Ալյումին և երկաթ

Ալյումին, քիմիական նշանը՝ Al, ատոմային համարը՝ 13, ատոմային զանգվածը՝ 26.98154։

Վալենտային էլեկտրոնները երեքն են։ Արտաքին էլեկտրական շերտի դասավորվածությունն է 3s²p¹։ Գործնականում բոլոր միացություններում օքսիդացման աստիճանը +3 է (եռավալենտ) և 3 վալենտականություն։ Ալյումինի նեյտրալ ատոմի շառավիղը 0.143 նմ է, իսկ Al³⁺ իոնինը՝ 0.057 նմ։

Ալյումին պարզ նյութը փափուկ, թեթև արծաթասպիտակավուն երանգով մետաղ է, օժտված է մեծ էլեկտրա– և ջերմահաղորդականությամբ։ Ալյումինի խտությունը 2,7 գ/սմ³է։ Մոտ 3 անգամ թեթև է երկաթից և պղնձից, սակայն բավական ամուր է։ Ալյումինը հալվում է 600 °C ջերմաստիճանում։

Տարածվածությամբ ալյումինը մետաղների մեջ գրավում է առաջին տեղը և կազմում է երկրակեղևի զանգվածի 7 %–ը։

Առաջին անգամ ալյումինը ստացել է դանիացի ֆիզիկոս Հանս Էրսթեդի կողմից 1825 թվականին։  Նա ալյումինի քլորիդի (AlCl₃, որը կարելի էր ստանալ կավահողից) վրա ազդեց կալիումի ամալգամայով (սնդկահալվածքով՝ հալելով կալիումը սնդիկի հետ)։ Միայն քառորդ դար հետո այս մեթոդը հնարավոր եղավ մի քիչ կատարելագործել։ Ֆրանսիացի քիմիկոս Ա. Է. Սենտ-Կլեր Դեվիլը 1854 թվականին առաջարկեց ալյումին ստանալու համար օգտագործել մետաղական նատրիում և ստացավ նոր մետաղի առաջին ձուլակտորները։ Այդ ժամանակ ալյումինի գինը շատ բարձր էր, և դրանից պատրաստում էին թանկարժեք զարդեր։

Ալյումինի արտադրությունը կապված էր էլեկտրաէներգիայի մեծ ծախսերի հետ, այդ պատճառով մեծ մասշտաբներով այն սկսեցին ստանալ միայն 20-րդ դարում։

Ալյումինը ստանում են Al₂O₃ օքսիդի հալույթի էլեկտրոլիզով, իսկ օքսիդն առանձնացնում են բոքսիտ հանքաքարից:

Մետաղների էլեկտրաքիմիական շարքում ալյումինը գտնվում է բավական ձախ, իսկ դա նշանակում է, որ ուժեղ վերականգնիչ և շատ ակտիվ մետաղ է։ Թթվածնի մթնոլորտում տաքացված ալյումինն այրվում է՝ արձակելով օքսիդի շիկացած շիթեր.

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

 Ծծմբական թթվի լուծույթի և աղաթթվի հետ ալյումինը փոխազդում է ոչ մեծ արագությամբ.

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂;

Սակայն ալյումինը շատ զգայուն է ալկալիների նկատմամբ։ Արդեն սենյակային ջերմաստիճանում լուծվում է ալկալու ջրային լուծույթում՝ անջատելով ջրածին.

2Al + 6KOH = 2KAlO₂ + 2K₂O + 3H₂.

Հալոգենների հետ (բացի ֆտորից) առաջացնելով քլորիդ, բրոմիդ, յոդիդ.

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃

Ալյումինը շատ ակտիվ մետաղ է։ Փոխազդում է ջրի հետ՝

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂ {\displaystyle {\mathsf {2Al+6H_{2}O\rightarrow Al(OH)_{3}+3H_{2}}}}

Ֆտորի հետ, առաջացնելով ալյումինի ֆտորիդ.

Al + P = AlP.

·         {\displaystyle {\mathsf {2Al+3F_{2}\rightarrow 2AlF_{3}}}} ծծմբի հետ, առաջացնելով ալյումինի սուլֆիդ.

2Al + 3S = Al₂S₃.

• Ազոտի հետ, առաջացնելով Ալյումինի նիտրիդ.

2Al + N₂ = 2AlN,

• ածխածնի հետ, առաջացնելով ալյումինի կարբիդ.

4Al + 3C = Al₄C₃.

Ալյումինը հեշտությամբ է ենթարկվում մեխանիկական մշակման, որովհետև ունի մեծ կռելիություն և ձգվողականություն։ Կարելի է գլանել, լար ձգել, ինչպես նաև մամլել ու դրոշմել՝ իրին տալով ցանկացած ձև։

Թունավոր հատկության բացակայությունը թույլ է տալիս ալյումինը լայնորեն օգտագործելու խոհանոցային սպասքի, սննդի և գարեջրի արտադրական սարքավորումների պատրաստման, ինչպես նաև՝ սննդանյութերի և դեղանյութերի փաթեթավորման համար։ Առանց ալյումինի դժվար կլիներ պատկերացնել ինքնաթիռաշինությունը։ Ալյումինի աղերից մեծ կիրառություն ունի ալյումինական շիբը՝ KAl(SO₄)₂•12H₂O, որը կրկնակի աղ է (նաև բյուրեղահիդրիտ է) և օգտագործվում է արյան մակարդման համար, ինչպես նաև մուրաբաների պատրաստման և մանրաթելերի ներկման ժամանակ (մեծացնում է ներկանյութի կապը մանրաթելի հետ)։

Երկաթ, քիմիական նշանը՝ Fe։ Պարբերական համակարգի ութերորդ խմբի երկրորդական ենթախմբում է, ատոմային համարը՝ 26։ Այն սպիտակ-արծաթափայլ մետաղ է։ Ատոմի էլեկտրոնային բանաձևն է 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²։ Բացի Էներգիական չորրորդ մակարդակի 2 էլեկտրոնից, քիմիական կապերի առաջացմանը կարող են մասնակցել նաև երրորդ մակարդակի d-էլեկտրոնները։ Երկաթին բնորոշ են գերազանցապես +2 և +3 օքսիդացման աստիճանները։ Սակայն կան շատ քիչ թվով խիստ անկայուն միացություններ, որոնցում դրսևորվում է +6 օքսիդացման աստիճան։ Բնության մեջ տարածվածությամբ (4,65%) զբաղեցնում է չորրորդն է՝ թթվածնից(O), սիլիցիումից (Si) և ալյումինից (Al).) հետո։ Ազատ վիճակում երբեմն հանդիպում է միայն որոշ երկաթաքարերի տեսքով։ Գտնվում է հիմնականում օքսիդային հանքաքարերում, որոնցից կարևորներն են գորշ երկաթաքարը (լիմոնիտ)(Fe₂O₃ . nH₂O), կարմիր երկաթաքարը (հեմատիտ)(Fe₂O₃), մագնիսական երկաթաքարը (մագնետիտ) (Fe₃O₄), սիդերիտը (FeCO₃), պիրիտ (հրաքար)՝ FeS₂ և այլն։ Մարդու օրգանիզմում կա ~ 3գ երկաթ տարր գերազանցապես հեմոգլոբինի բաղադրության մեջ։

Արդյունաբերությունում երկաթը ստանում են երկաթի հանքաքարից հիմնականում հեմատիտից (Fe₂O₃) և մագնիտից (FeO·Fe₂O₃)։ Գոյություն ունեն տարբեր որակական եղանակներ երկաթը հանքաքարից ստանալու համար։ Առավել տարածված եղանակներից է, երբ երկաթը ստանում են բացառապես հրամետաղարտադրական եղանակով՝ դոմնային վառարանում։

Երկաթի տաքացված լարը թթվածնի մեջ մտցնելիս բուռն այրվում է՝ արձակելով շիկացած շիթեր և վերածվելով, այսպես կոչված, «խառը» օքսիդի՝ Fe₃O₄.

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

Ջրածնի հետ երկաթը չի փոխազդում։ Հալոգենների հետ օքսիդանում է մինչև +3 օքսիդացման աստիճան

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

Դիտարժան է նաև երկաթի ռեակցիան ծծմբի հետ։ Այդ նյութերի փոշիների խառնուրդը փորձանոթում տաքացնելիս սկսվում է բուռն ջերմանջատիչ ռեակցիա, որի հետևանքով գոյանում է երկաթի սուլֆիդ.

Երկաթը սովորական թթուներից անջատում է ջրածին՝ առաջացնելով երկվալենտ երկաթի աղ։

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂,

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂;

Երկաթն ակտիվ մետաղ է և կարող է մի շարք մետաղների դուրս մղել իրենց աղերի ջրային լուծույթներից.

Fe + SnCl₂ = FeCl₂ + Sn,

Երկաթը ջերմության և էլեկտրականության լավ հաղորդիչ է, շատ պլաստիկ է, ուստի հեշտությամբ գլանվում, ձգվում և կոփվում է: Երկաթը մագնիսանում է և ապամագնիսանում, այդ պատճառով լայն կիրառություն ունի տարբեր էլեկտրական սարքերում ու մեքենաներում:

Ժամանակակից տեխնիկայում երկաթը կիրառվում է գլխավորապես զանազան նյութերի՝ ազոտի, թթվածնի, ջրածնի, ծծմբի, ֆոսֆորի, ավելի հաճախ՝ ածխածնի հետ համաձուլվածքներ կազմած: Դրանց նույնիսկ չափազանց փոքր քանակները խիստ փոխում են երկաթի հատկությունները:

Այժմ գիտնականներն ստանում են երկաթի այնպիսի տեսակներ, որոնք չեն ժանգոտում, չեն վախենում կրակից ու թթուներից, ինչպես նաև վերադասավորում են իրենց ատոմներն այնպես, որ տասնապատիկ անգամ ամուր դառնան: