Svaki kemijski element može se promatrati sa stajališta triju znanosti: fizike, kemije i biologije. I u ovom članku pokušat ćemo što točnije okarakterizirati aluminij. Ovo je kemijski element koji je u trećoj skupini i trećem razdoblju, prema periodnom sustavu. Aluminij je metal srednje kemijske aktivnosti. Također se u njegovim spojevima mogu uočiti amfoterna svojstva. Atomska masa aluminija je dvadeset i šest grama po molu.
Fizičke karakteristike aluminija
U normalnim uvjetima, čvrst je. Formula za aluminij je vrlo jednostavna. Sastoji se od atoma (ne spajaju se u molekule), koji se uz pomoć kristalne rešetke grade u kontinuiranu tvar. Boja aluminija - srebrno bijela. Osim toga, ima metalni sjaj, kao i sve druge tvari ove skupine. Boja aluminija koji se koristi u industriji može varirati zbog prisutnosti nečistoća u leguri. To je prilično lagan metal.
Njegova gustoća je 2,7 g/cm3, što znači da je oko tri puta lakši od željeza. U tome može ustupiti samo magneziju, koji je još uvijeklakši od dotičnog metala. Tvrdoća aluminija je prilično niska. U njemu je inferioran u odnosu na većinu metala. Tvrdoća aluminija je samo dva na Mohsovoj ljestvici. Stoga se za njegovo ojačanje u legure na bazi ovog metala dodaju tvrđe.
Aluminij se topi na samo 660 stupnjeva Celzija. I vrije kad se zagrije na temperaturu od dvije tisuće četiri stotine pedeset i dva Celzijeva stupnja. To je vrlo duktilan i topljiv metal. Fizičke karakteristike aluminija tu ne završavaju. Također bih želio napomenuti da ovaj metal ima najbolju električnu vodljivost nakon bakra i srebra.
Prevalencija u prirodi
Aluminij, čije smo specifikacije upravo pregledali, prilično je čest u okruženju. Može se uočiti u sastavu mnogih minerala. Element aluminij je četvrti najčešći element u prirodi. Njegov maseni udio u zemljinoj kori iznosi gotovo devet posto. Glavni minerali u kojima su prisutni njegovi atomi su boksit, korund, kriolit. Prvi je stijena, koja se sastoji od oksida željeza, silicija i dotičnog metala, a u strukturi su prisutne i molekule vode. Ima heterogenu boju: fragmenti sive, crvenkasto-smeđe i druge boje, koje ovise o prisutnosti raznih nečistoća. Od trideset do šezdeset posto ove pasmine je aluminij, čija se fotografija može vidjeti iznad. Osim toga, korund je vrlo čest mineral u prirodi.
Ovo je aluminij oksid. Njegova kemijska formula je Al2O3. Može biti crvena, žuta, plava ili smeđa. Njegova tvrdoća po Mohsovoj ljestvici je devet jedinica. Sorte korunda uključuju dobro poznate safire i rubine, leukozafire, kao i padparadscha (žuti safir).
Kriolit je mineral sa složenijom kemijskom formulom. Sastoji se od aluminijskih i natrijevih fluorida – AlF3•3NaF. Izgleda kao bezbojni ili sivkasti kamen niske tvrdoće - samo tri na Mohsovoj ljestvici. U suvremenom svijetu sintetizira se umjetno u laboratoriju. Primjenjuje se u metalurgiji.
Također, aluminij se u prirodi može naći u sastavu glina, čiji su glavni sastojci oksidi silicija i dotični metal, povezan s molekulama vode. Osim toga, ovaj kemijski element može se uočiti u sastavu nefelina, čija je kemijska formula sljedeća: KNa3[AlSiO4]4.
Primi
Karakterizacija aluminija daje razmatranje metoda za njegovu sintezu. Postoji nekoliko metoda. Proizvodnja aluminija po prvoj metodi odvija se u tri faze. Posljednji od njih je postupak elektrolize na katodi i ugljičnoj anodi. Za izvođenje takvog procesa potreban je aluminijev oksid, kao i pomoćne tvari poput kriolita (formula - Na3AlF6) i kalcijevog fluorida (CaF2). Da bi došlo do procesa razgradnje aluminijevog oksida otopljenog u vodi, potrebno ga je zagrijati zajedno s rastopljenim kriolitom i kalcijevim fluoridom na temperaturu od najmanje devetsto pedeset stupnjeva Celzijusa. Celzijevu ljestvicu, a zatim kroz te tvari proći struju od osamdeset tisuća ampera i napon od pet do osam volti. Tako će se kao rezultat ovog procesa aluminij taložiti na katodi, a na anodi će se skupljati molekule kisika koje, pak, oksidiraju anodu i pretvaraju je u ugljični dioksid. Prije izvođenja ovog postupka, boksit, u obliku kojeg se vadi aluminijev oksid, prethodno se čisti od nečistoća, a također se podvrgava procesu dehidracije.
Proizvodnja aluminija na gore opisani način vrlo je česta u metalurgiji. Postoji i metoda koju je 1827. izumio F. Wehler. Leži u činjenici da se aluminij može dobiti kemijskom reakcijom između njegovog klorida i kalija. Takav proces moguće je provesti samo stvaranjem posebnih uvjeta u obliku vrlo visoke temperature i vakuuma. Dakle, iz jednog mola klorida i istog volumena kalija može se dobiti jedan mol aluminija i tri mola kalijevog klorida kao nusproizvod. Ova reakcija se može zapisati kao sljedeća jednadžba: AÍSÍ3 + 3K=AÍ + 3KÍ. Ova metoda nije stekla veliku popularnost u metalurgiji.
Karakterizacija aluminija u smislu kemije
Kao što je gore spomenuto, ovo je jednostavna tvar koja se sastoji od atoma koji nisu spojeni u molekule. Slične strukture čine gotovo sve metale. Aluminij ima prilično visoku kemijsku aktivnost i jaka redukcijska svojstva. Kemijska karakterizacija aluminija počet će opisom njegovih reakcija s drugimjednostavne tvari, te daljnje interakcije sa složenim anorganskim spojevima bit će opisane.
Aluminij i jednostavni materijali
To uključuje, prije svega, kisik - najčešći spoj na planeti. Od njega se sastoji 21 posto Zemljine atmosfere. Reakcije određene tvari s bilo kojom drugom nazivamo oksidacijom ili izgaranjem. Obično se javlja pri visokim temperaturama. Ali u slučaju aluminija, oksidacija je moguća u normalnim uvjetima - tako nastaje oksidni film. Ako se ovaj metal zgnječi, on će izgorjeti, a oslobađajući veliku količinu energije u obliku topline. Za provedbu reakcije između aluminija i kisika, ove komponente su potrebne u molarnom omjeru od 4:3, što rezultira dva dijela oksida.
Ova kemijska interakcija izražava se sljedećom jednadžbom: 4AÍ + 3O2=2AÍO3. Moguće su i reakcije aluminija s halogenima, koji uključuju fluor, jod, brom i klor. Nazivi ovih procesa potječu od naziva odgovarajućih halogena: fluoriranje, jodiranje, bromiranje i kloriranje. Ovo su tipične reakcije zbrajanja.
Na primjer, uzmimo interakciju aluminija s klorom. Ovakav se proces može dogoditi samo na hladnoći.
Tako, uzimajući dva mola aluminija i tri mola klora, dobivamo kao rezultat dva mola klorida dotičnog metala. Jednadžba za ovu reakciju je sljedeća: 2AÍ + 3SÍ=2AÍSÍ3. Na isti se način može dobiti aluminijev fluorid, njegov bromid i jodid.
Sa sumporomdotična tvar reagira samo kada se zagrije. Da biste izvršili interakciju između ova dva spoja, trebate ih uzeti u molarnim omjerima od dva do tri, a nastaje jedan dio aluminijevog sulfida. Jednadžba reakcije izgleda ovako: 2Al + 3S=Al2S3.
Osim toga, pri visokim temperaturama, aluminij stupa u interakciju s ugljikom, tvoreći karbid, i s dušikom, tvoreći nitrid. Kao primjer mogu se navesti sljedeće jednadžbe kemijskih reakcija: 4AI + 3C=AI4C3; 2Al + N2=2AlN.
Interakcija sa složenim tvarima
To uključuje vodu, soli, kiseline, baze, okside. Sa svim tim kemijskim spojevima aluminij reagira na različite načine. Pogledajmo pobliže svaki slučaj.
Reakcija s vodom
S najobičnijom složenom tvari na Zemlji, aluminij stupa u interakciju kada se zagrije. To se događa samo u slučaju prethodnog uklanjanja oksidnog filma. Kao rezultat interakcije nastaje amfoterni hidroksid, a vodik se također oslobađa u zrak. Uzimajući dva dijela aluminija i šest dijelova vode, dobivamo hidroksid i vodik u molarnim omjerima dva do tri. Jednadžba za ovu reakciju piše se na sljedeći način: 2AÍ + 6N2O=2AÍ(ON)3 + 3N2.
Reakcija s kiselinama, bazama i oksidima
Kao i drugi aktivni metali, aluminij može ući u reakciju supstitucije. Pritom može istisnuti vodik iz kiseline ili kation pasivnijeg metala iz njegove soli. Kao rezultat takvih interakcija nastaje aluminijeva sol, a također se oslobađa vodik (u slučaju kiseline) ili se taloži čisti metal (onajkoji je manje aktivan od razmatranog). U drugom slučaju očituju se restauratorska svojstva koja su gore spomenuta. Primjer je interakcija aluminija sa klorovodičnom kiselinom, u kojoj nastaje aluminijev klorid i vodik se oslobađa u zrak. Ova vrsta reakcije izražava se sljedećom jednadžbom: 2AI + 6HCI=2AICI3 + 3H2.
Primjer interakcije aluminija sa soli je njegova reakcija s bakrenim sulfatom. Uzimajući ove dvije komponente, završavamo s aluminijevim sulfatom i čistim bakrom, koji će se istaložiti. S kiselinama kao što su sumporna i dušična, aluminij reagira na osebujan način. Na primjer, kada se razrijeđenoj otopini nitratne kiseline doda aluminij u molarnom omjeru od osam dijelova prema trideset, osam dijelova nitrata dotičnog metala, nastaju tri dijela dušikovog oksida i petnaest dijelova vode. Jednadžba za ovu reakciju je zapisana na sljedeći način: 8Al + 30HNO3=8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O. Ovaj proces se događa samo kada postoji visoka temperatura.
Ako pomiješate aluminij i slabu otopinu sulfatne kiseline u molarnim omjerima dva do tri, dobivamo sulfat dotičnog metala i vodik u omjeru jedan prema tri. Odnosno, dogodit će se obična supstitucijska reakcija, kao što je slučaj s drugim kiselinama. Radi jasnoće predstavljamo jednadžbu: 2Al + 3H2SO4=Al2(SO4)3 + 3H2. Međutim, s koncentriranom otopinom iste kiseline sve je kompliciranije. Ovdje, kao iu slučaju nitrata, nastaje nusprodukt, ali ne u obliku oksida, već u obliku sumpora i vode. Ako uzmemo dvije komponente koje su nam potrebnemolarni omjer dva prema četiri, tada kao rezultat dobivamo jedan dio soli dotičnog metala i sumpora, kao i četiri vode. Ova kemijska interakcija može se izraziti pomoću sljedeće jednadžbe: 2Al + 4H2SO4=Al2(SO4)3 + S + 4H2O.
Osim toga, aluminij može reagirati s otopinama lužina. Da biste izvršili takvu kemijsku interakciju, trebate uzeti dva mola dotičnog metala, istu količinu natrijevog ili kalijevog hidroksida, kao i šest molova vode. Kao rezultat toga nastaju tvari poput natrijevog ili kalijevog tetrahidroksoaluminata, kao i vodika koji se oslobađa kao plin oštrog mirisa u molarnim omjerima dva do tri. Ova kemijska reakcija može se predstaviti kao sljedeća jednadžba: 2AI + 2KOH + 6H2O=2K[AI(OH)4] + 3H2.
I posljednja stvar koju treba uzeti u obzir su obrasci interakcije aluminija s nekim oksidima. Najčešći i najkorišteniji slučaj je Beketova reakcija. Ona se, kao i mnogi drugi o kojima je gore raspravljano, događa samo pri visokim temperaturama. Dakle, za njegovu provedbu potrebno je uzeti dva mola aluminija i jedan mol željezovog oksida. Kao rezultat interakcije ovih dviju tvari, dobivamo aluminijev oksid i slobodno željezo u količini od jedan, odnosno dva mola.
Upotreba dotičnog metala u industriji
Napominjemo da je upotreba aluminija vrlo česta pojava. Prije svega, to treba zrakoplovnoj industriji. Uz legure magnezija, legure na bazi razmatranihmetal. Možemo reći da je prosječan zrakoplov 50% aluminijskih legura, a njegov motor 25%. Aluminij se također koristi u procesu proizvodnje žica i kabela zbog svoje izvrsne električne vodljivosti. Osim toga, ovaj metal i njegove legure naširoko se koriste u automobilskoj industriji. Karoserije automobila, autobusa, trolejbusa, nekih tramvaja, kao i vagona konvencionalnih i električnih vlakova izrađene su od ovih materijala.
Koristi se i za manje namjene, npr. za proizvodnju ambalaže za hranu i druge proizvode, posuđe. Za izradu srebrne boje potreban je prah dotičnog metala. Takva boja je potrebna kako bi se željezo zaštitilo od korozije. Možemo reći da je aluminij drugi najčešće korišteni metal u industriji nakon željeza. Njegovi spojevi i sama se često koriste u kemijskoj industriji. To je zbog posebnih kemijskih svojstava aluminija, uključujući njegova redukcijska svojstva i amfoternu prirodu njegovih spojeva. Hidroksid razmatranog kemijskog elementa neophodan je za pročišćavanje vode. Osim toga, koristi se u medicini tijekom proizvodnje cjepiva. Također se može naći u nekim plastičnim i drugim materijalima.
Uloga u prirodi
Kao što je gore spomenuto, aluminij se nalazi u velikim količinama u zemljinoj kori. Posebno je važan za žive organizme. Aluminij sudjeluje u regulaciji procesa rasta, formira vezivna tkiva, kao nprkost, ligament i drugo. Zahvaljujući ovom mikroelementu, procesi regeneracije tjelesnih tkiva se provode brže. Njegov nedostatak karakteriziraju sljedeći simptomi: poremećaji u razvoju i rastu kod djece, kod odraslih - kronični umor, smanjena učinkovitost, poremećena koordinacija pokreta, usporavanje regeneracije tkiva, slabost mišića, posebice udova. Ovaj fenomen može se dogoditi ako jedete premalo hrane koja sadrži ovaj element u tragovima.
Međutim, češći problem je višak aluminija u tijelu. U tom slučaju često se opažaju sljedeći simptomi: nervoza, depresija, poremećaji spavanja, gubitak pamćenja, otpornost na stres, omekšavanje mišićno-koštanog sustava, što može dovesti do čestih prijeloma i uganuća. Uz dugotrajni višak aluminija u tijelu, često nastaju problemi u radu gotovo svakog organskog sustava.
Postoji niz razloga za ovaj fenomen. Prije svega, to je aluminijsko posuđe. Znanstvenici su odavno dokazali da posuđe napravljeno od dotičnog metala nije prikladno za kuhanje hrane u njemu, jer na visokim temperaturama dio aluminija dospijeva u hranu, a kao rezultat toga, unosite mnogo više ovog mikroelementa nego što je tijelu potrebno.
Drugi razlog je redovito korištenje kozmetike koja sadrži dotični metal ili njegove soli. Prije upotrebe bilo kojeg proizvoda morate pažljivo pročitati njegov sastav. Kozmetika nije iznimka.
Treći razlog je uzimanje droga kojesadrži puno aluminija, dugo vremena. Kao i nepravilna uporaba vitamina i dodataka prehrani, koji uključuju ovaj mikroelement.
Sada shvatimo koje namirnice sadrže aluminij kako bismo regulirali svoju prehranu i pravilno organizirali jelovnik. Prije svega, to su mrkva, topljeni sirevi, pšenica, stipsa, krumpir. Od voća se preporučuju avokado i breskve. Osim toga, bijeli kupus, riža i mnoge ljekovite biljke bogate su aluminijem. Također, kationi predmetnog metala mogu biti sadržani u vodi za piće. Kako biste izbjegli visoku ili nisku razinu aluminija u tijelu (kao i bilo kojeg drugog elementa u tragovima), morate pažljivo pratiti svoju prehranu i pokušati je učiniti što uravnoteženijom.
