Лайнус Полинг, Питер Полинг - Химия
Некоторые физические свойства алюминия и родственных ему элементов приведены в табл. 18.3. Плотность алюминия почти в три раза меньше плотности железа, но в то же время некоторые его сплавы (например, описанный ниже дюралюминий) обладают прочностью мягкой стали; благодаря сочетанию легкости и прочности при невысокой стоимости производства алюминиевые сплавы находят широкое применение. Алюминий используют вместо меди как хороший проводник электричества: его электропроводность достигает почти 80% электропроводности меди*. Металлургия алюминия описана в гл. 11.
Металлический алюминий обладает большой реакционной способностью (см. ряд напряжений); при сильном нагревании в атмосфере воздуха или кислорода он быстро сгорает. Алюминиевая пыль образует с воздухом взрывчатую смесь. В обычных условиях, однако, алюминий быстро покрывается прочным тонким слоем окиси алюминия, предохраняющим его от дальнейшей коррозии.
Некоторые алюминиевые сплавы находят очень широкое применение. Одним из таких сплавов, обладающих большей прочностью и вязкостью, чем чистый алюминий, является дюралюминий, или дюраль, — сплав, содержащий около 94,3% алюминия, 4% меди, 0,5% марганца, 0,5% магния и 0,7% кремния. Он, однако, менее коррозионноустойчив, и его часто защищают покрытием из чистого алюминия. Листы, прокатанные из дюраля и с обеих сторон плакированные чистым алюминием, носят название альклад.
Окись алюминия (глинозем) Al2O3 в природе встречается в виде минерала корунда. Неочищенный корунд (наждак) применяют в качестве абразива. Чистый корунд бесцветен. Драгоценные камни рубин (красного цвета) и сапфир (синий или иного цвета) — прозрачные кристаллы корунда, содержащие небольшие количества различных окислов металлов (окисей хрома и титана). Можно получать искусственные рубины и сапфиры сплавлением окиси алюминия (т. пл. 2050 °C) с небольшими количествами других окислов; охлаждать расплав следует при таком режиме, который позволял бы получать крупные кристаллы. Полученные таким образом камни по свойствам нельзя отличить от природных; характерным их признаком служат лишь периферические микроскопические вкрапления пузырьков воздуха. Такие камни служат украшениями, а в промышленности их используют для изготовления подшипников («камней») в часовых и иных механизмах, фильер волочильных станов.
Сульфат алюминия Al2(SO4)3·18H2O можно получить растворением гидроокиси алюминия в серной кислоте
2Al(OH)3 + 3H2SO4 + 12H2O → Al2(SO4)3·18H2O
Его применяют для очистки воды и в качестве протравы при печатании тканей (протрава — вещество, которое закрепляет краску, делая ее нерастворимой). В обоих случаях это оказывается возможным благодаря свойству Al2(SO4)3 давать при растворении в большом количестве нейтральной или слабощелочной воды желатинообразный осадок гидроокиси алюминия Al(OH)3. Происходящая при этом реакция является обратной указанной выше. При крашении и печатании тканей желатинообразный осадок способствует закреплению краски на тканях. В случае очистки воды осадок такого рода адсорбирует растворенные и суспендированные в воде загрязнения, которые удаляют после их оседания на дно резервуара.
При выпаривании раствора, содержащего сульфат алюминия и сульфат калия K2SO4, выпадают красивые бесцветные кубические (октаэдрические) кристаллы квасцов KAl(SO4)2·12H2O. С сульфатом аммония образуются аналогичные кристаллы аммонийных квасцов NH4Al(SO4)2·12H2O. Квасцы, так же как и сульфат алюминия, применяют как протраву при крашении тканей, для очистки воды и в качестве уплотняющего проклеивающего материала при производстве бумаги (гидроокись алюминия осаждается между волокнами целлюлозы).
Хлорид алюминия AlCl3 получают пропусканием сухого хлора или хлористого водорода над нагретым алюминием
2Al + 3Cl2 → 2AlCl3
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
Безводный AlCl3 применяют во многих химико-технологических процессах, в частности при производстве бензина на крекинг-установках.
* Электропроводность определяется как проводимость электричества проволокой с площадью поперечного сечения, равной единице. Плотность алюминия составляет лишь 30% плотности меди; следовательно, алюминиевая проволока того же веса, что и медная проволока той же длины, проводит в 2,7 раза больше электричества при одних и тех же потерях электроэнергии.
Скандий, иттрий, лантан и лантаноиды
Скандий, иттрий и лантан — элементы, родственные бору и алюминию; они образуют бесцветные соединения, похожие на соответствующие соединения алюминия; окислы этих соединений имеют формулы Sc2O3, Y2O3 и La2O3. Ни сами элементы, ни их соединения не нашли пока достаточно широкого применения.
Скандий, иттрий и лантан в природе обычно встречаются вместе с четырнадцатью лантаноидами — элементами от церия (атомный номер 58) до лютеция (атомный номер 71)*. Все эти элементы, за исключением прометия (полученного искусственно), обнаружены в природе в очень небольших количествах, причем основным источником этих элементов является минерал монацит — смесь фосфатов редкоземельных элементов, содержащая также некоторое количество фосфата тория.
Эти металлы очень электроположительны, и поэтому их трудно выделить. Для их получения можно использовать метод электролитического восстановления расплавленной смеси окислов и фторидов. Сплав, содержащий около 70% церия и небольшие количества других лантаноидов и железа, при царапании дает искры. Этот сплав находит широкое применение при изготовлении камней для зажигалок.
Моносульфид церия CeS и моносульфид тория ThS, а также другие аналогичные сульфиды представляют собой ценные огнеупорные материалы. Температура плавления моносульфида церия 2450 °C.
* Лантан часто считают одним из редкоземельных элементов (лантаноидов). Для удобства изложения материала в данной книге условно принято считать лантан членом III группы, остальные четырнадцать элементов отнесены к группе лантаноидов.