Свойства алюминия и его сплавов 

Химические реакции алюминия

Химические свойства алюминия

Химические свойства алюминия определяются его положением в периодической системе химических элементов.

Ниже представлены основные химические реакции алюминия с другими химическими элементами. Эти реакции определяют основные химические свойства алюминия.

С чем реагирует алюминий

Простые вещества:

  • галогены (фтор, хлор, бром и иодин)
  • сера
  • фосфор
  • азот
  • углерод
  • кислород (горение)

Сложные вещества:

  • вода
  • минеральные кислоты (соляная, фосфорная)
  • серная кислота
  • азотная кислота
  • щелочи
  • окислители
  • оксиды менее активных металлов (алюмотермия)

С чем не реагирует алюминий

Алюминий не реагирует:

  • с водородом
  • в обычных условиях – с концентрированной серной кислотой (из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки)
  • в обычных условиях – с концентрированной азотной кислотой (также из-за пассивации)

См. подробнее по химии алюминия

Алюминий и воздух

Обычно поверхность алюминия всегда покрыта тонким слоем оксида алюминия, который защищает ее от воздействия воздуха, точнее, кислорода. Поэтому считается, что алюминий не вступает в реакцию с воздухом. Если же этот оксидный слой повреждается или удаляется, то свежая поверхность алюминия реагирует с кислородом воздуха. Алюминий может гореть в кислороде ослепительно белым пламенем с образованием оксида алюминия Al2O3.

Реакция алюминия с кислородом:

  • 4Al + 3O2 —> 2Al2O3

Алюминий и вода

Алюминий реагирует с водой по следующим реакциям [2]:

  • 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2       (1)
  • 2Al + 4H2O = 2AlO(OH) + 3H2     (2)
  • 2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2            (3)

В результате этих реакций образуются, соответственно, следующие соединения алюминия:

  • модификация гидроксида алюминия байерит и водород (1)
  • модификация гидроксида алюминия богемит и водород (2)
  • оксид алюминия и водород (3)

Эти реакции, кстати, представляют большой интерес при разработке компактных установок для получения водорода для транспортных средств, которые работают на водороде [2].

Все эти реакции являются термодинамически возможными при температуре от комнатной до температуры плавления алюминия 660 ºС. Все они являются также экзотермическими, то есть происходят с выделением тепла [2]:

  • При температуре от комнатной до 280 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al(OH)3.
  • При температуре от 280 до 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является AlO(OH).
  • При температуре выше 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al2O3.        

Таким образом, оксид алюминия Al2O3 становится термодинамически более устойчивым, чем  Al(OH)3 при повышенной температуре. Продуктом реакции алюминия с водой при комнатной температуре будет гидроксид алюминия Al(OH)3.

Реакция (1) показывает, что алюминий должен самопроизвольно реагировать с водой при комнатной температуре. Однако на практике кусок алюминия, опущенный в воду, не реагирует с водой в условиях комнатной температуры и даже в кипящей воде. Дело в том, что алюминий имеет на поверхности тонкий когерентный слой оксида алюминия Al2O3. Эта оксидная пленка прочно удерживается на поверхности алюминия и предотвращает его реакцию с водой. Поэтому, чтобы начать и поддерживать реакцию алюминия с водой при комнатной температуре необходимо постоянно удалять или разрушать этот оксидный слой [2].

Алюминий и галогены

Алюминий бурно реагирует со всем галогенами – это:

  • фтор F
  • хлор Cl
  • бром Br и
  • иодин (йод) I,

с образованием соответственно:

  • фторида AlF3 
  • хлорида AlCl3
  • бромида Al2Br6 и
  • иодида Al2Br6.

Реакции водорода со фтором, хлором, бромом и иодином:

  • 2Al + 3F2 → 2AlF3
  • 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3
  • 2Al + 3Br2 → Al2Br6
  • 2Al + 3l2 → Al2I6 

Алюминий и кислоты

Алюминий активно вступает в реакцию с разбавленными кислотами: серной, соляной и азотной, с образованием соответствующих солей: сернокислого алюминия Al2SO4, хлорида алюминия AlCl3 и нитрата алюминия Al(NО3)3.

Реакции алюминия с разбавленными кислотами:

  • 2Al + 3H2SO4 —> Al2(SO4)3 + 3H2
  • 2Al + 6HCl —> 2AlCl3 + 3H2
  • 2Al + 6HNO3 —> 2Al(NO3)3 + 3H2

С концентрированными серной и соляной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли, окислов и воды.

Алюминий и щелочи

Алюминий в водном растворе щелочи – гидроксида натрия – реагирует с образованием алюмината натрия.

Реакция алюминия с гидроксидом натрия имеет вид:

  • 2Al + 2NaOH + 10H2O  —> 2Na[Al(H2O)2(OH)4] + 3H2

Все важнейшие реакции с алюминием

Для полноты информации приводим перечень основных реакций с участием алюминия из фундаментальной книги про алюминий [3]:

Важнейшие реакции с участием алюминия [3]

Источники:

1.  Chemical Elements. The first 118 elements, ordered alphabetically / ed. Wikipedians – 2018

2. Reaction of Aluminum with Water to Produce Hydrogen /John Petrovic and George Thomas, U.S. Department of Energy, 2008

3. Тринадцатый элемент: Энциклопедия / А. Дроздов – Библиотека РУСАЛа, 2007.