关于铝的性质
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发布时间：2022-04-29 05:47
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时间：2022-05-12 14:55
金属铝是一种银白色有光泽的金属，具有良好的延展性和导电性，能代替铜用来制造电线、高压电缆、发动机等电器设备。
1 、铝的成键特征
① Al 原子的价电子层结构为 3s 2 3p 1 ，在化合物中经常表现为 +3 氧化态。由于 Al 3+ 有强的极化本领，在化合物中常显共价，表现出缺电子特点。分子自身聚合或生成加合物。
② 另外， Al 原子有空的 3d 轨道，与电子对给予体能形成配位数为 6 或 4 的稳定配合物。例如 Na 3 [AlF 6 ] 、 Na[AlCl 4 ] 等。
2 、铝的性质
1 ° 铝是典型的两性元素。
铝易溶于稀酸 , 能从稀酸中置换氢 , 不过铝的纯度越高 , 在酸中的反应越慢。
2Al + 3H 2 SO 4 → Al 2 ( SO 4 ) 3 + 3H 2 ↑
在冷的浓 HNO 3 和浓 H 2 SO 4 中，铝的表面会被钝化不发生作用。但铝能同热的浓硫酸反应：
2Al + 6H 2 SO 4 ( 浓 ) → Al 2 ( SO 4 ) 3 + 3SO 2 ↑ + 6H 2 O
铝能溶在强碱溶液中生成铝酸钠 , 其脱水产物或高温熔融产物的组成符合最简式 NaAlO 2 。
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H 2 ↑
2 ° 铝是亲氧元素
铝一接触空气，其表面立即生成一层致密的氧化膜，阻止内层的铝被氧化，使铝在空气中有很高的稳定性。它被广泛用于制造日用器皿。
铝同氧在高温下反应并放出大量的热：
2Al + 3O 2 → Al 2 O 3 Δ r H θ = -3339kJ/mol
利用这个反应的高反应热，铝常被用来从其它氧化物中置换金属，这种方法被称为铝热法。例如：
2Al + Fe 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Fe
在反应中放出的热量可以把反应混合物加热至很高的的温度 (3273K) ，使产物金属熔化而同氧化铝熔渣分层。铝热还原法常被用来焊接损坏的铁路钢轨（不需要先将钢轨拆除），这种方法也常被用来还原某些难以还原的金属氧化物如 MnO 2 、 Cr 2 O 3 等。所以铝是冶金工业上常用的还原剂。
(3) 在高温下，铝也容易同其它非金属反应生成硫化物，卤化物等。
3 、铝的提取和冶炼
铝是活泼金属，它的离子有很高的水合能，因此不能从水溶液中提取这个金属。但从干态的化合物制备铝又需要更活泼的金属 ( 如钠 ) 作还原剂，在经济上和操作上都是不利的。近代工业是用电解熔融氧化物的方法制备金属铝。
从铝矾土矿出发提取和冶炼铝的步骤：
1 ° 用碱溶液处理铝矾土矿或用碳酸钠焙烧铝矾土矿得到铝酸盐：
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O → 2Na[Al(OH) 4 ]
Al 2 O 3 + Na 2 CO 3 → 2NaAlO 2 + CO 2 ↑
2 ° 将铝酸盐溶液静置澄清除去不溶杂质后，向碱溶液中通入 CO 2 促使铝酸盐水解：
2Na[Al(OH) 4 ] + CO 2 → Al(OH) 3 ↓ + Na 2 CO 3 + H 2 O
2NaAlO 2 + CO 2 + 3H 2 O → 2 Al(OH) 3 ↓ + Na 2 CO 3
3 ° 将 Al(OH) 3 过滤分离 , 干燥后煅烧 , 便得到符合电解需要的纯净的氧化铝
分离后剩下的 Na 2 CO 3 经苛化后可以再次用来浸提铝矾土。
4 ° 将 Al 2 O 3 熔在熔融的冰晶石中 Na 3 AlF 6 （作为电解介质）中进行电解。
电解约在 1300K 时进行，在阴极上得到金属铝，铝是液态的，可以定时的放出，铸成铝锭。
电解槽为铁的外壳，里面是用耐火砖砌成的绝热层和碳衬里（兼做阴极）。用大块的石墨作阳极。电解时在阳极产生的 O 2 使石墨电极燃烧而消耗，故需要把它逐渐下降。阳极产物除 O 2 、 CO 、 CO 2 外，同时还生成少量的 F 2 和 CF 4 。电解熔体的表面被电解质的硬壳所覆盖，起保温的作用，但在周期的加入 Al 2 O 3 和少量的冰晶石时必须敲开硬壳。电解时电压为 5V ，电流强度为 60000A ，每电解出 1 吨金属铝要消耗约两万度的电能。电解铝的纯度一般为 98%~99% ，杂质主要有 Si 、 Fe 和微量的镓 Ga 。
4 、氧化铝和氢氧化铝
1 ° 氧化铝
Al 2 O 3 有多种变体，其中最为人们所熟悉的是 α— Al 2 O 3 和 γ— Al 2 O 3 。它们都是难熔的与不溶于水的白色粉末。单质铝表面的氧化膜，既不是 α— Al 2 O 3 ，也不是 γ— Al 2 O 3 ，它是氧化铝的另一种变体。
自然界中存在的刚玉为 α— Al 2 O 3 ，它的晶体属于六方紧密堆积结构， 6 个 O 原子围成一个八面体，在整个晶体中有 2/3 的八面体孔穴为 Al 原子所占据。由于这种紧密堆积结构，晶格能大，所以 α— Al 2 O 3 的熔点（ 2288 ± 15K ）和硬度（ 8.8 ）都很高。它不溶于水，也不溶于酸或碱，耐腐蚀而且电绝缘性好。用做高硬度的研磨材料和耐火材料。
天然的或人造刚玉中由于含有不同的杂质而有多种颜色。例如含有微量的 Cr 3+ 呈红色，称为红宝石。含有 Fe 2+ 、 Fe 3+ 或 Ti 4+ 的称为蓝宝石。将水合氧化铝加热至 1273K 以上，都可以得到 α— Al 2 O 3 。
加热使氢氧化铝脱水，在较低的温度下生成 γ— Al 2 O 3 。它的晶体属于面心立方紧密堆积构型。 Al 原子不规则的排列在由 O 原子围成的八面体和四面体空穴中。这种结构使 γ— Al 2 O 3 硬度不高，具有较大的表面积，粒子小，具有较高的吸附能力和催化活性，性质比 α— Al 2 O 3 活泼，较易溶于酸或碱溶液中。又名活性氧化铝，可以用做吸附剂和催化剂。
2 ° 氢氧化铝
Al 2 O 3 的水合物一般称为氢氧化铝 Al(OH) 3 ，加氨水或碱于铝盐溶液中，可以沉淀出体积蓬松的白色 Al(OH) 3 沉淀 . 它是一种两性氢氧化物，但其碱性略强于酸性，仍属于弱碱 .
Al 3+ + 3OH - ═ Al(OH) 3
Al(OH) 3 + 3H + ═ Al 3+ + 3H 2 O
Al(OH) 3 + OH - ═ Al(OH) 4 -
Al(OH) 3 不溶于 NH 3 中，它与 NH 3 不生成配合物。
Al(OH) 3 和 Na 2 CO 3 一同溶于氢氟酸中，则可以生成冰晶石 Na 3 AlF 6 ：
2Al(OH) 3 + 12HF + 3Na 2 CO 3 ═ 2 Na 3 AlF 6 + 3CO 2 ↑ + 9 H 2 O
5 、铝盐和铝酸盐
金属铝、氧化铝或氢氧化铝与酸反应得到的产物是铝盐，铝在这里表现为金属。
金属铝、氧化铝或氢氧化铝与碱反应得到的产物是铝酸盐，铝在这里表现为非金属。
1 ° 铝盐
铝盐都含有 Al 3+ 离子，在水溶液中 Al 3+ 是以八面体水合配离子的形式存在，它水解使溶液显酸性。
[Al(H 2 O) 6 ] 3+ + H 2 O ═ [Al(H 2 O) 5 (OH)] 2+ + H 3 O +
[Al(H 2 O) 5 (OH)] 2+ 还将逐级水解，直至产生 Al(OH) 3 沉淀。
铝盐溶液加热时会促进 Al 3+ 水解而产生一部分 Al(OH) 3 沉淀。
[Al(H 2 O) 6 ] 3+ ═ Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 O + 3H +
在铝盐溶液中加入碳酸盐或硫化物会促使铝盐完全水解。
2Al 3+ + 3CO 3 2- + 3H 2 O ═ 2 Al(OH) 3 ↓ + 3CO 2 ↑
2Al 3+ + 3S 2- + 3H 2 O ═ 2 Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 S ↑
2 ° 铝酸盐
Al 2 O 3 与碱熔融可以制得铝酸盐：
Al 2 O 3 + 2NaOH ═ 2NaAlO 2 + H 2 O
固态的铝酸盐有 NaAlO 2 、 KAlO 2 等，在水溶液中尚未找到 AlO 2 - 这样的离子，铝酸盐离子在水溶液中是以 [Al(H 2 O) 4 ] - 或 [Al(H 2 O) 6 ] 3+ 等水合配离子的形式存在的。
铝酸盐水解使溶液显碱性：
Al(OH) 4 - ═ Al(OH) 3 + OH -
在这个溶液中通入 CO 2 气体，可以促使水解的进行而得到 Al(OH) 3 的沉淀：
2NaAlO 2 + 3CO 2 + 3H 2 O ═ 2 Al(OH) 3 ↓ + Na 2 CO 3
工业上正是利用这个反应从铝矾土矿制取 Al(OH) 3 , 而后制备 Al 2 O 3 。
6 、铝的卤化物
三卤化铝是铝的特征卤化物 . 除 AlF 3 是离子型化合物外 ,AlCl 3 、 AlBr 3 和 AlI 3 均为共价型化合物。我们主要介绍 AlCl 3 的：
1 ° 三氯化铝的结构特点
在气相或非极性溶剂中 AlCl 3 是二聚的。因为 AlCl 3 是缺电子分子， Al 原子有空轨道， Cl 原子有孤电子对， Al 原子采取 sp 3 杂化，接受 Cl 原子的一对孤电子对形成四面体构型。两个 AlCl 3 分子靠氯桥键（三中心两电子键）结合起来形成 Al 2 Cl 6 分子，这种氯桥键与 B 2 H 6 的氢桥键结构相似。
2 ° 三氯化铝的化学性质
无水 AlCl 3 在常温下是一种白色固体，遇水发生强烈水解并放热，甚至在潮湿的空气中也强烈的冒烟：
AlCl 3 + H 2 O ═ Al(OH)Cl 2 + HCl ↑
AlCl 3 将逐级水解直至产生 Al(OH) 3 沉淀。 .
Al(OH)Cl 2 + H 2 O ═ Al(OH) 2 Cl + HCl ↑
Al(OH) 2 Cl + H 2 O ═ Al(OH) 3 ↓ + HCl ↑
碱式氯化铝是一种高效净水剂。它是由介于 AlCl 3 和 Al(OH) 3 之间的一系列中间水解产物聚合而成的高效的高分子化合物 , 组成式是 [Al 2 (OH) n Cl 6-n ] m ， 1 ≤ n ≤ 5 ， m ≤ 10 ，是一个多羟基多核配合物 , 通过羟基架桥而聚合 . 因其化学式量比一般絮凝剂 Al 2 (SO 4 ) 3 、明矾或 FeCl 3 大得多，而且有桥式结构，所以它有强的吸附能力。能除去水中的铁、锰、氟、放射形污染物、重金属、泥沙、油脂、木质素以及印染废水中的疏水性燃料等，在水质处理方面优于 Al 2 (SO 4 ) 3 和 FeCl 3 。 AlCl 3 易溶于乙醚等有机溶剂中，这也恰好证明它是一种共价型化合物。
与 BF 3 一样， AlCl 3 容易与电子对给予体形成配离子或加合物：
AlCl 3 + Cl - ═ AlCl 4 -
AlCl 3 + NH 3 ═ AlCl 3 ·NH 3
这一性质使 AlCl 3 成为有机合成中常用的催化剂。
3 ° 三氯化铝的制备方法
无水 AlCl 3 的制备方法有两种 ( 干法 ) ：
① 熔融的金属铝与 Cl 2 气反应： 2Al + 3Cl 2 ═ 2AlCl 3
② 氧化铝和碳的混合物中通入 Cl 2 气： Al 2 O 3 + 3C + 3Cl 2 ═ 2AlCl 3 + 3CO 用湿法只能得到 AlCl 3 ·6 H 2 O 。
