандай, алюминий жер қыртысында көп мөлшерде кездеседі. Ол әсіресе тірі организмдер үшін маңызды. Алюминий өсу процестерін реттеуге қатысады, дәнекер тіндерді құрайды, мысалысүйек, байлам және т.б. Бұл микроэлементтің арқасында дене тіндерін қалпына келтіру процестері жылдамырақ жүзеге асырылады. Оның жетіспеушілігі келесі белгілермен сипатталады: балаларда даму және өсу бұзылыстары, ересектерде - созылмалы шаршау, өнімділіктің төмендеуі, қозғалыстардың координациясының бұзылуы, тіндердің регенерациясының баяулауы, бұлшықеттердің, әсіресе аяқ-қолдардың әлсіздігі. Құрамында осы микроэлемент бар тағамдарды тым аз жесеңіз, бұл құбылыс орын алуы мүмкін.
Алайда жиі кездесетін мәселе – ағзадағы алюминийдің артық болуы. Бұл жағдайда жиі келесі белгілер байқалады: жүйке, депрессия, ұйқының бұзылуы, есте сақтау қабілетінің төмендеуі, стресске төзімділік, тірек-қимыл аппаратының жұмсаруы, бұл жиі сынықтар мен созылуларға әкелуі мүмкін. Ағзада алюминийдің ұзақ уақыт артық болуымен барлық дерлік органдар жүйесінің жұмысында проблемалар жиі туындайды.
Бұл құбылыстың бірнеше себептері бар. Ең алдымен, бұл алюминий ыдысы. Ғалымдар қарастырылып отырған металдан жасалған ыдыс-аяқтың ондағы тағамды пісіруге жарамсыз екенін әлдеқашан дәлелдеген, өйткені жоғары температурада алюминийдің бір бөлігі тағамға еніп, нәтижесінде бұл микроэлемент ағзаға қажетінен әлдеқайда көп тұтынады.
Екінші себеп – құрамында қаралып жатқан метал немесе оның тұздары бар косметиканы үнемі пайдалану. Кез келген өнімді қолданар алдында оның құрамын мұқият оқып шығу керек. Косметика да ерекшелік емес.
Үшінші себеп – есірткі қабылдауқұрамында алюминий көп, ұзақ уақыт бойы. Сондай-ақ осы микроэлементті қамтитын витаминдер мен тағамдық қоспаларды дұрыс қолданбау.
Енді диетаны реттеу және мәзірді дұрыс ұйымдастыру үшін қандай тағамдардың құрамында алюминий бар екенін анықтайық. Ең алдымен, бұл сәбіз, өңделген ірімшіктер, бидай, алюминий, картоп. Жемістерден авокадо мен шабдалы ұсынылады. Сонымен қатар, ақ қырыққабат, күріш, көптеген емдік шөптер алюминийге бай. Сондай-ақ, қаралып отырған металдың катиондары ауыз судың құрамында болуы мүмкін. Денедегі алюминийдің жоғары немесе төмен деңгейін болдырмау үшін (сонымен қатар кез келген басқа микроэлементтер) диетаны мұқият қадағалап, оны мүмкіндігінше теңестіруге тырысу керек.
